4. Chirale Erkennung. 4.1 Chirale Derivatisierungsreagenzien in der NMR-Spektroskopie

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1 4. hirale Erkennung Mit Ausnahme der chiroptischen Methoden (D = irculardichroismus; ED und VD; Abschnitt 5.1) und der anomalen öntgenbeugung (Abschnitt 5.2) sind alle experimentellen Methoden auch die M achiral, d.h. sie können nicht zwischen den Enantiomeren einer zu untersuchenden Verbindung (Substrat) unterscheiden. Dennoch kann man sie zur chiralen Erkennung heranziehen, wenn man bei der Messung einen chiralen ilfsstoff (oft auch Auxiliar genannt) in enantiomerenreiner Form verwendet. Dieses Auxiliar soll mit dem Substrat in irgendeiner Weise interagieren, sodass aus den enantiomeren Substraten diastereomere Untersuchungsobjekte werden, deren physikalische Eigenschaften, also auch spektroskopische, sich im Prinzip unterscheiden. Man wird dann statt identischer Signale für die Enantiomeren unterschiedliche Signale für die Diastereomeren erhalten. Man nennt dies Dispersion, genauer: diastereomere Dispersion. Es sei erwähnt, dass die chirale hromatographie auf diesem Gebiet eine sehr bedeutende und erfolgreiche olle spielt. Dazu verwendet man chirale, enantiomerenreine stationäre asen, mit denen die enantiomeren Substratmoleküle unterschiedliche, weil diastereomere Wechselwirkungen haben. Diese Interaktionen sind häufig kurzzeitige Komplexierungen an polymeren Trägern, die chirale ezeptorstellen besitzen. äufig werden dafür asen auf der Basis von ellulose- oder Amylose-Derivaten oder auch yclodextrinen verwendet. Ein achteil der chiralen Erkennung durch hromatographie besteht darin, dass es oft zeitaufwändig und kostenintensiv ist, für die Unterscheidung oder im präparativen Maßstab für die Trennung von Enantiomeren die geeigneten stationären asen zu finden oder zu entwickeln. Im Folgenden wollen wir uns auf die Kernmagnetische esonanz-spektroskopie (M) beschränken. ier gibt es eine große Vielfalt von Methoden, von denen zahlreiche sehr einfach, schnell und ohne großen experimentellen Aufwand an normalerweise in chemischen Instituten ohnehin vorhandenen M-Spektrometern durchgeführt werden können. ft sind die erforderlichen Auxiliare kommerziell erhältlich. Eine exzellente Zusammenstellung findet sich in einer Monographie von T. Wenzel (2007); siehe Kapitel 10. Es sind zwei wichtige Motivationen zur Durchführung solcher Experimente zu unterscheiden. Man möchte bei einem vermuteten oder tatsächlichen Enantiomerengemisch wissen, welches Mengenverhältnis vorliegt, ohne dass es zunächst erforderlich ist zu wissen, welches Enantiomer welche Absolutkonfiguration besitzt. Dies ist ein typischer Fall für die Untersuchung der eaktionsprodukte einer asymmetrischen Synthese. Die dazu zur Verfügung stehenden M-Methoden sind in den Abschnitten 4.1 und 4.2 beschrieben. Man möchte bei einem vorliegenden reinen Enantiomeren wissen, welche Absolutkonfiguration es hat. Dies kommt dann häufig vor, wenn chirale aturstoffe isoliert worden sind oder wenn man reine Enantiomere nach einer erfolgreichen acematenspaltung erhalten hat. Methoden für diesen Zweck sind in Kapitel 5 beschrieben. Für die Verwendung in der M-Spektroskopie gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Typen von Auxiliaren: hirale Derivatisierungsreagenzien (chiral derivatizing agents; DA), bei denen die enantiomeren Substratmoleküle durch chemische eaktion mit den DA in