Asymmetrische eisenkatalysierte Hydrogenierung von Ketonen

Die Entwicklung und Untersuchung von chemischen Reaktionen, welche nicht nur effizient und selektiv sind sondern auch Green Chemistry-Richtlinien genügen hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen und ist ein Schwerpunkt der synthetischen Chemie geworden. Katalytische Reaktionen basierend auf Metallen, die in unlimitiertem Maße zur Verfügung stehen, wie zum Beispiel Eisen, sind in diesem Bestreben von höchstem Interesse. Der Einsatz von Eisen-basierten Katalysatoren hat vor allem im vergangenen Jahrzehnt drastisch zugenommen. Die Reduktion von Ketonen zu Alkoholen ist von besonders großer Bedeutung, da diese Reaktionen im industriellen Maßstab, beispielsweise im pharmazeutischen Bereich, gewöhnlich mit stöchiometrischen Mengen von Hydrid-Reagenzien durchgeführt werden. Bei derartigen Prozessen werden große Mengen an Abfall- und Nebenprodukten generiert, was zu zusätzlichen Reinigungsschritten in der Aufarbeitung führt. Die direkte Hydrogenierung mit Wasserstoffgas hingegen ist zu hundert Prozent atomökonomisch und keine unerwünschten Nebenprodukte werden produziert, was Aufreinigung erleichtert und Entsorgungskosten für Nebenprodukte minimiert. In diesem Projektantrag wird ein Ansatz zur milden und selektiven Eisen-katalysierten Hydrogenierung von Ketonen zur Herstellung chiraler Alkohole beschrieben. Die vorgeschlagene Arbeit baut auf wegweisenden Ergebnissen auf, die kürzlich in der Arbeitsgruppe um Prof. Milstein publiziert wurden. Durch den Einsatz von wohldefinierten Eisen-Pincer Komplexen konnten in der Milstein Gruppe erfolgreich eine Reihe von Ketonen und Kohlendioxid mit einer präzedenzlosen Effizienz unter ausgesprochen milden Bedingungen hydrogeniert werden. Für diese Reaktion soll nun eine asymmetrische Variante entwickelt werden. Diese soll erlauben, chirale Alkohole herzustellen können, welche unverzichtbar für beispielsweise die pharmazeutische Industrie sind. Der Mechanismus dieser Reaktion basiert auf einer neuartigen Kooperation zwischen dem Metall und dem Liganden im Zuge derer eine Aromatisierungs- Dearomatisierungs-Sequenz des Liganden durchlaufen wird. Eine Auswahl von geeigneten chiralen Liganden soll hergestellt werden, und der Einfluss ihrer sterischen und elektronischen Eigenschaften auf die Enantioselektivität der katalytischen Reaktionen soll untersucht werden. Bisher können vergleichbare katalytische Reaktionen nur mit teuren und potentiell umweltschädlichen Edelmetall-Katalysatoren durchgeführt werden, oder klassisch unter Produktion großer Mengen an Abfall- und Nebenprodukten. Beide Varianten bringen deutliche Nachteile für die industrielle Anwendungen und Umweltverträglichkeit mit sich. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt wird bei erfolgreichem Abschluss eine eisenkatalysierte, Nebenprodukt-freie und umweltschonende Synthesemethode hervorbringen, die es ermöglicht, begehrte chirale Alkohole herzustellen. Diese katalytische Reaktion wird sowohl im Labormaßstab als auch industriellen Maßstab eine signifikante Verbesserung der klassischen Methoden darstellen.

In diesem Projekt wurde ein neues Eisen-basiertes Katalysatorensystem entwickelt. Der Katalysator war in der Lage, auf mechanistisch beispiellose Art mit wichtigen Substraten wie molekularem Wasserstoff, Sauerstoff, Schwefel, Alkoholen und Alkinen zu reagieren. Die Verantwortung, chemische Reaktionen zu entwickeln, welche nicht nur hocheffizient sind, sondern sich auch an den Prinzipien der Green Chemistry orientieren, ist für den synthetisch arbeitenden Chemiker von heute nicht mehr von der Hand zu weisen. Zusätzlich ist die Herstellung komplexer Moleküle unter Verwendung von kleineren, einfacher zugänglichen Bausteinen wie molekularem Wasserstoff oder Sauerstoff oder aber einfachen Alkoholen oder Alkinen ein wichtiges Ziel in der synthetischen organischen Chemie. Um einerseits umweltbewusst und zur selben Zeit anwendbar für die Produktion im Industrie-Maßstab zu sein, müssen die Synthesen solcher Produkte so kurz und zuverlässig wie möglich sein ohne dass dabei große Mengen an Abfall- oder gefährlichen Nebenprodukten anfallen. Daher ist die Erforschung neuer Umsetzungen und Reaktionsmechanismen die diese Anforderungen erfüllen ein begehrtes Ziel in der Synthesechemie. Katalytische Reaktionen die unter Einsatz von Übergansmetallen ablaufen sind dabei ausgezeichnete Kandidaten, da der Katalysator am Ende der Reaktion regeneriert wird und damit potentiell auch wiederverwendet werden kann. Das minimiert die Menge an gefährlichen Abfällen und stellt ein wesentliches Green Chemistry Prinzip dar. Tatsächlich findet man katalytische Reaktionen heute weit verbreitet in der industriellen Produktion von Grund- und Feinchemikalien. Die eingesetzten Übergansmetalle sind jedoch oft seltene und dadurch sehr teure Elemente wie z.B. Rhodium, Iridium, Platin, Palladium oder Ruthenium und neben ihrem Preis auch durch ihre teilweise signifikante Giftigkeit mit schwerwiegenden Nachteilen behaftet. Eisen hingegen ist das zweit-häufigste Metall in der Erdkruste. Mit vergleichsweise niedrigen Beschaffungskosten und Toxizität stellt es das ideale Metall dar für die Entwicklung neuer ökonomisch und ökologisch verantwortlicher katalytischer Anwendungen.