Screening in der Elektrosynthese
Schnelle und nachhaltige Entwicklung der innovativen Chemie von morgen
Maurice Dörr1, Dirk Waldmann2, Siegfried R. Waldvogel1

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GIT Labor-Fachzeitschrift 7– 8/2021, S. 26–28, Wiley-VCH GmbH, Weinheim

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is heute basieren die meisten industriellen Prozesse in derorganischen Chemie auf fossilen Kohlenstoffquellen wie
Erdgas und Mineralölen. Viele redox-chemische Verfahren setzen außerdem auf Übergangsmetallkatalysatoren underfordern vorangehende Funktionalisierungsschritte. Damit
sind sie aufgrund begrenzter Erdölvorkommen und des CO2Fussabdrucks weder nachhaltig noch zukunftssicher. Das hierbeschriebene Screening-System beschleunigt und vereinfacht
die Untersuchung und Optimierung neuer elektrochemischer
Syntheseschritte in ressourcenschonendem Maßstab und trägt
damit entscheidend zur Etablierung von Elektrosynthese-Methoden bei [1].

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elektrochemische Methoden zu entwickeln[4,5,6]. Die organische Elektro­synthese bietet damit Antworten auf viele Probleme mit
denen Chemiker konfrontiert werden undstellt eine strategisch wichtige Alternative
zu konventionellen Methoden dar [7]. Unter
sorgfältiger Planung kann die Elektrochemie nachhaltige Prozesse im Sinne der Grünen Chemie hervorbringen [8]. Dabei dienen
Elektronen als sauberes Reagenz, wodurch
Reagenzienabfälle effizient vermieden werden können [9]. Ein besonderes Augenmerk
liegt auch auf der Verwendung nachwachsender Rohstoffe [8,10]. Das rasante Voranschreiten in diesem Gebiet wird durch
entsprechend optimierte Arbeitsabläufe inder Screeningphase und entsprechende Apparaturen ermöglicht. Kleine Ansatzgrößen
und ein hoher Grad an Parallelisierung ermöglichen zeit- und kosteneffiziente Forschung [1].

Elektrosynthese-Screening

Abb. 1: Ausgewählte anodische Homo- und Kreuzkupplungsreaktionen. Rot markiert: vor derEntwicklung des elektrochemischen Screening-Systems. Grün markiert: mithilfe des ScreeningSystems untersucht.

Elektrosynthese im 21. Jahrhundert
Die organische Elektrochemie hat ihren
Ursprung bereits im 19. Jahrhundert [2].
Aufgrund des zunehmenden gesellschaftlichen Gewichts der nahenden Klimakatastrophe und der enormen Dringlichkeit dieser
entgegenzuwirken, erlebt sie jedoch eine

erstaunlich ausgeprägte Renaissance undhat sich zu einer wichtigen Methode des21. Jahrhunderts entwickelt [3]. Konventionelle Synthesemethoden erfordern häufig den Einsatz von Schwermetallen sowie
weiteren schädlichen Chemikalien, wohingegen große Bemühungen unternommen
werden, um metallfreie und nachhaltige

Abb. 2: Das kommerzielle Screening-System von IKA. Links: Aufbau bestehend aus zwei Mehrkanal-Gleichstromquellen, einer Heizplatte und dem Reaktionsblock inklusive 8 ungeteilten Zellen.
Rechts oben: Reaktionsblock und einzelne geteilte Elektrolysezelle sowie zwei Halbzellen. Rechts
unten: Reaktionsblock und einzelne ungeteilte Elektrolysezelle.

Einem industriellen Prozess sowie jeder
neuen chemischen Synthese geht in der Regel intensive Forschung und Optimierung
voraus [11]. Dieses Vorgehen verlangt eine
Vielzahl durchgeführter Experimente undist damit meist zeitaufwändig und teuer.
Entsprechend werden diese Experimenteüblicherweise in kleinem, ressourcenschonendem Screeningmaßstab durchgeführt.
In einer anschließenden Hochskalierung
können die Ergebnisse der ScreeningExperimente validiert werden. Um einemöglichst hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse von Elektrosynthesen zu erzielen,
ist es notwendig, Standards in Durchführung und Beschreibung der Experimente zu
schaffen und einzuhalten [12]. Eine wichtige Grundlage dafür ist ein einheitlicher
Versuchsaufbau, der den speziellen Anforderungen des elektrochemischen Screenings gerecht wird [1].
Elektrosynthetisches Screening entwickelte sich zu einer fundamentalen Methodezur Untersuchung neuer Reaktionen undist damit die Basis vieler Entdeckungender jüngeren Elektrosynthese. So wurde dieErforschung einer Vielzahl moderner anodischer Homo- und Kreuzkupplungsreaktionen massiv durch dieses elektrochemische Screening beschleunigt [5,6]. Innerhalb
weniger Jahre wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Substrate für diese Reaktion
zugänglich gemacht (Abb. 1). Im Jahr 2006
wurde diese Umsetzung erstmals anhand
der Homokupplung von 2,4-Dimethylphenol untersucht [13]. Es folgten einige weitere Phenole [14] und im Jahr 2010 wurde
die erste anodische Kreuzkupplung vonStromdichten (>1A/cm2) und können auch
später zum Betrieb von Topfelektrolysezellen, wie aus der SynLectro-Serie von SigmaAldrich genutzt werden [24]. Darüber hinaus ermöglicht ein Gasverteiler Reaktionen
unter gleichmäßigem Gasstrom. Dies erlaubt
zum einen Gas als Reaktionspartner einzusetzen aber auch eine Durchführung unter
inerten Bedingungen, wie zum Beispiel Sauerstoffausschluss. Inzwischen werden auchmodifizierte Teflonzellen angeboten, die mit
Gasdiffusionselektroden bestückt werden
können und so noch effizienter gasförmige
Komponenten der Elektrosynthese zuführen.

