Forskningsprojekt i Streuffs grupp
Konstruktion och klyvning av C-C-, C-Het (Het = heteroatom) och Het-Het-bindningar är kärnan i organisk, polymer, biologisk och medicinsk kemi. Vår forskning fokuserar på utveckling av okonventionella metoder för att bilda och klyva sådana bindningar som inte kan hanteras med konventionella metoder. För att uppnå detta arbetar vi i gränssnittet mellan övergångsmetallkatalys, metallorganisk kemi och fysikalisk organisk kemi. Vi utvecklar nya syntesmetoder, designar och syntetiserar nya katalysatorer samt försöker förstå de underliggande reaktionsmekanismerna. För närvarande arbetar vi med fyra forskningslinjer, som kortfattat beskrivs nedan.
Katalysatorstyrda radikalreaktioner och reduktiva umpolungreaktioner
Ett centralt koncept bakom vår forskning är utveckling, förståelse och tillämpning av radikalreaktioner som sker under kontroll av en övergångsmetallkatalysator. Vi föreställer oss ett scenario där en SET-katalysator (single-electron-transfer) genererar en radikal och förblir koordinerad till radikalintermediären efteråt, vilket möjliggör en effektiv kontroll av reaktionens kemo-, regio-, stereo- och till och med enantioselektivitet. Baserat på denna princip har vi utvecklat en serie så kallade reduktiva umpolungreaktioner som möjliggör bildandet av annars svårbildade C-C-bindningar i närvaro av en in situ-genererad titan(III)-katalysator och ett reduktionsmedel.
Som ett illustrativt exempel har vi utvecklat en metod för asymmetrisk titan(III)-katalyserad reduktiv ketonitrilcyklisering som ger α-hydroxiketoner från lättillgängliga ketonitriler i högt utbyte och med hög enantioselektivitet (se: Angew. Chem. 2012). Konceptet har utökats till en serie andra reduktiva umpolungreaktioner för syntes av α-aminoketoner och pyrrolidinoner, intermolekylära korskopplingar, Michael-umpolung-reaktioner och sekventiella dubbel-umpolung-processer. Vi utforskar för närvarande detta koncept ytterligare genom att tillämpa det i syntes av heterocykler och naturprodukter.
Katalytisk klyvning av enkelbindningar
Modern övergångsmetallkatalys inom organisk kemi handlar vanligtvis om konstruktion av komplexa molekyler genom introduktion av funktionella grupper. Vi däremot, är intresserade av att utveckla metoder för kontrollerad dekonstruktion och selektiv defunktionalisering av komplexa molekylära strukturer. Därför undersöker vi nya katalytisk-reduktiva klyvningsreaktioner som möjliggörs av antingen en enda elektronöverföring (SET) från en övergångsmetallkatalysator eller en katalyserad β-eliminering. Vi har framgångsrikt tillämpat båda koncepten i form av milda titankatalyserade decyaneringsreaktioner (se: Angew. Chem. 2019) samt en uppsättning zirkoniumkatalyserade CO-, CS- och CN-klyvningsreaktioner (se: Org. Lett. 2019 och ACS Catal. 2020).
Metallocenkatalysatorer
Kirala ansa-titanocener och -zirkonocener såsom (ebthi)-TiCl2 har tidigare identifierats som "privilegierade katalysatorer" för asymmetriska transformationer och stereoregelbundna olefinpolymerisationer. Syntes av strukturellt modifierade kolbrygge-derivat har dock alltid varit en enorm utmaning. Vårt labb har utvecklat en modulär 5-stegsmetod för att syntetisera skräddarsydda ansa-metallocener från enkla prekursorer som möjliggör enkel introduktion av anpassade modifieringar (se: Chem. Eur. J. 2018). Den har tillämpats på modifierade (ebthi)-titanocener, zirkonocener och hafnocener med förändringar i ringsubstitutions- och ansa-brygg-motivet, inklusive introduktion av en kiral överbryggningsenhet. Vi arbetar för närvarande med design av andra metallocenbaserade katalysatorer och deras tillämpning i nya (asymmetriska) transformationer.
Komplexa reaktionsmekanismer
Drivna av nyfikenheten att förstå titan(III)-katalyserade reduktiva umpolungreaktioner har vi utvecklat ett kraftfullt tillvägagångssätt för att belysa komplexa katalytiska mekanismer som kombinerar olika experimentella och teoretiska metoder. Vi har löst mysteriet med den titan(III) katalyserade keton-nitril-korskopplingsreaktionen genom en kombination av EPR- och online-ESI MS-experiment samt in situ IR-kinetik och DFT-beräkningar (se: J. Am. Chem. Soc. 2015). Resultaten visade på en aldrig tidigare skådad radikal kombinationsmekanism som involverade två titan(III)-intermediärer och en unik roll för katjoniska off-cykelintermediärer avslöjades. Till stöd för slutsatserna och för att förfina de mekanistiska bilderna genomför vi ofta DFT-studier som alltid baseras på våra experimentella resultat (se: Dalton Trans. 2018). I våra pågående projekt tillämpas liknande kombinerade tillvägagångssätt för mekanistiska undersökningar och reaktivitetsstudier.
