„Nachhaltige Synthese durch Elektrolyse“

Hans J. Schäfer

1. Synthese durch Elektrolyse

Elektrolyse bezeichnet die Stoffumwandlung durch den elektrischen Strom. Hierbei werden Elektronen vom Minuspol einer Gleichstromquelle über eine Elektrode, die Kathode, auf ein Substrat übertragen, das dabei reduziert wird. Umgesetzt wird an der Grenzfläche Elektrode-Elektrolyt (Lösungsmittel und Leitsalz) das Substrat, das am leichtesten Elektronen aufnimmt. Dabei entstehen aus Neutralverbindungen Radikalanionen, die als Nukleophile oder Radikale reagieren. Die Radikale können weiter zu Anionen reduziert werden. Die negative Überschussladung an der Kathode wird durch Zustrom von Kationen des Leitsalzes kompensiert. Die Elektronen verlassen über die Anode wieder die Lösung und kehren zum positiven Pol der Gleichstromquelle zurück. Sie werden dabei einem Substrat an der Grenzfläche Anode/Elektrolyt entzogen. Das Substrat wird dabei oxidiert, das am leichtesten Elektronen abgibt. Dabei entstehen spiegelbildlich zur Reaktion an der Kathode aus Neutralverbindungen Radikalkationen, die als Elektrophile oder Radikale reagieren. Die Radikale können zu Kationen weiteroxidiert werden. Vor der Anode bildet sich eine überschüssige positive Ladung, die durch Abfluss von Kationen in Richtung Kathode abgebaut wird. Die Radikalionen, Kationen und Anionen können mit Kohlenstoff-Nukleophilen bzw. -Elektrophilen reagieren, die Radikale können dimerisieren oder sich an Doppelbindungen addieren. Auf diesem Wege lassen sich in vielfältiger Weise C-C-Bindungen über elektrochemisch erzeugte Zwischenstufen knüpfen. In ähnlicher Weise werden funktionelle Gruppen erzeugt, umgewandelt oder abgespalten (FGU)[1].

2. Wann eignet sich die Elektrolyse für die Synthese und wie wird elektrolysiert?

Zunächst wird geprüft, ob eine Elektrosynthese auf die Zielverbindung anwendbar ist. Dies ist meist dann der Fall, wenn für ihre Synthese eine Oxidation oder Reduktion benötigt und/oder reaktive Zwischenstufen durchlaufen werden. Besonders geeignet für C-C-Verknüpfungen sind inter- und intramolekulare elektrochemische Kupplungen sowie Additionen über Radikale oder Radikalionen (Kap. 3.1). Sind elektrochemische Funktionsgruppenumwandlungen (Kap. 3.2) anwendbar, sollte man die Elektrolyse ebenfalls in die Planung einbeziehen. Bei einer positiven Antwort sucht man nach beschriebenen ähnlichen Reaktionen in den Registern von Monographien [2] und in einer Datenbank. Die gefundene Reaktion wird reproduziert und bei der Übertragung auf die geplante Reaktion nach einem Kompromiss aus guter Ausbeute, Selektivität und vorteilhaften Reaktionsbedingungen gesucht [3]. Für die Durchführung der Elektrolysen werden in der Literatur [1a] und in Abb.1 eine Becherglaszelle und Stromquellen für den Einstieg vorgeschlagen. Geeignete Anodenmaterialien sind Graphit, Glaskohlenstoff, Platin, Bleidioxid auf Graphit oder in einem alkalischen Elektrolyten Nickel. Als Kathodenmaterialien bieten sich an: Graphit, Glaskohlenstoff und in aprotischen Solventien zusätzlich Platin und Edelstahl. Als Solventien benutzt man für Oxidationen Methanol, Wasser, Acetonitril und für Reduktionen Methanol, Wasser, Tetrahydrofuran oder Dimethylformamid. Als Leitsalze eignen sich für den Einstieg Tetraethylammoniumtosylat und Tetrabutylammoniumtetrafluoroborat, die auch in polaren organischen Solventien gut dissoziieren und ein weites Potentialfenster aufweisen. In Wasser und Methanol sind kathodisch Alkalihalogenide und anodisch Kaliumfluorid, oder Natriumbenzolsulfonat anwendbar. Zu näherem siehe in der Literatur [1b].

