Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Chemiker der WWU Münster entwickeln neues Verfahren zur Synthese von fluorierten Molekülringen

11.08.2017

Chemiker um Prof. Dr. Frank Glorius von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) haben eine neue, einfache Methode zur Herstellung von bislang schwer herstellbaren Fluor-tragenden dreidimensionalen molekularen Ringstrukturen entwickelt. Da diese Verbindungen zum Beispiel eine große Rolle bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe haben, ist diese neue Methode von großer Bedeutung.

Farben, Medikamente und funktionale Materialien – solche Produkte basieren häufig auf innovativen, von Chemikern entwickelten Molekülen. Zu ihrer Herstellung stehen den Experten viele chemische Reaktionen zur Verfügung – allerdings mit Einschränkungen. Beispielsweise sind fluorierte Verbindungen, also Moleküle, die mindestens ein Fluoratom enthalten, häufig schwer herstellbar.


Illustration des neuen Synthesewegs

WWU/Frank Glorius

Dabei sind sie von herausragender Bedeutung beispielsweise bei der Entwicklung von Wirkstoffen, weil sie oft ungewöhnliche chemische Eigenschaften haben. Daher ist die Suche nach neuen Wegen, um solche Verbindungen herzustellen, wichtig.

Chemiker der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) haben nun das bisher Unmögliche möglich gemacht: Sie haben eine neue, leicht durchführbare Synthesemethode zur Herstellung von solchen Fluor-tragenden dreidimensionalen "gesättigten" (nur aus Einfachbindungen bestehenden) molekularen Ringstrukturen entwickelt. Die Studie von Prof. Dr. Frank Glorius, Mario Wiesenfeldt, Dr. Zackaria Nairoukh und Dr. Wei Li ist in der Fachzeitschrift "Science" online veröffentlicht.

"Unsere Publikation ist ein Durchbruch. Sie kann eine große Bedeutung für die effiziente Herstellung von neuen Molekülen und somit für den Zugang zu neuartigen Medikamenten, Pflanzenschutzwirkstoffen und Materialien haben", so die Einschätzung von Frank Glorius.

Seine neue Herstellungsmethode startet mit flachen, "aromatischen" und damit besonders stabilen Ringverbindungen aus Kohlenstoff, die Fluoratome tragen. Die von den Münsteranern genutzten Startmoleküle sind günstig im Handel erhältlich oder leicht herzustellen.

Mithilfe eines Katalysators gelang den Chemikern die Übertragung von Wasserstoffatomen (Hydrierung) gezielt an eine Seite des Ringsystems. Als Katalysatoren bezeichnen Chemiker und Biochemiker Enzyme oder andere Moleküle, die einzelne Reaktionsschritte beschleunigen oder erst möglich machen. Eine gezielte Übertragung ermöglicht die Steuerung der Produkteigenschaften, beispielsweise der Löslichkeit, des Aggregatzustandes oder – wie hier besonders wichtig – der Polarität.

Ein Molekül ist "polar", wenn innerhalb des Moleküls eine Ladungstrennung in negativ und positiv geladene Molekülfragmente vorliegt. In den nun synthetisierten Produkten befinden sich die eher positiv geladenen Wasserstoffatome auf der einen Seite und die eher negativ geladenen Fluoratome auf der anderen Seite des Rings.

Die Gruppe um Frank Glorius nutzte viele verschiedene fluorierte aromatische Verbindungen als Startmoleküle und setzte sie erfolgreich in die gewünschten Produkte um. "Es ist aus zwei Gründen überraschend, dass unsere Methode klappt", unterstreicht Frank Glorius. "Die gebundenen Fluoratome setzen die Reaktivität der ohnehin wenig reaktionsfreudigen aromatischen Startverbindungen in der katalytischen Hydrierung noch weiter herab.

Dies gilt besonders, wenn mehrere Fluoratome an den aromatischen Ring gebunden sind. Noch gravierender ist allerdings, dass typischerweise die Kohlenstoff-Fluor-Bindungen die Reaktion nicht überstehen und das Fluor abgespalten wird." In mehreren Studien sei dies in der Vergangenheit beobachtet worden. Bei der neuen Methode dagegen tolerieren die Fluoratome die katalytische Hydrierung.

"Wir haben ein Katalysatorsystem gefunden, das äußerst kraftvoll ist, also die aromatische Stabilisierung überwindet. Gleichzeitig ist es besonders mild – die Kohlenstoff-Fluor-Bindungen bleiben erhalten." Die münsterschen Chemiker setzten als Katalysator eine Kombination aus dem Edelmetall Rhodium und einem besonders elektronenreichen Carben-Liganden (ein spezielles "metallbindendes" Molekül) ein, der die Eigenschaften des Katalysators entscheidend prägt.