Diastereomere überführt werden. Dies geschieht unter Ausbildung kovalenter Bindungen, gelegentlich auch durch Salzbildung bei Kristallisation. hirale Solvatisierungsreagenzien (chiral solvating agents; SA), bei denen die enantiomeren Substratmoleküle in eine chirale Umgebung gebracht werden, ohne dass eine kovalente Bindung geknüpft wird. Dies kann geschehen durch Messung von Solvenskomplexen in chiralen enantiomerenreinen Lösungsmitteln oder durch Adduktbildung des Substrats an einen chiralen, enantiomerenreinen Komplex. Beide Methoden werden heute vielfältig verwandt und stellen neben der hromatographie an chiralem Trägermaterial die verbreitetsten Methoden zur Enantiomerendifferenzierung dar. 4.1 hirale Derivatisierungsreagenzien in der M-Spektroskopie Die beiden enantiomeren Substratmoleküle (+)-S und ( )-S reagieren mit einem enantiomerenreinen Derivatisierungsreagenz (+)-DA zu diastereomeren Verbindungen: (+)-S + (+)-DA (+)-S (+)-DA ( )-S + (+)-DA ( )-S (+)-DA beziehungsweise ( )-S + ( )-DA ( )-S ( )-DA (+)-S + ( )-DA (+)-S ( )-DA 5

2 tzt man das enantiomere ( )-DA ein, erhält man die jeweiligen Spiegelbilder, was aber für die chirale Erkennung unerheblich ist, weil die M-Spektroskopie Enantiomere nicht unterscheiden kann. Die DA produzieren aus den Enantiomeren diastereomere Derivate, so dass enantiotope M-Kerne des Substrats diastereotop und damit anisochron sind, d.h. sie werden dispergiert werden. Die Signale werden so verdoppelt (diastereomere Dispersion δ in ppm oder ν in z); eines für jedes Diastereomer, auch wenn diese Signalaufspaltung nicht immer groß genug ist, um in einem outine-m-experiment aufgelöst zu werden. Dies gilt für alle Kerne, die sich in einem Substrat-DA-Derivat befinden, also auch für die des DA. Eine Integration liefert dann das relative Verhältnis der diastereotopen Signalpaare als Abbild des Verhältnisses der enantiomeren Ligandenmoleküle. Um möglichst große Dispersionen zu erhalten, gibt es mehrere Möglichkeiten: (a) Man misst bei möglichst hohem äußeren Magnetfeld B 0, weil der Abstand unterschiedlicher M-Signale in z, also δ bzw. ν, proportional zur Erhöhung dieses Feld zunimmt. (b) Man verwendet Kerne, die eine größere Empfindlichkeit bezüglich der Struktur der gemessenen Moleküle haben. Diese erkennt man oft daran, dass ihre chemischen Verschiebungsbereiche größer sind als die der üblicherweise gemessenen Kerne. Beispiele sind 19 F, 31 P und vor allem 77. Letzteres hat eine 8- bis 10-fach höhere Empfindlichkeit als 13 ; die Bereiche sind ca. 250 ppm für 13, aber ppm für 77 ; vgl ppm für 1. Die DA-Methode ist nicht unproblematisch, wenn es um die Bestimmung von Enantiomerenverhältnisse geht. Es muss nämlich sichergestellt sein, dass die eaktion mit praktisch 100% chemischer Ausbeute verläuft. Außerdem darf keine asymmetrische Induktion stattfinden. Mit anderen Worten, es muss ausgeschlossen werden, dass das Enantiomerenverhältnis der Ausgangssubstrate (+)-S/( )-S identisch mit dem Diastereomerenverhältnis (+)-S (+)- DA/( )-S (+)-DA der Produkte ist. Dies ist keineswegs selbstverständlich und muss ggf. durch unabhängige Methoden, z.b. chromatographische Messung, nachgewiesen werden. Kann man sicher stellen, dass die eaktion beider enantiomerer Substrate mit 100%iger chemischer Ausbeute läuft und dass das DA im Überschuss vorliegt, dass also nach der eaktion keine freien Substrat-Moleküle mehr vorhanden sind, ist dies ebenfalls hinreichend