Ein einzelnes Wasserstoffatom gehört zu den einfachsten Bausteinen der Chemie und war für Synthesechemiker dennoch kaum kontrollierbar. Jetzt lässt sich atomarer Wasserstoff bei 30 Grad in einer Flüssigkeit erzeugen, indem eine LED-Lampe zwei handelsübliche Reagenzien anregt. Das hochreaktive Wasserstoffradikal kann anschließend Doppelbindungen und Halogenverbindungen unter milden Bedingungen reduzieren, ohne dass dafür ein Metallkatalysator nötig ist. Gerade weil das Atom nur aus einem Proton und einem Elektron besteht, öffnet die neue Methode eine überraschend praktische Tür zu einer Chemie, die bislang meist extreme Apparaturen verlangte.
Im Zentrum der Arbeit stehen Nils J. Flodén vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam, Alberto Collauto vom Imperial College London, Peter H. Seeberger und Roopender Kumar vom University College London. Ihre Max-Planck-Mitteilung zur Erzeugung atomaren Wasserstoffs beschreibt einen Photoreaktor, in dem eine Lösung während der Bestrahlung bewegt wird. Im Kolben befinden sich Hydrazin und ein Thiophenol-Derivat, deren Zusammenspiel den sonst kaum greifbaren H-Radikalen einen kontrollierten chemischen Weg eröffnet. Für Chemiker ist das etwas anderes als die übliche Herstellung von molekularem Wasserstoff, wie sie etwa bei Verfahren zur Wasserstofferzeugung mit Sonnenlicht untersucht wird.
Das einzelne Atom reagiert so schnell, weil sein Elektron ungepaart ist. Genau diese Eigenschaft macht ein Radikal attraktiv und gefährlich zugleich: Es sucht rasch einen Reaktionspartner und verschwindet deshalb normalerweise, bevor es sich wie ein klassisches Reagenz dosieren lässt. Die neue Methode umgeht dieses Problem, indem das Wasserstoffradikal nicht gelagert, sondern direkt im Reaktionsgemisch erzeugt und sofort weiterverwendet wird. Damit wird aus einer extrem kurzlebigen Spezies ein Werkzeug für die organische Synthese.
Der historische Ausgangspunkt liegt bei Irving Langmuir. Der spätere Nobelpreisträger zeigte, dass sich Wasserstoffmoleküle an stark erhitztem Wolfram in einzelne Atome zerlegen lassen. Dafür waren Temperaturen von mehr als 2.000 Kelvin nötig, und die Wiedervereinigung der Atome konnte so viel Energie freisetzen, dass das Verfahren sogar zum Schweißen besonders hitzefester Metalle genutzt wurde. Für die feine organische Synthese war eine solche Umgebung denkbar ungeeignet, weil empfindliche Moleküle unter diesen Bedingungen längst zerstört würden.
Spätere Ansätze arbeiteten mit elektrischen Entladungen oder Quecksilber unter ultraviolettem Licht. Solche Techniken halfen dabei, die Eigenschaften des Wasserstoffatoms grundlegend zu untersuchen, blieben aber apparativ aufwendig und chemisch unhandlich. Besonders hinderlich war, dass frühere photochemische Methoden nicht einfach in einer typischen flüssigen Syntheselösung funktionierten. Das neue Verfahren verschiebt den Schwerpunkt deshalb von der physikalischen Erzeugung hin zur unmittelbaren Nutzung in einem gewöhnlichen Reaktionsgefäß.
Der vorgeschlagene Mechanismus beginnt mit einem Elektronentransfer zwischen den Reaktionspartnern. Dabei entsteht nach den Messungen und Berechnungen des Teams ein kurzlebiger Zwischenzustand aus der Familie der Rydberg-Radikale, bei dem sich ein Elektron ungewöhnlich weit vom restlichen Molekül aufhält. Diese Zwischenstufe lebt nur einen winzigen Bruchteil einer milliardstel Sekunde und zerfällt anschließend so, dass ein Wasserstoffradikal frei wird. Für den Ablauf ist gerade diese extreme Kürze hilfreich, weil das Radikal direkt im selben Medium an die vorhandenen organischen Moleküle weitergereicht wird.
Die Autoren stützen dieses Bild nicht auf eine einzelne Messung. Neben quantenchemischen Berechnungen setzten sie Isotopenexperimente, UV-Vis-Untersuchungen und sogenannte Radikaluhren ein. Besonders aussagekräftig war der Austausch gewöhnlicher Wasserstoffatome gegen Deuterium: Tauchte später ein Deuteriumradikal im Messsignal auf, ließ sich nachvollziehen, aus welchem Reaktionspartner das Atom tatsächlich stammte. Solche Kontrollversuche sind bei radikalischen Mechanismen wichtig, weil mehrere sehr schnelle Nebenwege oft gleichzeitig denkbar sind.
Für einen zentralen Nachweis bestrahlten die Chemiker das Reaktionsgemisch mit nahultraviolettem Licht und verwendeten eine Wellenlänge im Bereich einer üblichen Labor-LED. Das Licht liefert genug Energie, um den Elektronentransfer anzustoßen, ohne den gesamten Ansatz extrem zu erhitzen. Als Ausgangsstoffe dienen Hydrazinhydrat und Thiophenol beziehungsweise passende Derivate, ergänzt um Molekularsieb und ein trockenes Lösungsmittel. Die Apparatur bleibt damit deutlich näher an klassischer Synthesechemie als frühere Verfahren mit Hochtemperaturdraht oder Quecksilberdampf.
