Ins richtige Licht gerückt – nachhaltigere Kupplungsreaktionen

Chemiker am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam entwickeln verbesserte Methoden für Kupplungsreaktionen mit Licht durch gezielte Kontrolle der Katalysatoraktivität.

7. Juli 2020

Nachhaltige Kohlenstoff-Stickstoff Kreuzkupplungen können mithilfe von einfachen Nickelsalzen, Kohlenstoffnitriden und Licht statt dem Edelmetall Palladium durchgeführt werden. Das berichtet ein Forscherteam des Max-Planck-instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in der Fachzeitschrift Nature Catalysis. Die Chemiker forschen an der Verwendung von günstigen und wiederverwendbaren Halbleitern als Fotokatalysatoren in Kupplungsreaktionen.

Fotochemische Kohlenstoff-Stickstoff Kreuzkupplungen können unter anderem durch die Auswahl der Lichtquelle erheblich verbessert werden.

Kohlenstoff-Stickstoff Kreuzkupplungen gehören zu den wichtigsten chemischen Reaktionen zur Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen, Pflanzenschutzmitteln und organischen Materialien. Bei diesen Reaktionen werden mithilfe eines Katalysators zwei molekulare Bausteine selektiv miteinander verknüpft. Normalerweise werden hierzu Palladiumverbindungen, die als exzellente Katalysatoren gelten, eingesetzt. Diese sind jedoch aufgrund der Seltenheit dieses Edelmetalls teuer und nicht nachhaltig. Als Alternative wird intensiv an Nickelkatalysatoren geforscht. Dazu sind jedoch meist komplexe Nickelverbindungen, sehr starke Basen oder hohe Temperaturen notwendig.

Aktivierung einfacher Nickelverbindungen durch Licht und Fotokatalysatoren

Diese Nachteile können durch Aktivierung einfacher Nickelverbindungen durch Licht und einen Fotokatalysator umgangen werden. Allerdings handelt es sich bei diesen Fotokatalysatoren in der Regel um Verbindungen, die auch aus seltenen und teuren Edelmetallen wie Iridium und Ruthenium bestehen. Zusätzlich ist das Anwendungsspektrum dieser Methoden eingeschränkt und unvollständige Reaktionen sowie nicht reproduzierbare Ergebnisse werden beobachtet.

Edelmetallfreie Verfahren für reproduzierbare Kohlenstoff-Stickstoff Kreuzkupplungen

Die Chemiker um Bartholomäus Pieber setzten sich daher zum Ziel, diese Iridium- und Rutheniumfotokatalysatoren durch Kohlenstoffnitride zu ersetzen. Im Zuge ihrer Forschung entdeckten sie, dass die Einschränkungen und die schlechte Reproduzierbarkeit dieser Reaktion auf einer Zerstörung des Nickelkatalysators beruht, welche zusätzlich zur Deaktivierung des Fotokatalysators führen kann. Eine sorgfältige Untersuchung ermöglichte den Wissenschaftlern durch Auswahl geeigneter Lichtquellen, Veränderung der Konzentration oder die Zugabe stabilisierender Additive die Zerstörung der Katalysatoren zu verhindern. Dadurch wurde das Anwendungsspektrum dieser Reaktion erheblich erweitert. 

Bartholomäus Pieber, leitender Wissenschaftler der Arbeitsgruppe „Catalysis“ betont: „Die entwickelten, edelmetallfreien Verfahren eröffnen günstige, nachhaltige und vor allem reproduzierbare Kohlenstoff-Stickstoff Kreuzkupplungen, die auch mit Sonnenlicht als Energiequelle durchgeführt werden können. Wir werden als nächstes unsere Methodik für die Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen testen“.

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