Neuartige Katalysereaktionen sollen die Welt umweltfreundlicher und sauberer machen
Das vom Europäischen Forschungsrat geförderte Projekt SUSCAT (New Directions in Sustainable Catalysis by Metal Complexes) stützt sich auf mehrere Bereiche, darunter fundamentale metallorganische Chemie, Koordinationschemie, organische Synthese, Kinetik, Spektroskopie, Katalyse und Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT), die auf quantenmechanischen Berechnungen beruhen. „Insgesamt waren unsere Hauptziele in SUSCAT die Erschließung und anschließende Entwicklung neuartiger, nachhaltiger und umweltfreundlicher Katalysereaktionen“, erklärt David Milstein, Hauptforscher des Projekts, Professor und Inhaber des Israel Matz Lehrstuhls für Organische Chemie am Weizmann-Institut für Wissenschaften. „Solche Reaktionen sind nützlich für umweltfreundliche organische Synthesemethoden, die keinen Abfall erzeugen und nachhaltige Substrate verwenden, sowie für die Entwicklung von flüssigen organischen Wasserstoffträgersystemen.“
Zahlreiche Katalysator-Erfolge
Die von SUSCAT verwendete Methode zur Katalysatorentwicklung basiert auf einem mechanistischen Ansatz, bei dem sowohl experimentelle als auch rechnerische Methoden zum Einsatz kommen. Von besonderer Bedeutung für die Arbeit war die Verwendung von Pincer-Liganden als Katalysatoren. Kurz gesagt sind Pincer-Liganden eine Familie von Verbindungen, die einen wichtigen Einfluss auf die jüngste katalytische Entwicklung von organischen Synthesemethoden hatten, da sie stabil und zu vielseitigen Reaktivitätsarten in der Lage sind. SUSCAT hat diese Pincer-Liganden verwendet, um mehrere umweltfreundliche und nachhaltige Katalysereaktionen zu entwickeln, die für die organische Synthese nützlich sind und die derzeit verwendeten umweltschädlichen Prozesse ersetzen können. „Zum Beispiel wird eine unserer kürzlich entwickelten, bisher nicht dagewesenen Reaktionen durch einen neuartigen Pincer-Mangan-Liganden katalysiert und führt zu einer Familie von Verbindungen (Acrylnitril-Derivate), die wertvolle Zwischenprodukte in der organischen Synthese einer Vielzahl von Produkten wie Farbstoffen, Herbiziden, Duftstoffen, Pharmazeutika und Naturprodukten sind“, sagt Milstein. „Traditionelle Methoden zur Herstellung dieser Produkte erzeugen schädliche Abfälle, daher ist unsere neue Methode wirklich umweltfreundlicher und besser für die Natur.“ Ein weiteres Beispiel für die Erfolge von SUSCAT bei umweltfreundlichen Katalysereaktionen ist die abfallfreie, einstufige Direktsynthese von Amiden (wichtig für die Pharmaindustrie, wobei die traditionelle Amidsynthese jedoch viel Abfall erzeugt) und, als erfreuliche Nebenfolge, die Erzeugung von wertvollem Wasserstoffgas. Ein drittes und sehr umweltrelevantes Beispiel für eine von SUSCAT durchgeführte Reaktion ist die noch nie dagewesene hydrierende Depolymerisation des weit verbreiteten, robusten Nylons zu Aminoalkoholen, effizient katalysiert durch einen Ruthenium-Pincer-Ligand. „Nylon ist weit verbreitet und biologisch nicht abbaubar, was zu einer erhöhten Verschmutzung von Land und Meeren geführt hat und eine ernsthafte Bedrohung für das Ökosystem darstellt“, sagt Milstein. „Deshalb ist unsere Entwicklung so bedeutsam, da die Aminoalkohole wieder zu Nylon mit ähnlichem Molekulargewicht polymerisiert werden können und so einen umweltfreundlichen und nachhaltigen Kreislauf für das Recycling von Nylonabfällen ermöglichen.“
Die Wasserstoff-Verbindung
SUSCAT war auch führend bei der Entwicklung eines neuen flüssigen organischen Wasserstoffträgersystems zur sicheren und nachhaltigen Speicherung von Wasserstoff, der als umweltfreundlicher Energieträger genutzt werden kann. „Wasserstoff gilt aufgrund seiner hohen gravimetrischen Energiekapazität und der Tatsache, dass er bei der Verbrennung nur Wasser erzeugt, als attraktiver Energievektor“, erklärt Milstein. „Allerdings ist seine volumetrische Energiekapazität sehr gering, was seine Speicherung (beispielsweise in Autos) bei sehr hohem Druck im gasförmigen Zustand oder als Flüssigkeit bei sehr niedriger Temperatur (-253 °C) erfordert – beides ist mit erheblichem Energieaufwand verbunden und kann potenziell gefährlich sein. Die Verwendung von flüssigen organischen Wasserstoffträgersystemen kann diese Probleme beseitigen.“ Die Lösung von SUSCAT basiert auf der Tatsache, dass viele der Reaktionen des Projekts Wasserstoffgas erzeugen oder verbrauchen, und als natürlicher nächster Schritt wurde ein flüssiges organisches Wasserstoffträgersystem zur Wasserstoffspeicherung entwickelt. „Die theoretische Wasserstoffkapazität dieses Systems liegt bei 6,5 Gewichtsprozent und damit höher als die Zielvorgabe des Energieministerium der Vereinigten Staaten für die Lagerung von Wasserstoff an Bord leichter Nutzfahrzeuge, die bei 5,5 Gewichtsprozent liegt“, so Milstein weiter. „Obwohl unser flüssiges organisches Wasserstoffträgersystem noch weiter entwickelt werden muss, glauben wir, dass es das Potenzial hat, ein führendes System im Bereich der flüssigen organischen Wasserstoffträgersysteme zu werden, wenn man bedenkt, dass es ein billiger, reichlich vorhandener, nachhaltiger Wasserstoffträger ist, dass nur ein einziger Katalysator verwendet wird, dass die Betriebsbedingungen schonend sind und dass es mit der bestehenden Infrastruktur an Tankstellen kompatibel ist.“ Mit Blick auf die Zukunft planen Milstein und sein Team, ihre Arbeit an neuen Katalysereaktionen für umweltfreundliche Syntheselösungen und Wasserstoff fortzusetzen, möglicherweise in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie. „Worauf ich im Hinblick auf SUSCAT am meisten stolz bin, ist, dass wir hoffentlich einen Beitrag zur Entwicklung einer wirklich umweltfreundlicheren Welt geleistet haben“, so Milstein abschließend.
Schlüsselbegriffe
SUSCAT, Katalysatoren, organische Synthese, Pincer-Liganden, Wasserstoff, Wasserstoffspeicherung, flüssige organische Wasserstoffträger, Europäischer Forschungsrat
