Elektrochemie erschließt neue Substanzklassen

In den letzten Jahren erfuhr die Elektrochemie eine Renaissance. Zahlreiche Forschergruppen beschäftigen sich mittlerweile mit dieser umweltschonenden Technologie zur Herstellung oder Umwandlung von Molekülen. Aber trotz der Vorteile der Elektrochemie ist ihre Anwendung in manchen Fällen problematisch. So führte die Elektrolyse höchst reaktiver Substanzen bislang ausschließlich zur Bildung von hochmolekularen Produkten, also von Polymeren. Teilweise wurde dies in der Vergangenheit sogar gezielt eingesetzt, zum Beispiel für die Herstellung von Anilinschwarz. Chemikern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es nun gelungen, die Problematik der elektrochemischen Polymerbildung zu überwinden und erstmals eine nachhaltige und effiziente Strategie zur Synthese wichtiger Substanzklassen zu entwickeln.

Um chemische Reaktionen zu erzeugen, nutzt die Elektrochemie elektrischen Strom anstelle von teilweise gefährlichen chemischen Reagenzien mit den entsprechenden Reagenzabfällen. Das umweltfreundliche Verfahren eignet sich unter anderem zur Herstellung von Verbindungen für die Chemie- und Pharmaindustrie, beispielsweise von Biarylen für sehr leistungsfähige Katalysatoren. Die Forschungsgruppe um Prof. Dr. Siegfried Waldvogel am Institut für Organische Chemie der JGU hat nun ein Verfahren entwickelt, um die Schlüsseltechnologie auch auf hoch reaktive Substanzen anzuwenden. „Bei bestimmten Ausgangssubstanzen haben wir mit der Elektrochemie bisher immer Polymere erhalten. Jetzt können wir die Teile so zusammenbasteln, dass wir nur zwei Bausteine verbinden“, erklärt Waldvogel zu der neuen Strategie, die in Kooperation mit dem Partner Evonik Performance Materials GmbH entwickelt wurde.

Die Synthesestrategie überzeugt nicht nur durch ihre Einfachheit, sondern auch durch ihre Umweltfreundlichkeit. Als „Abfall“ entsteht lediglich Wasserstoff, der als umweltfreundlicher Brennstoff bekannt ist. Das Elektrolytsystem selbst kann nach der Elektrolyse wiederverwendet werden, was den grünen Aspekt dieser Umsetzung noch verstärkt. Die Entwicklung liefert einen einfachen, umweltschonenden Zugang zu einer Reihe von Verbindungen mit hohem pharmazeutischen und materialwissenschaftlichen Potenzial. Andere Verbindungen könnten als Bausteine für neuartige Cokatalysatoren in der homogenen Katalyse dienen.

Konkret ist es den Wissenschaftlern erstmals gelungen, eine elektrochemische Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kreuzkupplung von Thiophenen mit Phenolen durchzuführen. In einem anderen Experiment erfolgte die oxidative Kreuzkupplung von Anilinderivaten, wodurch ein breites Spektrum an Biphenyldiaminen hergestellt wurde. Die Arbeiten wurden in dem Fachmagazin Angewandte Chemie publiziert.

Fotos:
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Ein Mitarbeiter der AG Waldvogel bedient eine Screeningapparatur zur parallelen Elektrolyseoptimierung
Foto/©: Alexander Sell

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Ein Mitarbeiter der AG Waldvogel mit Elektrolyseapparatur
Foto/©: Alexander Sell

Veröffentlichungen:
Anton Wiebe et al.
Einfache und doppelte metall- und reagensfreie anodische C-C-Kreuzkupplung von Phenolen mit Thiophenen
Angewandte Chemie, 20. Oktober 2017
DOI: 10.1002/ange.201708946
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201708946/abstract

Lara Schulz et al.
Reagens- und metallfreie anodische C-C-Kreuzkupplung von Anilinderivaten
Angewandte Chemie, 2. März 2017
DOI: 10.1002/ange.201612613
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201612613/abstract

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Siegfried R. Waldvogel
Institut für Organische Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-26069
Fax +49 6131 39-26777
E-Mail: waldvogel@uni-mainz.de
http://www.chemie.uni-mainz.de/OC/AK-Waldvogel/

Weitere Links:
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/2784_DEU_HTML.php (Pressemitteilung vom 09.10.2017 „Wissenschaftler entwickeln elektroorganische Synthese für nachhaltige grüne Herstellung von Feinchemikalien“)
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/1532_DEU_HTML.php (Pressemitteilung vom 11.05.2017 „Abfälle der Papier- und Zellstoffindustrie liefern Ausgangsmaterial für Entwicklung neuer Redox-Flow-Batterie“)

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