Erstautor Mario Wiesenfeldt fasst zusammen: "Die neue Methode erlaubt einen unerwartet einfachen Zugang zu einem faszinierenden Strukturmotiv: cyclisch, gesättigt und selektiv auf einer Seite fluoriert. Die Produkte der Reaktion zeichnen sich meist durch eine hohe Polarität aus."

In einem Schritt und in größeren Mengen hergestellt

Zum Hintergrund: Die Verbindung "all-cis-1,2,3,4,5,6-Hexafluorcyclohexan", bei der der gesättigte Kohlenstoffsechsring die maximal mögliche Zahl von sechs Fluoratomen auf der gleichen Seite des Ringes trägt, zählt zu den polarsten derzeit bekannten organischen Verbindungen. Diese Verbindung wurde erstmals im Jahr 2015 von Prof. David O’Hagan von der University of St. Andrews in Schottland hergestellt. Dabei benötigte er für die Synthese ein aufwendiges zwölfstufiges Verfahren. Das münstersche Team kann diese Verbindung sowie viele ähnliche Moleküle nun erstmals bequem in einem Schritt und daher auch in größeren Mengen herstellen.

Asymmetrische Hydrierungen von Aromaten als Herausforderung

"Die Hydrierung ist eine attraktive und häufig sehr saubere Herstellungsmethode", unterstreicht Frank Glorius. „Ein besonders prominentes Beispiel ist die Ammoniaksynthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren, also die Hydrierung von Stickstoff, für die über ein Prozent des Weltenergiebedarfs benötigt wird. Sie ist von fundamentaler Bedeutung für die Welternährung, weil sie beispielsweise für die Herstellung von Pflanzendünger sehr wichtig ist.“

Die Bedeutung spiegele sich auch darin, dass bereits drei Nobelpreise für diese Thematik vergeben wurden (Fritz Haber 1918, Carl Bosch 1931, Gerhard Ertl 2007). Ebenso wichtig sei aber auch die Hydrierung organischer Verbindungen, die zuletzt 2001 mit einem Nobelpreis für die asymmetrische Hydrierung ausgezeichnet wurde (William S. Knowles und Ryoji Noyori). Chemoselektive oder asymmetrische Hydrierungen von aromatischen Verbindungen seien allerdings nach wie vor besonders herausfordernd.

Diese Arbeit wurde finanziert durch die Studienstiftung des Deutschen Volkes (Mario P. Wiesenfeldt), die Hans-Jensen-Minerva-Stiftung (Zackaria Nairoukh), die Alexander-von-Humboldt-Stiftung (Wei Li) sowie durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Preis für Frank Glorius). Die Ergebnisse wurden zum Patent angemeldet.

Originalpublikation:

Mario P. Wiesenfeldt, Zackaria Nairoukh, Wie Li und Frank Glorius: Hydrogenation of fluoroarenes: Direct access to all-cis-(multi)fluorinated cycloalkanes. Science; Published online 10 Aug 2017; DOI: 10.1126/science.aao0270

Weitere Informationen:

http://science.sciencemag.org/content/early/2017/08/09/science.aao0270 Originalpublikation
https://www.uni-muenster.de/Chemie.oc/glorius/ Forschungsgruppe Prof. Dr. Frank Glorius

Dr. Christina Heimken | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Genetische Vielfalt schützt vor Krankheiten
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)

nachricht Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt
22.05.2018 | Technische Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Im Focus: Achema 2018: Neues Kamerasystem überwacht Destillation und hilft beim Energiesparen

Um chemische Gemische in ihre Einzelbestandteile aufzutrennen, ist in der Industrie die energieaufwendige Destillation gängig, etwa bei der Raffinerie von Rohöl. Forscher der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) entwickeln ein Kamerasystem, das diesen Prozess überwacht. Dabei misst es, ob es zu einer starken Tropfenbildung kommt, was sich negativ auf die Trennung der Komponenten auswirken kann. Die Technik könnte hier künftig automatisch gegensteuern, wenn sich Messwerte ändern. So ließe sich auch Energie einsparen. Auf der Prozesstechnik-Messe Achema in Frankfurt stellen sie die Technik vom 11. bis 15. Juni am Forschungsstand des Landes Rheinland-Pfalz (Halle 9.2, Stand A86a) vor.

Bei der Destillation werden Flüssigkeiten durch Verdampfen und darauffolgende Kondensation des Dampfes in ihre Bestandteile getrennt. Ein bekanntes Beispiel...

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien

23.05.2018 | Physik Astronomie

Invasive Quallen: Strömungen als Ausbreitungsmotor

23.05.2018 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie

23.05.2018 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics