Ein neu entwickelter Kupferkatalysator der TU Chemnitz und der Universität Innsbruck ermöglicht die Hydrierung reaktionsträger funktioneller Gruppen bei Normaldruck. Die chemische Reaktion kann gezielt an sogenannten Enamiden erfolgen, die häufig in bioaktiven Molekülen vorkommen.
Die Methode eignet sich auch für die Isotopenmarkierung, wenn Deuterium anstelle von Wasserstoff verwendet wird. Dadurch entstehen neue Anwendungsmöglichkeiten für Abbaustudien und die Untersuchung biologischer Prozesse. Entwickelt wurde der bifunktionelle Katalysator im Rahmen einer internationalen Kooperation – ein Baustein stammt aus Chemnitz, der andere aus Innsbruck.
Katalysator nutzt Iminopyridin zur Aktivierung bei 1 bar
In einer aktuellen Ausgabe des renommierten Fachjournals „Journal of the American Chemical Society“ stellt die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Johannes Teichert (TU Chemnitz, Organische Chemie) gemeinsam mit Forschungspartnern der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Fabian Dielmann (Universität Innsbruck, Anorganische Chemie) die Forschungsergebnisse zu einem neuen, bifunktionellen Kupferkatalysator vor. Das neuartige, „bifunktionelle“ Katalysatormolekül auf Kupferbasis besteht dabei aus zwei Untereinheiten und ermöglicht eine Hydrierung anderer Verbindungen, aktiviert und überträgt also molekularen Wasserstoff (H2).
„Im Prinzip erledigt der Kupferkatalysator die Aktivierung von Wasserstoff – diese Art der Reaktivität haben wir in der Arbeitsgruppe schon seit Längerem beforscht. Zumeist wurden hierfür allerdings immer hohe Drücke von H2 benötigt, was die Verwendung von Hochdruckreaktionsgefäßen (Autoklaven) notwendig macht. Und das ist unpraktisch. Nun haben wir herausgefunden, dass eine zweite katalytisch aktive Einheit, ein Iminopyridin, den Kupferkatalysator wie ein Booster reaktiver macht, sodass die Reaktion nun bei niedrigem H2-Druck von 1 bar stattfindet. Das macht die Methode einfacher anwendbar im Labor“, berichtet Teichert. Dabei greift das Team auf das generelle Katalysatordesign mit zwei unterschiedlichen reaktiven Zentren zurück, über das bereits berichtet wurde.
Neue Reaktivität ermöglicht Umsetzung von scheinbar „unreaktiven“ Molekülfragmenten
Der neue Katalysator zeigt dabei eine so hohe Reaktivität, dass sogar unreaktive funktionelle Gruppen innerhalb von Molekülen effizient umgesetzt werden können. Diese sogenannten Enamide sind häufig Strukturbausteine von biologisch aktiven Stoffen, gerade weil sie so wenig reaktiv sind. Der neue Kupferkatalysator ermöglicht nun erstmals eine Hydrierung direkt an diesen bisher als unreaktiv geltenden funktionellen Gruppen. Dies kann für die Weiterveränderung von Wirkstoffmolekülen genutzt werden. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine Vielzahl medizinisch genutzter Moleküle auf diese Weise umgesetzt werden kann. „Prinzipiell eröffnet diese Strategie nun, neben der einfachen Diversifizierung bekannter Wirkstoffe, auch die Möglichkeit einer Isotopenmarkierung, wenn Deuterium, also schwerer Wasserstoff, statt Wasserstoff selbst eingesetzt wird. Dies ist für die Erforschung von biologischen Prozessen und insbesondere für Abbaustudien von Wirkstoffen von großer Bedeutung“, so Teichert.
Zusammenarbeit unterschiedlicher Fachdisziplinen über Ländergrenzen hinweg
Die vorliegende Arbeit ist das Ergebnis einer länderübergreifenden Zusammenarbeit. „Im Prinzip ist das ein typisches Beispiel gemeinsamer Molekülforschung: Einer der beiden Katalysatorbausteine stammt von der TU Chemnitz, der andere aus Innsbruck“, sagt Teichert. „Dass dieser hybride Katalysator derart aktiv ist, hatten wir nicht erwartet.“ Die Arbeit bildet nun die Grundlage für weitere Forschungsprojekte der internationalen Arbeitsgruppe, zum Beispiel im Rahmen des EU-Forschungsnetzwerks CATALOOP, das von Teichert geleitet wird. Insbesondere die erwähnten Markierungsexperimente sollen laut Aussage des Chemieprofessors weiter vertieft werden.
Originalpublikation: Mahadeb Gorai, Jonas H. Franzen, Philipp Rotering, Tobias Rüffer, Fabian Dielmann, Johannes F. Teichert. Broadly Applicable Copper(I)-Catalyzed Alkyne Semihydrogenation and Hydrogenation of α,β-Unsaturated Amides Enabled by Bifunctional Iminopyridine Ligands. Journal of the American Chemical Society. April 16, 2025. DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.5c01339