Photochemische Reaktionen werden längst für andere Aufgaben genutzt, etwa um Bindungen zu aktivieren oder neue Katalysewege zu erschließen. Auf Forschung und Wissen wurde bereits beschrieben, wie künstliche Photosynthese Lichtenergie chemisch nutzt. Beim atomaren Wasserstoff liegt der Reiz jedoch in einem besonders kleinen und aggressiven Zwischenprodukt: Das Licht erzeugt nicht einfach ein stabiles Endprodukt, sondern setzt für einen kurzen Moment ein einzelnes H-Atom frei, das sofort eine neue Bindung eingehen kann.
Weil freie Wasserstoffradikale nicht lange genug existieren, um sie direkt wie ein stabiles Molekül zu isolieren, griff das Team zur Elektronenparamagnetischen Resonanz. Dabei wurde ein sogenannter Spin-Trap zugesetzt, der das kurzlebige Radikal chemisch einfängt und in eine langlebigere messbare Form überführt. Nach kurzer Bestrahlung erschien im EPR-Spektrum ein charakteristisches Muster, dessen Kopplungskonstanten zu bekannten Wasserstoffradikal-Addukten passen. Kontrollansätze ohne einzelne Reaktionskomponenten ließen dieses Signal verschwinden, was die Zuordnung zusätzlich absicherte.
Der Deuteriumversuch lieferte einen zweiten Fingerabdruck. Ersetzten die Forscher das normale Hydrazin durch eine deuterierte Variante, tauchten im Spektrum zusätzlich die erwarteten Signale des schwereren Isotops auf. Eine kinetische Isotopenmessung zeigte außerdem, dass das Brechen einer Bindung zwischen Stickstoff und Wasserstoff zum geschwindigkeitsbestimmenden Teil des Ablaufs gehört. Zusammengenommen ergibt sich so ein mechanistisches Netz aus Messdaten, bei dem sich die Quelle des Radikals, seine Entstehung und seine weitere Reaktion gegenseitig stützen.
Entscheidend für die praktische Bedeutung war nicht nur der Nachweis des Atoms, sondern seine chemische Arbeit. Die Forscher ließen das erzeugte Wasserstoffradikal an funktionalisierten Alkenen reagieren und konnten Doppelbindungen in stabilere Einfachbindungen überführen. Das gelang auch bei Molekülen, die mehrere empfindliche funktionelle Gruppen tragen, darunter ein Derivat des Wirkstoffs Fluoxetin, Terpenoide sowie eine Aminosäure. Gerade solche Beispiele zeigen, dass die Methode nicht auf ein ideales Modellsystem beschränkt bleibt.
Eine zweite Reaktionsklasse war die Hydrodehalogenierung, bei der Halogenatome aus organischen Molekülen entfernt werden. Solche Umwandlungen spielen in der Wirkstoffchemie eine Rolle, wenn Molekülgerüste gezielt verändert werden sollen. Viele klassische Hydrierungen nutzen Palladium, Rhodium oder Iridium und arbeiten teilweise mit Druckwasserstoff. Das neue Verfahren kommt in den gezeigten Versuchen ohne diese Metallkatalysatoren aus und bietet damit einen anderen Reaktivitätsweg, der künftig besonders bei empfindlichen Substraten interessant werden könnte.
Die Arbeit behauptet noch keinen fertigen Ersatz für etablierte industrielle Hydriertechnik. Hydrazin ist selbst ein reaktiver Stoff, und bei der Reaktion entstehen stickstoffhaltige Zwischenprodukte sowie Gasdruck, der bei einer Skalierung berücksichtigt werden müsste. Auch der genaue Charakter des vorgeschlagenen Rydberg-Zwischenzustands wird weiter untersucht. Für eine Produktionsanlage wären deshalb Ausbeute, Sicherheit, Stoffbilanz, Lösungsmittelbedarf und kontinuierliche Prozessführung genauso wichtig wie die elegante Reaktion im Laborkolben.
Als nächster Schritt liegt deshalb weniger die Massenproduktion von Wasserstoff im Fokus als die Frage, welche neuen Bindungsänderungen dieses ungewöhnliche Reagenz ermöglicht. Peter H. Seeberger beschreibt atomaren Wasserstoff als neues praktisches Werkzeug für Synthesechemiker, während die Autoren mögliche Anwendungen auch außerhalb der bislang getesteten Reduktionen sehen. Interessant sind Reaktionen, bei denen ein einzelnes H-Atom selektiv übertragen werden muss und klassische Katalysatoren entweder zu unselektiv, zu teuer oder mit anderen funktionellen Gruppen unverträglich sind.
Offen bleibt außerdem, ob sich die mild erzeugten Radikale eines Tages in biologisch relevanten Systemen oder bei der Reinigung empfindlicher Oberflächen nutzen lassen. In der Halbleitertechnik wird atomarer Wasserstoff bereits eingesetzt, um Oxidschichten zu entfernen, dort allerdings mit Plasma- und Vakuumtechnik. Eine Flüssigphasenmethode folgt einem völlig anderen Prozessweg und lässt sich nicht einfach übertragen. Genau diese Lücke macht den neuen Ansatz wissenschaftlich spannend: Der Kolben liefert nun ein Reagenz, dessen Reaktionsraum erst systematisch kartiert werden muss.
Journal of the American Chemical Society, A Synthetic Method to Hydrogen Radicals; doi:10.1021/jacs.6c07870
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Atomic hydrogen for organic synthesis
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