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Pyrit, also FeS, ist das häufigste Eisen-Schwefel-Mineral in der Erdkruste und wird in Sedimenten laufend neu gebildet. Wie, ist allerdings unklar. Zudem ist es für einige Hypothesen zu einem Urzeitstoffwechsel wichtig und stabilisiert den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre. Dass kürzlich Mikroben entdeckt wurden, die Pyrit herstellen, hilft womöglich, alle diese Puzzlesteine zu verbinden.
Ab dem Jahr 1977 entdeckten Forscher heiße Quellen und Hydrothermalschlote am Meeresboden in der Tiefsee. Dies brachte neue Impulse für die spekulative Diskussion um die chemischen Ursprünge des Lebens auf der Erde. Vermutlich entstanden die ersten Zellen nicht in Darwins lauwarmem Tümpel, sondern eher an den extremen Temperatur- und Redoxgefällen, die dort entstehen, wo Hydrothermalschlote überhitzte Schwermetalllösungen ins kalte Meerwasser spritzen.Die Chemie eines möglichen Urstoffwechsels, der bereits vor dem Erbmaterial und der Zellmembran auf anorganischen Oberflächen – sozusagen in 2-D – existiert haben könnte, trat in den Vordergrund. Eine damals viel beachtete Hypothese war die des Münchner Patentanwalts Günter Wächtershäuser. Er entwarf eine Eisen-Schwefel-Welt, in der Pyrit zentral ist – also Eisendisulfid, das wegen seines goldähnlichen Glanzes auch Narrengold oder Katzengold genannt wird.Wächtershäuser schlug einen Redoxzyklus vor, der ähnlich wie der Zitronensäurezyklus in unserem oxidativen Stoffwechsel funktionieren sollte, aber in umgekehrter Richtung, also reduktiv. An diesem Kreislauf sollen die Eisen-Schwefel-Mineralien Troilit (Eisenkies, FeS) und Pyrit (FeS2) teilnehmen, wobei der in Tiefseequellen reichlich vorhandene Schwefelwasserstoff (H2S) mit Troilit zu Pyrit reagieren soll.Wie Wächtershäuser zusammen mit Claudia Huber von der TU München und Karl-Otto Stetter von der Universität Regensburg zeigte, sind in diesem Milieu präbiotische Reaktionen bis hin zur Synthese bestimmter Aminosäuren plausibel. Andere Vertreter des „Stoffwechsel-zuerst“-Lagers, darunter Bill Martin von der Universität Düsseldorf und Michael Russell am Jet Propulsion Laboratory der Nasa, haben diese Forschungsrichtung weiterentwickelt. Doch der Durchbruch blieb aus. Die Eisen-Schwefel-Welt blieb eine von mehreren denkbaren, aber unbewiesenen Hypothesen zum Ursprung des Lebens.<h2>Mikroben machen Narrengold</h2>Erst jetzt wurde eine biologische Funktion von Pyrit nachgewiesen, und zwar von Michael Pesters Arbeitsgruppe am Leibniz-Institut DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen) in Braunschweig sowie Kollegen der Universitäten Konstanz und Tübingen. Sie haben mikrobielle Kulturen angereichert, die aus FeS und Schwefelwasserstoff Pyrit herstellen und von dieser Stoffwechselreaktion abhängen.1) Die Forscher reicherten unter Sauerstoffausschluss Umweltmikroorganismen aus Sedimenten und Kläranlagen an. Diesen boten sie lediglich Eisensulfid, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid als Energiequellen.Unter diesen Bedingungen setzen sich Mikrobenstämme durch, die aus diesen