Elektroorganische Synthese und BioelektrochemieOrg+Synthese.pdf · 2008. 9. 26. · •Steuerung...

Karl-Winnacker-Institut Elektrochemie

Elektroorganische Synthese und BioelektrochemieKlaus-Michael Mangold

Karl-Winnacker-Institut der DECHEMA e.V.

Elektroorganische Synthese• Elektrochemische Reaktionstechnik

• Elektrosynthese an Anode und Kathode (paired electrosynthesis)

• Beispiele industrieller Prozesse

• Elektrochemische Reaktionsmechanismen

Bioelektrochemie

• elektrochemische Substrat-Herstellung

• elektrochemische Cofaktor-Regenerierung

• direkter Elektronentransfer Elektrode-Enzym


AnisaldehydZielmolekül:

CH 3 COO

H

Vergleich elektrochemischer und chemischer, organischer Synthesen

Gattermann´sche Blausäure-MethodeChemische Synthesen

CH3COO

HH3CO HCN HCl++

AlCl3H3CO

HC

NH2

ClH2O

- NH4Cl

CH3H3CO + 2 Cl2hν

100-200°CCHCl2H3CO

H2O / Na2CO3 (15%)

138°CCH3CO

- 2 HCl - 2 HCl

O

H

Elektrochemische Synthese

H3CO CH3

p-Methoxytoluol

Graphit-AnodeH3COH / KF

H3CO CH

OCH3

OCH3

Acetal

CH3COO

H

H2O

Ausbeute: 80 %


Elektrochemische ReaktionstechnikVorteile

• Steuerung der Selektivität durch Kontrolle des Elektroden-Potentials Einschränkung: Bildung reaktiver Zwischenprodukte mit geringer Selektivität

• Steuerung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Kontrolle der Stromdichte• zusätzliche Synthese-Parameter: Elektroden-Material und Elektrolyt-

Zusammensetzung• milde Reaktionsbedingungen (Druck, Temperatur)• keine zusätzlichen Chemikalien erforderlich (Green Chemistry)

Nachteile

• Spezielle Reaktoren erforderlich (technische Elektrolyse-Zellen)• heterogene Reaktion an der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt (Raum-Zeit-Ausbeute)

• Zugabe von Leitsalz erforderlich• zusätzliche Schulung des Personals• Nebenprodukte an der Gegenelektrode• Investitions- und Betriebs-Kosten


Elektrochemische Reaktionstechnik

Direkte Umsetzung an der Elektrode Indirekte Umsetzung mit Mediator

R-H

R-H

e

R-H

R-He Mediator

Mediator

S

SGraphit-AnodeCH3CN / LiClO4

CHO + SS

C8H17

Oxidations-Mediator:

C8H17

H3C N3

H3C N3

+ e-S

SC8H17

Anode- e-

Beispiel: C-S-Bindungsspaltung eines 1,3-Dithianes


Elektrochemische Reaktionstechnik

Indirekte Umsetzung mit Mediator

Beispiele für Mediatoren: Verfahrenstechnische Varianten:

Oxidation

Cr3+ / Cr2O72-

Ce3+ / Ce4+

Mn2+ / Mn3+

Br- / Br2

Reduktion

Sn4+ / Sn2+

Cr3+ / Cr2+

Ti4+ / Ti3+

Zn2+ / Zn

in cell Edukt und Mediator zusammen in einem elektrochemischen Reaktor.

ex cell Edukt und Mediator reagieren in einem chemischen Reaktor miteinander;Mediator wird in einem separaten elektrochemischen Reaktor regeneriert.

NO

NO

- e-

+ e-

2,2,6,6-Tetramethyl-piperidinyl-1-oxyl-Radikal

TEMPO


Elektrosynthese an Anode und Kathode„Paired Electrosynthesis“

4

4

Evtl. mitDiaphragma

Acetylen-dicarbonsäure

Phthalsäure

HOCH2C CH2COH+ 2 OH

HOOCC CCOOH- 6 H

+ 8 H

COOH

COOH

COOH

COOH

+ 8 e

- 8 e

Vorteil: Auch an der Gegenelektrode entstehen Produkte mit Wertschöpfung.Ansonsten: Gegenelektrode als Kathode: Wasserstoff-Entwicklung oder Sauerstoff-Reduktion;

Gegenelektrode als Anode: Sauerstoff-Entwicklung oder Oxidation von Ameisen- oder Oxalsäure zu CO2 oder Opfer-Anoden)


Elektrosynthese an Anode und KathodeBeispiele

Glyoxylsäure

Oxalsäure

COOHCOOH

+ OH

- HCHOCOOH

- OH

CHOCHO

+ H

CH3 CO

CH CH3OH + 2 H

- H2OCH3 C

OCH2 CH3

HCOH

CH CH3

OHH3C

+ 2 e

- 2 e

+ 2 e

- 2 e

W. Li, T. N

onaka, T.-C. C

hou, Electrochem

istry, 1999, 67, 4.

