Bioinspirierte Homo- & Heterogene Katalyse

komm. Prof. Johannes G. de Vries

Die Entwicklung neuer katalytischer Prozesse sowie die Struktur- /Aktivitätsbeziehungen von Katalysatoren sind Hauptthemen unserer Forschung. Unser Interesse richtet sich dabei auf eine breite Palette homogen-katalysierter Reaktionen mit Übergangsmetallkomplexen, wobei der spezielle Fokus auf phosphorbasierten Donorliganden liegt. Hauptgebiet unserer Arbeiten ist die Ligandensynthese mit molecular modelling basiertem Design. Die Entwicklung dieser Liganden wird durch mechanistische in-situ Studien katalytischer Reaktionen unterstützt, um einen Einblick in deren Struktur-Aktivitätsbeziehungen zu erlangen. Die Untersuchung derjenigen sterischen und elektronischen Effekte, welche die geometrische Anordnung der Liganden um das Metallzentrum bestimmen, ist ein weiterer Aspekt unserer Forschung. Durch ein Katalysatordesign, das sich wie im Falle von Metalloenzymen am zu erreichenden Übergangszustand orientiert, können chemische Reaktionen beschleunigt werden. Dieser Ansatz führt zu neuartigen, hochaktiven (enantio)selektiven Katalysatoren.

Die Reaktionsraten und Selektivitäten enzymatischer Katalysen sind nur selten mit denen übergangsmetallkatalysierter Reaktionen vergleichbar. Viele wichtige Feinchemikalien werden durch klassische homogen katalysierte Reaktionen hergestellt, weil es an effizienten Enzymen für wichtige chemische Transformationen wie CO- oder Alkeninsertionen mangelt. Durch die Kombination von biologischen Konzepten der selektiven Erkennung mit denen der Übergangsmetallkatalyse entwickeln wir neue, hochselektive Katalysatoren für wichtige (asymmetrische) katalytische C­‑C-Bindungsknüpfungen.1 Vergleichbar mit biologischen Systemen könnte die hohe Substratspezifität die Möglichkeit eröffnen ein einzelnes Substrat als Bestandteil einer Substratmischung selektiv umzusetzen. Wir haben Methoden zur Funktionalisierung von Proteinen mit Phosphinliganden entwickelt, die es ermöglichen nicht-natürliche Übergangsmetallkomplexe in Proteine einzuschließen.2,3 Die Proteinkette dieser künstlicher Metallenzyme kann die räumliche Anordnung von Metallzentrum und Substrat bestimmen. Durch Änderung der Aminosäurensequenz und der Struktur des katalytisch wirksamen Metallkomplexes gelingt die Optimierung effizienter und selektiver Reaktionen.

Untersucht wurden Proteinstrukturen wie die von Photoactive Yellow Protein und dem Steroid Carrier Protein 2-L. Die Auswahl dieser Proteine erfolgte nach ihren Substratbindungseigenschaften und sie fanden Anwendung in verschiedenen C-C und C-X- Bindungsknüpfungsreaktionen2,4 und in der katalytischen Hydrierung.5

Abbildung 1. Bändermodell (a) und raumfüllendes Modell (b) von SCP-2L, das für die Hydroformylierung eingesetzt wird (c)

SCP-2L enthält einen großen unpolaren Tunnel, dessen Bindungsstellen mit passenden Übergangsmetallkomplexen funktionalisiert werden können. Durch Mutagenese wurde das Protein so modifiziert, dass ein einzelnes Cystein an der gewünschten Position eingebaut wird. Das Protein kann darüber effizient und selektiv mit Phosphinen, bzw. Phosphin-Metallkomplexen funktionalisiert werden. Die entsprechenden Rhodium-Phosphin-SCP-2L sind effiziente, linearselektive Katalysatoren für die Hydroformylierung langkettiger Alkene in Wasser.6 SCP-2L A100C-1-P3-Rh  zeigte gegenüber des traditionellen Rh/TPPTS-Systems für die zweiphasige Hydroformylierung von 1-Okten und 1-Decen eine um den Faktor 10³ erhöhte Reaktionsrate. Auch bezüglich der Reaktionsführung bei 35°C unterscheidet sich diese Katalyse stark von der industriell angewandten Reaktion, die bei 115°C durchgeführt wird.