Verbindungen Pyrit und Methan erzeugen. Diese Reaktion läuft so langsam ab, dass sie sich erst nach Monaten der Inkubation nachweisen ließ. Wie ein Kontrollexperiment zeigte, führen abgetötete Bakterien derselben Kulturen die Reaktion nicht mehr durch. Damit ist ausgeschlossen, dass es sich lediglich um eine katalytische Funktion bestimmter Zellkomponenten handelt. Nur lebendige, aktive Mikroben produzieren Pyrit und Methan.Beide Produkte gehen zudem aus demselben Stoffwechsel hervor. Mit einem Inhibitor, der die Methanproduktion bei Methanogenen hemmt, unterbanden die Forscher gleichzeitig, dass Pyrit entsteht. Auch das Antibiotikum Penicillin hemmt beide Synthesen. Mit hohen Wasserstoffkonzentrationen (79 Volumenprozent) in der Atmosphäre des Experiments und Penicillin zwangen die Forscher die Kulturen auf einen alternativen Stoffwechselweg, der nur Methan liefert und kein Narrengold.In einer Kultur, die ihre Biomasse nach und nach mehr als verdoppelte, wiesen Genanalysen eine Archäenart nach sowie fünf Bakterienarten. Archäen sind neben Bakterien und Eukaryonten einer der drei Urtypen lebender Zellen. Sie leben oft in extrem unwirtlichen Umgebungen wie vulkanischem Gestein und Salzseen und sind deshalb für Überlegungen zur Urzeit des Lebens von besonderem Interesse.2) Wie die Archäen mit den Bakterien zusammenarbeiten, um letztendlich Pyrit und Methan zu synthetisieren, müssen weitere Experimente klären. Immerhin gibt es jetzt ein Modellsystem, um die Rolle von Narrengold im geobiochemischen Kreislauf genauer zu untersuchen.<h2>Sedimente und Sauerstoff</h2>Nun könnte man meinen, dass der Ursprung des Lebens auf der Erde ein eher philosophisches Problem ist, da sich auch die besten Theorien kaum beweisen lassen. Die Rolle des Narrengolds in der Geobiochemie beschränkt sich allerdings nicht auf die Urzeit. Etwa fünf Millionen Tonnen Eisensulfid oxidieren pro Jahr in Sedimenten am Meeresboden zu Pyrit, und Pyrit verwittert an der Luft. Beides trägt zur Regulierung des Sauerstoffgehalts der Atmosphäre bei.Diesem Zusammenhang kamen Itay Halevy vom Weizmann-Institut in Rehovot, Israel, und Kollegen in den USA eher zufällig auf die Spur.2) Sie hatten anhand einer geologischen Datenbank die Schwefelabscheidungen in Sedimenten aus den letzten 550 Millionen Jahren untersucht, also in etwa dem Zeitraum, in dem der Sauerstoffgehalt der Erdatmosphäre auf dem heutigen Niveau von ungefähr 21 Prozent lag.Vor allem interessierten sich die Forscher für die Abscheidung von Sulfatmineralien wie Gips. Wie sie allerdings zu ihrer Überraschung feststellten, leistet die Oxidation von FeS zu Pyrit einen viel größeren und konstanteren Beitrag zur Bindung von Schwefel in Sedimenten. Während die Abscheidung von Sulfatmineralien aus den Ozeanen schwankte und geringer ausfiel als erwartet, war die Entstehung von Pyrit konstant für 80 Prozent der Gesamtmenge an Schwefel verantwortlich, die den Ozeanen entzogen wurde.Die Menge an sauerstofffreiem Material, das so aus dem weltweiten Redoxgleichgewicht verschwunden ist, ist so bedeutend, dass es maßgeblich zum gegenwärtigen Sauerstoffgehalt