Glyoxal

2

- 2 H


p-Methyl-t-butylbenzol

Aroma-Chemikalien

+ 4 e-

+ 4 H+- 2 CH3OH

Phthalidt-Butyl-benzaldehyd-dimethylacetal

- 4 e-

- 4 H+

+ 2 CH3OH

Fungizide

OO

O

O

O

O

O

O

Ano

de

Kathode

Phthalsäure-dimethylester

Elektrosynthese an Anode und KathodeBeispiel eines industriellen Prozesses (BASF 1998)

Elektroden: Graphit, Elektrolyt: CH3OH, MeBu3NMeOSO3

H. Hannebaum, H. Pütter, Chemie in unserer Zeit, 1999, 33, 373.


Beispiele industrieller Prozesse

Edukt Produkt Produktion (jato)

Acrylnitril Adiponitril 300.000Phthalsäure 1,2-Dihydrophthalsäure 600

Pyridin Piperidin 100 - 5002-Methylindol 2-Methyldihydroindol 120

3-Hydroxybenzoesäure 3-Hydroxybenzylalkohol 100Montan-Wachs gebleichtes Montan-Wachs 11.0004-Methoxytoluol Anisaldehyd 3.500

Glucose Calziumgluconat 1.000Anthracen Anthrachinon 100 – 1.000

Furan 2,5-Dimethoxy-2,5-dihydrofuran 100

H. Pütter, Industrial Electroorganic Chemistry, in: H. Lund, O. Hammerich (Hg.), Organic Electrochemistry, M. Dekker, N.Y., (2000) 1259.


Beispiele industrieller ProzesseAnodische Methoxylierung (BASF)

Kapillar-Spalt-Zelle

Prozeß-Parameter:

Elektroden: bipolare Graphit-ScheibenElektrodenabstand: 1-2 mmElektrolyt-Konzentration: 0,3-3% (KF oder Na2SO3)Stromdichte: 300-500 A/m2

Temperatur: 40-50°CAusbeute: > 80%Lösungsmittel: Methanol

Pflanzenschutzmittel,Aromastoffe, optische

Aufheller, u.s.w.

CH3

R

R = CH3, CH3O, t-Butyl

CH(OCH3)2

R

- 4 e-

- 4 H+

+ 2 CH3OH

Graphit-Anode

- 2 CH3OH

CHO

R

Wiederverwertung

Hydrolyse des Acetals

Bipolare E

lektroden

-+


Beispiele industrieller Prozesse

Anodische Methoxylierung – Verfahrensfließbild


Reduktion Oxidation

Elektrochemische ReaktionsmechanismenElektrochemisch zugängliche Zwischenprodukte

Redox-Umpolung

- e-+ e-

Kathode

R2- R•-

R- R•

R-

Anode

R•+ R2+

R• R+

R+

R

R+

R-

R•

ElektrophilieNucleophilie


Elektrochemische Reaktionsmechanismen

R-E + Nu-Anode

- 2e- R-Nu + E+

H3CO OCH3- 2e-

H3CO CN + CH2O + H+

(C2H5)4N+ CN-

CH3CN

Elektrochemische Substitution an der Anode

Beispiel: p-Methoxybenzonitril aus 1,4-Dimethoxybenzol E ... ElektrophilNu ... Nukleophil

R-Nu + E+Kathode

+ 2e- R-E + Nu-

CHCH3

Cl+ CO2

Graphit-KathodeAluminium-AnodeDMF

CHCH3

COO- (Al3+)1/3

Elektrochemische Substitution an der Kathode

Beispiel: Arylpropionsäure durch reduktive Dehalogenierung



C CY

+ 2 Nu-

- 2e-CC

Y

Nu

NuAnode

Kohlenstoff-AnodeCH3OH / CH3COOH

OCH3

OCH3

+

OCH3

OCH3

Ausbeute: 49 % Ausbeute: 6 %

C X + 2 E+ Kathode+ 2e- XC E

E

OHOH

OHH

e/a = 84/16 e/a = 2/98

DMF / CH3COOH

2e- 2e-

CH3CH2OH / MgCl2

Elektrochemische Addition an der Anode

Beispiel:

Elektrochemische Addition an der Kathode

Methoxylierung konjugierter Diene

Beispiel: Protonen-Addition an eine Carbonylgruppe X ... CR2 oder O



YC E

EAnode

- 2e-C Y + 2 E+

COOHSi(CH3)3

CH3CN / CH3OH- CO2- (CH3)3SiOCH3

- 2e-

Norbornadien Ausbeute: 76 %

CC

Nu

Nu

+ 2e-

KathodeC C + 2 Nu-

Elektrochemische Eliminierung an der Anode

Elektrochemische Eliminierung an der Kathode

Beispiel: Decarboxylierung und Desilylierung

Beispiel: Dehalogenierung eines bicyclischen Alkans

Br

Cl

DMF

+ 2e-

- Br-

- Cl-

Diels-Alder-Reaktion

Bredt-Regel !



2 RAnode

R R- 2e-

Elektrochemische Kupplung an der Anode

Radikal – Radikal - Kupplung

Beispiel: Anodische Decarboxylierung von Carbonsäuren

R CH2 COO-Anode

- e-

- CO2

R CH2

Kolbe-Reaktion

Nicht-Kolbe-ReaktionHofer-Moest-Reaktion

R CH2 CH2 R

Dimerisierung

- e-

R CH2+ Nu-

R CH2 Nu

+ R CH2

Nebenreaktion: Disproportionierung zu R´-CH=CH2 + R´-CH2-CH3




Reaktionsbedingungen

Kolbe-Reaktion (2. Ordnung) Hofer-Moest-Reaktion (1. Ordnung)

Platin-Anode (glatte Oberfläche) Graphit-Anode (rauhe Oberfläche)

hohe Stromdichte geringe Stromdichte

Elektronenakzeptor in α-Position Elektronendonor in α-Position

keine Fremdionen Salzzusatz

saures Medium basisches Medium


Elektrochemische ReaktionsmechanismenElektrochemische Kupplung an der Anode

R CH2 COO-Anode

- e-

- CO2

R CH2

+ R CH2

symmetrische Dimerisierung

gekreuzte Kupplung

+ R´ CH2

R CH2 CH2 R

R CH2 R´CH2

Varianten der Kolbe-Reaktion:

Addition an Doppelbindungen

R CH2 COO-Anode

- e-

- CO2

R CH2

Y+

RR

Y

R CH2+

Intermolekular

COO-R

Anode

- e-

- CO2

R + R´

R

R´

Intramolekular



0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 100 200 300 400Stromdichte / mA/cm2

Aus

beut

e / %

cyclisches Produkt A

acyclisches Produkt B

Einfluß der Stromdichte auf die Kolbe-Reaktion

A. Weiper et al., DECHEMA-Monographie 125 (1992), S.595 ff.

COO-

Anode- e-

- CO2

CH3COOH+ CH3

Intermolekular

Intramolekular

CH3

+ CH3

CH3

B

A



(Kolbe-Reaktion)

Beispiel: Sebacinsäuredimethylester ( Polyester) aus Adipinsäuremethylester

2 CH3OOC-(CH2)4-COO- CH3OOC-(CH2)8-COOCH3 + 2 CO2- 2e-

Prozess-Parameter: Methanol / CH3OOC-(CH2)4-COONa,Pt-AnodeH2-Bildung an der Gegenelektrode

(Asahi-Chemical)



2 RAnode

R R- 2e-

- 2H+


Radikalkation – Radikalkation - Kupplung

Beispiel: Elektropolymerisation von Thiophen elektrisch leitfähiges Polymer

S

Anode

- e- S

S

S SAnode

S n

Thiophen Bithiophen Polythiophen

+

- 2 H


Exkurs: leitfähige Polymere (I)

NH

chemischeoder

elektrochemische

Polymerisationn

NH

NH

NH

NH

NH mk

X

NH

NH

NH

NH

NH mk

NH

NH

NH

NH

NH mk

XX

Polaron

Bipolaron

+ e- X

+ e- X

- e+ X

- e+ X

Bsp.: Polypyrrol

Änderung der Eigenschaften:

- Elektrische Leitfähigkeit- Quellung- Volumen- Porosität

- Aufnahme/Abgabevon Stoffen

- Lichtabsorption


Exkurs: leitfähige Polymere (II)Elektronische Leitfähigkeit/ S cm-1 (abhängig vom Dotierungsgrad)

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

10

-18

-16

-14

-12

-10

-08

-06

-04

-02

00

+02

+04

+06 KupferPlatin

Graphit

Germanium

Silizium

Polyethylen

Diamant

Quarz

LeitrußPolypyrrol

PPy

NH n

PolyanilinPANI

NHn

S

OO

n

Poly(3,4-ethylen-dioxythiophen)

