Olefinmetathese als praxisnahe Lösung für die moderne industrielle Chemie

Die Olefinmetathese zählt zu den vielseitigsten Kohlenstoff–Kohlenstoff-Bindungstransformationen, die heute in der chemischen Industrie eingesetzt werden. Ihre Bedeutung wurde 2005 mit dem Nobelpreis für Chemie gewürdigt, der die Rolle dieser Reaktion bei der Entwicklung neuer molekularer Architekturen mit hoher Atomeffizienz hervorhob.

Heute stellt die Metathese eine skalierbare, selektive und ressourceneffiziente Alternative zu klassischen Methoden der C=C-Bindungsknüpfung dar – insbesondere in Kombination mit anwendungsspezifisch entwickelten Rutheniumkatalysatoren, wie sie von Apeiron Synthesis entwickelt werden.

Was macht die Olefinmetathese für industrielle Anwendungen so wertvoll?

Die Olefinmetathese ermöglicht die kontrollierte Bildung neuer C=C-Doppelbindungen durch den Austausch von Alkenfragmenten. In der industriellen Praxis kommen dabei vier Haupttypen der Metathesereaktion zum Einsatz:

Cross Metathesis (CM) – ermöglicht den Zugang zu funktionellen Zwischenprodukten, pharmazeutischen Fragmenten sowie Bausteinen aus erneuerbaren Rohstoffen, einschließlich solcher, die durch FAME-Ethenolyse gewonnen werden.

Ring-Closing Metathesis (RCM) – erlaubt die effiziente Bildung cyclischer und makrocyclischer Strukturen für Duftstoffe, die Synthese von Wirkstoffvorstufen (APIs) und Feinchemikalien.

Ring-Opening Metathesis (ROM) / Ring-Opening Metathesis Polymerization (ROMP) – dient der Herstellung moderner Materialien, Verbundstoffe und Hochleistungsharze.

Acyclic Diene Metathesis (ADMET) – ermöglicht die gezielte Synthese maßgeschneiderter Polymerketten und Spezialmaterialien.

Zentrale industrielle Vorteile sind:

• Hohe Atomeffizienz und geringe Nebenproduktbildung
• Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen, einschließlich freier COOH- und OH-Gruppen
• Kompatibilität mit grünen und erneuerbaren Rohstoffen
• Skalierbarkeit von der Forschung im Labormaßstab bis zur robusten Mehrtonnenproduktion

Ein repräsentatives Beispiel ist die Ethenolyse von Fettsäureestern, bei der Methyloleat in 9-DAME und 1-Decen umgesetzt wird und dadurch nachhaltigere Produktionsrouten ermöglicht.

Wie in einer aktuellen Übersichtsarbeit von Poater („Challenges in olefin metathesis: past, present and future“, Coordination Chemistry Reviews, 2025) dargestellt, spielt diese Reaktion eine zentrale Rolle für die nachhaltige Wertschöpfung aus biogenen Rohstoffen.

Die grundlegenden mechanistischen Aspekte der Olefinmetathese sind in der offiziellen Darstellung der Nobelstiftung ausführlich beschrieben und im Handbook of Metathesis von Grubbs et al. zusammengefasst – einer bis heute häufig zitierten Referenz zur wissenschaftlichen Basis dieser Reaktion.

Katalysatorentwicklung: Antworten auf reale Prozessherausforderungen

Obwohl das Reaktionsprinzip konzeptionell einfach ist, erfordert die Olefinmetathese Katalysatoren, die unter realistischen Prozessbedingungen zuverlässig funktionieren. In der industriellen Praxis treten dabei regelmäßig folgende Herausforderungen auf:

• Unerwünschte Selbstmetathese als Konkurrenzreaktion zur Cross Metathesis
• Kontrolle der E/Z-Selektivität
• Isomerisierungsnebenreaktionen, insbesondere bei Substraten mit –COOH- oder –OH-Gruppen
• Empfindlichkeit gegenüber Verunreinigungen, Luft oder Feuchtigkeit
• Bedarf an niedrigen Katalysatorbeladungen und vereinfachter Produktaufarbeitung