für eine erfolgreiche Bestimmung eines Enantiomerenverhältnisses. Die DA-Methode ist also im Gegensatz zur im folgenden Abschnitt 4.2 vorgestellten SA-Methode für eine schnelle und sichere Bestimmung von Enantiomerenverhältnisse nicht unbedingt optimal. ingegen ist sie empfehlenswert, wenn es nur darum geht zu sehen, ob bei einer eaktion überhaupt Enantiomere entstanden sind. Denn normalerweise sind wegen der stärkeren intramolekularen Wechselwirkung die Unterschiede in den M-Spektren von diastereomeren DA-Derivaten größer als die in SA-Addukten. Außerdem kann sie für die Bestimmung von Absolutkonfigurationen höchst erfolgreich eingesetzt werden (Abb. 5-3). Die DA-Methode kann nur angewendet werden, wenn die zu untersuchenden Substrate über eine genügend reaktive funktionelle Gruppe verfügen. Dafür bieten sich Alkohole, Amine, arbonsäuren etc. als Substrate und entsprechende DA an. Ist das Substrat z.b. ein chiraler Alkohol, kann man ihn mit einer DA-arbonsäure umsetzen, die aber zuvor aktiviert werden muss, was durch eine Umsetzung zum entsprechenden Säurechlorid oder Säureanhydrid bewirkt werden kann. Bei Aminen würde man das entsprechende Amid erhalten, bei dem aber darauf zu achten ist, dass es bei unsymmetrischer Substitution ( ) zur E/Z-Isomerie kommen kann, die sich in den M- Spektren durch einen doppelten Signalsatz für jedes diastereomere Produkt ausdrücken kann. Bei arbonsäuren als Substrat kann entsprechend umgekehrt mit einem DA-Alkohol oder Amin gearbeitet werden. Typische DA-Auxiliare sind: Abb. 4-1 F 3 P l Das mit Abstand wichtigste eagenz aus dieser eihe ist die Mosher-Säure, ()-(+)-(a)-methoxy-α-trifluormethyl-phenylessigsäure (Abb. 4-1, erste Formel von links). Sie liefert leicht detektierbare M-Signale der gebildeten diastereomeren Ester bzw. Amide; vor allem 1 von, 19 F von F 3, beides Singulettsignale von hoher Intensität und Empfindlichkeit. Beide Enantiomere der Mosher-Säure sind kommerziell erhältlich. Auch die (1S,4)-(-)-ω-amphansäure (Abb. 4-1, zweite Formel von links) wurde in ähnlicher Weise erfolgreich eingesetzt. Im Falle des Anderson-Shapiro-eagenzes (Abb. 4-1, dritte Formel von links) bietet sich das Signal des ebenfalls recht empfindlichen 31 P-Kerns an. Für arbonsäuren gibt ein sehr interessantes selenhaltiges eagenz (lon; Abb. 4-2, links), bei dem man das 77 - M-Signal misst. Dieser Kern hat eine Empfindlichkeit, die mit der von 13 vergleichbar ist. Er zeichnet sich durch besonders große Dispersionen aus; d.h., er erkennt ein hiralitätszentrum auch noch in großer Entfernung. 6

3 Abb M-Spektrum 7 Bindungen * Das 77 -M-Signal ist trotz der großen Entfernung zwischen dem lenatom und dem hiralitätszentrum in der Säurekette ( ) eindeutig dispergiert; die Abstand beträgt immerhin sieben Bindungen entlang einer konformativ beweglichen Kette. ier ist 77 den konventionellen Kernen wie 1 und 13 weit überlegen. och eindrucksvoller ist, dass der 77 -Kern in der Lage ist, die beiden diastereomeren α-monodeuterophenylessigsäuren (Mitte) zu unterscheiden. Man beachte auch die deutlichen Isotopenverschiebungen der 77 -M-Signale. 77 -M-Signale D D D Abb. 4-3 Die hier untersuchte enylessigsäure wurde partiell deuteriert. Das linke 77 -Signal gehört zum undeuterierten Isomer, während das mittlere Signal die monodeuterierten Derivate repräsentiert. Da durch die einfache Deuterierung ein neues hiralitätszentrum entsteht, gibt es zwei zueiander diastereomere Monodeutero-Verbindungen, die bis zur Grundlinie dispergierte 77 -Signale zeigen. Das rechte Signal gehört zum Dideutero-Derivat. Der 77 -Kern ist also in der Lage, die unterschiedlichen stereochemischen Positionen des einen Deuteriumatoms zu differenzieren. 