Neue Katalysatorklasse

Halogenbrücken als Katalysatoren

Katalysatoren sind wichtig für die chemische Industrie, denn sie beschleunigen Reaktionen und erhöhen deren Ausbeute. Viele der heute eingesetzten Katalysatoren basieren auf teuren und umweltschädlichen Metallen. Stefan Huber und Florian Kniep vom Lehrstuhl für Organische Chemie der Technischen Universität München (TUM) zeigen nun eine Alternative auf: Ungiftige Verbindungen, sogenannte Halogenbrücken-Donoren, können als organische Katalysatoren wirken. Für seine Arbeit wurde Florian Kniep mit dem Forschungspreis der Firma Evonik Industries AG ausgezeichnet.

Etwa 90 % aller chemischen Produkte benötigen im Lauf ihrer Herstellung einen Katalysator. Dieser beschleunigt Reaktionen und reduziert den Energieaufwand. Hierbei greift er zwar ins Reaktionsgeschehen ein, wird jedoch selbst nicht verbraucht. Viele Katalysatoren können auf diese Weise ein Millionenfaches ihrer eigenen Masse an Reagenzien umwandeln und sind daher von hohem wirtschaftlichem Nutzen.

Oft jedoch basieren Katalysatoren organischer Reaktionen, wie sie beispielweise in der Kunststoffherstellung verwendet werden, auf teuren und giftigen Schwer- oder Übergangsmetallverbindungen. Organische, nicht-metallische Katalysatoren sind hier eine gute Alternative.

Viele solcher Organokatalysatoren basierten bislang auf dem Lewis-Säure/Base-Prinzip: Stark positiv polarisierte Wasserstoffatome, sogenannte Lewis-Säuren, interagieren über schwache Wasserstoffbrückenbindungen mit negativ polarisierten Substraten, sogenannten Lewis-Basen.

Nun stellen Wissenschaftler um Stefan Huber, Arbeitsgruppenleiter am Institut für Organische Chemie der Technischen Universität München (TUM), und Florian Kniep, Doktorand am Institut für Organische Chemie, einen neuen Typ von Organokatalysatoren vor, der nicht über ein Wasserstoff- sondern über ein Halogenatom - beispielsweise ein Iod-Atom - an das Substrat bindet: sogenannte Halogenbrücken-Donoren.

Das Vorhandensein eines oder mehrerer Iod-Atome geben den Halogenbrücken-basierten Katalysatoren besondere Eigenschaften, die neue Einsatzbereiche eröffnen. Nach einer bekannten chemischen Regel verbinden sich sogenannte harte Lewis-Säuren, die eine geringe Polarisierbarkeit aufweisen, am besten mit ebenfalls harten Lewis-Basen. Dies ist bei den Wasserstoffbrücken-basierten Katalysatoren der Fall.

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Halogenbrücken zweier Iod-Atome (blau) lockern die Bindung zwischen Chlor- (grün) und Kohlenstoffatom (grau). Das Chloratom kann so leichter gegen einen anderen Baustein ausgetauscht werden. (Bild: Stefan Huber/TUM)

Umgekehrt reagieren leicht polarisierbare, weiche Lewis-Säuren am besten mit weichen Lewis-Basen. Die neuen Halogenbrücken-Donoren sind solche weichen Lewis-Säuren, was sie zu guten Katalysatoren für ebenfalls weiche Lewis-basische Substrate macht - ein Bereich, den die bislang verwendeten Wasserstoffbrücken-Donoren bisher kaum abdecken können.

"Langfristig erwarten wir, dass sich Halogenbrücken-basierte Organokatalysatoren und Wasserstoffbrücken-Donoren gegenseitig ergänzen", sagt Florian Kniep. "Außerdem könnten sich Halogenbrücken als vorteilhaft für zukünftige enantioselektive Umsetzungen erweisen, bei denen gezielt nur eines von zwei möglichen Molekülen entsteht."

Für seine herausragende Arbeit auf dem Gebiet der Organokatalyse wurde Florian Kniep Ende Juli mit dem Forschungspreis der Evonik Industries AG ausgezeichnet.

Die Arbeiten wurden vom Fonds der Chemischen Industrie, der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Leonhart Lorenz Stiftung und der Dr. Otto Röhm Gedächtnisstiftung unterstützt.

Originalpublikationen:
Florian Kniep, Stefan H. Jungbauer, Qi Zhang, Sebastian M. Walter, Severin Schindler, Ingo Schnapperelle, Eberhardt Herdtweck und Stefan M. Huber: Organokatalyse mit neutralen mehrzähnigen Halogenbrückendonoren, Angewandte Chemie 2013, 125, 7166-7170, DOI: 10.1002/ange.201301351.

Sebastian M. Walter, Florian Kniep, Eberhart Herdtweck und Stefan M. Huber: Halogenbrücken-induzierte Aktivierung einer Kohlenstoff-Heteroatom-Bindung, Angewandte Chemie 2011, 123, 7325-7329, DOI: 10.1002/ange.201101672.

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