Abbildung 1: (1) Glaszelle mit Stopfen (NS 45), gehalterter Pt-Elektrode und Graphitelektrode mit Stromzuführungen. (2) Pt-Blech (8x3x 0.05 cm) auf Teflonhalter und V2A Stahl-Stromzuführung. (3) Glaskohlenstoffelektrode (8x3x0.5cm) mit V2A Stahlhalter. (4) Luggin-Kapillare zur Referenzelektrode. (5) Pt-Netz auf Teflonträger. (6) Teflonstopfen mit Bohrungen für zwei Elektrodenzuführungen, Luggin-Kapillare, Gaszuführung, Thermometer.

3. Ausgewählte C-C-Verknüpfungen und Funktionsgruppenumwandlungen an der Kathode und Anode

3.1 C-C-Verknüpfungen

Kathodisch lassen sich elektronenarme Olefine über Radikalanionen hydrodimerisieren (Gl. 1) [4].

Gleichung 1

Acrylnitril wird in einer technischen Elektrosynthese im Maßstab von mehr als 300.000 t pro Jahr zu Adipodinitril, einer Zwischenstufe für Nylon 66, hydrodimerisiert [5]. Aldehyde und Ketone hydrodimerisieren kathodisch zu Pinakolen ohne den Zwangsanfall von Metallsalzen wie in der chemischen Reduktion (Gl. 2) [6].

Gleichung 2

Auch Hydrodimerisierungen zwischen Aldehyden, Ketonen und elektronenarmen Olefinen sind möglich, beispielsweise solche, die zu ?-Lactonen führen (Gl.3) [7].

Gleichungen 3 und 4

Die kathodische Umpolung von Verbindungen mit zwei Elektronen-Akzeptoren erlaubt einstufige Cyclisierungen. Hierbei wird einer der Akzeptoren zu einem Donor reduziert und damit eine Reaktion zwischen den beiden Gruppen ermöglicht (Gl.4) [8].
Die umgepolten Akzeptoren, meist Radikalanionen oder Carbanionen werden auch in intermolekularen Acylierungen, Alkylierungen oder Carboxylierungen eingesetzt(Gl. 5) [9].

Gleichung 5

Durch anodische Oxidation können elektronenreiche Olefine über Radikalkationen zu a,d-disubstituierten Schwanz-Schwanz-Dimeren und/oder konjugierten Dienen verknüpft werden (Gl. 6) [10].

Gleichungen 6 bis 8

Alkylsubstituierte Arylverbindungen werden abhängig vom Substitutionsmuster zu Biarylverbindungen (Gl.7) oder zu Diphenylmethanen dehydrodimerisiert [11].
Anodische Cyclisierungen lassen sich erzielen, wenn von zwei verknüpften Donoren einer oxidativ zum Akzeptor umgepolt wird (Gl. 8) [12].
Die Anionen CH-acider Verbindungen bzw. metallorganische Verbindungen dimerisieren an der Anode über Radikale bzw. Radikalkationen [13]. Carbonsäureanionen bilden anodisch unter Decarboxylierung Radikale, die in guten Ausbeuten kuppeln (Gl.9). Diese so genannte Kolbe-Elektrolyse ist eine der einfachsten, verlässlichsten und vielseitigsten Reaktionen der organischen Elektrosynthese [14], andere Wege sind erheblich aufwendiger. Die gebildeten Radikale können weiterhin intramolekular( Gl.10) [15] bzw. intermolekular (Gl. 11) [16] mit Doppelbindungen zu cyclischen Verbindungen bzw. additiven Dimeren umgesetzt werden.

