Die 5 wichtigsten Reaktionen, bei denen die Iridium-Katalyse glänzt

Hinter vielen modernen Arzneimitteln, Werkstoffen und Energiesystemen steckt ein Iridium-Katalysator, der schwere Arbeit leistet. Iridium ist für seine Präzision und Haltbarkeit bekannt und hilft Chemikern bei der Durchführung von Reaktionen, die andernfalls langsam oder ineffizient wären. Hier sind fünf Beispiele dafür, warum die Iridiumkatalyse so wichtig geworden ist.

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Asymmetrische Hydrierung - Präzision auf molekularer Ebene

Dieasymmetrische Hydrierung ist wohl die bekannteste Anwendung der Iridiumkatalyse. Bei der Hydrierung ungesättigter Verbindungen, wie Alkenen oder Iminen, entstehen chirale Produkte mit sehr hoher Enantioselektivität. Iridiumkomplexe, insbesondere solche, die chirale Phosphin- oder N-heterozyklische Carbenliganden tragen, sind für Substrate geeignet, die schlecht aktiviert oder sterisch gehindert sind.

Dadurch unterscheidet sich Iridium insofern, als es in der Lage ist, unfunktionalisierte oder sogar minimal substituierte Alkene zu hydrieren, die den Systemen auf Rhodium- oder Rutheniumbasis normalerweise Probleme bereiten. Diese Ir-Katalysatoren haben eine präzise Kontrolle der Stereochemie gezeigt, während sie bei sehr moderaten Drücken und Temperaturen arbeiten. Dies macht sie für pharmazeutische Synthesen unverzichtbar, da die absolute Konfiguration eines Moleküls für die biologische Aktivität oder Sicherheit ausschlaggebend sein kann.

In der Industrie findet die Iridium-katalysierte asymmetrische Hydrierung breite Anwendung bei der Herstellung von Wirkstoffen, Agrochemikalien und Feinchemikalien, bei denen die Reproduzierbarkeit der optischen Reinheit nicht zur Disposition steht.

C-H-Borylierung - direkte Funktionalisierung leicht gemacht

Die C-H-Borylierung ist eine transformative Methode in der organischen Synthese, und das katalytische Mittel für diese Reaktion sind Iridiumkatalysatoren. Dies bedeutet, dass Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen konventionell nicht direkt funktionalisiert werden konnten, es sei denn, es wurden einige Voraktivierungsschritte, wie z. B. Halogenierung, durchgeführt. Die Iridium-katalysierte C-H-Borylierung ermöglicht die direkte Umwandlung dieser trägen C-H-Bindungen in vielseitige C-B-Bindungen.

Iridiumkomplexe mit Bipyridin- und Phenanthrolin-Liganden weisen eine außergewöhnlich hohe Selektivität und Effizienz auf, insbesondere in aromatischen und heteroaromatischen Systemen. Die erhaltenen Boronsäureester sind hochgeschätzte Zwischenprodukte, da sie sich durch Kreuzkupplungsreaktionen leicht in Alkohole, Amine oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen umwandeln lassen.

Dies ist von besonderer Bedeutung in der medizinischen Chemie, wo die Fähigkeit, eine späte Funktionalisierung durchzuführen, den Chemikern eine schnelle Diversifizierung von Leitverbindungen ermöglicht. Die Iridium-Katalyse ermöglicht daher eine vorhersehbare Regioselektivität, die das Ausprobieren reduziert und wertvolle Zeit bei der Entwicklung einspart.

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Transferhydrierung - Wasserstoff ohne Wasserstoffgas

Ein weiteres herausragendes Gebiet der Iridiumkatalyse ist die Transferhydrierung. Bei diesen Reaktionen wird der Einsatz von molekularem Wasserstoff vermieden und es kommen Wasserstoffspender wie Alkohole, Ameisensäure oder Amine in Betracht. Iridiumkatalysatoren vermitteln den Wasserstofftransfer effizient und auf eine Weise, die sicherer und manchmal praktischer ist als herkömmliche Hydrierungsmethoden.

