Hans J. Schaefer

Die organische Synthese macht neue Verbindungen aus beschriebenen Substanzen zugänglich. Sie werden benötigt für die Bereitstellung biologischer Aktivitäten oder neuer Materialeigenschaften, für Strukturbeweise, als Stütze mechanistischer Abläufe oder theoretischer Vorhersagen. Zwei Typen von Reaktionen werden in der Synthese genutzt: C,C-Verknüpfungen zum Aufbau großer Moleküle aus kleinen Bausteinen und Funktionsgruppenumwandlungen zur Einführung chemisch und physikalisch wirksamer Gruppen in das Molekül. Methoden dazu sind unter anderem Substitutionen und Additionen mit Nukleophilen, Elektrophilen und Radikalen, Cycloadditionen oder die Übergangsmetallkatalyse.

In der organischen Elektrosynthese werden reaktive Zwischenstufen genutzt, die durch Elektronenübertragung an der Elektrode erhalten werden. Wenn man von neutralen Verbindungen ausgeht sind dies an der Anode Radikalkationen, die durch Abgabe eines Protons und eines weiteren Elektrons auch zu Carbokationen führen können. An der Kathode bilden sich Radikalanionen, die durch Aufnahme eines Protons und eines weiteren Elektrons auch Carbanionen liefern können. Radikale werden anodisch aus Anionen von Säuren und kathodisch aus protonierten Carbonylverbindungen erhalten. Halogenverbindungen können durch eine kathodische Kohlenstoff-Halogen Spaltung in Radikale bzw. durch eine zweite Elektronenübertragung in Carbanionen überführt werden (Schema 1). Die Zwischenstufen können unter C,C-Verknüpfung radikalisch kuppeln oder dazu mit Kohlenstoff-Nukleophilen bzw. Kohlenstoff-Elektrophilen umgesetzt werden.

Schema 1: Anodische und kathodische Bildung reaktiver Zwischenstufen

Die Zwischenstufen erlauben weiterhin Funktionsgruppenumwandlungen wie Substitution, Dehydrierung, Addition, Spaltung und Eliminierung. Dies geschieht durch Addition von Heteroatom-Nukleophilen, Deprotonierung, Protonierung und Abspaltung von Substitutenten (Schema 2).

Schema 2: Anodische und kathodische Funktionsgruppenumwandlungen

Neben dem einfachen und schonenden Zugang zu reaktiven Zwischenstufen ermöglicht die organische Elektrosynthese die oxidative und reduktive Reaktivitätsumpolung. Auf diesem Wege können zwei Nukleophile einstufig verknüpft werden, indem eines anodisch zum Elektrophil (z.B. Radikalkation) umgepolt wird, dafür sind in den üblichen chemischen Umsetzungen mindestens zwei Reaktionsschritte nötig. Das gleiche gilt spiegelbildlich für Elektrophile an der Kathode. Besonders wirksam ist dieses Prinzip in Cyclisierungen, wo in der acyclischen Verbindung eines von zwei Elektrophilen kathodisch zum Nukleophil umgepolt wird. Ähnliches ermöglicht die Kombination mit der Elektronenübertragung bei Funktionsgruppenumwandlungen. So lässt sich in der anodischen Substitution der Wasserstoff einer CH-Bindung als Proton gegen ein Nukleophil austauschen, oder es können zwei Nukleophile anodisch an eine Doppelbindung addiert werden. Solche Reaktionen sind üblicherweise nur mehrstufig möglich. In der indirekten Elektrolyse wird das Elektron von einem Mediator übertragen, der anschließend wieder elektrochemisch aktiviert wird. Auf diesem Wege können selektive Oxidations- bzw. Reduktionsmittel elektrochemisch regeneriert und damit katalytisch eingesetzt werden.

Die organische Elektrosynthese findet Anwendung im Labor und im technischem Maßstab. Letzteres etwa in der Produktion von bis zu 300.000 t Adipodinitril pro Jahr bei der kathodischen Hydrodimerisierung von Acrylnitril. An C,C-Verknüpfungen sind unter anderem beschrieben die Hydrodimerisierung von elektronenarmen Olefinen oder die Kupplung von Carbonylverbindungen zu Pinakolen an der Kathode, die Dehydrodimerisierung elektronenreicher Olefine oder Aromaten oder die decarboxylierende Kupplung von substituierten Alkylresten in Carbonsäuren (Kolbe Elektrolyse) an der Anode. Bei den Funktionsgruppenumwandlungen sind zu nennen: Einstufige anodische Substitutionen von aliphatischen wie aromatischen CH-Bindungen durch eine Reihe von Nukleophilen oder die kathodische trans-Hydrierung von Doppelbindungen. Die Potentialselektivität kathodischer Eliminierungen und Spaltungen wird zur gezielten Deblockierung in der Schutzgruppenchemie genutzt. Metallorganische Verbindungen werden zugänglich durch kathodische Reduktion von Alkylhalogeniden oder durch anodische Oxidation von Grignardverbindungen, wobei das Elektrodenmetall mit den elektrochemisch erzeugten Radikalen reagiert.