Gleichungen 9 bis 11

Trägt die Carbonsäure in a-Stellung elektronenliefernde Substituenten (Amino-, Hydroxy-, Alkoxy-, Vinylgruppen) und/oder wird an einer Kohlenstoff-Anode bei niedriger Stromdichte elektrolysiert, so werden die Radikale zu Carbokationen weiteroxidiert, was eine nützliche Folgechemie eröffnet (siehe Anodische Substitution unter 3.2).

3.2 Funktionsgruppenumwandlungen (FGU)

Die CH-Bindung lässt sich anodisch substituieren (Schema 2 in [1a]), indem das Substrat zunächst zum Radikalkation oxidiert wird. Nach dessen Deprotonierung zum Radikal wird dieses zum Kation oxidiert, das dann mit einem Heteroatom-Nukleophil reagiert. Durch anodische Substitution lassen sich nichtaktivierte CH-Bindungen an sekundären und tertiären Kohlenstoffatomen oder g-ständig zu Carbonylverbindungen selektiv durch ein Heteroatom substituieren (Gl. 12) [17].

Gleichung 12

Wasserstoffatome in CH-Bindungen, die durch Vinyl-, Phenyl-, Alkoxy- oder N-Acylgruppen aktiviert sind, lassen sich anodisch durch die Alkoxy- oder Acetoxygruppe substituieren [18]. Die oxidative a-Methoxylierung bzw. a-Acetoxylierung von N-acylierten Aminen ist eine vielseitige Reaktion, die elektrochemisch besonders günstig verläuft und zu wertvollen Zwischenstufen für die Synthese führt (Gl. 13) [19]. Die Methoxylierung von Methylaromaten wurde zu einer technischen Darstellung für Arylaldehyde entwickelt [20]. Für die Substitution aromatischer CH-Bindungen durch Nukleophile hat die Elektrochemie klare Vorteile gegenüber chemischen Reaktionen. Nukleophile wie Alkohole, Säuren oder das Cyanid-Ion lassen sich einstufig durch Umpolung des Aromaten zum Radikalkation einführen [21], während chemisch dafür mehrere Stufen nötig sind.

In Carbonsäuren, die a-ständig verzeigt sind oder dort elektronenliefernde Substituenten tragen, kann man die CO2H-Gruppe anodisch durch ein Nukleophil oder eine Doppelbindung ersetzen (Gl. 14) [14b, 22].

Gleichungen 13 und 14

An der Kathode läuft spiegelbildlich die kathodische Spaltung ab. Die C-X-Gruppe wird zum Radikalanion reduziert, das Nukleophil dissoziiert ab und das entstandene Radikal wird zum Anion reduziert, das protoniert wird. In der kathodischen Spaltung lässt sich die Umwandlung der C-X-Gruppe in eine CH-Bindung für Substituenten wie X = Hal, NR3+, PR3+, OTos oder Epoxide potentialselektiv verwirklichen. Diese Möglichkeit wird auch zur selektiven Abspaltung von Schutzgruppen genutzt [23].
Anodisch lässt sich die CH-CX-Gruppe dehydrieren. Durch Oxidation entsteht zunächst ein Radikalkation, das durch Deprotonierung, Folgeoxidation und Deprotonierung die Doppelbindung bildet.
Die anodische Dehydrierung von Alkoholen zu Ketonen, Aldehyden, Carbonsäuren oder von Aminen zu Nitrilen lässt sich durch die Nickelhydroxid-Elektrode und eine Vielfalt von indirekten Elektrolysen realisieren [24]. Die Vorteile anodischer Oxidationen gegenüber chemischen Oxidationsmitteln sind ein meist niedrigerer Reagens-Preis, eine leichtere Maßstabsvergrößerung und geringere Entsorgungsprobleme.
Die spiegelbildliche Reaktion an der Kathode ist die kathodische Hydrierung. Die Hydrierung von C=C und C=X Bindungen gelingt kathodisch und mit einer Reihe von chemischen Reagenzien. Vorteile der elektrochemischen Methode sind die potentialselektive Reduktion und damit die Möglichkeit, C=X-Bindungen in Gegenwart von C=C-Bindungen selektiv zu hydrieren und die trans-Hydrierung alternativ zur katalytischen cis- Hydrierung zu ermöglichen [25].
An Doppelbindungen lassen sich zwei Nukleophile anodisch addieren. Die Doppelbindung wird zum Radikalkation oxidiert, dieses reagiert mit einem Heteroatom-Nukleophil zum Radikal, das in einer Folgereaktion zum Kation oxidiert wird, welches dann mit einem weiteren Nukleophil reagiert (Gl. 15) [26]. Chemisch kann in einem Schritt nur ein Elektrophil und ein Nukleophil an die Doppelbindung addiert werden.

