Angewandte Homogenkatalyse

Prof. Dr. Matthias Beller

Im Bereich werden wichtige Aspekte der homogenen Katalyse, speziell von Übergangsmetallkatalysatoren untersucht. Wesentliche strategische Ziele unserer Forschung sind die Entwicklung neuer, umweltfreundlicher Katalysatoren und Synthesemethoden sowie deren Anwendung. Dabei ist der Transfer der Ergebnisse von Modellstudien und mechanistischen Untersuchungen zu konkreten chemischen Produkten oder Prozessen ein besonders wichtiger Aspekt. 

Inhaltliche Schwerpunkte unserer Forschung sind die Themen „Palladium-katalysierte Kupplungsreaktionen von Arylhalogeniden“, „Enantioselektive Oxidationskatalyse“, „Katalyseanwendungen im Wirkstoffbereich“ sowie „Katalytische Carbonylierungen“. Im ersten Teilbereich werden von uns methodische Untersuchungen der katalytischen Funktionalisierung von Arylhalogeniden - insbesondere kostengünstiger Chlor- und Bromaromaten - und Arenen zu aromatischen Aminen, arylierten Olefinen, Benzaldehyden, Benzoesäurederivaten, Benzonitrilen etc. durchgeführt. Die von uns in den letzten Jahren entwickelten Metall-Komplexe und Liganden (z. B. Palladacyclen, Adamantylphosphine, Arylheteroarylphosphine) stellen „State-of-the-Art-Katalysatoren“ dar, die von mehreren Forschungsgruppen für verschiedenste Kupplungsreaktionen mit Erfolg angewendet wurden und auch bereits technisch eingesetzt werden. Neben Katalysatorentwicklungen wurden in den letzten Jahren auch methodische Entwicklungen vorangetrieben. So haben wir u. a. Kaliumhexacyanoferrat(II) als nicht-toxisches und umweltfreundliches Cyanierungsreagenz entwickelt.

Metallkomplexkatalysierte Oxidationsreaktionen sind mengenmäßig die bedeutendsten homogenkatalytischen Reaktionen in der chemischen Industrie. Im Rahmen der Entwicklung nachhaltiger chemischer Verfahren („sustainable development“) ist der Einsatz von umweltfreundlichen und kostengünstigen Oxidationsmitteln primäres Ziel unserer Forschungsbemühungen. Die Arbeiten konzentrieren sich daher auf die Entwicklung von katalytischen Oxidationsreaktionen mit Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel. In der Vergangenheit konnten wir die erste osmium-katalysierte Dihydroxylierung mit Luft durchführen. Bemerkenswerterweise werden bei diesen Reaktionen beide Sauerstoffatome produktiv in die Oxidationsprodukte eingebaut (bis dato gibt es weltweit nur sehr wenige Beispiele für derartige Reaktionen von Sauerstoff). Aktuell und in Zukunft werden katalytische Epoxidationen mit Ruthenium- und Eisen-Katalysatoren in Gegenwart von Wasserstoffperoxid sowie Alkoholoxidationen, beides Synthesemethoden mit großem Potential, untersucht. Speziell unsere neuesten Arbeiten mit Fe-Systemen sind auch für biologische Oxidationsprozesse von Relevanz.

Im Rahmen der Nutzung von katalytischen Reaktionen zur Synthese neuer Wirkstoffe werden von meiner Forschungsgruppe besonders die regioselektive Addition von Aminen an Doppelbindungen und Carbonylierungsreaktionen intensiver beforscht. Hier konnten wir beispielsweise die ersten übergangsmetallkatalysierten anti-Markovnikov-Aminierungen realisieren. In neueren Arbeiten (seit 2004) beschäftigen wir uns zunehmend mit katalytischen Synthesen von Indolderivaten bzw. deren Derivatisierung. In Kooperation mit Pharmafirmen sind hier die Ziele unserer Forschung die Entwicklung neuer Analgetika, Anti-Alzheimer-Wirkstoffe und Kinaseinhibitoren.

Im Thema „Carbonylierungen“ werden u. a. die Entwicklung atomeffizienter Multi-Komponenten-Reaktionen zu ß-Aminosäurederivaten sowie palladium-katalysierte Carbonylierungen von Arylhalogeniden bearbeitet. Mittels von uns in Grundlagenarbeiten entwickelten Katalysatoren konnten auch die ersten technischen Umsetzungen (>1.000-kg-Maßstab) derartiger Transformationen (reduktive Carbonylierungen) für die Herstellung von Pharmaintermediaten realisiert werden. Weitere Carbonylierungsreaktionen, die in Kooperation mit Industrieunternehmen bearbeitet werden, sind Hydroformylierungen von großtechnisch hergestellten Olefinmischungen. Konzeptionell konnten wir hier zeigen, dass es möglich ist, technische Olefinmischungen selektiv zu einem Zielprodukt umzusetzen. Diese Arbeiten wurden im anerkannten Wissenschaftsjournal Science publiziert und dort auch „gehighlighted“. 

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