4.2 hirale Solvatisierungsreagenzien in der M-Spektroskopie Das Grundprinzip der Wechselwirkung zwischen Substratmolekül und Auxiliar ist hier nicht die Ausbildung einer kovalenten Bindung. Vielmehr wird hier die hiralität der Solvathülle bei chiralen solvatisierenden Molekülen ausgenutzt. Allerdings muss diese Wechselwirkung relativ stark sein, um eine erkennbare Diastereomerie zu erzeugen. In Abschnitt 4.1 war darauf hingewiesen worden, dass die diastereomeren DA-Derivate das Verhältnis der ursprünglichen Enantiomeren Substratmoleküle S genau widerspiegeln. Dies ist bei der SA-Methode anders. (+)-S + (+)-SA ( )-S + (+)-SA 7 (+)-S (+)-SA ( )-S (+)-SA ier entstehen diastereomere Addukte (+)-S (+)-SA und ( )-S (+)-SA ohne kovalente Bindung, die aber im Allgemeinen eine kurze Lebenszeit haben. Das bedeutet, dass die relative langsame M-Spektroskopie die beiden Spezies (+)-S und (+)-S (+)-SA, also die freien und gebundenen nicht unterscheiden kann; man erhält für jeden Kern des Substrats ein Durchschnittssignal. Man kann auch sagen, das M-Experiment ist im ochtemperatur- Bereich, d.h. oberhalb der Koaleszenz. Entsprechendes gilt natürlich auch für das andere Substratenantiomer ( )-S sowie für das enantiomere ( )-SA. Somit ergibt sich, dass die gemessene durchschnittliche chemische Verschiebung eines bestimmten Kerns in einem bestimmten Substrat nicht nur von davon abhängt, welche Wirkung die Adduktbildung hat und welches Mengenverhältnis S/SA vorliegt. Auch die jeweilige Gleichgewichtslage ist von großer Bedeutung. Unterscheidet diese sich deutlich, ist dies für eine chirale Differenzierung eher günstig, weil die Signale der beiden diastereomeren Addukte sich im egelfall dann noch mehr unterscheiden (größere Signaldispersion), als es durch den intramolekularen Kontakt zwischen Substrat S und Auxiliar SA ohnehin schon der Fall ist. Es sei zudem darauf hingewiesen, dass Aufspaltungen nur an den Signalen der Substratmoleküle S, nicht an denen des SA beobachtet werden können. Da SA enantiomerenrein ist, bildet die enantiomeren S-Moleküle stets unterschiedliche Addukte, die sich dann im Prinzip in den chemischen Verschiebungen aller M-Signa differieren. Umgekehrt, jedes SA-Molekül sieht wegen des schnellen Austauschs im Durchschnitt das Enantiomerengemisch von S

4 im exakt gleichen Verhältnis. hirale Diskirminierung ist für die SA-Kerne also nicht möglich. Erst eine Abkühlung der Messlösung unter die Koaleszenztemperatur, also eine Verlangsamung des intermolekularen Austauschs, liefert ein Ergebnis, das dem der DA-Methode entspricht. Dies ist ein wichtiges Experiment, wenn man an der relativen Gleichgewichtslage interessiert ist, aber das ist nicht der ormalfall in der SA-Methode. Führt man die SA-Methode mit dem enantiomeren Auxiliar, hier ( )-SA, sind alle Verhältnisse exakt spiegelbildlich, aber das kann die M-Spektroskopie nicht unterscheiden. Es ist also für ein Experiment zur Unterscheidung enantiomerer Substrate, z.b. zur Ermittlung des Enantiomerenverhältnisses, uneerheblich, welches der beiden enantiomeren DA verwendet wird. hirale Lösungsmittel Verwendet man ein Lösungsmittel als Auxiliar, muss man darauf