Herstellung wertvoller Syntheseintermediate durch photokatalytische Decarboxylierung natürlicher Carbonsäuren mit sichtbarem Licht

Stipendiatin/Stipendiat: Johanna Schwarz

Durch den hohen Verbrauch und die Erschöpfung limitierter, fossiler Ressourcen stehen alternative Rohstoffe und Energiequellen mittlerweile stark im Fokus der aktuellen Forschung. Um die moderne organische Chemie nachhaltiger und umweltfreundlicher zu gestalten, kann statt Erdöl, Erdgas und Kohle Sonnenlicht als unerschöpflicher, günstiger und ungiftiger Energieträger für Reaktionen eingesetzt werden. Hierbei ist die Verwendung von Photokatalysatoren notwendig, damit der sichtbare Wellenlängenbereich des Solarspektrums (380 - 780 nm) für chemische Prozesse genutzt werden kann. Durch die Anregung mit sichtbarem Licht kann der Photokatalysator Energie oder Elektronen auf andere Moleküle übertragen und so chemische Reaktionen induzieren. Die Nutzung der alternativen Energiequelle Licht ermöglicht nachhaltigere organische Synthesen im Sinne der „Grünen Chemie“.
Auch die Verwendung nachwachsender Rohstoffe als Ausgangsmaterialien für die Herstellung von chemischen Produkten und Intermediaten trägt zur Ressourcenschonung bei. Eine in der Natur häufig auftretende funktionelle Gruppe ist die der Carbonsäure. Aus Biomasse gewonnene Aminosäuren, Fettsäuren, α Hydroxysäuren und Zucker sollen als stabile, günstige und ungiftige Ausgangsmaterialien für die Synthese von Plattformchemikalien und Pharmazeutika dienen. Die Carboxygruppe (COOH) wird hier als regio- und chemoselektive Abgangsgruppe genutzt, um mittels Photokatalyse reaktive Radikalintermediate zu erzeugen. Diese Intermediate können mit verschiedenen Molekülen abgefangen werden und neue C–C-Bindungen knüpfen, wodurch wertvolle Zwischenprodukte für die chemische Industrie entstehen.
Ein weiterer Vorteil der natürlichen Carbonsäuren ist das Vorhandensein von Chiralitätszentren. Ein Ziel dieser Dissertation ist die stereoselektive Umwandlung nachwachsender Rohstoffe zu chiralen, komplexen Feinchemikalien. Nach Aktivierung der natürlichen, enantiomerenreinen Carbonsäuren durch Veresterung werden mit Hilfe organischer Photokatalysatoren durch Decarboxylierung (also CO2-Abspaltung) Alkylradikale erzeugt. Diese sollen unter Beibehaltung der Konfiguration am vorhandenen Chiralitätszentrum mit verschiedenen Substraten wie elektronenarmen Alkenen abgefangen werden. Die stereoselektive Radikalreaktion mit einem „Gedächtnis für Chiralität“ soll durch die hohe Reaktionsgeschwindigkeit eines intramolekularen Ringschlusses erreicht werden.
In einem weiteren Projekt dieser Dissertation werden Carbonsäuren aus nachwachsenden Rohstoffen zunächst durch Bildung von Anhydriden in reaktive Intermediate überführt. Diese werden unter photokatalytischen Bedingungen durch Reduktion zu Acylradikalen gespalten, welche ebenfalls mit geeigneten Substraten C–C-Bindungen knüpfen sollen.
Auf diese Weise sollen durch umweltschonende, photokatalytische Methoden wertvolle Syntheseintermediate hergestellt werden. Durch die Vermeidung giftiger Katalysatoren, eines hohen Energieverbrauches und der Ausbeutung fossiler Ressourcen kann dieser Ansatz einen Beitrag zur nachhaltigen Chemie und zur Umweltentlastung liefern.
 

Förderzeitraum:
01.07.2016 - 30.09.2019

Institut:
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Organische Chemie

Betreuer:
Prof. Dr. Burkhard König

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Publikationen: