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Verbesserung der chemischen Festkörperreaktionen

Kubota K. et al., Nature Communications, Jan. 10, 2019

Oben: Elektronenmikroskopische Bilder von Palladium-Nanopartikeln in den Reaktionsgemischen. Nach 99 Minuten der Reaktion wurde der Palladiumkatalysator aggregiert gefunden und selbst deaktiviert (links), während die Zugabe von Olefin den Katalysator dispergiert hielt (rechts). Unten: Schematische Darstellung der Funktion von Olefin als Dispergiermittel.

13.02.2019: Die Zugabe von Olefin ermöglicht effiziente lösungsmittelfreie Kreuzkupplungsreaktionen, die zu umweltfreundlichen Synthesen einer Vielzahl von organischen Materialien führen.

Eine Kreuzkopplungsreaktion wird typischerweise in einem organischen Lösungsmittel durchgeführt und führt zur Produktion einer großen Menge an Lösungsmittelabfällen, die oft umweltschädlich sind. Eine neue Strategie, die von Forschern der Hokkaido University in Japan entwickelt wurde, öffnet die Tür für umweltfreundlichere lösungsmittelfreie Festkörper-Kreuzkopplungsprozesse mit Hilfe der Mechanochemie. Es hat auch viele Anwendungsmöglichkeiten, darunter die Entwicklung von organischen Materialien in Solarzellen und Leuchtdioden.

Kreuzkupplungsreaktionen laufen in Gegenwart eines Metallkatalysators effizient ab, um ein breites Spektrum an organischen Molekülen mit neuen Eigenschaften zu bilden. Insbesondere die mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Palladium-katalysierten Kreuzkupplungsreaktionen werden seit langem bei der Synthese von Naturprodukten, in der medizinischen Chemie, in der Polymer- und Materialwissenschaft eingesetzt.

Um Umweltverschwendung zu reduzieren, haben Forscher nach Methoden gesucht, um effiziente organische Synthesen zu ermöglichen, die weniger oder gar kein Lösungsmittel verbrauchen. In diesem Zusammenhang haben "Festkörpertransformationen" große Beachtung in der Forschung gefunden, aber die Verbesserung der Effizienz von Kreuzkopplungsreaktionen in festen Medien bleibt eine Herausforderung.

Die organischen Chemiker der Hokkaido Universität Koji Kubota, Hajime Ito und ihre Kollegen entwickelten in einer Studie eine neue Strategie für festkörperpalladiumkatalysierte Kreuzkupplungsreaktionen mit Hilfe der Mechanochemie, die eine effiziente lösungsmittelfreie Synthese organischer Materialien ermöglicht.

Zwei feste organische Materialien wurden in einem Kugelmühlenglas platziert, das eine Mahlkugel aus Edelstahl enthält. Außerdem wurde ein Katalysator auf Palladiumbasis hinzugefügt. Das Glas durchläuft einen Schüttelprozess, bei dem die Kugel die festen Verbindungen mahlt und eine Kreuzkupplungsreaktion einleitet.

Sie fanden heraus, dass der Katalysator auf Palladiumbasis während der Reaktion zur Aggregation neigte, was zu einer Deaktivierung des Katalysators führen kann. Als jedoch Olefin wie 1,5-Cyclooctadien der Mischung zugesetzt wurde, fungierte es als Dispergiermittel für den Katalysator auf Palladiumbasis und ermöglichte eine effizientere Festkörper-Kreuzkupplungsreaktion. Bei Zugabe von Olefin stieg die Umwandlungsrate der Reaktion von weniger als 30% auf 99%.

"Unser Protokoll sollte besonders nützlich sein, um die Menge an organischem Lösungsmittel, die in der Industrie verwendet wird und die die Umwelt schädigt, zu reduzieren. Es wird auch den Produktionsprozess kostengünstiger machen", sagte Hajime Ito. "Das neue Verfahren könnte beispielsweise bei der Herstellung von Triarylaminen angewendet werden, die in einer Vielzahl von organischen Materialien wie Solarzellen und Leuchtdioden zu finden sind."

Originalveröffentlichung:
Koji Kubota, Tamae Seo, Katsumasa Koide, Yasuchika Hasegawa & Hajime Ito; "Olefin-accelerated solid-state C–N cross-coupling reactions using mechanochemistry"; Nature Comm.; 2019

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