Synergie zwischen homogener und heterogener Katalyse

Dr. Jagadeesh Rajenahally

Die Entwicklung nachhaltigerer Verfahren für die fortschrittliche organische Synthese ist nach wie vor ein Hauptziel der chemischen Forschung. Insbesondere ist die Katalyse eine Schlüsseltechnologie, um nachhaltigere Prozesse in der chemischen, pharmazeutischen, Energie- und Materialindustrie zu erreichen. In dieser Hinsicht ist die Gestaltung von „idealen“ Katalysatoren von zentraler Bedeutung für die Herstellung aller Arten von Chemikalien und Molekülen für die Life-Science-Branche heute und in der Zukunft.  

Unsere Forschung konzentriert sich auf:

(1) Entwicklung kostengünstiger und praktikabler Katalysatoren mit der Aktivität und Selektivität von homogenen und die Stabilität und Wiederverwertbarkeit von heterogenen Katalysatoren.

(2) Entwicklung nachhaltigerer Verfahren für Feinchemikalien und Bulkchemikalien sowie für Biomoleküle.

Katalysatorentwicklung

Die größte Herausforderung bei der Katalyse besteht darin, Katalysatoren zu schaffen, die extreme Stabilität, bemerkenswerte Aktivität und hohe Selektivität aufweisen. Im Allgemeinen sind homogene Katalysatoren sehr selektiv, aber nicht stabil, während heterogene Katalysatoren ziemlich stabil, aber nicht selektiv sind. Unsere explorative Gruppe befasst sich mit der Frage, wie sowohl homogene als auch heterogene Katalyse kombiniert werden können, um "Durchbruchskatalysatoren" zu schaffen, um die Spaltung zwischen diesen beiden Aspekten zu überbrücken. Als Beispiel haben wir Fe- und Co-basierte Nanokatalysatoren hergestellt, indem homogene Metallkomplexe und metallorganische Gerüste als Vorläufer und Struktursteuerungsvorlagen verwendet wurden. Diese Katalysatoren sind äußerst stabil und selektiv für Hydrierungs-, Aminierungs- und Oxidationsreaktionen (siehe Science 2013, 342, 1073; Science 2017, 358, 326; Nature Communications 2014, 5, 4123)

‚‚Unser gemeinsame Ziel ist es, sehr aktive und stabile Katalysatoren mit hoher Produktselektivität zu niedrigen Kosten zu entwickeln‘‘

Nachhaltige organische Synthese

Durch den Einsatz geeigneter Katalysatoren (oben erwähnt) entwickeln wir nachhaltige Verfahren zur Synthese von essentiellen Chemikalien sowie von Pharmazeutika, Agrochemikalien und Biomolekülen. Für diese Synthese wenden wir katalytische Aminierung, CH-Aktivierung, Hydrierung, Dehydrierung, Oxidation und Kupplungsreaktionen sowie die Valorisierung zahlreicher kleiner Moleküle und erneuerbarer Ressourcen an.

Derzeit liegt unser Schwerpunkt auf folgenden katalytischen Prozessen:

Aminierungs- und Hydrierungsprozesse: Reduktive Aminierung, Aminierung von Alkoholen und Aminocarbonylierungsreaktionen. Hydrierung von aromatischen Kohlenwasserstoffen, Amiden, Estern und Hydrogenolysereaktionen.

C-H Aktivierung und Funktionalisierung: Ortsselektive C-H-Funktionalisierung zur Verfeinerung einfacher und komplexer Moleküle. CH-Oxidation, CH-Aminierung, CH- (Methyl) -Alkylierung und Dehydrierungsreaktionen. CH-Silylierungs-, -borylierungs- und -fluorierungsreaktionen.

Referenzen:

1. Senthamarai, Thirusangumurugan; Murugesan, Kathiravan; Schneidewind, Jacob; Kalevaru, Narayana V.; Baumann, Wolfgang; Neumann, Helfried;  Kamer, Paul C. J.; Beller, Matthias; Jagadeesh, Rajenahally V. Nature Communications 2018, 9, 4123. Simple Ruthenium-Catalyzed Reductive Amination Enables the Synthesis of a Broad Range of Primary Amines.

2. Murugesan, Kathiravan; Senthamarai, Thirusangumurugan;  Sohail, Manzar   Alshammari, Ahmad S.; Pohl, Marga-Martina; Beller, Matthias;  Jagadeesh, Rajenahally V. Chemical Science 2018, 9, 8553-8560. Cobalt-Based Nanoparticles Prepared from MOF-carbon Templates as Efficient Hydrogenation Catalysts.

3. Natte, Kishore; Neumann, Helfried; Beller, Matthias; Jagadeesh, Rajenahally V. Angewandte Chemie International Edition 2017, 56, 6384-6394. Transition-Metal-Catalyzed Utilization of Methanol as a C1 Source in Organic Synthesis.

4. Jagadeesh, Rajenahally V.; Murugesan, Kathiravan; Alshammari, Ahmad S.; Neumann, Helfried; Pohl, Marga-Martina; Radnik, Joerg; Beller, Matthias. Science 2017, 358, 326-332. MOF-derived cobalt nanoparticles catalyze a general synthesis of amines.   

5. Natte, Kishore; Neumann, Helfried; Jagadeesh, Rajenahally V.; Beller, Matthias. Nature Communications 2017, 8, 1334. Convenient iron-catalyzed reductive aminations without hydrogen for selective synthesis of N-methylamines.

6. Jagadeesh, Rajenahally V.; Junge, Henrik; Beller Matthias. Nature Communications 2014, 5, 4123. Green Synthesis of Nitriles Using Non-noble Metal Oxides Based Nanocatalysts.

7. Jagadeesh, Rajenahally V.; Surkus, Annette-Enrica; Junge, Henrik; Pohl, Marga-Martina; Radnik, Joerg; Rabeah, Jabor; Huan, Heming; Schuenemann, Volker; Brueckner, Angelika; Beller, Matthias. Science 2013, 342, 1073-1076. Nanoscale Fe2O3-Based Catalysts for Selective Hydrogenation of Nitroarenes to Anilines.

8. Jagadeesh, Rajenahally V.; Junge, Henrik; Pohl, Marga-Martina; Radnik, Joerg; Brueckner, Angelika; Beller, Matthias. Journal of the American Chemical Society 2013, 135, 10776-10782. Selective Oxidation of Alcohols to Esters using Heterogeneous Co3O4-N@C Under Mild Conditions.