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).

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.