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Ein künstlicher Eisenkatalysator knackt die stabilsten, am wenigsten reaktiven Bindungen der Natur

Eine EU-finanzierte Forschungsgruppe hat einen Eisenkatalysator entwickelt, der selektiv eine Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung aktivieren kann. Ihre Bemühungen eröffnen völlig neue chemische Möglichkeiten, um eine breite Palette neuartiger organischer Moleküle auf nachhaltige Weise zu synthetisieren.

Industrielle Technologien

In der organischen Chemie wird zwischen reaktiven bzw. funktionellen Molekülbindungen sowie inerten bzw. nicht funktionellen Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen unterschieden. Die inerten Bindungen dienen als robustes Gerüst für die chemische Synthese von Molekülen mit reaktiven Gruppen. Die Funktionalisierung von Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen stellt dieses Modell auf den Kopf. Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen werden zu reaktiven Stellen, wenn sie durch die Nähe zu einer funktionellen Gruppe aktiviert werden. Bei der Reaktion wird die Bindung zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff gebrochen und der Wasserstoff anschließend durch ein Heteroatom ersetzt – Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff.

Günstigere, effizientere synthetische Katalysen

Es ist eine große Herausforderung, selektiv eine Reaktion an der gewünschten Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung auszulösen, da organische Moleküle normalerweise eine Vielzahl solcher Bindungen enthalten. Katalysatoren können dazu beitragen, die nötige Selektivität zu erreichen. Allerdings handelt es sich bei ihnen häufig um Edelmetalle wie Rhodium, die äußerst kostspielig sind. Das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt FeCHACT hat eine Möglichkeit gefunden, die Verwendung teurer Metalle überflüssig zu machen und so die Herstellungskosten komplexer organischer Moleküle erheblich zu senken. Die Forschungsgruppe entwickelte erfolgreich einen Katalysator aus Eisen, der Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen effizient trennen kann. „Unser wichtigstes Ziel war die Entwicklung eines Eisenkatalysators, der inerte Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen durch eine Carbentransferreaktion funktionalisieren kann, idealerweise unter milden Bedingungen“, merkt Miguel Costas, der Koordinator von FeCHACT, an. Der Carbentransfer auf inerte Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen wurde bislang vor allem von Edelmetallkatalysatoren dominiert. Aktuelle Studien haben gezeigt, dass eisenabhängige Enzyme eine vergleichbare Reaktivität aufweisen. „Wir konzentrierten uns daher auf die Entwicklung synthetischer Eisenkatalysatoren, die dieselben chemischen Reaktionen erfolgreich auslösen können“, fügt Costas hinzu.

Die Feinheiten des zugrunde liegenden Reaktionsmechanismus

„Wir setzten neuartige synthetisierende Verfahren ein, die umweltfreundlicher sind als der Stand der Technik. Sie eröffneten auch neue chemische Möglichkeiten, da sie uns zur Herstellung einer breiten Palette an organischen Molekülen befähigen“, erklärt Costas. Die Forschenden entwickelten einen Katalysator mit niedriger Koordinationszahl, der ein äußerst elektrophiles Eisenzentrum erschafft. Die gemeinsame Verwendung dieses Katalysators und eines Lithium-Kokatalysators verbesserte die katalytische Aktivität und aktivierte Azoverbindungen – Vorläuferverbindungen der Carbene –, was zu einer äußerst reaktiven Spezies führte, die die Insertion von Carbenen in inerte Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen ermöglichen. Im Gegensatz zu bislang verwendeten starren Systemen auf der Grundlage von Eisen macht diese elektrophile Ortho-Phenylendiamin-Eisen-Verbindung durch Eisen-Carben-Zwischenprodukte eine beispiellose intra- und intermolekulare Carbeninsertion in verschiedene inerte aliphatische Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen bei milden Bedingungen (25 °C) möglich. Bemerkenswert ist dabei, dass das kombinierte Eisen-Lithium-System eine vergleichbare Aktivität und Selektivität aufwies wie Rhodiumcarboxylat-Katalysatoren. „Mechanistische Untersuchungen der Kohlenstoff-Wasserstoff-Aktivierung deckten einen koordinierten Prozess auf, der die Insertionsreaktion eines Carbenfragments in die anvisierte Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung umfasst, statt eines Vorgangs, der durch einen Wasserstoffatomtransfer aktiviert wird“, erklärt Costas. Die Insertionsreaktion führte zur Bildung zweier neuer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbindungen und erzeugte die gewünschten karbozyklischen Verbindungen.

Wirklich vielversprechendes Potenzial

„Ein tiefgreifendes Verständnis des Reaktionsmechanismus könnte schon bald die Entwicklung stereoselektiver Katalysatoren für die Herstellung enantiomer angereicherter Produkte nach sich ziehen – Enantiomere sind eine Art Stereoisomere, die Strukturen enthalten, welche nicht deckungsgleiche Spiegelbilder voneinander sind. Diese Technologie ist besonders für die pharmazeutische Industrie äußerst vielversprechend, da sie zum Beispiel in der Wirkstoffsynthese angewendet werden könnte“, merkt Costas an. Insgesamt schaffen die Aktivitäten von FeCHACT die Grundlage für wichtige Fortschritte in der Synthese von Feinchemikalien, die auf reichlich vorhandenen und kostengünstigeren Materialien beruht als das aktuell weitläufig genutzte Rhodium. Darüber hinaus stellte das Projekt den ersten Katalysator auf Eisenbasis vor, der effizient Bindungen brechen kann, die gemeinhin als äußerst reaktionsträge gelten.

Schlüsselbegriffe

FeCHACT, Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung, Eisenkatalysator, Carbeninsertion, Rhodium, Enantiomer

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