Für die selektive Hydrierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen zu den entsprechenden Doppelbindungen in der cis-Konfiguration werden seit über 50 Jahren Palladium-Katalysatoren verwendet, deren Aktivität und Selektivität durch den Zusatz von Blei gesteuert wird. Die BASF hat jetzt bleifreie Alternativen entwickelt, die zudem bis zu 90 % weniger Edelmetall beinhalten.
Markus Hoelzle
Hydrierreaktionen spielen in der oftmals aufwendigen Synthese von Pharmawirkstoffen eine bedeutende Rolle. Mithilfe von Edelmetallkatalysatoren werden – bei vergleichsweise milden Bedingungen – funktionelle Gruppen oder Mehrfachbindungen modifiziert. Diese Transformationen verlaufen in der Regel stark selektiv und garantieren somit eine hohe Ausbeute an Produkt. Die selektive Hydrierung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen zu entsprechenden Doppelbindungen ist eine dieser Reaktionen. Dabei wird ausschließlich das cis-Isomer gebildet. Neben der Synthese von Pharmawirkstoffen spielt diese Reaktion beispielsweise auch bei der Vitaminsynthese eine Schlüsselrolle. Seit mehr als 50 Jahren wird dafür ein Palladium-Katalysator eingesetzt, der sogenannte Lindlar-Katalysator, der zusätzlich mit einer Bleiverbindung dotiert ist. Während Palladium-basierte, bleifreie Katalysatoren in großer Anzahl verfügbar sind, so macht gerade die Blei-Dotierung den Unterschied. Sie modifiziert die Lindlar-Katalysatoren so, dass diese äußerst selektiv arbeiten und dadurch für viele Fragestellungen eingesetzt werden können. Trotz zahlreicher Anstrengungen in den letzten Jahrzehnten ist es bisher nicht gelungen, eine bleifreie Alternative zu entwickeln.
Die Forscher der BASF haben jetzt eine Katalysatorsynthese entwickelt, bei der das Edelmetall hochselektiv in Form von kleinsten, nur wenige Nanometer großen Clustern mit identischem Durchmesser auf dem Träger – meist Kohlenstoffe wie Ruß oder Aktivkohle – abgeschieden werden kann. Damit ist es jetzt erstmals möglich, Clusteroberflächen zu designen und insbesondere die Art und Anzahl von atomaren Inhomogenitäten auf den Clusteroberflächen gezielt einzustellen. Es soll nicht verschwiegen werden, dass derartige Ansätze in der wissenschaftlichen Literatur bereits seit Langem verfolgt werden, jedoch sind die dort eingesetzten Reagenzien deutlich zu teuer und oftmals auch zu instabil für die Verwendung in einer technischen Katalysatorpräparation. Der eigentliche Verdienst der BASF-Forscher besteht darin, die komplexen Herstellschritte auf eine technisch mögliche Synthese in wässrigem Medium zu reduzieren, bei der ausschließlich kostengünstige und leicht verfügbare Additive eingesetzt werden.
Hohe Selektivität
Zudem konnten die Forscher zeigen, dass durch eine geeignete Auswahl der Kohlenstoffträger und das optimale Design der Partikeldurchmesser Katalysatoren mit hoher Aktivität und Selektivität hergestellt werden können. Das Ergebnis sind die ersten beiden Katalysatoren, die auf der patentierten NanoSelect-Technologieplattform beruhen: NanoSelect LF 100 und NanoSelect LF 200. Erstmals seit mehr als 50 Jahren ist jetzt ein Katalysator auf dem Markt, bei dem die Aktivität des Palladiums nicht mehr mit einem Zusatz von Blei justiert werden muss, sondern vielmehr durch das optimierte Design der Edelmetall-Palladiumcluster erzeugt werden kann.
Durch die geringe Größe der Cluster wird dabei eine optimale Darreichung des Edelmetalls gewährleistet. Basierend auf dem vorteilhaften Oberfläche-Volumen-Quotienten von kleinen Kugeln, bieten NanoSelect-Katalysatoren somit eine deutlich höhere intrinsische Aktivität als vergleichbare Produkte, die mit konventionellen Produktionsmethoden hergestellt wurden und bei denen die Clustergrößen typischerweise in weiten Bereichen variieren. Im konkreten Fall konnte der Edelmetallgehalt um nicht weniger als 90 % im Vergleich zum heutigen Standard reduziert werden.
Für den Anwender ergeben sich damit zwei entscheidende Vorteile auf einmal: ein bleifreier Katalysator und eine geringere Edelmetallbeladung. Das Fehlen von Blei ist ein großer Schritt in Richtung umweltgerechter Synthesen, wie sie in der Pharmaindustrie mehr und mehr angestrebt werden. Und der geringere Edelmetallgehalt führt bei den Anwendern zu direkten Ersparnissen, da sie weniger Edelmetall kaufen beziehungsweise leasen müssen.
cav 425
Die BASF-Katalysatoren NanoSelect LF 100 und NanoSelect LF 200 bieten Pharma- und Feinchemieherstellern mit ihren besonderen Eigenschaften eine Reihe wesentlicher Vorteile:
- Sie ersetzen die bleihaltigen Lindlar-Katalysatoren – die jahrelang in selektiven Hydrierreaktionen eingesetzt wurden – durch aus Sicht der Umwelt vorzuziehende bleifreie unimodale Palladiumcluster in Nanometer-Größe (1 Nanometer = 1 Milliardstel Meter) mit identischer Aktivität und Selektivität.
- Sie können in vorhandenen Anlagen genutzt werden, dadurch reduzieren sich die Anlagen- und Wartungskosten.
- Außerdem ist bei vergleichbarer Aktivität für NanoSelect-Katalysatoren viel weniger Edelmetall erforderlich als bei herkömmlichen Lindlar-Katalysatoren. Das ermöglicht erhebliche Einsparungen bei den Prozesskosten.
Hier gibt es weitere Informationen zu den Katalysatoren
Grundlagen zu Lindlar-Katalysatoren
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