Konventionelle Katalysatoren neigen häufig zur Bildung von Ru–H-Spezies, die Isomerisierungsprozesse fördern, oder zeigen eine unzureichende Stabilität unter Prozessbedingungen.
Zur Überwindung dieser Einschränkungen entwickelt Apeiron Synthesis Rutheniumkatalysatoren mit gezielt gestalteten Ligandenumgebungen (NHC, CAAC), die folgende Eigenschaften vereinen:

• Unterdrückung der Bildung von Ru–H-Spezies, die für Isomerisierungsreaktionen verantwortlich sind
• Hohe Selektivität und saubere Reaktionsprofile
• Stabilität in grünen Lösungsmitteln sowie Toleranz gegenüber schwankender Rohstoffqualität
• Extrem hohe Umsatzzahlen (TON) unter milden Bedingungen
• Katalysatorbeladungen im niedrigen ppm-Bereich

Diese Lösungen werden detailliert auf der Technologie-Seite zur Cross Metathesis von Apeiron beschrieben.

Unabhängige Belege für industrielle Relevanz

Ein besonders aussagekräftiges Beispiel für die Leistungsfähigkeit dieser Katalysatoren stammt aus dem Renata Lab (Rice University). In einer Veröffentlichung zur Totalsynthese von Fostriecin (Journal of the American Chemical Society, 2025) wurde eine anspruchsvolle Cross-Metathese untersucht, die deutliche Unterschiede zwischen kommerziellen Systemen und anwendungsspezifisch entwickelten Katalysatoren aufzeigt.

Zentrale Ergebnisse der Studie:

• 16 Katalysatoren wurden getestet; die meisten kommerziellen Systeme lieferten < 20 % Ausbeute
• Der Nitro-Grela-I₂-SIPr-Katalysator von Apeiron erreichte:
  • 48 % Ausbeute im Kleinstmaßstab
  • 41 % isolierte Ausbeute im Gramm-Maßstab
• Erfolgreiche Durchführung unter Inertgasatmosphäre (N₂-Spülung)
• Nachgewiesene Eignung für stark funktionalisierte, hydroxylgruppenhaltige Substrate

Diese Ergebnisse zeigen, dass gezielt entwickelte Metathesekatalysatoren Transformationen ermöglichen, die mit Standardsystemen als präparativ nicht zugänglich galten.

Plattform für skalierbare und nachhaltige Synthese

Apeirons technologischer Ansatz verbindet Katalysatorinnovation mit anwendungsorientierter Unterstützung: Katalysatorscreening, Reaktionsoptimierung, Beratung sowie Dienstleistungen, die sich ausschließlich auf die Olefinmetathese konzentrieren. Weitere Informationen sind auf der Technologie-Seite verfügbar.

Durch diesen integrierten Ansatz unterstützt die moderne Metathese unter anderem:

• Pharmazeutische Zwischenprodukte mit hohen Anforderungen an saubere RCM- oder CM-Prozesse
• Erneuerbare Chemikalien, insbesondere durch FAME-Ethenolyse
• Feinchemikalien, einschließlich makrocyclischer Moschusverbindungen
• Polymere über ROMP- und ADMET-Verfahren

Da die chemische Industrie zunehmend Effizienz, Abfallminimierung und regulatorische Anforderungen in den Fokus rückt, bieten anwendungsoptimierte Rutheniumkatalysatoren einen praktikablen und skalierbaren Weg, Prozessleistung und Nachhaltigkeitsziele miteinander zu verbinden.

In diesem Kontext entwickelt sich die Olefinmetathese nicht als akademische Kuriosität, sondern als bewährtes industrielles Werkzeug – getragen von mechanistischem Verständnis, gezieltem Katalysatordesign und reproduzierbarer Leistung.