Organokatalyse von Diels-Alder-Reaktionen durch neutrale Wasserstoffbrückendonoren in organischen und wässrigen Lösungsmitteln

Abstract

In einer Serie von Diels-Alder-Reaktionen und 1,3-dipolaren Cycloadditionen wurde die katalytische Aktivität substituierter Thioharnstoffe untersucht. Hierbei zeigten die Ergebnisse der kinetischen Untersuchungen, daß die beobachteten relativen Reaktionsbeschleunigungen weniger von den Reaktanden oder Lösungsmitteln, sondern eher von den Strukturen der Thioharnstoffderivate, abhängt. Zwar ist die katalytische Effektivität in nicht-koordinierenden, unpolaren Lösungsmitteln, wie z.B. Cyclohexan, am stärksten, sie ist jedoch auch in stark koordinierenden, polaren Lösungsmitteln, wie Wasser, präsent. Die selben Katalysatoren sind auch in 1,3-dipolaren Cycloadditionen aktiv. Diese Ergebnisse konnten durch quantenchemische Rechnungen auf dem semi-empirischen AM1 Niveau (für die Geometrieoptimierungen) und dem B3LYP-Dichtefunktional in Verbindung mit einem 6-31+G(d,p) Basissatz (für Einzelpunktenergien) nachvollzogen werden. Desweiteren wurden Lösungsmitteleinflüsse sowohl durch das Kontinuummodell (IEFPCM) als auch durch explizite Solvatisierung durch zwei Wassermoleküle bzw. durch Kombination der beiden Methoden berücksichtigt. Diese Rechnungen zeigen, daß die Änderungen der freien Komplexierungsenergien während der Reaktion kritisch ist. In solchen Fällen, in denen die Komplexierungsentropie stark positiv ist und nicht von der immer negativen Reaktionsenthalpie übertroffen wird, kann keine Katalyse auftreten. In weiteren Rechnungen konnte demonstriert werden, daß Thioharnstoffderivate selbst in Wasser durch Polarisationseffekte und dirigierende Wechselwirkungen Reaktionsbeschleunigungen hervorrufen können. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, daß die positiven Lösungsmitteleffekte und die durch Katalysatoren hervorgerufenen Beschleunigungen additiv sein können, so daß die hier untersuchten Thioharnstoffderivate selbst in Wasser aktive Katalysatoren der Diels-Alder-Reaktion darstellen, sie beschleunigen und die endo-Selektivitäten erhöhen. Sie zeigen damit ein ähnliches Verhalten wie schwache Lewis-Säuren. Die katalytische Aktivität relativ einfacher organischer Verbindungen in wässrigen Lösungen scheint die Notwendigkeit einer spezifischen Diels-Alder-ase in Frage zu stellen.