Organokatalyse
Dr. Thomas Werner
Neue Organokatalysatoren und kooperative Katalyseverfahren für die stoffliche Nutzung von CO2 als Synthesebaustein
Verschiedene Studien weisen darauf hin, dass der globale Klimawandel ist eng verknüpft mit der Emission anthropogener Treibhausgase. Dabei entfällt der weitaus größte Anteil dieser Emissionen auf das Kohlendioxid (CO2). In der Gesamtstrategie zum CO2-Mangement nimmt die stoffliche Nutzung von CO2 als Synthesebaustein neben der Vermeidung eine zentrale Rolle. ein. Die atomökonomische und wirtschaftliche Verwendung von CO2 als Synthesebaustein ist eng mit der effizienten Aktivierung dieses sehr stabilen Moleküls verknüpft.
Das Ziel unserer Arbeiten ist die Entwicklung neuer metallfreier Katalysatoren, sogenannter Organokatalysatoren, für die Synthese industriell relevanter Produkte unter stofflicher Verwertung von CO2 als C1‑Baustein. Die Nutzung inter- und intramolekularer kooperativer Effekte sowie die Kombination dieser Katalysatoren mit metall- oder enzymkatalysierten Verfahren in (sequenziellen) Eintopfreaktionen soll darüber hinaus zu nachhaltigen, innovativen, kooperativen Katalysatorsystemen bzw. Verfahren mit hoher Selektivität und Energieeffizienz führen. Diese alternativen Synthesemethoden unter Einbeziehung von vor- und nachgelagerten Schritten sollen eine Änderung bzw. Erweiterung der Rohstoffbasis unter Verwertung von CO2 ermöglichen. Gegenstand der Untersuchungen sind Transformationen mit hohem CO2-Fixierungs-potential, die zu Produkten führen, welche von großem industriellen Interesse sind (die Synthese cyclischer Carbonate (A), Polycarbonate (B), β‑Ketoester und β‑Hydroxycarbonsäuren (C), Abbildung 1).
Abbildung 1. Stoffliche Nutzung von CO2 durch direkte Fixierung
Dieses Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb der Fördermaßnahme "Technologien für Nachhaltigkeit und Klimaschutz - Chemische Prozesse und stoffliche Nutzung von CO2" als Nachwuchsgruppe gefördert.
Neue organokatalysierte Verfahren basierend auf phosphorhaltigen Katalysatoren
Die homogene Metallkatalyse spielt sowohl in der Forschung als auch in der Industrie eine wichtige Rolle und obwohl die Organokatalyse schon seit langem bekannt ist, findet sie erst seit Ende des letzten Jahrhunderts ihre gebührende Beachtung. Insbesondere auf dem Gebiet der asymmetrischen Organokatalyse gab es in den letzten 15 Jahren enorme Fortschritte. Besonders weit entwickelt ist dabei der Einsatz chiraler N-haltiger Katalysatoren.
Phosphane sind eine wichtige Klasse von Liganden in Metallkomplexen. Aufgrund dieser herausragenden Rolle in der homogenen Katalyse ist eine Fülle von Synthesen sowohl von achiralen als auch von chiralen Phosphanen in der Literatur beschrieben. Darüber hinaus sind viele dieser Verbindungen auch kommerziell erhältlich. Phosphane und deren Derivate spielen jedoch auch als Reagenzien in der organischen Synthese eine wichtige Rolle. Als Beispiele seien hier die Umsetzung von Alkoholen zu Halogeniden (Appel-Reaktion), die Olefinierungen von Ketonen und Aldehyden (Wittig-Reaktion) und die Synthese von Iminen durch die Aza-Wittig-Reaktion genannt. Im Vergleich zu ihrer immensen Bedeutung als Liganden und Reagenzien spielen Phosphane in der Organokatalyse eine eher untergeordnete Rolle.
- Abbildung 2. Phosphine und Phosphoniumsalze – potentielle Lewis-basische bzw. Lewis-saure Organokatalysatoren.
Unser Ziel ist es, in einem ersten Schritt, neue katalytische Varianten von Verfahren zu entwickeln, in denen Phosphane bisher in stöchiometrischen Mengen eingesetzt wurden. In einem zweiten Schritt sollen dann entsprechende asymmetrische Varianten etabliert werden. Darüber hinaus wird der Einsatz chiraler Phosphane und Phosphoniumsalze als Lewis-basische bzw. Lewis-saure Organokatalysatoren untersucht (Abbildung 2).