PEDOT

PolythiophenPT

S n


Exkurs: leitfähige Polymere (III)

Anwendungen

antistatische Folien Aktoren (künstliche Muskeln)

Korrosionsschutz organische Leuchtdioden OLED

Sensoren schaltbare Ionenaustauscher

Leiterplattenbau Katalysatorträger (Brennstoffzellen)

Batterien Abgabe von Wirkstoffen (Drug Release)



C CZ Kathode

+ 2e-

+ 2H+

C CCC

ZZ

HH2Elektrochemische Kupplung an der Kathode

Beispiel: Elektrohydrodimerisierung EHD „Monsanto-Prozeß“

Redox-Umpolung

CN Kathode

+ e-CN Kathode

+ e-

+ H+

CN Michael-Reaktion

CN+ NC

CN+ H+

NC

CN

Adiponitril

+ 8 HNi / NH3

H2NNH2

Hexamethylendiamin

Nylon(CH2)n COOHHOOC

Jahresproduktion ca. 300.000 t Adiponitril



C CZ Kathode

+ 2e-

+ 2H+

C CCC

ZZ

HH2Elektrochemische Kupplung an der Kathode

Beispiel: Elektrohydrodimerisierung EHD

Nebenreaktionen (Kathode):(1) 2 H2O + 2 e- H2 + 2 OH-

(2) 2 H2O + CH2=CH-CN + 2 e- CH3-CH2-CN + 2 OH-

Prozeß-Parameter: Elektrolyt: Tetraalkylammonium-Salz, 50-55°C

geteilte Zelle (Ionenaustauscher-Membran) ungeteilte ZelleKathode: Pb, Anode: Pb (1% Ag) Kathode: Cd, Anode: StahlStromdichte: 4,5 kA/m2 2 kA/m2

Zellspannung: 11,7 V 3,8 VElektrodenabstand: 7 mm 3 mm Elektrolyt-Konzentration: 40% 0,4%

Stromausbeute: > 90%Anode: Sauerstoff-Entwicklung


Elektrochemische Reaktionsmechanismen Elektrokatalytische Kupplung an der Kathode

Ni(0)L2

ArNi(I)L2

ArNi(II)XL2Ni(I)XL2

Ar2Ni(III)XL2

ArX

X-

e-

ArX

Ar-Ar

e-X-

Beispiel: Kupplung von Aryl- und Alkyl-Halogeniden

Br H2CCl C CH3

ONi(II)Br2bipyridin

Kohlefaser-KathodeDMF, 70°C

H2C C CH3

O

M. Durandetti, J.-Y. Nédélec, J. Périchon, J. Org. Chem., 1996, 61, 1748. Ausbeute: 62%


Elektrochemische Reaktionsmechanismen Elektrochemische Bindungs-Spaltung an der Anode

R XAnode

- e- R XBindungs-Spaltung

R + 1/2 X2

S

SPlatin-AnodeCH3CN / H20 (9:1)

CHO + SS

Beispiel:C-S-Bindungsspaltung eines 1,3-Dithianes

Elektrochemische Bindungs-Spaltung an der Kathode

R X+ e-

KathodeR X

Bindungs-SpaltungR + X

+ e-Kathode

R + X

Beispiel: Selektive Spaltung einer C-Br-Bindung

Br C CH2

O

CH2 Cl

+ 2e-

+ H+

CH3OH / (CH3CH2)4NBrH C CH2

O

CH2 Cl + Br

Ausbeute: 96 %


Asymmetrische Elektrosynthese

Enzymatische Reaktion

NAD Nicotinamid-adenin-dinucleotid Brenztraubensäure

Cofaktor

4e-

2 NAD + 2 H

2 NADH

L-LDHL-Lactat-Dehydrogenase

2

2 xCOOH

OH+

COOH

OH

4e-

COOH

O

+

L-Milchsäure

D-Milchsäure

4 H

*

*

4 H +


Bioelektrochemie

elektrochemische Substrat-Herstellung

elektrochemische Cofaktor-Regenerierung

direkter Elektronentransfer

Bioelektrochemische Sensoren

Biobrennstoffzellen

Elektroporation / Elektrofusion

Elektrophysiologie

Biomembranen

De Viribus Electricitatis, Luigi Galvani, 1792


Enzymatische Katalyse

Substratspezifität (reagiert nur mit einem Edukt)

Wirkungsspezifität (keine Nebenreaktionen)

Regio- und Stereospezifität

Oxidoreductasen: (Redox-Reaktionen)

- Oxidasen- Reductasen- Oxygenasen- Dehydrogenasen

Elektronentransfer

Elektrochemie

Substrat-Herstellung direkter ElektronentransferElektrode-Enzym

Cofaktor-Regenerierung


Elektroenzymatische Katalyse

2 e-

reduzierterMediator

oxidierterMediator

reduzierterCofaktor

oxidierterCofaktor

Substrat(oxidiert)

Produkt(reduziert)

homogene oder heterogene Enzymkatalyse

Enzym Bsp: NADH/NAD+

Immobilisierung des Enzyms auf der Elektrode

(z.B.: Self-assembled Monolayer, Polymerschicht)

Alternativ: Direkter Elektronentransfer zwischen Elektrode und EnzymVorteil: Es wird kein teurer Cofaktor benötigt.


