Chemie Neuartige chemische Verbindungen machen Katalysatoren effizienter
Katalysatoren sollten möglichst stabil, effizient und für bestimmte Anwendungen anpassbar sein. All das ermöglicht diese Bochumer Entwicklung.
Neue chemische Verbindungen, die Katalysatoren effizienter machen, hat ein Team vom Lehrstuhl für Anorganische Chemie II der Ruhr-Universität Bochum entwickelt. Die neue Klasse an sogenannten Phosphan-Liganden sorgt mit ihren elektronischen und räumlichen Eigenschaften dafür, dass Katalysatoren aktiver und stabiler sind. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ beschreiben Forscherinnen und Forscher um Prof. Dr. Viktoria Däschlein-Gessner, wie die neuen Liganden auf Gold-Katalysatoren wirken. Die Gruppe geht davon aus, dass sich die Ergebnisse auf andere Katalysatoren übertragen lassen und dass die bereits zum Patent angemeldeten Systeme für eine breitere industrielle Anwendung infrage kommen. Die Ergebnisse wurden am 3. Juni 2018 vorab online veröffentlicht.
Liganden entscheiden mit über Katalysatoreigenschaften
Die Eigenschaften eines Katalysators werden nicht nur vom katalytisch aktiven Zentrum bestimmt, sondern auch von daran gebundenen Atomen oder Molekülen, die als Liganden bezeichnet werden. Forscher suchen gezielt nach solchen Liganden, um Katalysatoren zu optimieren und auf bestimmte Anwendungen maßzuschneidern.
Bei den in Bochum entwickelten Systemen handelt es sich um Phosphan-Liganden, also Verbindungen aus Phosphor und Kohlenstoffgruppen. „Phosphane sind allgegenwärtig in Katalysatoren für die Synthese komplexer Moleküle, beispielsweise Pharmazeutika, Naturstoffe oder Pflanzenschutzmittel“, sagt Viktoria Däschlein-Gessner, Mitglied im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation. „Das Design der Liganden entscheidet darüber, ob ein chemischer Komplex eine Reaktion katalysieren kann und wenn ja unter welchen Bedingungen.“
Leicht herzustellen
Die neuartigen Ligandensysteme sind außergewöhnlich elektronenreiche Phosphane, die als Elektronenquelle für Katalysatoren dienen und sie so stabilisieren können. Sie können auf mehreren Wegen aus käuflich erwerbbaren Vorstufen synthetisiert werden. „Daher ist es leicht, die Liganden in verschiedenen Varianten herzustellen und ihre Eigenschaften auf eine bestimmte Anwendung maßzuschneidern“, erklärt Däschlein-Gessner.
Die Bochumer Chemiker zeigten, dass in Gold-katalysierten Reaktionen mit den Liganden hohe Umsätze bei niedrigen Temperaturen möglich waren – und zwar ohne dass es notwendig war, die Reaktion langwierig zu optimieren.
Geringe Katalysatormengen bei niedrigen Temperaturen reichen
Die Reaktionen liefen auch dann effizient ab, wenn das Team nur geringe Katalysatormengen verwendete, was gerade bei teuren Edelmetallkatalysatoren wie Gold ein wirtschaftlicher Faktor ist. „Niedrige Reaktionstemperaturen sind ebenfalls aus industrieller Sicht interessant, weil man dadurch Energiekosten einsparen und Prozesse vereinfachen kann“, unterstreicht Däschlein-Gessner einen weiteren Vorteil der Systeme.
Entscheidend für die Funktion der neuen Liganden ist ihr besonderer chemischer Aufbau mit sogenannten Ylid-Gruppen, die die Forscherinnen und Forscher in das Phosphan einbauten. Der Ligand kann nicht nur bei der Goldkatalyse eingesetzt werden, sondern auch für andere Formen der Katalyse.