achten, dass beide Moleküle (Substrat und Lösungsmittel) über funktionelle Gruppen verfügen, die sich stark genug anziehen, um einen genügend starken Lösungsmittelkomplex mit ausreichender Lebenszeit zu erzeugen. Der erste, der dieses Prinzip verwendet hat, war Pirkle ( ), der zur chiralen Diskriminierung von Aminen enantiomerenreine Alkohole, die sogenannten Pirkle-Alkohole, der Messlösung beigefügt hat. Umgekehrt funktioniert das auch; enantiomerenreine Amine zur Erkennung chiraler Alkohole: F 3 F 3 F 3 Abb. 4-4 F 3 2 F 3 2 Abb. 4-4 zeigt eine eihe typischer Pirkle-Auxiliare, alle (S)-konfiguriert. Es funktioniert natürlich genauso gut mit den Enantiomeren. Die gemeinsamen strukturellen Eigenschaften dieser Verbindungen sind die Anwesenheit einer und eiunes aromatischen estes. Die F 3 -Gruppe die Acidität der Alkohole erhöht, was zu einer Verstärkung der Assoziation der beiden Komponenten durch Wasserstoffbrückenbindungen führt. Zugleich eröffnet dies die Möglichkeit, 19 F-M-spektren aufzunehmen, die nur eine einzige, durch diastereomere Wechselwirkungen verdoppelte esonanz zeigen, also nie in der Gefahr von Signalüberlappungen sind. Aufnahmen unter Breitband- 1 -Entkopplung machen die Dispersion der 19 F-M-Signals im Allgemeinen noch besser auswertbar. Für eine effektive Assoziation sind zudem die aromatischen Gruppen erforderlich, weil sie zusätzliche sekundäre Wechselwirkungen (sog. secondary binding) aufbauen, die zu konformativen Einschränkungen und geringerer Beweglichkeit innerhalb der Assoziate führen. Diese Wirkung ist für eine ausreichende gegenseitige Beeinflussung der Komponenten und für ausgepägte Disperionen von großem Vorteil, wenn 1 und/oder 13 -Kerne gemessen werden. Auch hier ist die Verwendung struktur-empfindlicherer Kerne wie 77 nützlich, wo auf secondary binding i.a. verzichtet werden kann. hirale Lanthaniden-Verschiebungsreagenzien (LS) hirale LS (LS) spielen auch heute noch eine äußerst wichtige olle bei der chiralen Erkennung von Liganden; sie sind das Mittel der Wahl für die Differenzierung chiraler Alkohol, Amine und arbonylverbindungen. LS bestehen aus Lanthanoidionen Ln 3+ (Ln = Europium Eu und Ytterbium Yb, seltener Praseodym Pr) sowie aus drei chiralen Dionat-esten (Abb. 4-5), die meist vom D-ampher abgeleitet sind. Typische Vertreter sind die sog. tfc- (3-trifluoracetylcamphorato) oder hfm-anionen (3-heptafluorpropylhydroxymethylen) Abb = F 3 oder F 2 F 2 F 3 LS haben eine siebte Komplexierungsstelle, an die ein Substratmolekül mit einer funktionellen Gruppe andocken kann, die eine harte Lewis-Base ist; das Lanthanoidion ist eine harte Lewis-Säure. Stark gebunden werden also die oben genannten Alkohol, Amine und arbonylverbindungen, aber auch Ester, Amide und Sulfoxide sowie, wenn auch in weit geringerem Ausmaß, xirane (Epoxide); Ether werden i.a. kaum oder gar nicht komplexiert. 8

5 Schwächen der LS-Methode sind, dass sie mit zahlreichen anderen Liganden, z.b. weichen Sulfiden, leniden, osphanen, aber auch mit itril, olefinischen Doppelbindungen oder Aromaten nicht reagieren. Außerdem neigen sie, vor allem bei höherer Konzentration, zur Verbreiterung der Substrat-M-Signale, weil die paramagnetisch sind. Schließlich können Experimente mit polyfunktionellen Substraten uneindeutlich ausfallen, vor allem wenn die funktionellen Gruppen harte Lewis-Basen sind, weil die Signale dann Durchschnittssignale vieler Adduktkomplexe ganz unterschiedlicher Struktur sind. Eine interessante Anwendung ist die Überführung enantiotoper Protonen in diastereotope, so das eine otationsbarriere durch temperaturabhängige 1 -M-Spektroskopie beobachtbar wird, die ohne Anwesenheit des LS wegen mangelnder Signaldispersion (enantiotope Kerne!) unmessbar bliebe (Abb. 4-6; Mannschreck et al., Angew. hem.): Abb = = - 2 Bei -itrosoanilinen wurde das Vorliegen einer Atropisomerie vermutet, die aber wegen der Enantiotopie der Methyl- 1 -Signale nicht direkt beobachtet werden kann. Im diastereomeren LS-Komplex dagegen werden die Methylprotonen anisochron (δ = 3.26 und 3.08 ppm bei tiefer Temperatur), und man kann bei ca eine Koaleszenz beobachten. Es liegt also tatsächlich ein klassischer Fall behinderter otation um die -Binding (Atropisomerie) vor. hirale Dirhodium-Komplexe Wie im vorhergehenden Abschnitt erwähnt, funktionieren LS nur dann gut, wenn das Substrat eine starke Lewis- Base ist (z.b. -, 2,, =), weil das Lanthanoidion selbst eine starke Lewis-Säure ist. Anderenfalls ist die Methode ungeeignet. ier bieten sich eine alternative Methode an. Der enantiomerenreine Dirhodium-Komplexes h (II) 2[()-(+)-MTPA] 4 an (MTPA- = Methoxytrifluormethylphenylessigsäure Mosher-Säure, [h-h]; Abb. 4-7) ist eines der wenigen bekannten Auxiliare, bei dem die Metallatome (hodium) selbst weiche Lewis-Säuren sind und somit nach dem SAB- Prinzip (Pearson) gut geeignet, mit weichen Lewis-Basen eine feste Koordination bilden. In der Tat kommen hier energetisch günstige M-LUM-Wechselwirkungen zur elektrostatischen Anziehung hinzu. Abb. 4.7 h h = F 3 [h-h] Ähnlich wie bei den LS bildet [h-h] mit Ligandenmolekülen (L) Addukte. ier sind allerdings zweierlei Addukte möglich, 1:1 und 2:1, je nach stöchiometrischen Verhältnissen der Komponenten (Abb. 4-8). Abb. 4.8 [h-h] + L L [h-h] (1:1-Addukt) + L - L L [h-h] (2:1-Addukt) L Bei aumtemperatur sind die Addukte i.a. kinetisch nicht stabil, d.h. es erfolgt schneller Austausch, ähnlich wie bei den LS, und man beobachtet nur Durchschnittssignale. Die einzige Ausnahme bilden osphine, die so fest binden, dass alle diastereomeren Addukte anhand ihrer M-Signale nebeneinander identifizierbar sind. Als Beispiel sei die Dispersion eines nichtracemischen osphinsulfids gezeigt; sie wurden sowohl an den 1 -M Signalen der -Protonen (links) und 31 P-M-Signalen (rechts) beobachtet (Abb. 4-9): 9

6 S P ( ) 3 Abb. 4.9 (Die Dublettaufspaltung der beiden 1 -Signale beruht auf der 31 P, 1 -Kopplung über drei Bindungen.) Es hat sich in intensiven Untersuchungen gezeigt, dass [h-h] auch zur chiralen Differenzierung von harten Lewis-Basen wie Sauerstoff- und Stickstofffunktionalitäten geeignet ist, obwohl dies nach dem SAB-Prinzip eigentlich gar nicht zu erwarten ist. Sogar chirale Ether lassen sich einwandfrei unterscheiden. Die Tatsache, dass die beiden komponenten eigentlich gar nicht zusammenpassen, hat aber zur Folge, dass [h-h] wegen seiner relativ schwachen Bindung an [h-h] in der Lage ist, harte Lewis-Säuren gemäß ihrer jeweiligen Donoreigenschaften zu selektieren. In der aturstoffchemie gibt es viele Substratmoleküle mit mehreren Sauerstofffunktionen,, und andere. ier kann das Dirhodium-Auxiliar eine lektivität zeigen, die dazu führt, dass meist eine der Gruppen als Bindungsstelle bevorzugt wird. Dadurch wird ein Gemisch vieler regioisomerer Addukte vermieden, wie sie bei den LS-Auxiliaren oft auftreten (siehe voriger Abschnitt). 10