Elektrochemische Substrat-Herstellung

Beispiel 1: Asymmetrische Elektrosynthese

4e-

2 NAD + 2 H

2 NADH

L-LDHL-Lactat-Dehydrogenase

2

2 xCOOH

OH+

COOH

OH

4e-

COOH

O

+

L-Milchsäure

D-Milchsäure

4 H

*

*Cofaktor

Brenztraubensäure


Elektrochemische Substrat-Herstellung

Beispiel 2: H2O2 als Co-Substrat für Peroxidasen

Peroxidaseoxidiert

Peroxidasereduziert

O2

H2O2

2e-

Substrat

Produkt

Peroxidase immobilisiert in leitfähigem Polymer oder Gel

Substrat

Produkt

Elektrolyt

OHNHR

S

OEpoxidierungmit Chloroperoxidase

H2O2

Styren Phenyloxiran (R)-Phenylethanolamine(Pharma-Wirkstoff: Asthma, etc.)


Nicotinamid-adenin-dinucleotid NADH

H2C

OHOH

O

N

N

N

N

NH2

O P

O

O

O

P

O

O

O

CH2

OHOHO

N

O

NH2NAD+

H2C

OHOH

O

N

N

N

N

NH2

O P

O

O

O

P

O

O

O

CH2

OHOHO

N

O

NH2NADH

HB HA

+ 2e+ H

- 2e- H

Nicotinamid

( + H )( - H )hohe Überspannung

Adsorption auf der Elektrode

Cofaktor für ca. 250 Oxidoreductasen

Dimerisierung (NAD)2

Elektrochemische Cofaktor-Regenerierung


Elektrochemische Cofaktor-Regenerierung

Beispiel: Homogene elektroenzymatische Reduktion von Brenztraubensäure

H3C COOH

O

H3C*

COOH

OH

2 e-

D-Lactat-Dehydrogenase

D-Milchsäure

NAD+

NADH

[(Me)5CpRh(I)H(bpy)]+

[(Me)5CpRh(III)Cl(bpy)]+

H+

Cl-

Mediator

Hydrid-Übertragung

Cofaktor

RhH

NN

+

Pentamethylcyclopentadienyl-2,2´-bipyridin-hydrido-rhodium(III)

ee: 94% Stromausbeute: 67%

R. Ruppert, S. Herrmann, E. Steckhan,Tetrahedron Lett., 1987, 28, 6583.


Direkter Elektronentransfer (Immobilisierte Enzyme auf Elektroden)Adsorption des Enzyms direkt auf der Elektrode führt häufig zur Denaturierung !

Beispiel 1: Anbindung an self-assembled Monolayers (SAM)

S NH2

Cystamin

S NH2S NH2

S NH2

S HNSCN R1NCS C

S HN R1NCS

FeR2

R1 =

SO3

O3S

Lys = Lysin

GOx-Beladung 8 x 10-12 mol/cm2

Glucoseoxidase (GOx)

S HN C

S HN R1

HN

LysH2N

LysNHCS

S HN C

S HN R1

HN LysNHC

S

FeR2

e-

Glucose

Gluconsäuree-

0/+

A. Riklin, I. Willner, Anal. Chem., 1995, 67, 4118.


Direkter Elektronentransfer (Immobilisierte Enzyme auf Elektroden)

Beispiel 2: Einbettung in ein Redoxpolymer-Hydrogel (Polyethylenglycol)

Amperometrischer Glucose-Sensor

Proben-Volumen (Blut): 300 nlca. 6 x 109 Tests pro Jahr[Glucose-Monitoring: subkutan implantierter Sensor]

TheraSense Inc./Abbott LaboratoriesE. Csöregi, D.W. Schmidtke, A. Heller, Anal. Chem., 1995, 67, 1240.

N

N

N

N

1212

N

N N

NOs2+/3+

Cl-

N

N

N

N

N

NN

N Os2+/3+

Cl-

Glucoseoxidase

ne-

e-

e-

Glucose

Gluconsäure

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