[1] Bioinspired Catalyst Design and Artificial Metalloenzymes. Peter J. Deuss, René den Heeten, Wouter Laan, Paul C. J. Kamer Chem. Eur. J. 2011, 17, 4680-4698.

[2] Artificial metalloenzymes via cysteine-selective conjugation of phosphines to Photoactive Yellow Protein .W. Laan, B. K. Muñoz, R. den Heeten, P. C. J. Kamer ChemBioChem 2010, 11, 1236-1239.

[3] Highly efficient and site-selective phosphane modification of proteins via hydrazone linkage for the development of artificial metalloenzymes. P. J. Deuss, G. Popa, C. H. Botting, W. Laan, P. C. J. Kamer. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 5315-5317.

[4] Artificial copper-enzymes for asymmetric Diels Alder reactions. P. J. Deuss, G. Popa, A. M. Z. Slawin, W. Laan, P. C. J. Kamer ChemCatChem 2013, 5, 1184-1191.

[5] Photoactive Yellow Protein as scaffold for the synthesis of artificial metalloenzymes. R. den Heeten, B. K. Muñoz, G. Popa, W. Laan, P. C. J. Kamer Dalton Trans. 2010, 39, 8477-8483.

[6] Enzyme activity by design: an artificial rhodium hydroformylase for linear aldehydes. A. G. Jarvis, L. Obrecht, P. J. Deuss, W. Laan, E. Gibson, P. Wells, P. C. J. Kamer. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13596-13600.

Die gegenwärtig noch hauptsächlich auf endlichen fossilen Ressourcen basierende Herstellung von Feinchemikalien muss zukünftig auf die Nutzung biobasierter und damit ständig nachwachsender Rohstoffe umgestellt werden. Vor diesem Hintergrund liefern Ölpflanzen, die in fast allen Klima- und Vegetationszonen der Erde angebaut werden können, einen relevanten Zugang zu potentiellen Chemikalien. 

Momentan existieren verschiedene Verfahren, bei denen Pflanzenöle in Fettsäurederivate und Glycerin gespalten werden. Die chemische Modifizierung von Fettsäuren ist, insbesondere unter Einbeziehung ihrer Doppelbindungen, bereits eingehend untersucht worden. Die Derivatisierung des billigen Koppelprodukts Glycerin, das zu etwa 10 Gewichtsprozent in Pflanzenölen enthalten ist, blieb hingegen bisher im Wesentlichen auf die Synthese unsymmetrischer Verbindungen wie z. B. Glycerincarbonat (4-Hydroxymethyl-1,3-dioxolan-2-on) beschränkt, da diese leicht zugänglich sind. Die Herstellung symmetrischer Glycerinderivate, wie 1,3-Dihydroxyaceton, ist im Unterschied dazu derzeit aufwändig und teuer.

Ausgehend von unseren bisherigen Arbeiten und Erfahrungen in der Chemie nachwachsender Rohstoffe wollen wir ein Synthesekonzept unter Nutzung katalytischer Reaktionen entwickeln, das den momentan schwierigen Zugang zu symmetrischen C3-Verbindungen des Glycerins als potentiell wertvollen Feinchemikalien, Synthesebausteinen oder Monomeren verbessert.

1. J. Deutsch, A. Martin, H. Lieske, J. Catal. 2007, 45, 428-435.

2. G. Walther, J. Deutsch, A. Martin, F.-E. Baumann, D. Fridag, R. Franke, A. Köckritz, ChemSusChem 2011, 4, 1052-1054.

3. C. Diehl, G. Brenner, B. Schäffner, A. Köckritz, J. Deutsch, K. Neubauer, WO 001172 A1, 2017.

Das Projekt beschäftigt sich mit homogenkatalytischen Reaktionen mit Metallkomplexen, deren (chirale) zweizähnige Liganden eine „unübliche“ räumliche Struktur im Komplex erzeugen. Bisher wurden zweizähnige Liganden entwickelt, die einen Ausgangskomplex bilden, dessen Struktur bereits der des zu erreichenden Übergangszustandes ähnelt. Auf diese Weise lassen sich der Verlauf und die Geschwindigkeit katalytischer Reaktionen, und hierbei insbesondere der Elementarschritt des Katalysezyklus, gezielt beeinflussen. Dies konnte bereits erfolgreich für grundlegende Studien zur Rhodium-katalysierten Hydroformylierung genutzt werden. Wir wollen nun die Funktionsweise einer neuen Katalysatorgeneration zweizähniger Liganden mit großem „Bisswinkel“ aufklären, wobei insbesondere der Einfluss der Katalysatorstruktur auf die Selektivität der Zielreaktion untersucht werden soll. Es wurden asymmetrische Rhodium-Katalysatoren mit P-chiralen Phosphin-Liganden synthetisiert und derartige Liganden nachfolgend für die Synthese zahlreicher neuer Palladium- und Nickelkatalysatoren verwendet. Typische Palladium-katalysierte Reaktionen der organischen Synthesechemie wie die Kreuzkupplung, die Allylsubstitution, die Heck-Reaktion und die Carbonylierung, sollen nun untersucht werden, wobei die Reaktionskinetik und die Einflüsse der verwendeten Liganden im Mittelpunkt stehen.

Der Aufbau einer nachhaltigen Gesellschaft wird zukünftig eine effizientere Verwendung von Rohstoffen erfordern. Dazu sind neue Methoden und Verfahren zu entwickeln, die eine selektive Synthese von Zielprodukten ermöglichen. Dementsprechend müssen

  • traditionelle stöchiometrische und energieintensive Prozesse, welche beträchtliche Mengen an Abfallprodukten erzeugen, durch saubere katalytische Prozesse unter vorzugsweise thermisch milden Reaktionsbedingungen ersetzt werden, sowie
  • die stofflichen Grundlagen für die Produktion von Chemikalien von fossilen auf nachwachsende Rohstoffe umgestellt werden.

Dies stellt eine enorme Herausforderung für unsere Gesellschaft dar. Vor diesem Hintergrund ist Biomasse, welche Lignocellulose enthält, eine der besten Ressourcen für eine nachhaltige Energieerzeugung und Chemikalienproduktion. Lignin, ein dreidimensionales amorphes Biopolymer, ist nach Zellulose das zweithäufigste natürliche Polymer und die Hauptquelle für biobasierte Aromaten.  Es besteht aus methoxylierten Phenylpropan-Einheiten, die über verschiedene C-O and C-C Bindungen, wie z.B. β-O-4, β-β und β-5, miteinander verbunden sind. Unsere Untersuchungen befassen sich mit der Entwicklung geeigneter Katalysatoren für Etherspaltungen in Modellverbindungen und realen Ligninproben, um das Anwendungspotential der Ligninocellulose als Ausgangsmaterial für Kraftstoffe und Chemikalien zu erhöhen. Ruthenium-Komplexe, die Liganden mit großem “Bisswinkel” enthalten, wurden bereits als effiziente Katalysatoren für die Etherspaltung als wesentlichem Schritt des Lignin-Abbaus identifiziert

Für die Entwicklung eines wirksamen Katalysators zur Lignin-Depolymerisation werden die sterischen und elektronischen Eigenschaften einer Reihe von Xantphos-Liganden untersucht. Das zielgerichtete Design eines effektiven Katalysators wird durch Synthesen und Testungen im Hochdurchsatz vervollständigt.

In unserer Gruppe werden einfache und zielgerichtete Synthesemethoden für unterschiedliche Xantphos-Liganden entwickelt, die aufwändige Reinigungsverfahren vermeiden und für ein Upscaling geeignet sind.

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