Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Kohlenforschung

Hochleistungsorganokatalysatoren: Katalysatoren im parts-per-billion-Bereich

Autoren
Lindner, Dr. Monika; Bae, Dr. Han Yong; List, Prof. Dr. Benjamin
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Abteilung Homogene Katalyse, Mülheim an der Ruhr
Zusammenfassung
Die aktuelle Forschung am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim hat mit der Entwicklung von neuartigen, äußerst aktiven Organokatalysatoren bedeutende Fortschritte in der organischen Katalyse und chemischen Synthese gemacht. Neu entdeckte Organokatalysatoren katalysieren chemische Reaktionen effizient in extrem geringen Mengen im ppm- und teilweise sogar im ppb-Bereich.

Ein relativ neues Gebiet der chemischen Katalyse, die Organokatalyse, hat seit ihrer Etablierung vor etwa 18 Jahren die moderne chemische Synthese revolutioniert. Die Organokatalyse ermöglicht anspruchsvolle chemische Reaktivität ohne die Verwendung teilweise toxischer, kostspieliger oder umweltschädlicher Metallkatalysatoren. Katalysatoren sind eine Art molekulares Werkzeug, das chemische Reaktionen beschleunigen oder überhaupt erst ermöglichen kann.

Höchst aktive Katalysatoren

Die Einsetzbarkeit der umweltfreundlichen, günstigen Organokatalysatoren war in der Industrie bislang eher eingeschränkt. Grund dafür ist die oft nur mäßige katalytische Aktivität und die folglich größere Menge an Katalysator, die man für eine Reaktion braucht. Um dieses Problem zu lösen, haben wir am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung eine neue Klasse von höchst aktiven Katalysatoren, die sogenannten Imidodiphosphorimidate, entwickelt [1]. Sie sind in er Lage, Reaktionen schon in äußerst geringen Mengen bei einer Katalysatorbeladung im ppm- oder sogar ppb-Bereich zu katalysieren (parts per million = 10-6 beziehungsweise parts per billion = 10-9).

Abb. 1: Imidodiphosphorimidate (IDPi)

Möglich wird die hohe katalytische Aktivität der Imidodiphosphorimidate durch ihre spezifische Struktur (siehe Abb. 1), die ähnlich wie bei Enzymen eine Art Tasche aufweist, in der sich die umzusetzende Substanz anlagern kann. Hauptursache für die ungewöhnlich hohe Reaktivität ist zudem sehr wahrscheinlich die extrem hohe Säurestärke, die 10.000fach höher als bei vorherigen Katalysatoren liegt. Diese wird durch die Gruppen an den beiden Phosphoratomen erzeugt, die durch ihre elektronenziehende Wirkung dafür sorgen, dass die Säurestärke erhöht wird.

Hergestellen lassen sich die Imidodiphosphorimidate durch ein praktisches Syntheseprotokoll, das wir in unserem Labor entwickelt haben.

Asymmetrische organische Katalyse

Eine wichtige Herausforderung unserer Forschung ist die asymmetrische Synthese, also die Möglichkeit, selektiv ein spiegelbildliches Molekül im Überschuss zu erzeugen. Diese Fragestellung ist beispielweise in der pharmazeutischen Industrie wichtig, um eine Reaktion zu einem von zwei Produkten zu lenken, die ansonsten chemisch völlig identisch sind. Die beiden Formen (= Enantiomere) sind wie linke und rechte Hand spiegelbildlich gebaut, wobei oft nur eine Variante die gewünschte medizinische Wirkung zeigt.

Dementsprechend liegt auch der Katalysator in zwei spiegelbildlichen Varianten vor. Doch nur eine davon wird für die Katalysereaktion eingesetzt, so dass nur ein Enantiomer des gewünschten Produktes entsteht. Wichtig ist hierbei die Enantioselektivität des Katalysators, also die Frage, ob er in der Lage ist, möglichst ausschließlich ein Produktenantiomer herzustellen.

Untersucht haben wir die katalytische Aktivität der neu entwickelten Katalysatoren in einer äußerst herausfordernden und wichtigen Reaktion, der nach dem japanischen Professor Teruaki Mukaiyama benannten Mukaiyama-Aldolreaktion (siehe Abb. 2). Dabei werden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen gebildet, die ein spezifisches Muster aufweisen, die sogenannte tertiäre Aldolgruppe. Dieses Muster kommt sehr häufig in Naturstoffen und Pharmazeutika vor und ist daher von großer Bedeutung in der chemischen Synthese. Dabei haben wir uns auf die Verwendung von Ketonen als Ausgangsstoffen konzentriert, da sich mit ihnen die Mukaiyama-Aldolreaktion bislang nur sehr schwierig durchgeführen ließ, im Gegensatz zu den chemisch verwandten Aldehyden, bei denen diese Reaktion bereits gut untersucht ist. Für die Umsetzung der deutlich schwieriger zu aktivierenden Ketone mangelte es an geeigneten, effizienten Katalysatoren, während die bekannten Katalysatoren nur eine geringe Enantioselektivität aufwiesen.

Die neu entwickelten Imidodiphosphorimidate erwiesen sich als hocheffiziente Katalysatoren für die Durchführung der Mukaiyama-Aldolreaktion von Ketonen (siehe Abb. 2) [2]. Die von uns entwickelte Methode ist höchst effizient und lässt sich mit vielen unterschiedlichen Keton-Ausgangsstoffen durchführen; das macht sie allgemein anwendbar. Die Ausbeute der chemischen Reaktionen, die mit den Imidodiphosphorimidaten durchgeführt wurden, kann sich sehen lassen: Die Katalysatoren setzten die Ausgangsstoffe zu 90 bis 99 Prozent zu den gewünschten Produkten um. Auch die Enantioselektivität der verwendeten Katalysatoren stellte sich als hervorragend heraus, die Synthesen führten zu mit Enantiomeren angereicherten Produkten.

Abb. 2: Mukaiyama-Aldolreaktion mit geringst möglicher Katalysatorbeladung

Wie wichtig diese neu entwickelte Methode für die Industrie sein kann, konnten wir in Experimenten mit einem für Laborbedingungen ungewöhnlich großen Maßstab und extrem geringen Katalysatorbeladungen zeigen. Wir reduzierten die Katalysatormenge bis in den ppm-Bereich, in einem Fall sogar in den ppb-Bereich, und erhielten immer noch Ausbeuten bis fast 90 Prozent. Diese Entdeckung ist von entscheidender Bedeutung nicht nur für die Organokatalyse, sondern insgesamt für das Feld der chemischen Synthese. Unsere Methode ist einfach durchzuführen und skalierbar, die erhaltenen Produkte sind von hohem Wert und können leicht weiterverarbeitet werden.

Literaturhinweise

1.
Kaib, P. S. J.; Schreyer, L.; Lee, S.; Properzi, R.; List, B.
Extremely Active Organocatalysts Enable a Highly Enantioselective Addition of Allyltrimethylsilane to Aldehydes
Angewandte Chemie International Edition, 55, 13200 (2016)
2.
Bae, H. Y.; Höfler, D.; Kaib, P. S. J.; Kasaplar, P.; De, C. K.; Döhring, A.; Lee, S.; Kaupmees, K.; Leito, I.; List B.
Approaching sub-ppm-level asymmetric organocatalysis of a highly challenging and scalable carbon-carbon bond forming reaction
Nature Chemistry, 10, 888-894 (2018)
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