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Die Herstellung von Arzneimitteln und Feinchemikalien hängt seit Jahrzehnten von teuren Edelmetallen ab. Palladium ist der Standardkatalysator für sogenannte Kreuzkupplungsreaktionen, bei denen zwei molekulare Bausteine zu einer neuen chemischen Verbindung verknüpft werden. Ein Forschungsteam am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) hat nun einen Nickelkatalysator entwickelt, der diese Aufgabe mit einem Bruchteil des Metallaufwands erfüllt.
Palladium: effizient, aber teuer und knapp
Kreuzkupplungsreaktionen gehören zu den meistgenutzten Verfahren in der Wirkstoffsynthese. Palladium liefert dabei hohe Ausbeuten und breite Anwendbarkeit. Das Edelmetall ist jedoch selten, kostenintensiv und in großen Produktionsmengen ein Rohstoffrisiko.
Die Nobelpreisträger Richard Heck, Ei-ichi Negishi und Akira Suzuki erhielten 2010 die Auszeichnung für die Entwicklung palladiumkatalysierter Kreuzkupplungsreaktionen. Seither prägt diese Chemie die industrielle Synthese. Alternativen blieben lange hinter der Leistung von Palladium zurück.
Licht als Aktivierungsenergie
Erste Studien vor rund zehn Jahren zeigten, dass Nickelkatalysatoren unter Lichteinstrahlung ähnliche Reaktionen ermöglichen können. Sichtbares Licht liefert dabei die nötige Aktivierungsenergie, ohne Wärme oder aggressive Chemikalien einzusetzen. Die frühen Systeme waren jedoch weniger effizient und deckten deutlich weniger Reaktionstypen ab als Palladium.
Hier setzt die Arbeit von Bartholomäus Pieber und seinem Team an. Gemeinsam mit Daniel Bím von der University of Chemistry and Technology in Prag entwickelten sie einen maßgeschneiderten Liganden, also eine Hilfsstruktur, die das Nickelatom umgibt und seine katalytische Wirkung nach Lichtaktivierung erheblich steigert.
100 ppm Nickel, bis zu 10.000 Produktmoleküle
Das zentrale Ergebnis ist die drastisch reduzierte Katalysatormenge. Der neue Nickelkatalysator arbeitet bei 100 ppm, das entspricht 0,01 Molprozent. Ein einziges Katalysatormolekül erzeugt unter diesen Bedingungen bis zu 10.000 Produktmoleküle. Solche Kennzahlen, in der Chemie als Turnover Number bezeichnet, wurden bisher typischerweise nur mit palladiumbasierten Systemen erreicht.
Der Katalysator deckt ein breites Spektrum chemischer Bindungen ab: zwischen Kohlenstoff-, Stickstoff-, Sauerstoff-, Schwefel- und Phosphoratomen. Diese Vielseitigkeit ist für die Pharmakochemie relevant, weil Wirkstoffe häufig genau solche heterogenen Strukturen erfordern.
Reaktionsbedingungen bleiben praxistauglich
Die Reaktionen laufen unter sichtbarem LED-Licht ab, wie es in Laborumgebungen standardmäßig verfügbar ist. Aufwendige UV-Quellen oder Hochdruckbedingungen sind nicht nötig. Das vereinfacht eine mögliche Übertragung in den größeren Maßstab, auch wenn der Weg von der Laborforschung zur industriellen Anwendung weitere Entwicklungsschritte erfordert.
Bedeutung für Produktion und Einkauf
Für Unternehmen in der Wirkstoffsynthese oder Feinchemikalienherstellung ist das Ergebnis aus zwei Richtungen relevant. Ein Ersatz von Palladium durch Nickel verringert die Abhängigkeit von einem volatilen Rohstoffmarkt. Palladium wird überwiegend in Russland und Südafrika gefördert, zwei Regionen mit erheblichen Lieferkettenrisiken.
Die extrem geringe Katalysatormenge senkt außerdem die Materialkosten pro Reaktion direkt. In der kontinuierlichen Produktion summieren sich solche Einsparungen schnell auf relevante Beträge.
Nickel ist deutlich weiter verbreitet und preisstabiler als Palladium. Die toxikologische Einordnung von Nickelverbindungen erfordert zwar weiterhin sorgfältigen Umgang, doch die Ausgangssituation ist gegenüber bestimmten Schwermetallkatalysatoren günstiger.
Fazit
Die ISTA-Studie liefert einen belegbaren Schritt in Richtung palladiumfreier Katalyse für die Feinchemie. Ein Nickelkatalysator, der mit 100 ppm auskommt und mehrere Bindungsklassen abdeckt, ist ein technisch messbarer Fortschritt. Bis zur industriellen Umsetzung braucht es weitere Validierung im größeren Maßstab. Die Rohstoffabhängigkeit von Palladium bleibt für die Pharmakochemie ein strukturelles Risiko.