Gleichung 15

Die spiegelbildliche Reaktion ist die kathodische Eliminierung von zwei benachbarten Nukleophilen. Die kathodische Eliminierung erlaubt die potentialkontrollierte Abspaltung einer Reihe vicinaler Nukleophile (X = Hal, Thiophenolat, Oxalat ) unter Bildung einer Doppelbindung. Durch kathodische Eliminierung oder Spaltung lassen sich eine Reihe von Schutzgruppen schonend, potentialselektiv und ohne Wechselwirkung mit anderen Schutzgruppen entfernen [23].
Bei der anodischen Spaltung wird eine CX-CX-Bindung zum Radikalkation oxidiert. Dieses dissoziiert in ein Radikal und ein Kation, die durch Folgeoxidation und Hydrolyse beispielsweise zwei Carbonylverbindungen bilden.
Anodisch lassen sich in inerten Elektrolyten Lewis-Säuren bzw. kathodisch Lewis-Basen einfach herstellen und vielfältig für Säure- bzw. Basen-katalysierte Reaktionen verwenden [27].
An Elektroden aus reaktiven Metallen lassen sich kathodisch aus Alkylhalogeniden oder anodisch aus Kohlenstoff-Nukleophilen metallorganische Verbindungen gewinnen [28]. Metallionen können zu reaktiven Metall- Clustern reduziert werden, die mit Liganden Komplexe bilden [29].
Bei der indirekte Elektrolyse wird ein selektives chemisches Oxidations- bzw. Reduktionsmittel an der Elektrode regeneriert. Die Umsetzung wird dadurch katalytisch, was bei teuren Reagenzien deren synthetischen Wert erhöht. Indirekte Elektrolysen werden vielfältig sowohl im Labor als auch in der Technik angewandt [24a, 30]. Auch in der enzymatischen Synthese mit Oxidoreduktasen werden Kofaktoren durch indirekte Elektrolyse regeneriert [31]. Die indirekte Elektrolyse bietet ferner die Möglichkeit, die Konzentration von reaktiven Zwischenstufen vor der Elektrode zu erniedrigen. Sie liefert damit eine weitere Stellgröße, um die Folgereaktionen elektrochemisch erzeugter reaktiver Zwischenstufen zu kontrollieren.
Industriell wird die Elektrolyse in größeren Verfahren (> 10.000 t pro Jahr): Adipodintril, Bleichung von Montanwachs und in kleineren Prozessen (> 10.000 t pro Jahr): Dihydrophthalsäure, Piperidin, Anisaldehyd, Anthrachinon, Calciumglukonat angewandt [30b,32].

4. Zur Nachhaltigkeit der Elektrosynthese

Die Elektrolyse steht im Einklang mit zahlreichen der zwölf Regeln der Nachhaltigen Chemie [33].