Die Ausrüstung für die organische Elektrosynthese einfach und preiswert. In einer Becherglaszelle werden durch einen Teflonstopfen die Stromzuführungen für Anode und Kathode, die Luggin-Kapillare (Elektrolytbrücke zwischen Arbeits- und Referenzelektrode in potentialkontrollierten Elektrolysen) und ein Thermometer gehaltert (Abb.1). Als Elektroden werden Graphit- oder Glaskohlenstoffscheiben, dünne Platinfolien, die durch einen Teflonrahmen gestützt werden, auf Graphit abgeschiedenes Bleidioxid oder ein Stahlblech verwendet. Als Stromquelle dient für stromkontrollierte Elektrolysen ein Netzgerät oder zwei Autobatterien. Für spannungskontrollierte Elektrolysen stellt man per Hand am Gleichstromnetzgerät das Potential zwischen einer Referenzelektrode und der Arbeitselektrode ein oder man benutzt bequemer aber etwas teurer einen Potentiostaten. Über Ausrüstung, praktisches Vorgehen und Reaktionsmöglichkeiten gibt es aktuelle Literatur, die nahezu jede Frage beantwortet.[1-3]

Abbildung 1: Ungeteilte Becherglaszelle für potentialkontrollierte Elektrolysen

Anwendungen findet die Elektrosynthese auch in der Umwandlung nachwachsender Rohstoffe.[4] Carbonsäuren aus Fetten und Ölen werden für radikalische Dimerisierungen genutzt (Kolbe-Elektrolyse).[5,6] Aus Halbestern von Dicarbonsäuren lassen sich auf diesem Wege langkettige Disäuren erhalten. Beispielweise wird Azelainsäuremethylester (aus Ölsäure) zum Hexadecandisäuredimethylester (80%) dimerisiert, aus dem durch Acycloin-Kondensation ein mittlerer Ring zugänglich wird. Dimerfettsäure, eine technisch aus Pflanzenöl oder tierischem Fett hergestellte C₃₆-Disäure lässt sich durch Kolbe-Elektrolyse zu einer C₇₀-Disäure kuppeln, die als Polyesterkomponente potentiell interessant ist. Durch gemischte Kolbe-Elektrolysen (Heterokupplungen zwischen zwei unterschiedlichen Carbonsäuren) werden Insektenlockstoffe (Pheromone) auf kurzem Wege zugänglich. Durch Coelektrolyse von Fettsäuren mit Zuckercarbonsäuren lassen sich einstufig Zucker mit Fettsäuren verknüpfen.[6,7] An Konjuenfettsäure, einem technischen Produkt aus Linolsäure, werden anodisch zwei Acetoxygruppen unter Bildung von Diacetoxyölsäure addiert, die eine reiche Folgechemie, unter anderem zu einer konjugierten Trienfettsäure, ermöglicht.[8] Alternativ zur Ozonolyse kann man in einer indirekten Elektrolyse mit dem Doppelmediator Perjodat/Rutheniumtrichlorid die Ölsäure in Azelainsäure und Nonansäure spalten.[9]
Bei Aminosäuren und Oligopeptiden bietet die anodische Substitution durch Decarboxylierung einen raschen Zugang zu elektrophilen a-N-Acylaminoalkyl-Equivalenten, die mit Nukleophilen unter anderem zu chiralen Heterocyclenbausteinene umgesetzt werden können.[10]

