Chiralität ist ein Phänomen, das sowohl auf makroskopischer als auch molekularer Ebene zu finden ist. Auch in unserem Leben ist das Prinzip von Bild und Spiegelbild (Chiralität) allgegenwärtig und bestimmt zahlreiche Vorgänge. Es ist daher für die Chemie von entscheidender Bedeutung, Wege zu finden, die gezielt zum Aufbau von Bild oder Spiegelbild führen. Eines unserer Arbeitsgebiete beschäftigt sich mit dem Phänomen der Chiralität in polaren metallorganischen Verbindungen.

Im Gegensatz zur Natur, in der Enzyme den Aufbau von Molekülen unter milden Bedingungen bewirken, muß der Chemiker meist drastischere Bedingungen anwenden. Eine der wichtigsten Stoffklassen sind hierbei reaktive polare Metall-, besonders Lithiumalkyle.

Die Kombination einer solchen stark polaren Metallverbindung mit einer chiralen Information ist eine große Herausforderung in der präparativen Chemie. Diese reaktiven, chiralen Verbindungen eignen sich unter anderem zur Übertragung stereogener Kohlenstoffzentren auf organische Moleküle, aber auch auf andere Metalle. Problematisch ist bisher jedoch die Darstellung dieser reaktiven und gleichzeitig enantiomerenreinen Verbindungstypen, da ihre dreidimensionale Struktur (absolute Konfiguration) nicht stabil ist. So haben gerade Lithiumalkyle eine so geringe Inversionsbarriere, daß sie bereits bei tiefen Temperaturen ihre chirale Information verlieren.

Um den Prozeß der Inversion zu unterdrücken, werden von uns zwei Konzepte angewendet: Zum einen wird versucht, durch die Wahl der Substituenten oder des zentralen Elementes El die Inversionsbarriere zu erhöhen. Zum anderen verfolgt die Arbeitsgruppe das erfolgreiche Konzept, das Metall an einer Seite des metallierten Zentrums zu fixieren, so daß ein Inversionsprozeß nicht stattfinden kann.

a) Synthese: Die Darstellung enantiomerenangereicherter Lithiumalkyle erfolgt nach zwei unterschiedlichen Prinzipien. In einem unpolaren Lösemittel kann unter kinetischer Kontrolle (tiefe Temperaturen, lange Reaktionszeiten) diastereoselektiv deprotoniert werden. In polaren Lösemitteln erfolgt eine Epimerisierung unter thermodynamischer Kontrolle und es stellt sich ein Gleichgewicht ein, das bei Molekülen mit starrer Konformation deutlich auf einer Seite liegt.

b) Strukturaufklärung: In der Abbildung auf der linken Seite ist die Molekülstruktur eines enantiomerenreinen Lithiumalkyls im Kristall gezeigt. Das Lithiumzentrum wird auf einer Seite des metallierten Kohlenstoffatoms durch intramolekulare „Henkel“ festgehalten. Eine besonders günstige Struktur ist die versetzte Anordnung der Silylgruppe am metallierten Kohlenstoffatom und des THF-Moleküls am Lithium.

Ausgehend von Molekülen mit einer bekannten absoluten Konfiguration (stereochemische Sonde) am metallierten Kohlenstoffatom ist es nun möglich geworden, Reaktionsmechanismen näher zu betrachten. Diese Sonde liefert Informationen über den vorder- oder rückseitigen Angriff am metallierten Kohlenstoffatom. Beispielsweise verlaufen Reaktionen mit dem Elektrophil Me₃SnCl stereochemisch unterschiedlich, je nachdem, ob das Lithiumatom im Vorfeld eine freie Koordinationsstelle aufweist (Produktbildung unter Retention) oder nicht (Produktbildung unter Inversion). Durch die Wahl des Lösemittels ist es so möglich, den Reaktionsmechanismus, und somit die Konfiguration des Zielprodukts, zu steuern.

Quantenmechanische Berechnungen: Einen tieferen Einblick in Moleküle und Reaktionen liefern theoretische Berechnungen, deren Wichtigkeit durch Vergabe des Chemie-Nobel-Preises 1998 an J.A. Pople unterstrichen wurde. Für unsere Studien ist das Wechselspiel zwischen Experiment und Theorie von entscheidender Bedeutung. In der Abbildung auf der linken Seite ist das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO) einer mit unseren Systemen vergleichbaren Modellverbindung gezeigt. Das HOMO gibt Aufschluß über mögliche Angriffsorte für elektrophile Reagenzien. Das Vorliegen zweier etwa gleich großer Orbitallappen am metallierten Kohlenstoffatom unterstützt die beiden zuvor abgebildeten Reaktionsmechanismen.