Katalyseforschung Effiziente Katalysen mit weniger Metall

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Zur Herstellung von Arzneimitteln und anderen Chemikalien kommen oft teure Edelmetalle oder giftige Schwermetalle als Katalysator zum Einsatz. Um die Prozesse effizienter, kostengünstiger und nachhaltiger zu gestalten, entwickeln ISTA-Forschende einen lichtaktivierten Nickelkatalysator. Dieser ermöglicht die effiziente Bildung einer breiten Palette chemischer Bindungen.

Hinter einer Glaswand im Pieber Lab am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) bestrahlen LED-Lampen kleine Reaktionsgefäße mit Licht. Das Licht dient hier nicht bloß zur Beleuchtung, sondern liefert Energie, die einen Nickelkatalysator antreibt und chemische Reaktionen ermöglicht.

In einer neuen Studie zeigt die Forschungsgruppe um Bartholomäus Pieber, dass ein gezielt entwickelter Nickelkatalysator die lichtgetriebene chemische Synthese sowohl vielseitiger als auch effizienter machen kann.

Pieber und sein Team vom ISTA entwickelten zusammen mit Daniel Bím von der University of Chemistry and Technology in Prag ein neues katalytisches System. Dieses verbindet chemische Bausteine selektiv und effizient – und benötigt dabei nur sehr geringe Mengen an Nickel.

Nickel im Scheinwerferlicht

Medikamente werden typischerweise in mehrstufigen chemischen Verfahren herstellen. Eine der häufigsten dabei angewendeten Reaktionstypen ist die so genannte Kreuzkupplung, bei der zwei molekulare Bausteine mithilfe eines Metallkatalysators durch eine neue chemische Bindung miteinander verknüpft werden. In vielen wichtigen Kreuzkupplungsreaktionen kommen Katalysatoren auf Palladiumbasis zum Einsatz. 

Die Chemie hinter diesem Prozess brachte ihren Entdeckern sogar den Nobelpreis: Richard Heck, Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki erhielten die Auszeichnung 2010 für die Entwicklung palladiumkatalysierter Kreuzkupplungsreaktionen in der organischen Synthese. Genau diese Reaktionen prägten die Herstellung von Arzneistoffen, Agrochemikalien und anderen Feinchemikalien maßgeblich. Palladiumkatalysatoren sind zwar hocheffizient, doch das Edelmetall ist auch selten und teuer.

Vor gut zehn Jahren zeigten erste Studien, dass sich statt Palladium auch eine Kombination aus einem Nickelkatalysator und einem zweiten Katalysator eignet, welcher sichtbares Licht als Aktivierungsenergie nutzt. Dadurch könnten diese Reaktionen kostengünstiger und nachhaltiger werden. Jedoch gibt es einen Haken: Nickelkatalysatoren sind weniger effizient und ermöglichen nicht dieselbe Bandbreite an Reaktionen wie Palladiumkatalysatoren.

„In unserem Labor versuchen wir zu verstehen, warum moderne Nickelkatalysesysteme Einschränkungen aufwiesen. Basierend auf diesem Verständnis entwickeln, synthetisieren und untersuchen wir alternative Kandidaten und Methoden“, erklärt Forschungsgruppenleiter Pieber.

Nachhaltige Chemie

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Wenig Nickel, große Wirkung

Der Durchbruch des Forschungsteams beruht auf einem maßgeschneiderten Liganden, der die katalytische Aktivität des Nickelatoms nach Aktivierung durch sichtbares Licht erhöht. Dadurch kann der neue Katalysator Bindungen zwischen Kohlenstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff-, Schwefel- oder Phosphoratomen herstellen und so zwei Moleküle zu einer größeren und komplexeren Struktur verbinden. „Das bemerkenswerteste Ergebnis war, dass wir komplexe Bindungen mit einer sehr geringen Menge des Nickelkatalysators effizient herstellen konnten“, sagt Doktorand Aleksander Bena.

Insgesamt sinkt die benötigte Katalysatormenge auf 100 ppm, also 0,01 Molprozent. Vereinfacht bedeutet das: In diesem Experiment erzeugt ein einziges Nickelkatalysator-Molekül bis zu 10.000 Produktmoleküle.

Die Studie zeigt, wie das Verständnis der grundlegenden Reaktivität nickelbasierter Moleküle dazu beiträgt, ein häufig vorkommendes Metall in einen leistungsfähigeren Katalysator zu verwandeln.

„Solche geringen Katalysatormengen werden üblicherweise nur mit palladiumbasierten Katalysatoren erreicht. Dass dies mit einem Nickelkatalysator gelingt, ist sehr aufregend“, ergänzt Gruppenleiter Pieber. „Diese Kombination aus geringer Katalysator-Menge und breiter Anwendbarkeit für viele verschiedene Bausteine könnte diesen Ansatz besonders interessant für die Synthese von Pharmazeutika und Feinchemikalien machen.“

Entwicklung über mehrere Jahre hinweg

Bereits 2020 gelang der Gruppe um Pieber ein erster wichtiger Schritt mit der Überwindung einiger Limitationen der Nickelkatalyse. So werden Nickelkatalysatoren normalerweise zerstört, wenn komplexe Bausteine benutzt werden. Doch durch sorgfältige Kontrolle der Reaktionsbedingungen lässt sich dies verhindern. Der damalige Ansatz der Forschenden funktionierte, allerdings waren die Reaktionen noch immer sehr langsam und erforderten eine große Menge Nickelkatalysatoren.

„Das war natürlich noch weit von einer effizienten Methode entfernt“, sagt Pieber. „Aber es war ein Beweis, dass es machbar ist. In den vergangenen Jahren hat sich unser Verständnis dieser katalytischen Reaktionen stetig verbessert.“ Auf den Erfahrungen aufbauend entwarf und testete Doktorand Aleksander Bena mögliche Strukturen für effizientere und robustere Nickelkatalysatoren, welche mit sichtbarem Licht aktiviert werden können. „Ich mag die Herausforderung, ein chemisches Rätsel zu lösen. Man entwickelt eine Idee, testet sie experimentell und lernt aus jedem Ergebnis etwas dazu“, sagt Bena. Seine Hartnäckigkeit führte schließlich zu dem neuen Katalysatorsystem, das breit einsetzbar ist und deutlich weniger Nickel benötigt.

Die Forschenden haben mittlerweile die Vielseitigkeit ihrer Methode demonstriert, indem sie mehr als 150 Produkte herstellten. Das Spektrum reicht von einfachen molekularen Bausteinen bis zu komplexen Molekülen und Derivaten von Medikamenten wie Fluoxetin, eines der gängigsten und meistverschriebenen Antidepressiva.

Originalpublikation: A. R. Bena et al.: Ligand design broadens NiI-catalyzed C(sp²)–heteroatom couplings of aryl bromides at low catalyst loadings, Nature Catalysis (2026); DOI: 10.1038/s41929-026-01616-6