Aus diesem Grund sind Systeme auf Iridiumbasis viel robuster und toleranter gegenüber verschiedenen funktionellen Gruppen. Daher eignen sie sich gut für die Hydrierung von Ketonen, Aldehyden und Iminen in komplexen Molekülen. Die Reaktionen laufen oft unter milden Bedingungen ab, wodurch Nebenreaktionen minimiert und empfindliche Funktionalitäten geschützt werden.

Die Transferhydrierung fügt sich auch unter dem Gesichtspunkt der Nachhaltigkeit gut in den Rahmen der grünen Chemie ein. So unterstützt die Iridiumkatalyse sicherere Laborpraktiken und skalierbare industrielle Prozesse, indem sie Hochdruck-Wasserstoffgas vermeidet und unschädlichere Wasserstoffquellen verwendet.

Olefin-Isomerisierung - kontrollierte Umlagerung von Doppelbindungen

Die Isomerisierung von Olefinen umfasst die Veränderung der Position oder Geometrie von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Auch wenn es einfach klingt, ist es schwierig, eine hohe Selektivität zu erreichen, ohne dass es zu einer Überreduktion und Polymerisation kommt. Die Reaktionen werden in hohem Maße durch Iridiumkatalysatoren gesteuert.

Iridiumhydridkomplexe können endständige Alkene selektiv zu inneren Alkenen isomerisieren oder ihre E/Z-Geometrie mit hoher Stereoselektivität kontrollieren. Dies ist von größter Bedeutung für die Duftstoffchemie, die Synthese von Polymervorläufern und die Herstellung von Feinchemikalien, wo die Position einer Doppelbindung einen unmittelbaren Einfluss auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften hat.

Im Vergleich zu anderen Übergangsmetallen kann Iridium die Reaktionswege oft besser steuern, so dass der Chemiker die Molekülstrukturen abstimmen kann, anstatt sich auf ein Gleichgewichtsgemisch zu verlassen.

Oxidation von Wasser und energiebezogene Redoxreaktionen

Abgesehen von organischen Synthesen ist die Iridiumkatalyse auch in der energiebezogenen Chemie unverzichtbar, beispielsweise bei der Wasseroxidation. Iridiumoxid und molekulare Iridiumkomplexe gehören zu den aktivsten Katalysatoren der Sauerstoffentwicklungsreaktion - einem entscheidenden Schritt bei der Wasserstofferzeugung durch Wasserspaltung.

Dank seiner hohen Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit kann Iridium auch unter den rauen elektrochemischen Bedingungen eingesetzt werden, die mit einer effizienten OER verbunden sind. Obwohl die Knappheit und die Kosten von Iridium zu hoch sind, um einen weit verbreiteten Einsatz zu ermöglichen, bleibt es dennoch der Benchmark-Katalysator, an dem neue Materialien gemessen werden.

Insbesondere steht die Ir-Katalyse in direktem Zusammenhang mit Technologien für erneuerbare Energien wie PEM-Elektrolyseuren und der Forschung zur künstlichen Photosynthese.

Tabelle 1: Wichtige Reaktionen, bei denen die Iridiumkatalyse entscheidende Vorteile hat

Weitere Vergleiche finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Schlussfolgerung

Die Iridium-Katalyse nimmt in der Palette der modernen Chemie eine einzigartige Stellung ein, da sie eine unvergleichliche Selektivität, Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen und Stabilität unter den anspruchsvollsten Bedingungen bietet. Sie ermöglicht asymmetrische Präzisionssynthesen, die von akademischen Kuriositäten bis hin zu industriellen Prozessen reichen, und treibt die Entwicklung von Technologien für erneuerbare Energien entscheidend voran. Iridium wird auch weiterhin die Zukunft der Katalyse prägen.

Referenz:

[1] Yanhui Yu, Gai Li, Yutong Xiao, Chi Chen, Yuhang Bai, Tianjiao Wang, Jing Li, Yingjie Hua, Daoxiong Wu, Peng Rao, Peilin Deng, Xinlong Tian, Yuliang Yuan, Iridium-based electrocatalysts for acidic oxygen evolution reaction, Journal of Energy Chemistry, Band 103, 2025, Seiten 200-224, ISSN 2095-4956.

[2] ACS Institut für grüne Chemie (n.d.). Metall-katalysierte Borylierung über C-H-Aktivierung. Abgerufen am 19. Dezember 2025.