Moderne Methoden des Screenings
Abb. 3: Elektroden aus verschiedenen Materialien für das Screening-System.

Phenolen mit unterschiedlichen Arenen
gefunden [15]. Nach einigen Phenol-Phenol Kreuzkupplungen, zunächst vollständig ungeschützt [16], später unter Zuhilfenahme von Schutzgruppen [17], sowie derSynthese von komplexeren Zielstrukturen
unter zweifacher Kreuzkupplung [18], folgte
die Erschließung von Anilinen [19] sowie
diverser heterozyklischer Kupplungskomponenten [20] für diesen Reaktionstyp. Nach
der Synthese von para-Biphenolen [21]gelang es sogar, Phenole mit elektronenziehenden Substituenten in die Kupplungsreaktion einzubringen [22].
Die in Abbildung 1 aufgeführten Reaktionen wurden größtenteils (grün markiert)
unter der Verwendung einer ScreeningApparatur untersucht, die an der Mainzer
Universität in der AG Waldvogel entwickelt
worden ist [1]. Das beschriebene ScreeningSystem sowie passendes Zubehör werden
mittlerweile durch die IKA-Werke hergestellt und kommerziell vertrieben, was denallgemeinen Einstieg in die Elektrosyntheseeröffnet und die laborübergreifende Reproduzierbarkeit fördert.

Das kommerzielle
Screening-System im Detail
Dieses Screening-System ist sowohl fürgeteilte als auch ungeteilte Elektrolysezellen erhältlich und ermöglicht die parallele
Durchführung von 6 beziehungsweise 8
Elektrolysen auf einer Magnetrührplatte. DieElektrolysezellen können mithilfe des Heizblocks gleichmäßig temperiert und die elektrolysespezifischen Parameter Stromstärke
und Spannung können dank der MehrkanalGleichstromquellen für jede Zelle separat
eingestellt werden [23].
Gängige kohlenstoff- sowie metallbasierte Elektrodenmaterialen in den benötigten
Dimensionen sind ebenfalls erhältlich underöffnen ein weites Feld möglicher Anwendungen. Neben diesem Plug and Play-Konzept können hier auch neuartige Elektrodensysteme in der Elektro­synthese leicht getestet
werden, da die verwendeten Elektroden einfache Abmessungen von 3 mm x 10 mm x70 mm haben.
Die angebotenen Stromquellen erlauben eine Elektrosynthese bis zu sehr hohen

Die durch Parallelisierung und den kleinen
Screeningmaßstab erzielte Geschwindigkeit bei der Etablierung von Elektrolysen
ermöglicht die Kombination mit modernen
Explorations- sowie Optimierungsverfahren
aus Bereichen wie Design of Experimentoder Machine Learning. Diese Verknüpfung
entwickelt sich zu einem extrem leistungsfähigen Werkzeug bei der Erforschung undOptimierung neuer elektroorganischer Reaktionen. Insbesondere für Reaktionen, bei
denen die Einflüsse der Reaktionsparameterauf die zu optimierende Größe miteinander
wechselwirken, erweist sich die Optimierung
mitunter als sehr komplex [25]. Hier ist dieKombination des Screening-Systems mit
den genannten fortschrittlichen Methoden
maßgeblich verantwortlich für den Erfolg
des Optimierungsprozesses. Diese Technologie stellt das Rückgrat der ElektrosyntheseForschung in Mainz dar.
Zugehörigkeit
1Department Chemie, Universität Mainz,
Deutschland
2IKA-Werke, Staufen,
Deutschland

KONTAKT |Prof. Dr. Siegfried R. Waldvogel
Department Chemie
Universität Mainz
Mainz, Deutschland
waldvogel@uni-mainz.de
Dirk Waldmann
Corporate Manager R&D
IKA-Werke GmbH & Co. KG
Staufen, Deutschland
dirk.waldmann@ika.de

Abb. 4: Zubehör für Elektrolysen mit gasförmigen Komponenten. Links: Gasverteiler, zum Aufteilen eines Gasstroms auf die Screeningzellen. Rechts: Geteilte Screeningzelle für Gasdiffusionselektroden.

Literatur:
https://bit.ly/GIT-Waldvogel-2

4 | IKA Screening System

IKA Screening System
Das IKA Screening System ist perfekt auf die galvanostatische Elektrosynthese im „Multibatch-Betrieb“ zugeschnitten. Sowohl geteilte alsauch ungeteilte Batchzellen erlauben Ihnen das gleichzeitige Forschen
an mehreren Proben. Zudem können Sie das System mit anderen Laborgeräten kombinieren.
Parallele Batch-Elektrosynthesen mit von Ihnen vordefinierten Parametern:>Bis zu 8 ungeteilte oder 6 geteilte Zellen gleichzeitig>

Synthetisieren ausreichender Mengen für die GC-, LC- oder
NMR-Analyseverfahren>

Separate Steuerung jeder Zelle>

Einfaches Testen identischer oder verschiedener Proben>

Schnelle Identifizierung idealer Prozessparameter>

Digitale Aufzeichnung der Versuchsparameter>

Gleichzeitiges Durchmischen und Heizen>

Volle Temperaturkontrolle (PT 1000) dank Heizblock>

Steuerung und Automatisierung mit Labworldsoft 6.0>

Zeit- und Ressourcenersparnis

Screening System Package(6 geteilte Zellen)
Ident-Nr. 0040003631

IKA-Werke GmbH & Co. KG
Janke & Kunkel-Straße 10, 79219 Staufen, Germany
Tel.: +49 7633 831-0
eMail: sales@ika.de

Screening System Package(8 ungeteilte Zellen)
Ident-Nr. 0040003642