Die wissenschaftliche Gemeinschaft stellt sich kontinuierlich der Herausforderung gegenüber, neue nachhaltige Systeme zu entwickeln. Für Synthesechemiker bedeutet dies, Prozesse „grüner“ zu gestalten: beispielsweise durch die Verwendung in der Erdkruste häufig vorkommender Elemente, einen geringeren Energiebedarf sowie geringere Produktion von Abfallprodukten. Katalyse, der zentrale Schwerpunkt des Zentralinstituts für Katalyseforschung (CRC), wird sowohl in der Forschung als auch in der Industrie intensiv genutzt, um chemische Reaktionen zu ermöglichen, die nicht ablaufen würden. Diese Konzepte tragen auch dazu bei, den Energiebedarf und die Abfallproduktion zu reduzieren und innovative Materialien im Einklang mit dem TUM-Forschungsschwerpunkt “Materials and Manufacturing Technologies” zu schaffen.
Allerdings basieren die meisten industriellen Katalysatoren derzeit auf seltenen Edelmetallen und sind zudem oft unvollkommen untersucht. Inspiriert von kooperativen Wechselwirkungen in natürlichen Systemen entwickelt die Gruppe um Dr. Terrance Hadlington neue Katalysatoren, die die synergistischen Effekte mehrerer Metallzentren nutzen und somit kooperativ zusammenarbeiten können. In einem kürzlich in Chem veröffentlichten Artikel beschreibt das Team ihre Entdeckung eines molekularen Komplexes, welcher Gallium und Nickel, beides häufig vorkommende Metalle, kombiniert, um so kooperativ die starke Bindung zwischen zwei Wasserstoffatomen einfach und reversibel brechen zu können. Diese „Aktivierung“ ist notwendig, um die Wasserstoffatome als Ausgangsmaterial in der chemischen Synthese zu nutzen.
Der Fokus dieser Arbeit ist die Untersuchung eines zuvor unbekannten Reaktionsvorgangs zur Aktivierung dieses wichtigen, molekularen Bausteins. Dies wird durch das Design und die Konstruktion einer räumlich eingeschränkten Metall-Metall-Bindung ermöglicht. Die Gruppe um Dr. Hadlington zeigt, dass ihr bimetallisches System das Wasserstoffmolekül katalytisch in der partiellen Hydrierung von Alkinen übertragen kann. Dies ist eine wichtige Reaktion, die in der Industrie für die selektive Synthese von Alkenen verwendet wird. Alkene werden zur Herstellung verschiedener wichtiger Chemikalien genutzt, wie z. B. Alkohole, Ketone, Glykole, Epoxide, Kunststoffe und Tensidkomponenten, die in der Polymer-, Pharma- oder Agrarchemie verwendet werden.
In dieser Arbeit steht das Verständnis und die Analyse einzelner Schlüsselschritte der kooperativen Bindungsaktivierungs- und Atomtransferreaktionen im Vordergrund. Diese Erkenntnisse erklären, warum der bimetallische Katalysator die so wichtige, abfallfreie Katalyse bei niedrigen Temperaturen durchführen kann. Basierend auf diesen Ergebnissen wird erhofft, dass generell Metalle, die häufig in der Erdkruste vorkommen, für bimetallische, kooperative Katalyse genutzt werden können. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit auch andere chemische Synthesen durch den Einsatz bimetallischer Katalysatoren nachhaltiger zu gestalten.
Publikation Cell Press: “Cooperative hydrogenation catalysis at a constrained gallylene-nickel(0) interface”(DOI: 10.1016/j.chempr.2024.10.016)
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