der Atmosphäre beigtragen haben muss. Allerdings handelt es sich nicht um eine Einbahnstraße. Die Umkehrreaktion findet statt, wenn pyrithaltige Sedimente wieder an die Oberfläche gelangen und dort verwittern.Ob die Pyrite in den Sedimenten rein anorganisch oder mit biologischer Hilfe entstanden sind, beantworten die geologischen Datenbanken nicht. Die Entdeckung von pyritsynthetisierenden mikrobiellen Gemeinschaften bietet allerdings einen Mechanismus, der sich im Laborexperiment weiter testen lässt. Denkbar wäre auch eine Suche nach ähnlichen Mikroorganismen am Meeresboden und in jungen Sedimenten. Auch die Isotopenverteilung des Schwefels in Sedimenten kann weitere Aufschlüsse liefern, wie Halevy und andere Forscher in Israel anhand von Formationen aus der Kreidezeit gezeigt haben.4)Sollte sich eine solche Verbindung bestätigen, wäre Pyrit ein weiteres und überaus wichtiges Beispiel für die Wege, auf denen das Leben auf der Erde den Planeten nicht nur besiedelt, sondern verändert hat.Der promovierte Chemiker Michael Groß ist freier Wissenschaftsjournalist in Oxford, England. <a href="https://www.michaelgross.co.uk" target="_blank">www.michaelgross.co.uk</a><figure><img src="https://media.graphcms.com/TLLUFCFUSu3O4HMaZ29A"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Pyrit als Muschelabdruck in fossilem, organischem Sedimentmaterial aus einem sauerstofffreien Grundwasserleiter in 17,5 m Tiefe; Bildbreite 23 mm. Quelle: Koelle, Wikipedia– CC-BY-SA-3.0</figcaption></figure>
<h2>Auf einen Blick</h2>Bestimmte Archäen und Bakterien erzeugen aus Eisensulfid, Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid zusammen Pyrit und Methan.Dies lässt sich im Labor nachstellen. Das Modell wird wahrscheinlich helfen, den Ursprung des Lebens zurückzuverfolgen.Aus 80 Prozent des Schwefels, den die Ozeane in den letzten 550 Millionen Jahren kontinuierlich abgeschieden haben, wurde Pyrit, der Rest zu anderen Mineralien wie Gips. Dies hat zur Regulierung des Sauerstoffgehalts der Atmosphäre beigetragen.
<ul class="references"><li>
1 J. Thiel, J. M. Byrne, A. Kappler, B. Schink, M. Pester, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116, 6897–6902</li><li>
2 M. Groß, Nachr. Chem. 2018, 66, 722–724</li><li>
3 I. Halevy, S. E. Peters, W. W. Fischer, Science 2012, 337, 331–334</li><li>
4 L. Shawar, I. Halevy, W. Said-Ahmad et al., Geochim. Cosmochim. Acta 2018, 241, 219–239</li></ul>

Artikel

Am Anfang war das Narrengold

Pyrit, also FeS, ist das häufigste Eisen-Schwefel-Mineral in der Erdkruste und wird in Sedimenten laufend neu gebildet. Wie, ist allerdings unklar. Zudem ist es für einige Hypothesen zu einem Urzeitstoffwechsel wichtig und stabilisiert den Sauerstoffgehalt der Atmosphäre. Dass kürzlich Mikroben e...

Bei der Totalsynthese von Natur- und Arzneistoffen ist die räumliche Orientierung der Moleküle entscheidend. Die Mitsunobu-Reaktion hat sich bewährt, um chirale, sekundäre Alkohole gezielt in die entsprechenden Enantio- oder Diastereomeren zu invertieren. Eine nebenproduktarme und katalytische Reaktionsführung schien unerreichbar – bis jetzt.
