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„Ring of Fire“: Neuer Katalysator auf Kobaltbasis

09.02.2018

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Ring of fire

Ein Forscherteam am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock hat einen neuen Katalysator auf der Basis von Kobalt entwickelt. Dieser ermöglicht die Herstellung von Benzylaminen, ein wichtiger Syntheseschritt vor allem für die Produktion von Pharmazeutika. Der Katalysator arbeitet heterogen, d.h. er liegt in fester Form vor und kann somit aus der Reaktionslösung zurückgewonnen und wiederverwendet werden. Mit dieser Innovation schaffte es das Team unter Leitung von Prof. Dr. Matthias Beller am LIKAT auf die Titelseite der Januar-Ausgabe des Fachmagazins „Catalysis Science & Technology“. Grundlage ist der wichtigste kobalthaltige Naturstoff, der bisher bekannt ist: Vitamin B12.

Oftmals nutzen Chemiker zur Hydrierung von Arylnitrilen homogene Katalysatoren. Das heißt der Katalysator liegt gemeinsam mit Ausgangsstoff und Produkt in einer Flüssigkeit vor, ist also gelöst. Das hat Nachteile. In gelöster Form sind Katalysatoren nur eingeschränkt wiederverwendbar. Zudem kann das Endprodukt Spuren des Katalysators enthalten, was vor allem bei Arzneimitteln fatal wäre. Alternativ bietet sich hier die heterogene Katalyse an, bei der sich der Katalysator als Feststoff auf einem Träger befindet und aus der Reaktionslösung einfach zurückgewonnen werden kann.

Vorbild aus der Natur: Vitamin B12

Bei der Suche nach einem solchen Katalysator griffen die Autoren auf eine ungewöhnliche Idee aus der eigenen Arbeitsgruppe zurück: Vitamin B12 zu verwenden. Dieses Vitamin ist für Katalyseforscher äußerst interessant: Erstens wirkt es als sogenanntes Coenzym im Organismus biokatalytisch und ist ein wichtiges Spurenelement. Zweitens enthält es Kobalt, ein Element, das Chemiker oft für Katalysatoren verwenden. Vitamin B12 ist der bekannteste und wichtigste kobalthaltige Naturstoff.

Chemisch gesehen ist Vitamin B12 ein Kobaltamin: das Molekül besteht aus einem Kobaltatom im Zentrum, umschlossen von einem Ring aus vier Stickstoffatomen. Die Stickstoffatome fungieren dabei als Liganden, das heißt, sie stabilisieren das Kobaltatom. Chemiker sprechen vom Kobaltkomplex.

Die Aufgabe bestand nun darin, diesen Kobaltkomplex als das künftige reaktive Zentrum des Katalysators auf einen Träger aufzubringen. Anders als üblich wählten die Wissenschaftler nicht Kohlenstoff als Träger, sondern Ceroxid, wie es im Kat von Kraftfahrzeugen verwendet wird. Dazu lösten sie das Vitamin B12 in Flüssigkeit auf und gaben das Ceroxid, ein cremefarbenes Pulver, hinzu. Die Kristalle des Pulvers sogen sich mit der Vitaminlösung förmlich voll. Nach dem Entfernen des Lösungsmittels waren dort die Kobaltkomplexe nun gleichmäßig auf der Kristalloberfläche des Ceroxids verteilt.

Der Knackpunkt: „Ring of Fire“

Damit war der Katalysator allerdings noch nicht arbeitsfähig. Dazu galt es u.a., im Kobaltkomplex den Ring aus Stickstoffatomen zu „knacken“. Denn in diesem Ring sitzt das Kobaltatom so eingekeilt, dass es nicht aktiv werden kann.

Deshalb erhitzten die Forscher den mit Vitamin B12 imprägnierten Ceroxid-Träger unter Luftabschluss auf 800 Grad Celsius. Unter so hohen Temperaturen passiert chemisch „Dramatisches“, wie Themenleiter Dr. Helfried Neumann sagt. Alte Bindungen brechen auf, neue bilden sich, alles in allem ein chaotischer Vorgang. „Es entsteht etwas völlig anderes, eine komplett neue Struktur.“ In diesem Falle ist es eine Struktur, die, wie die Forscher nachwiesen, tatsächlich als Hydrierkatalysator aktiv ist und dafür sorgt, dass Arylnitrile unter Zugabe von Wasserstoff zu Benzylaminen reagieren.

Mit modernen Analyseverfahren hat das Forscherteam seinen neuen Katalysator inzwischen charakterisiert. Helfried Neumann: „Wir haben das Kobalt auf der Oberfläche nachweisen können. Und wir nehmen an, dass für die Aktivierung des Kobalts Stickstoff eine Rolle spielt, der das Metallzentrum des Katalysators gewissermaßen dopt.“ Offenbar vermag der Stickstoff sich bei der Pyrolyse, der Erhitzung auf 800 Grad, aus dem Ring zu lösen. Diese Vorstellung inspirierte die Forscher zu dem Titel für das Cover zu ihrem Paper: „Ring of Fire“.

Geeignet für Heteroarylverbindungen

Die Autoren wiesen außerdem nach, dass ihr neuer Katalysator auch für Heteroaromaten geeignet ist. Das heißt, er reduziert Heteroarylnitrile, die im Ring entweder ein Stickstoff- oder Sauerstoff-Atom enthalten, zu den entsprechenden Heterobenzylaminen. Solche Verbindungen sind für die Entwicklung von Arzneimitteln wichtig, deren Moleküle ja oft heteroaromatische Strukturen aufweisen.

Der neue Katalysator aus dem LIKAT ist für all jene Arbeitsgruppen interessant, die komplexe Strukturen von Nitrilgruppen zu reduzieren haben. Er ist ein Ergebnis der Grundlagenforschung und beansprucht deshalb, so innovativ er ist, kein Patent. Jeder kann ihn für seine Entwicklungen nutzen.

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