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Ein neuer Katalysator mit grünem Profil

Eisen statt Edelmetalle

18.06.2019

Flickr/Thompson Rivers University

Eisen könnte sich als „grüne“ Alternative zu Edelmetallen in der chemischen Industrie erweisen.

Die Chemikerin Zita Csendes hat, unterstützt vom Wissenschaftsfonds FWF, Eisenverbindungen als nachhaltige, günstige und effiziente Alternative für Edelmetall-Katalysatoren definiert und getestet. Am Übergang von der Katalysator-Lösung zur wiederverwendbaren Poren-Beschichtung galt es, viele chemische Parameter unter Kontrolle zu bringen.

Katalyse bedeutet, eine chemische Reaktion mithilfe eines Katalysators zu begünstigen, sie also in Gang zu bringen, zu beschleunigen oder die Ausbeute des Endprodukts zu erhöhen. Das Prinzip ist keine menschliche Erfindung, sondern auch in natürlichen Prozessen weit verbreitet, wo Enzyme die Aufgabe von Katalysatoren übernehmen. Idealerweise wird der Katalysator bei der Reaktion nicht mit umgesetzt, sondern zurückgewonnen. In der Produktion von pharmazeutischen Wirkstoffen, aber auch von Duft- oder Aromastoffen, kommen heute routinemäßig Edelmetall-Katalysatoren (Ruthenium, Iridium oder Rhodium) zum Einsatz, die ihre Aufgabe perfekt erfüllen, aber giftig, schwer verfügbar und teuer sind. Die Forschung arbeitet daher an Lösungen, um diese Rohstoffe mittelfristig durch umweltfreundlichere und günstigere Alternativen im Sinne einer Green Chemistry zu ersetzen.

Optimiert werden Katalysatoren in Hinblick auf den gewünschten Reaktionstyp (was soll der Katalysator chemisch bewirken), die chemische Selektivität (wo genau im Molekül soll er ansetzen und wo nicht), das Produktionsverfahren (Chargen oder kontinuierliche Produktion) und die Wiederverwendbarkeit des Katalysators bzw. die Reinheit des Endprodukts. An der Technischen Universität Wien hat Zita Csendes in einem Lise-Meitner-Projekt des Wissenschaftsfonds FWF Eisenkomplexe als alternative Katalysatoren charakterisiert, kontrolliert und getestet, denn Eisen ist das häufigste Metall in der Erdkruste, kostengünstig und außerdem ungiftig.

Überziehen statt auflösen

Ausgehend von einem bereits in der Forschungsgruppe von Karl Kirchner entwickelten, hochselektiven Katalysator, gelang es Zita Csendes nun erstmals, einen Eisenkomplex als Supported Ionic Liquid Phase (SILP)-Katalysator zur Hydrierung von Aldehyden zu verwenden. Dabei ist der Katalysator in einem Film einer ionische Flüssigkeit (flüssiges Salz) gelöst, welcher an Silicagel verankert ist. Der Katalysator befindet sich im sensiblen Gleichgewicht mit allen beteiligten Reagenzien, welche in einem organischen Lösungsmittel gelöst sind und sich nicht mit der ionischen Flüssigkeit mischen. „Wir haben aus dem hoch selektiven homogenen Katalysator einen heterogenen Katalysator gemacht und so die Vorteile beider Methoden vereint“, erklärt die Chemikerin. Homogene Katalysatoren werden für ihre Reaktionsfreude geschätzt. Doch wenn der Katalysator in einem Lösungsmittel schwimmt – ähnlich wie ein Stück Würfelzucker, das in einem Wasserglas aufgelöst wird – ist er nur schwer zurückzugewinnen, um ihn wiederzuverwenden.

Um den Katalysator nun näher an die Produktion im kontinuierlichen Fluss zu bringen, hat das Forscherteam ihn als Beschichtung in den Poren eines Silicagels verankert. Dabei galt es, die chemischen Eigenschaften mehrerer beteiligter Reagenzien aufeinander abzustimmen und die Umsetzungsprozesse schrittweise zu optimieren, um nur erwünschte chemische Reaktionen an den erwünschten Stellen in einem Molekül ablaufen zu lassen. Die Wechselwirkungen und die Aktivität der Katalyse wurden anschließend mit einer standardisierten Testreaktion überprüft sowie mit Kernspinresonanz- und Infrarot-Spektroskopie getestet.

Ionische Lösung als Anker und Puffer

Es zeigte sich, dass das Silicagel, sobald es mit dem Eisenkomplex-Katalysator zusammengebracht wird, den Katalysator zerstört. Also experimentierte Zita Csendes mit ionischen Lösungen, um störende Prozesse zu binden und das Silicagel mit einer reaktiven Katalysatorschicht zu überziehen. „Wir haben uns nach und nach an die ideale Kombination angenähert, sodass die Poren benetzt, aber nicht komplett gefüllt werden und weder Katalysator noch ionische Lösung in die Reaktionslösung sickern“, erläutert die Projektleiterin das aufwändige und schlussendlich erfolgreiche Prozedere. Auch die beste Ionenkombination in der Lösung wurde genau abgestimmt. So konnte erstmals ein gut definierter, chemoselektiver Eisen-Katalysator für die Hydrierung von Aldehyden publiziert werden. In den Versuchen zeigten sich zudem Hinweise darauf, dass der Katalysator nicht nur in der Chargenfertigung, sondern auch im kontinuierlichen Fluss gut arbeiten könnte.

Originalveröffentlichung:

Brünig, Z. Csendes, S. Weber, N. Gorgas, R. W. Bittner, A. Limbeck, K. Bica, H. Hoffmann, K. Kirchner; "Chemoselective Supported Ionic-Liquid-Phase (SILP) Aldehyde Hydrogenation Catalyzed by an Fe(II) PNP Pincer Complex"; ACS Catalysis; 2018.

Castro-Amoedo, Z. Csendes, J. Brünig, M. Sauer, A. Foelske-Schmitz, N. Yigit, G. Rupprechter, T. Gupta, A. M. Martins, K. Bica, H. Hoffmann, K. Kirchner; "Carbon-based SILP catalysis for the selective hydrogenation of aldehydes using a well-defined Fe(II) PNP complex"; Catalysis Science & Technology; 2018.

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