Die Mitsunobu-Reaktion1) ermöglicht die Veresterung von Carbon- und phosphorigen Säuren mit Alkoholen, die mit Triphenylphosphan (PPh3) und Diethylazodicarboxylat (DEAD, (3)) aktiviert werden (Abbildung 1a). Unter den Bedingungen lassen sich sowohl primäre als auch sekundäre Alkohole (1) mit Pronukleophilen (2) umsetzen. Da Alkohole ohne Aktivierung nicht mit Pronukleophilen reagieren, sind die Aktivierungsreagenzien in stöchiometrischen Mengen nötig. Als Pronukleophile dienen Carbonsäuren, die zu Carbonsäureestern (4) (Nu = OC(O)R) reagieren.<figure><img src="https://media.graphcms.com/XzStH4jXSSOFhvEUXFOb"><figcaption><label>Abb. 1: </label>a) Generelles Schema zur Mitsunobu-Reaktion (DEAD = Diethylazodicarboxylat); b) postulierter Mechanismus.</figcaption></figure>
<h2>Das klassische Konzept</h2>Zunächst entsteht durch einen nukleophilen Angriff des Triphenylphosphans (PPh3) am Stickstoffatom des Diethylazodicarboxylats (3) (DEAD) Betain (7). Dieses deprotoniert zunächst die Carbonsäure (2), das Pronukleophil. Begrenzt wird die Reaktion durch die Azidität der Pronukleophile (2), die vom Betain (7) deprotoniert werden müssen. Bei Phenolen funktioniert das nicht, weshalb sie sich nicht als Pronukleophile eignen. Die anschließende Reaktion des Intermediats (9) mit Alkohol (1) führt zu (10). Abspalten des Hydrazins (5) generiert die stark aktivierte Spezies (11), die in einer nukleophilen Substitution durch das Carboxylat (8) Triphenylphosphanoxid (6) abspaltet und zum Carbonsäureester (4) reagiert.2)Während der Reaktion wird bei sekundären Alkoholen das Stereozentrum invertiert, da der nukleophile Angriff des Carboxylats (8) nach einem SN2-Mechanismus verläuft (Abbildung 1b). Die Entschützung des Carboxylats liefert Alkohol (1) mit invertierter Stereochemie.<h2>Diethylazodicarboxylat in katalytischen Mengen</h2>Es sind Syntheserouten etabliert, die katalytisch π-aktivierte Alkohole und Nukleophile verknüpfen, beispielsweise über eine Brønstedt-, eine Lewis-Säure-3) oder eine Übergangsmetallkatalyse4). Oftmals stabilisieren Carbokationen als Intermediate diese Reaktionsgemische, wodurch racemische Gemische entstehen.But und Toy haben im Jahr 2006 einen der ersten katalytischen Ansätze für die Mitsunobu-Reaktion veröffentlicht.5) Sie nutzten Diethylazodicarboxylat (DEAD) (3) in katalytischen Mengen (10 Mol-%, Abbildung 2). Das bei der Reaktion entstehende Hydrazin (5) oxidierten sie mit Diacetoxyiodbenzol (12), das sie in stöchiometrischen Mengen einsetzten. Hinzu kamen stöchiometrische Mengen Triphenylphosphan. Die Ausbeuten der Reaktion lagen für alle Substrate unter den mit klassischen Bedingungen erzielten Ausbeuten: So entstand Verbindung (13) unter stöchiometrischem Einsatz von DEAD (3) in 97 % Ausbeute, unter katalytischen Bedingungen in 76 %. Die Enantiomerenverhältnisse bei der Umsetzung sekundärer Alkohole ähneln denen der klassischen Reaktion (zum Beispiel (14): e.r. = 100:0). Allerdings verschlechtert sich substratabhängig das Enantiomerenverhältnis bei der Umsetzung von 1-Phenylethanol zu Carbonsäureester (15).<figure><img src="https://media.graphcms.com/39vCg7jTSiWEv3qeSy4B"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Weiterentwicklung der Mitsunobu-Reaktion durch katalytischen Einsatz von DEAD.</figcaption></figure>