Bei den Kohlenhydraten lässt sich Glucose durch gepaarte Elektrolyse (an der Anode und der Kathode wird gleichzeitig ein Wertstoff dargestellt) an der Anode zur Gluconsäure oxidieren und an der Kathode zu Sorbit reduzieren.[11] Glycamine von Disacchariden (Cellobiose, Lactose) und Oligosacchariden lassen sich in hoher Reinheit und Ausbeute durch kathodische Reduktion ihrer Oxime erhalten.[12] Lävoglucosan (aus Cellulose) wird anodisch zur D-Arabinose (81%) gespalten.[13] In Mono- und Disacchariden kann mit TEMPO als Mediator die primäre Hydroxylgruppe selektiv in Anwesenheit der sekundären Hydroxylgruppen zur Carbonsäure oxidiert werden.[14] Zur technischen Darstellung von Vitamin C aus Glucose wurde ein Pilotprozess entwickelt, in dem die anodische Oxidation der Diaceton-L-sorbose an der Nickelhydroxid-Elektrode verwirklicht wurde.[15] Auch andere partiell geschützte Zucker lassen sich an der Nickelhydroxid-Elektrode selektiv oxidieren.[16] Der aus Pentosanen (z.B. aus Schilfgras) zugängliche Furfurylalkohol lässt sich durch Elektrolyse in den interessanten C4-Baustein: 4,4-Dimethoxy-2-butensäuremethylester (91%) umwandeln.[17] Citronensäure (aus der Vergärung von Kohlenhydraten) kann man nach Veresterung zum Aconitsäuretrimethylester dehydratisieren, der kathodisch zum all-trans-Cyclopentanhexacarbonsäurehexamethylester (70%) cyclisiert wird.[18] Stärke wird in einer indirekten Elektrolyse mit katalytischen Mengen an Perjodat zur Dialdehydstärke (90%) gespalten.[19]

Terpene lassen sich anodisch in höherwertige Verbindungen überführen.[20] a- und b-Ionon wurden kathodisch in guten Ausbeuten zu den Pinakolen gekuppelt,[21a] anodisch lassen sie sich allylständig acetoxylieren.[21b] Aromatische Steroide werden anodisch selektiv an C9, Androstan selektiv an C6 methoxyliert.[22]
Lignin wurde an einer Nickelanode bei 170°C in 3 M NaOH unter Druck zu Vanillin, Vanillinsäure und 4-Hydroxybenzaldehyd als Hauptprodukte gespalten.[23]
Der C₁-Baustein Kohlendioxid wird in einer geteilten Zelle in einer wässrigen Natriumsulfat/Natriumhydrogencarbonat-Lösung und einer amalgamierten Kupferkathode zu Ameisensäure (80%) reduziert.[24] In einem aprotischen Elektrolyten wird Kohlendioxid kathodisch zu Oxalsäure (85%) hydrodimerisiert,[25] die in Wasser an einer Bleikathode zur Glykolsäure (70%) reduziert wird.[26]. Carbanionen, die aus elektronenarmen Olefinen durch Hydrodimerisierung, aus Aromaten durch kathodische Birch-Reduktion oder aus Alkylhalogeniden durch kathodische Spaltung erhalten werden, lassen sich mit Kohlendioxid zu Carbonsäuren carboxylieren.[27]

Wie die Beispiele zeigen, können nachwachsende Rohstoffe elektrochemisch einfach, meist preiswerter als mit chemischen Reagentien, ohne den Zwangsanfall von Reagensendprodukten und häufig einstufig in höherwertige Produkte umgewandelt werden. Die Kolbe-Elektrolyse (anodische Decarboxylierung) ist wohl die beste Methode, um Carbonsäuren, die häufig unter den nachwachsenden Rohstoffen zu finden sind, einstufig in Radikale oder Carbokationen umzuwandeln. Die mit dem Reagens Elektron einfach zugängliche Radikal- und Radikalionen-Chemie ermöglicht zusammen mit dessen Potentialselektivität (selektive Umsetzung von einer unter mehreren elektroaktiven Gruppen) die schonende Umsetzung nachwachsender Rohstoffe. Dadurch kann die Synthesevorleistung der Natur besonders gut genutzt werden. Die Materialeigenschaften der Produkte müssen im Einzelnen noch erschlossen werden. Bei Fetten und Ölen zeichnen sich Anwendungen im Bereich der grenzflächenaktiven Verbindungen, der Polyester oder der Riechstoffe ab. Bei Zuckern sind Wege zu neuen biologisch aktiven Verbindungen denkbar und aus Aminosäuren werden interessante Synthesebausteine für elektrophile Substitutionen an Aromaten oder Heterocyclen erhalten.
Die Umwandlung nachwachsender Rohstoffe durch Elektrolyse verwirklicht so in mehrfacher Hinsicht die Prinzipien einer nachhaltigen Chemie. Für weitere Anwendungen steht ein breites Angebot an C,C-Verknüpfungen und Funktionsgruppenumwandlungen zur Verfügung,[1-3] das vielfach auch im technischen Maßstab angewandt wird.[28]

Abbildung 2: nachwachsende Rohstoffe als Ressource für die Elektrochemie