Multifaceted View on the Mechanism of a Photochemical Deracemization Reaction

化学 光化学 二苯甲酮 对映体 互变异构体 乙烯基 非对映体 氢原子萃取 氢原子 立体化学 有机化学 烷基
作者
Roger Jan Kutta,Johannes Großkopf,Nils van Staalduinen,Antonia Seitz,Philipp Pracht,Stefan Breitenlechner,Christoph Bannwarth,Patrick Nuernberger,Thorsten Bach
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (4): 2354-2363 被引量:35
标识
DOI:10.1021/jacs.2c11265
摘要

Upon irradiation in the presence of a chiral benzophenone catalyst (5 mol %), a racemic mixture of a given chiral imidazolidine-2,4-dione (hydantoin) can be converted almost quantitatively into the same compound with high enantiomeric excess (80-99% ee). The mechanism of this photochemical deracemization reaction was elucidated by a suite of mechanistic experiments. It was corroborated by nuclear magnetic resonance titration that the catalyst binds the two enantiomers by two-point hydrogen bonding. In one of the diastereomeric complexes, the hydrogen atom at the stereogenic carbon atom is ideally positioned for hydrogen atom transfer (HAT) to the photoexcited benzophenone. Detection of the protonated ketyl radical by transient absorption revealed hydrogen abstraction to occur from only one but not from the other hydantoin enantiomer. Quantum chemical calculations allowed us to visualize the HAT within this complex and, more importantly, showed that the back HAT does not occur to the carbon atom of the hydantoin radical but to its oxygen atom. The achiral enol formed in this process could be directly monitored by its characteristic transient absorption signal at λ ≅ 330 nm. Subsequent tautomerization leads to both hydantoin enantiomers, but only one of them returns to the catalytic cycle, thus leading to an enrichment of the other enantiomer. The data are fully consistent with deuterium labeling experiments and deliver a detailed picture of a synthetically useful photochemical deracemization reaction.
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