Was diese Weiterentwicklung der Mitsunobu-Reaktion trotzdem attraktiv macht: die einfach von der Reaktionslösung zu trennenden Nebenprodukte Phenyliodid und Essigsäure. Zudem entsteht mit substöchiometrischen Mengen DEAD (3) weniger Hydrazin. Trotz mäßiger Ausbeuten erscheint eine teilweise katalytisch durchgeführte Reaktion also zweckmäßig.<h2>Katalysieren mit 1-Phenylphospholan</h2>Im Jahr 2015 publizierten Buonomo und Aldrich eine Mitsunobu-Reaktion mit 1-Phenylphospholan-1-oxid (16) als Präkatalysator. Dieser setzten sie zudem Phenylsilan (18) zu, um den Präkatalysator (16) zur aktiven Spezies, Phospholankatalysator (17), zu reduzieren und im weiteren Verlauf zu rezyklieren (Abbildung 3a).6) Statt DEAD (3) nutzten sie Diisopropylazodicarboxylat (18) (DIAD) in stöchiometrischen Mengen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/yHAn1JtvQKebOprQzZEq"><figcaption><label>Abb. 3: </label>a) Mechanismus der katalytischen Mitsunobu-Reaktion basierend auf Redoxrecycling. b) Ausschnitt des Substratumfangs von Buonomo und Aldrich.</figcaption></figure>
Das Phenylsilan (18) reduziert den Phospholankatalysator. Ein Überschuss an Silan (18) (6 Äq.) wirkte sich nachteilig auf die Ausbeuten der Reaktion aus (zirka – 30 %), wobei weniger Äquivalente (1,0 Äq.) eine längere Reaktionszeit (48 statt 18 Stunden), aber auch bessere Ausbeuten von bis zu 77 % bedeuten.Umsetzen lassen sich so primäre Benzyl-, Allyl- und Alkylalkohole mit Ausbeuten zwischen 50 und 84 % sowie sekundäre Alkohole wie (14) und (15) zu 68 beziehungsweise 69 %. Die Enantiomerenverhältnisse betragen &gt;95:5 und 94:6 ((14) beziehungsweise (15), Abbildung 3b). 95 % des Organokatalysators (16) sowie das eingesetzte DIAD (20) ließen sich reisolieren.Auch in dieser Reaktion ist eine stöchiometrische Menge der Azospezies erforderlich. Jedoch wird die Reaktion ökonomischer und ressourcenschonender, wenn die Aktivierungsagenzien – wie hier möglich – zurückgewonnen werden. Zudem lässt sich die Reaktion durch stöchiometrische Mengen des Oxidationsmittels H2O2/NaOCl in Anwesenheit eines Fe-Katalysators auch mit katalytischen Mengen einer Azospezies durchführen. Zwar betragen die Ausbeuten maximal 68 %, dafür verläuft die Reaktion im Hinblick auf die Phosphan- und Azoverbindungen vollständig katalytisch.<h2>Wenn nur noch Wasser entsteht – die ideale Reaktion?</h2>Dass die Mitsunobu-Reaktion auch redoxneutral und organokatalysiert funktioniert, zeigten kürzlich Beddoe und Mitarbeiter.7) Bei der Reaktion werden primäre und sekundäre Alkohole nukleophil substituiert, und es entsteht ausschließlich Wasser als Nebenprodukt. Unter den Bedingungen lassen sich stereospezifisch Kohlenstoff-Sauerstoff- und Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen aufbauen.Die Methode basiert auf dem Phosphanoxidkatalysator (22). Diesen aktiviert das saure Pronukleophil (2), und nach Ringschluss und Abspaltung von Wasser reagiert (22) zum Oxyphosphoniumsalz (23). Alkohol (1) initiiert ein Ringöffnung, wodurch die Alkoxyphosphonium-Spezies (24) entsteht. Anschließende nukleophile Substitution liefert nicht nur Produkt (4), sondern dient auch der Rückgewinnung des Katalysators (22) (Abbildung 4). Indem das einzige Nebenprodukt über einen Wasserabscheider entfernt wird, lässt sich die Hydrolyse des Phosphoniumsalzes verhindern und die kinetische sowie thermodynamische Stabilität gewährleisten.<figure><img src="https://media.graphcms.com/OjWzljMxTjS9kUlzTCPR"><figcaption><label>Abb. 4: </label>a) Redoxneutrale, katalytische Mitsunobu-Reaktion nach Beddoe und Mitarbeitern. b) Mechanismus der organokatalysierten Mitsunobu-Reaktion.</figcaption></figure>
