Metallorganische Gerüste machen hochwirksame Katalysatoren wiederverwendbar

Die Forschungsgruppe von Dr. Constanze Neumann am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung hat einen eleganten Weg gefunden, zwei verschiedene Welten der Katalyse zusammenzubringen:

Homogene Katalysatoren, die in Lösung arbeiten und für ihre hohe Präzision bekannt sind, und heterogene Katalysatoren, die fest und damit leicht wiederzuverwenden sind. Mit einer neuen "Click-Heterogenisierung" in einem Metall-Organischen Gerüst (MOF) gelingt es, die Vorteile beider Seiten zu vereinen. Die Ergebnisse erschienen vor kurzem in JACS.

Homogene und Heterogene Katalyse - zwei getrennte Welten

Homogene Katalysatoren wirken wie Maßanzüge: Sie bestehen aus einzelnen Molekülen, die chemische Reaktionen sehr selektiv und effizient steuern können. Katalysator, Reaktanden und Produkte befinden sich in einer Phase.

Doch dieser Vorteil hat einen Haken: Homogene Katalysatoren mischen sich mit dem Produkt und lassen sich schwer wieder abtrennen - wertvolle Substanzen gehen verloren. Heterogene Katalysatoren sind dagegen Feststoffe, die man nach der Reaktion einfach herausfiltern kann. Sie sind praktisch und langlebig, erreichen aber meist nicht die Präzision der molekularen Systeme und sind schwieriger zu optimieren.

Click-Heterogenisierung: Ein neues Bindeglied

Das Team um Constanze Neumann hat nun eine Methode entwickelt, die beide Welten verbindet: Click-Heterogenisierung. Dabei werden lösliche Phosphan-Liganden - zentrale Bausteine vieler homogener Katalysatoren - mit einem simplen "Klick" fest in ein metallorganisches Gerüst (MOF) eingebaut. Das Team konnte zeigen, dass die Liganden im MOF beweglich genug bleiben, um Metalle wie Kobalt so flexibel zu koordinieren wie in Lösung.

Das bedeutet: Die Katalysatoren arbeiten im MOF mechanistisch wie homogene Systeme - sind aber fest eingebaut und damit leicht wiederverwendbar. "Die Phosphinliganden haben eine extrem hohe Mobilität innerhalb der MOF Poren. Damit können sie sich gezielt an die Bedürfnisse des Metalls anpassen und homogene katalytische Zyklen präzise reproduzieren.", so Dr. Constanze Neumann.

Test mit industriell relevanten Reaktionen: Hydroformylierung

Getestet wurde die Methode an der Hydroformylierung von Olefinen - einer der wichtigsten industriellen Reaktionen. Weltweit werden damit jedes Jahr rund zehn Millionen Tonnen Aldehyde mit Hilfe homogener Katalysatoren erzeugt.

Die neuen Katalysatoren zeigten:

Gleiche Leistung und Produktverteilung wie ihre homogenen Vorbilder
Stabile Wiederverwendbarkeit ohne Qualitätsverlust
Sehr geringe Verluste an wertvollen Bestandteilen (<0.7 ppm Co, <0.05 ppm P)
Regenerierbare Trägermaterialien (MOFs können erneut beladen werden)

Perspektiven

Nach Einschätzung der Arbeitsgruppe eröffnet die neue Methode eine vielseitige Plattform, um die Entwicklung nachhaltiger, leistungsstarker und recycelbarer Katalysatoren zu beschleunigen. In den nächsten Schritten möchte die Gruppe die Strategie auf weitere Metalle und Reaktionen ausweiten und systematisch untersuchen, wie sich unterschiedliche Ligandenarten schnell, einfach und sicher in metallorganische Gerüste einbauen lassen.

Langfristig soll so ein allgemeines Werkzeug für die maßgeschneiderte Entwicklung von Katalysatoren entstehen, das sowohl für die Grundlagenforschung als auch für industrielle Anwendungen von großem Nutzen ist. Dies ist wichtig, da sich die chemische Industrie zunehmend von erdölbasierten Rohstoffen hin zu Abfall- oder erneuerbaren Ressourcen verlagert.

Dabei müssen viele etablierte Produktionsprozesse neu gedacht und nachhaltige, hocheffiziente Katalysatoren entwickelt werden. Da sich die Leistung und Produkterteilung durch Click-Heterogenisierung nicht verändert, kann die Entwicklung heterogener Katalysatoren von den effizienten Charakterisierungs- und Optimierungsmöglichkeiten der homogenen Katalyse profitieren.

» Originalpublikation

Quelle: Max-Planck-Institut für Kohlenforschung