Katalyse durch Polaritätsumkehr in der Elektrosynthese

Die organische Chemie hat leider keinen allzu guten Ruf. Zu häufig wird von giftiger Chemie und ungesunder Chemikalien gesprochen. Allerdings ignorieren viele dabei, dass nicht nur unser Körper selbst eine sehr komplexe chemische Anlage ist, sondern auch das die Entwicklungen in der organischen Chemie das Leben von Milliarden Menschen lebenswerter gemacht haben. Die meisten modernen Medikamente wären zum Beispiel ohne unser Wissen über Chemie nicht möglich. Allerdings sind die Umweltschäden, welche die chemische Industrie verursacht weitreichend bekannt. Deswegen werden kontinuierlich alternativen Syntheserouten gesucht, in denen weniger oder am besten gar keine schädlichen Chemikalien verwendet werden. Besonders viel chemischer Müll wird bei Oxidation oder Reduktionsprozessen produziert, weil häufig große Mengen an Oxidations- oder Reduktionsmittel nötig sind in denen der größte Teil als Abfall anfällt. Dabei wird bei diesen Prozessen nur die Bewegung von ganz kleinen Teilchen mit wenig Eigenmasse benötigt (Elektronen). Genau deswegen ist die Elektrosynthese so ein Vielversprechendes Feld: Anstelle der potentiell gefährlichen Oxidation- und Reduktionsmitteln werden hier einfach die Elektronen aus der Steckdose benutzt. Durch den Einsatz von elektrischem Strom in der Synthese, ist es außerdem möglich Reaktionen zu verursachen die unter konventionellen Bedingungen nicht stattfinden würden. Die Forschung unter Leitung vom Prof. Phil Baran am Scripps Institut in La Jolla, Kalifornien beschäftigt sich mit diesem interessanten Konzept, vor allem um Naturstoffe und Pharmazeutika herzustellen. Als Erwin-Schrödinger Stipendiat hoffe ich mit dem erlangten Wissen langfristig wichtige chemische Prozesse effizienter aber vor allem umweltfreundlicher machen zu können.

Während der COVID-19 Pandemie wurde die Welt Zeuge einer beispiellosen Geschwindigkeit in der Entwicklung von neuartigen Impfungen und Medikamenten um dieser Krankheit die Stirn zu bieten. Die schnelle Entwicklung von neuen Medikamenten und von Pflanzenschutzmitteln ist ein Interdisziplinärer Kraftakt in dem die synthetische organische Chemie eine Schlüsselrolle spielt weil es den Werkzeugkasten von medizinischen und Agrochemikern ist auf dem sie zugreifen wenn sie neue aktive Wirkstoffe entwickeln wollen. Das hier präsentierte Projekt hat sich auf die Entwicklung eines von Grund auf neuem Synthesekonzepts fokussiert um bestimmte Motive in organischen Molekülen zu generieren. Dieses neue Konzept ist nicht nur ein neues Werkzeug was benutzt werden kann um vorher nicht zugängliche Wirkstoffe zu synthetisieren weil die neu entwickelten Reaktionen selektiver sind und ausserdem eine grosse Vielfalt an chemischen Substraten verwendet werden können sonder es stellt auch eine wesentliche ökologische und sicherheitstechnische Verbesserung dar. Anstelle von giftigen, teuren und reaktiven Chemikalien um ein gewisses reaktives Intermediat welches für einige sehr wichtige chemischen Reaktionen notwendig ist, wurde elektrischer Strom benutzt: Ein Metallkatalysator wird normalerweise mit einem Reduktionsmittel welches ein Wasserstoffatom enthält aktiviert um ein wichtiges aktives Intermediat (das Übergansmetallhydrid) zu formen welches das chemische Substrat umwandelt. Das bedeutet, dass die kleinstmögliche molekulare Entität (ein Wasserstoffatom) von einem sehr viel grösserem, komplexerem und gefährlicherem Molekül übertragen werden muss was zu grossen Mengen an chemischen Abfall führt um eine relativ kleine Änderung im Substrat herbeizuführen. In dieses Projekt wurde der Katalysator einfach durch elektrischen Strom aktiviert. Der aktivierte Katalysator ist dann im Stande das Wasserstoffatom von einer schwachen Säure übertragen zu bekommen um das gleiche reaktive Übergansmetallhydrid zu generieren. Die schwache Säure ist kostengünstig, weniger gefährlich, kann leicht wieder hergestellt werden und es fallen keine grossen Mengen an chemischem Müll an. Führende Forscher aus 5 verschiedenen Institutionen haben an der Aufklärung der Fundamente dieses neuen Konzepts gearbeitet mit hochinteressante Ergebnissen in denen eine ganze Reihe an neuartigen Mechanismen entdeckt worden sind. Obwohl dieses Konzept ausführlich erforscht worden ist, ist es wahrscheinlich, dass es eine ganze Reihe von neuartigen Reaktionen ermöglichen wird, da es durch die Variation von Substraten und Katalysatoren eine scheinbar unendliche Anzahl von neuen Kombinationsmöglichkeiten gibt die unter ähnlich Reaktionsbedingungen funktionieren könnten.