Stöchiometrische Veresterungen benötigen oft eine aktivierte Carbonsäure oder saure Bedingungen. Über Beddoes Methode lassen sich zudem sonst schwer zugängliche primäre und sekundäre Alkohole verestern, da viele funktionelle Gruppen im Substrat toleriert werden, etwa Carbonsäureester, Amide, Phtalimide und Nitrile (Abbildung 5). Diese wären unter klassischen Veresterungsbedingungen nicht stabil. Ebenso lassen sich phosphansensitive Substrate wie Alkylbromide und Azide umsetzen.<figure><img src="https://media.graphcms.com/B3UGCXEdRnCqHnYWujcm"><figcaption><label>Abb. 5: </label>a) Ausschnitt des Substratumfangs der katalytischen Mitsunobu-Reaktion. b) Untersuchung des Sauerstofftransfers in der katalytischen Mitsunobu-Reaktion mit Isotopenmarkierung.</figcaption></figure>
<h2>Pro- und Edukte</h2>Die Stereozentren sekundärer Alkohole lassen sich mit der redoxneutralen Methode mit Enantiomerenüberschüssen von 67 bis 98 % in die entsprechenden Konfigurationsisomere überführen. Die Methode eignet sich für aliphatische, cyclische bis zu benzylischen, sekundären Alkoholen. Als Pronukleophile dienten 2,4-Dinitrobenzoesäure oder 2-Nitrobenzoesäure. Erhalten wurden Carbonsäureester, die zusätzlich funktionalisiert sind: als Carbonsäureester (25) in 79 %, als Ether (26) in 68 %, aber auch substituiert mit Alken-, Arylchlorid-, Sulfon- und Silylethern in 50 bis 90 % Ausbeute.Über diese Methode lassen sich nicht nur Carbonsäureester aufbauen: Auch Kohlenstoff-Stickstoff- und Kohlenstoff-Schwefel-Bindungen werden geknüpft. So entstehen mit den entsprechenden Sulfonimiden als Pronukleophile die N,N-bis-Sulfonamide (27) und (28) in 88 beziehungsweise 42 % Ausbeute. Thiobenzoesäure liefert mit 35 % Ausbeute den Thioester (29) (Abbildung 5a).Wie Isotopenmarkierungen zeigen, überträgt 18O-markiertes 1-Decanol (31) während der Reaktion mit 2,4-Dinitrobenzoesäure (30) den 18O-Sauerstoff nicht auf das Produkt (33). Stattdessen findet sich dieses Sauerstoffatom im Katalysator (34) (Abbildung 5b).<h2>Die Autorin</h2>Nina Schützenmeister, Jahrgang 1983, ist seit 2015 Juniorprofessorin für pharmazeutische und medizinische Chemie an der Universität Hamburg. Bei diesem Beitrag wurde sie unterstützt von Jessica de Vries.<div><img src="https://media.graphcms.com/He3YOs6mTT2FQkURSRws">

</div><a href="mailto:schuetzenmeister@chemie.uni-hamburg.de">schuetzenmeister@chemie.uni-hamburg.de</a><h2>AUF EINEN BLICK</h2>Die Mitsunobu-Reaktion funktioniert jetzt auch unter redoxneutralen Bedingungen, Wasser ist das einzige Nebenprodukt.Die katalytische Variante mindert den Einsatz instabiler Azoverbindungen wie DEAD oder DIAD.Organokatalytische Reaktionsführung toleriert viele funktionelle Gruppen.Die Serie Blickpunkt Synthese will zur Beschäftigung mit neuen synthetischen Verfahren oder eleganten und wichtigen organischen Synthesen anregen. Die Beiträge verfassen dieses Jahr Peter Huy und Nina Schützenmeister.
<ul class="references"><li>
1 O. Mitsunobu, M. Yamada, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1967, 40, 2380–2382</li><li>
2 O. Mitsunobu, Synthesis 1981, 1981, 1–28</li><li>
3 M. Dryzhakov, E. Richmond, J. Moran, Synthesis 2016, 48, 935–959</li><li>
4 B. Sundararaju, M. Achard, C. Bruneau, Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 4467–4483</li><li>
5 T. Y. S. But, P. H. Toy, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 9636–9637</li><li>
6 J. A. Buonomo, C. C. Aldrich, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 13041–13044</li><li>
7 R. H. Beddoe, K. G. Andrews, V. Magné et al., Science 2019, 365, 910–914</li></ul>

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