Effiziente Katalysen mit weniger Metall

Die industrielle Synthese von Arzneimitteln, Fein- und Agrochemikalien beruht maßgeblich auf metallkatalysierten chemischen Transformationen. Zur Steigerung der Effizienz, Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit dieser Prozesse stellt die Forschungsgruppe von Bartholomäus Pieber einen neuartigen Nickelkatalysator vor. Das System wird durch sichtbares Licht aktiviert und ermöglicht die hocheffiziente Knüpfung breiter Bindungsspektren bei minimaler Katalysatorbeladung.

Palladium- vs. Nickelkatalyse in der Syntheseplanung

In der präparativen organischen Chemie zählen C-C- sowie Heteroatom-Kreuzkupplungen zu den zentralen Synthesemethoden. Historisch dominiert hierbei die Edelmetallkatalyse auf Palladiumbasis, deren Grundlagen 2010 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt wurden. Trotz der hohen Effizienz von Palladium-Katalysatoren stellen deren hoher Preis und die geringe Abundanz des Edelmetalls wesentliche ökonomische und ökologische Nachteile dar.

Als Alternative etablierte sich vor etwa zehn Jahren die Verknüpfung von Nickelkatalysatoren mit Photoredox-Katalysatoren. Dieses System nutzt sichtbares Licht als Energiequelle, um Nickelzentren zu aktivieren. Dennoch wiesen bisherige Nickel-Photoredox-Systeme deutliche Einschränkungen bezüglich Reaktionsgeschwindigkeit, Substrattoleranz und Katalysatoreffizienz auf. „In unserem Labor versuchen wir zu verstehen, warum moderne Nickelkatalysesysteme Einschränkungen aufwiesen. Basierend auf diesem Verständnis entwickeln, synthetisieren und untersuchen wir alternative Kandidaten und Methoden“, erklärt Pieber.

Ein erster Entwicklungsschritt gelang dem Team bereits 2020: Durch präzise Reaktionskontrolle konnte die Desaktivierung der Nickelkomplexe bei komplexen Substraten unterdrückt werden. Allerdings erforderten diese Systeme hohe Katalysatormengen und wiesen lange Reaktionszeiten auf. „Das war natürlich noch weit von einer effizienten Methode entfernt“, erklärt Pieber. „Aber es war ein Beweis, dass es machbar ist. In den vergangenen Jahren hat sich unser Verständnis dieser katalytischen Reaktionen stetig verbessert.“

Entwicklung eines hochaktiven Nickel-Photokatalysators

Auf Basis dieser mechanistischen Erkenntnisse entwarf Aleksander Bena optimierte Katalysatorarchitekturen für die lichtgetriebene Aktivierung. „Ich mag die Herausforderung, ein chemisches Rätsel zu lösen. Man entwickelt eine Idee, testet sie experimentell und lernt aus jedem Ergebnis etwas dazu“, sagt Bena. Das resultierende Katalysatorsystem zeichnet sich durch einen maßgeschneiderten Liganden aus, der die elektronischen und sterischen Eigenschaften des Nickelzentrums nach Photoanregung optimiert. Dadurch gelingt die selektive Verknüpfung von Kohlenstoffatomen mit Heteroatomen wie Stickstoff, Sauerstoff, Schwefel oder Phosphor. Die Anwendbarkeit demonstrierten die Forschenden an über 150 Zielmolekülen, darunter komplexe Wirkstoffderivate wie das Antidepressivum Fluoxetin.

Extrem geringe Katalysatorbeladung und hohes Anwendungspotenzial

„Das bemerkenswerteste Ergebnis war, dass wir komplexe Bindungen mit einer sehr geringen Menge des Nickelkatalysators effizient herstellen konnten“, so Bena. Die erforderliche Katalysatordosis konnte auf 100 ppm (0,01 Mol-%) gesenkt werden, was einer Turnover Number (TON) von bis zu 10.000 entspricht. Ein einziges Nickelzentrum setzt somit bis zu 10.000 Produktmoleküle um – eine Effizienz, die zuvor nahezu ausschließlich edelmetallbasierten Palladiumsystemen vorbehalten war.

„Solche geringen Katalysatormengen werden üblicherweise nur mit palladiumbasierten Katalysatoren erreicht. Dass dies mit einem Nickelkatalysator gelingt, ist sehr aufregend“, ergänzt Pieber. „Diese Kombination aus geringer Katalysator-Menge und breiter Anwendbarkeit für viele verschiedene Bausteine könnte diesen Ansatz besonders interessant für die Synthese von Pharmazeutika und Feinchemikalien machen.“

Kernaspekte

• Reaktionsprinzip: Lichtgetriebene Nickelkatalyse zur selektiven Knüpfung von C-C-, C-N-, C-O-, C-S- und C-P-Bindungen.
• Effizienzsteigerung: Reduktion der Katalysatormenge auf 0,01 Mol-% (100 ppm) bei hoher Substrattoleranz.
• Nachhaltigkeit: Substitution teurer und rarer Palladiumkatalysatoren durch ein präparativ nutzbares Unedelmetall-System.

Quelle

Institute of Science and Technology Austria (09/2026)