Kontakt

Prof. Dr. H.J. Schäfer
Organisch-Chemisches Institut der Universität
Correns-Strasse 40
48149 Münster
Tel.: +49 (0)251 8333231
E-Mail: schafeh@uni-muenster.de

Literaturhinweise

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[2] a) Organic Electrochemistry (Eds. H.Lund, O. Hammerich ), M. Dekker, New York, 4.th Ed.,2001.- b) S. Torii, Electroorganic Synthesis, Oxidation, VCH, Weinheim 1985.- c) S. Torii, Electroorganic Reduction Synthesis, VCH, Weinheim, 2006.-d) Encyclopedia of Electrochemistry (A. Bard, M. Stratmann, Eds.), Vol. 8, Organic Electrochemistry, Wiley-VCH 2004.- e) J.Grimshaw, Electrochemical Reactions and Mechanisms in Organic Chemistry, Elesevier, Amsterdam, 2000
[3] Solche Bedingungen sind: a) eine Substrat-Konzentration um 0.5 mol l-1, b) eine ungeteilte Zelle, c) eine stromkontrollierte Elektrolyse bei Stromdichten von 50 bis 100 mAcm-2. In der ungeteilten Zelle können unerwünschte Reaktionen an der Gegenelektrode unterdrückt werden durch Wasserstoffentwicklung an der Kathode und eine in Lösung gehende Metallelektrode an der Anode.
[4] a) [2a] J. H. P. Utley and M. F. Nielsen in Chapter 21.- b) R. D. Little, M. K. Schwaebe, Top. Curr. Chem.1996, 185, 1-48.- c) [2c] Chapter 3.
[5] [2a] H. Pütter in Chapter 31.
[6] a) [2e] S. 330-370.- b) T. Sin, W. Li, A. K. Yudin, J. Comb. Chem. 2001, 3, 554.- c) [2c] Chapter 2.
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[10] D. Koch, H.J. Schäfer, E. Steckhan, Chem. Ber. 1979, 107, 3640.
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[12] [2a] H. J. Schäfer in Chapter 22.
[13] [2a] H. J. Schäfer in Chapter 22, dort S. 940.
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[18] [2b] S. 75-87, 223,224,246.
[19] a) [2a] E. Steckhan in Chapter 15.-b) T. Shono, Top. Curr. Chem. 1988, 148, 131
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[23] a) L. Horner et al., Chem. Ber. 1968, 101, 2903, 3329, 4179.-b) U. Husstedt, H.J. Schäfer, Synthesis, 1979, 964, 966.- c) M. I. Montenegro, Electrochim. Acta 1986, 31, 607.
[24] a) [2d] S. Torii in Chapter 15.- b) H.J. Schäfer, Top. Curr. Chem. 1987, 142, 102.
[25] a) K. Junghans, Chem. Ber. 1973, 106, 3465.- b) T. Pienemann, H.J. Schäfer, Synthesis 1987, 1005.
[26] a) M.J. Manning, P.W. Raynolds, J.S. Swenton, J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, 5008.- b) [2a] O. Hammerich, J.H.P. Utley, L.Eberson in Chapter 24.-c) [2d] H.J. Schäfer in Chapter 5.
[27] [2d] M.F. Nielsen in Chapter 14.
[28] a)H. Ulery, J. Electrochem. Soc. 1972, 119, 1474.- b) US Pat. 3,007, 858 (Nalco Chemical Co., 1959); Chem. Abstr. 1962, 56, 4526h.- c) H. Lehmkuhl, Synthesis 1973, 377.
[29] H. Lehmkuhl, W. Leuchte, Liebigs Ann. Chem. 1973, 692.
[30] a) E. Steckhan, Top. Curr. 1987, 142, 1.- b)[2a] H. Pütter in Chapter 31.
[31] a) [2a] E. Steckhan in Chapter 27.- b) Ch. Kohlmann, W. Märkle, St. Lütz, J. Mol. Catalysis, B, Enzymatic 2007, 51, 57.
[32] a) D. Hoormann, J. Joerissen, H.Pütter, Chem. Ing. Techn. 2005, 77, 1363.- b) D. Degner, Top. Curr. Chem. 1988, 148, 1.
[33] H.J. Schäfer, M. Harenbrock, E. Klocke, M. Plate, A. Weiper-Idelmann, Pure Appl. Chem. 2007, 11, 2047.