Pharmazeutika, Feinchemikalien und Agrochemikalien werden industriell mithilfe einer Vielzahl chemischer Reaktionen hergestellt. Ziel ist es, diese Prozesse effizienter, kostengünstiger und nachhaltiger zu gestalten. Eine Arbeitsgruppe am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) hat nun einen Schritt in diese Richtung unternommen. In Nature Catalysis präsentieren die Forscher einen neuen Nickelkatalysator, der mit sichtbarem Licht aktiviert werden kann und effizient eine breite Palette chemischer Bindungen knüpft.
In einer in Nature Catalysis erschienenen Studie zeigt die Gruppe um Bartholomäus Pieber, dass ein gezielt entworfener Nickelkatalysator die lichtgetriebene Synthese vielseitiger und effizienter machen kann. Pieber und seine Teammitglieder Aleksander Bena, Trisha Banik, Christos Giannoudis, Florian Ortis, Haralds Baunis und Gayathri Palissery vom ISTA entwickelten gemeinsam mit Daniel Bím von der Universität für Chemie und Technologie in Prag ein System, das chemische Bausteine selektiv und mit sehr geringen Nickelmengen verbindet.
Arzneimittel entstehen nicht von selbst, sondern in mehrstufigen chemischen Prozessen, die viele verschiedene Reaktionen verlangen. Eine der wichtigsten Vorgehensweisen ist die Kreuzkupplung: Zwei molekulare Bausteine werden mit Hilfe eines Metallkatalysators durch eine neue Bindung verknüpft. Ein Katalysator ermöglicht oder beschleunigt eine Reaktion, ohne selbst verbraucht zu werden. Oft handelt es sich um einzelne Metallatome, die an organische Moleküle, sogenannte Liganden, gebunden sind. Diese Liganden steuern das Verhalten des Metalls und lassen sich so gestalten, dass die katalytischen Eigenschaften fein justiert werden.
Viele zentrale Kreuzkupplungen beruhen auf Palladium. Die Bedeutung dieser Methode wurde 2010 mit dem Chemie-Nobelpreis für Richard Heck, Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki gewürdigt. Palladiumkatalysatoren sind sehr effizient, das Edelmetall ist jedoch selten und teuer. Vor etwa zehn Jahren zeigten erste Arbeiten, dass ein Nickelkatalysator zusammen mit einem zweiten Katalysator, der sichtbares Licht in chemische Energie umwandelt, Palladium ersetzen kann. Das verspricht günstigere und nachhaltigere Reaktionen. Nickelkatalysatoren sind aber weniger leistungsfähig und decken nicht dasselbe Spektrum ab wie Palladiumsysteme.
„Im Labor versuchen wir zu verstehen, warum heutige Nickelkatalysen an Grenzen stoßen, und auf dieser Grundlage alternative Kandidaten und Methoden zu entwerfen, zu fertigen und zu untersuchen“, erklärt Pieber. 2020 gelang der Gruppe ein wichtiger Schritt: Sie zeigte, dass Nickelkatalysatoren bei anspruchsvollen Bausteinen zerstört werden können, und dass sich das durch sorgfältige Kontrolle der Bedingungen vermeiden lässt. Der Ansatz funktionierte, die Reaktionen liefen jedoch sehr langsam und erforderten hohe Nickelmengen. Das sei noch keine effiziente Methode gewesen, sagt Pieber, aber ein wichtiger Machbarkeitsnachweis. In den folgenden Jahren habe sich das Verständnis dieser Reaktionen stetig verbessert.
Der Doktorand Aleksander Bena nutzte dieses Wissen, um Strukturen für effizientere und robustere Nickelkatalysatoren zu entwerfen, die sich direkt mit sichtbarem Licht aktivieren lassen, und prüfte die Ideen im Labor. So stieß das Team auf einen neuen Liganden, der Nickel hilft, verbleibende Einschränkungen der lichtgetriebenen Katalyse zu überwinden.
Innerhalb der Gruppe bildete sich eine kleine Arbeitsgruppe aus Banik, Giannoudis, Ortis, Baunis und Palissery, um die allgemeine Anwendbarkeit zu prüfen. Das Team zeigte die Vielseitigkeit der Methode an mehr als 150 Produkten, von einfachen Bausteinen bis zu komplexen Molekülen und Derivaten von Wirkstoffen wie Fluoxetin, einem weit verbreiteten Antidepressivum.
Der Durchbruch beruht auf einem maßgeschneiderten Liganden, der die Aktivität des Nickelatoms nach Anregung mit sichtbarem Licht steigert. Der Katalysator kann Bindungen zwischen Kohlenstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff-, Schwefel- oder Phosphoratomen knüpfen und so zwei Moleküle zu einer größeren Struktur verbinden. Das auffälligste Ergebnis sei gewesen, dass sich anspruchsvolle Bindungen mit sehr wenig Nickel effizient herstellen ließen, sagt Bena. Die Katalysatormenge ließ sich auf 100 ppm beziehungsweise 0,01 Molprozent senken. Vereinfacht bedeutet das, dass in diesem Experiment ein einziges Nickelkatalysatormolekül bis zu 10.000 Produktmoleküle erzeugen kann.
Die Arbeit zeigt, wie das Verständnis der grundlegenden Reaktivität nickelbasierter Moleküle ein häufiges Metall zu einem leistungsfähigeren Katalysator machen kann. Solch geringe Beladungen erreiche man üblicherweise nur mit Palladium. Dass dies nun mit Nickel gelinge, sei vielversprechend. Die Kombination aus niedriger Katalysatormenge und breiter Anwendbarkeit auf viele Bausteine könnte den Ansatz besonders für die Herstellung von Pharmazeutika und Feinchemikalien interessant machen.
Originalpublikation
Nature Catalysis: Ligand design broadens NiI-catalyzed C(sp²)–heteroatom couplings of aryl bromides at low catalyst loadings https://www.nature.com/articles/s41929-026-01616-6
