Die wunderbare Welt der Kreuzkupplungen

Akira Suzuki kennt keine Gnade. Die meisten Nobelpreisträger denken sich für ihre Lindauer Vorträge ja etwas ungewöhnliches, inspirierendes oder zumindest ein etwas weiter gefasstes Thema aus, um dem informellen Rahmen gerecht zu werden. Suzuki nicht. Sein Vortrag taucht tief ein in die wunderbare, wenn auch etwas unzugängliche Welt der Kreuzkupplungen. OK, versuchen wir mal zu erklären, worauf er genau hinaus will:

Der Chemie-Nobelpreis 2010 ging an Heck, Negishi und Suzuki, und zwar für eben jene sogenannten Kreuzkupplungen. Der Sinn der Sache ist, mit Hilfe des Metalls Palladium zwei kleine Molekülfragmente zu einem größeren Molekül zu verbinden, um so aus einfachen, billigen Substanzen große, teure Moleküle mit tollen Eigenschaften herzustellen. Da das Grundgerüst solcher Moleküle aus Kohlenstoff besteht, will man meistens die kleinen Bausteine so verbinden, dass eine Bindung zwischen zwei Kohlenstoffatomen entsteht.

Und Palladium gehört zu den Metallen, die dabei helfen können. Der Witz ist, dass man an die vorgesehenen Verbindungsstellen beider Moleküle je ein Molekülbruchstück bastelt, das seinen Platz gerne mit Palladium tauscht. Dann bindet erst das eine Bruchstück ans Palladium, dann das zweite, dann setzt sich das Palladium aus der Mitte ab und man hat die gewünschte Bindung zwischen den beiden Ausgangsstoffen. Das Palladium kann dann mit zwei weiteren Molekülen reagieren. Klingt einfach, aber je nachdem was man herstellen will, unterscheiden sich die Bedingungen und die geeigneten Reaktionspartner. Was für eine Reaktion gut läuft, funktioniert schon bei einer so ähnlichen nicht so dolle.

Reaktionszyklus einer Suzuki-Reaktion. Interessant ist der Teil links unten mit den Borverbindungen: Für die allermeisten Reaktionen muss man eine andere nehmen als hier gezeigt. Die komplizierte Frage ist: Welche?

Deswegen spielen organische Chemiker an den Details rum, zum Beispiel welche speziellen chemischen Gruppen sich bei welchen Molekülen besonders gut gegen Palladium austauschen lassen. Herr Suzuki nun hat sich auf borhaltige Verbindungen spezialisiert.

Eine Bor-haltige Gruppe in so einer Reaktion als Abgangsgruppe einzusetzen hat ein paar Vorteile. Zum einen ist die B-C-Bindung deutlich weniger polar als bei den meisten anderen Organometallverbindungen, zum Beispiel den Grignards, die Magnesium enthalten. Entsprechend stabiler gegenüber anderen funktionellen Gruppen sind sie, und gehen weniger unerwünschte Nebenreaktionen ein. Damit tolerieren diese Reagenzien auch Wasser, das man ansonsten aufwendig loswerden müsste. Ihr ahnt ja nicht wie nervig das ist, jedes mal alle Reagenzien und Geräte trocknen zu müssen.

Außerdem kann man Borverbindungen gut in Eintopfreaktionen einsetzen, eben weil sie so tolerant sind (das funktioniert exakt wie ein Eintopf zum Essen: Einfach alles rein in den Topf, ein bisschen köcheln lassen und hoffen, dass etwas Genießbares entsteht). Und dann ist der Bor-Kram auch noch vergleichsweise ungiftig und wenig Umweltschädlich.

Das ist alles schon sehr schön, aber wie Suzuki dann erklärt, steckt der Teufel in den Details. Zum Beispiel kann man ein Alken mit dem Bor direkt an der Doppelbindung an einen anderen organischen Rest koppeln, so dass die E- oder Z-Konfiguration erhalten bleibt (das beschreibt grob gesagt, ob funktionelle Gruppen auf gleichen oder entgegengesetzten Seiten der Doppelbindung stehen). Eigentlich.

Wenn das Alken nämlich ein Z-Isomer ist, funktioniert das nur mit unter fünfzig Prozent Ausbeute, das heißt, man verliert die Hälfte der Ausgangsmaterialien. Suzuki und Kollegen haben dann in Jahrzehnte langer mühevoller Kleinarbeit erforscht, dass es mit bestimmten chemischen Gruppen am Bor und den richtigen Zusatzstoffen eben doch geht.

Das ist relativ typisch für die organische Chemie: Irgendwer entdeckt durch Zufall eine tolle Reaktion, mit der man bestimmte Klassen von Molekülen bauen kann. Und danach muss man Stück für Stück herausfinden, wie man die Reaktion verändern kann, dass sie auch mit anderen Ausgangsstoffen das gewünschte Ergebnis bringt. Da es hunderte potenziell interessanter Substanzklassen gibt, ist man da durchaus mal zwanzig, dreißig Jahre dabei, all diese Sonderfälle einer Reaktion zu erforschen und für die Synthese nutzbar zu machen. Mit etwas Glück springt bei der Fleißarbeit aber auch mal ein Nobelpreis raus.

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4 comments on “Die wunderbare Welt der Kreuzkupplungen

  • Ahhhh, der Asiaten-basher…

    Aber das ist eben nicht soweit hergeholt. Man kann das satirisch sehen. Aber es ist auch eine gewisse … traurige Wahrheit dran, was man am typischen Japaner oder Chinesen (und Koreaner) so belustigend regelmsääig feststellenkann.

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    • Dear Chris, könnten Sie das etwas weiter ausführen und genauer betrachten? Wieso bashen Sie Asiaten? Was ist belustigend an ihnen? Welche traurige Wahrheit bleibt mir verborgen?

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  • Netter Artikel, aber ein paar Leute wissen schon, wie mühsam/fast unmöglich es ist auch das letzte bisschen Wasser zu entfernen. Sicher einer der Punkte die ich NICHT an der Organischen Chemie vermisse.

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