"Eeny, meeny, miny, moe": Selectivity-determining factors in asymmetric catalysis

Kjemiske reaksjoner kan ofte føre til dannelse av flere produkter. Dette er et problem for eksempel i produksjon av legemidler. En mulig løsning er bruk av metallbaserte katalysatorer som er selektive for dannelse av bare det ønskede produkt. Rasjonal utvikling og forbedring av selektive katalysatorer er avhengig av detaljert kunnskap om reaksjonsmekanismer og selektivitets-bestemmende interaksjoner mellom substratet og katalysatoren. DeFACTO-prosjektet benytter kvantekjemiske og eksperimentelle teknikker for å undersøke forskjellige overgangsmetall-katalyserte hydrogeneringsreaksjoner og hydrokarboksyleringsreaksjoner. De studerte katalysatorene innbefatter tradisjonelle edle metalkomplekser (basert på for eksempel iridium) så vel som komplekser basert på billigere og mer utbredte metaller (for eksempel jern, kobolt og kobber). deFACTO har foreslått nye mekanismer for flere hydrogeneringskatalysatorer og har identifisert faktorene som påvirker stereo- og kjemoselektiviteten i de studerte systemene. Resultatene viser at for stereoselektive systemer så styres selektiviteten ofte av svake ikke-kovalente krefter, spesielt CH/pi-interaksjoner mellom substrat og ligander på katalysatoren. Dette forklarer hvorfor systemer, hvor substratet ikke interagerer med metallsenteret, kan vise høy stereoselektivitet. For kjemoselektive systemer er direkte metall-substrat-interaksjoner viktige for å bestemme den foretrukne reaksjonsvei. deFACTO er opptatt av å utvikle strategier for å forbedre beregningsbaserte studier av metallkatalyserte reaksjoner. En rekke DFT-metoder har blitt analysert, og en rask protokoll for nøyaktig modellering av reaksjonsenergier av iridium-medierte transformasjoner har blitt foreslått. deFACTO har også foreslått et generelt konsept hvor kjente substratpreferanser benyttes som en diagnostisk faktor for å vurdere sannsynligheten av mekanismer som foreslås på grunnlag av beregninger. Dette innebærer at flere ekte substrater studeres med beregninger for å sikre at eksperimentelle selektiviteter reproduseres korrekt. deFACTO anvender innsiktene oppnådd gjennom beregningsanalyse i utviklingen av nye selektive reaksjoner. deFACTO har for eksempel utviklet en selektiv iridium-katalysert syntese av pyrroler og indoler fra billige utgangsmaterialer.

Many compounds utilized in industrial, agricultural, and pharmaceutical applications are chiral. A chiral molecule can exist in two enantiomeric forms (R or S), which are mirror images of each other. The two enantiomers interact differently with biologica l targets. For a pharmaceutical compound, one form might provide the therapeutic effect, whereas the other might be unreactive or harmful. Therefore, it is crucial to be able to produce only the desired enantiomer. Asymmetric catalysis relies on the use o f a chiral catalyst, which during the course of the reaction steers the substrate into a selective orientation, resulting in dominant formation of one enantiomer, ideally with a very large excess. The quest for the ideal catalyst can involve a time-consum ing trial-and-error approach. In order to improve the selectivity of chiral catalysts through a more efficient rational design approach, the factors governing the selectivity need to be understood. The main objective of deFACTO is to identify the selectiv ity-determining factors in asymmetric catalytic systems. This will be achieved through quantum chemical modeling of asymmetric reactions, also taking into account recent methodological developments. The deFACTO project will include studies of both traditi onal precious metal (e.g. iridium and rhodium) and novel base metal systems (e.g. iron or cobalt). Ongoing efforts in academia and in industry seek to replace established asymmetric catalytic systems with cheaper and more environmentally friendly base met al variants. The deFACTO project will be instrumental in this quest by providing insights into the selectivity-determining factors of asymmetric systems, and by proposing selectivity-enhancing modifications to the molecular structure of chiral catalysts, with experimental verification of the most promising alterations. The successful project will lead to more selective catalysts, and will be of high relevance for academic and industrial synthetic applications.