Einfach eine Prise Eisen zugeben

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Sjoerd Harder, Lehrstuhl für Anorganische und Metallorganische Chemie, berichtet in der Zeitschrift Nature Communications über eine neue Klasse von Katalysatoren für die Hydrierung, einer der wichtigsten industriellen Prozesse in der Herstellung von Bulk- und Feinchemikalien. Mit kleinsten Katalysatormengen konnten hochsubstituierte Alkene und sogar Aromaten extrem effizient hydriert werden. Insbesondere erstaunte die leichte Hydrierbarkeit von aromatischen Ringen – ein Prozess wofür üblicherweise edle Metalle wie Platin eingesetzt werden. Der neue Hybrid-Katalysator ist eine Mischung aus Eisen (Fe) und Barium (Ba), zwei Metalle die relativ häufig in der Natur vorkommen. Die Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die Zugabe von Eisen auch weitaus besser verfügbare Metalle wie Magnesium (Mg) oder Kalzium (Ca) ebenfalls zu hochaktiven Hydrierungskatalysatoren macht.

„Der Schlüssel zu dieser Chemie ist die Aktivierung dieser Metalle mittels Metalldampfsynthese. Das heißt, die Metalle werden unter Hochvakuum verdampft und durch schnelles Abkühlen in eine organische Matrix wieder kondensiert. Wie unsere Kooperationspartner an der Universität Duisburg (Prof. Dr. Stephan Schulz und Dr. Georg Bendt) ermitteln konnten, ergibt dies ein hochporöses Metall mit einer großen, hochreaktiven Oberfläche. Wir schätzen uns besonders glücklich, dass Ulrich Zenneck, FAU-Professor im Ruhestand, uns mit dieser Technik vertraut machte und seine  Expertise aus mehr als vierzig Jahren Forschung an Dr. Christian Färber weitergeben konnte“, sagt Prof. Dr. Sjoerd Harder.

Dr. Färber ergänzt: „Wir konnten vorher schon zeigen, dass aktiviertes Barium ein unerwartet guter Hauptgruppenmetall-Katalysator für die Hydrierung von ungesättigten Bindungen ist. Wir hatten aus Neugier auch Eisen auf diese Weise aktiviert, aber herausgefunden, dass es per se ein recht bescheidener Katalysator ist. Dann habe ich schließlich beide Metalle durch Mischen kombiniert und entdeckt, dass die Aktivität mit einem Faktor von mindestens 1000 ansteigt! Ich konnte diese Befunde fast nicht glauben. Benzol wurde innerhalb kürzester Zeit vollständig zu Cyclohexan umgesetzt: Statt eine Reaktionszeit von 144 Stunden mit Barium alleine, braucht man nur noch 30 Minuten mit der Barium-Eisen-Kombination – und das mit viel weniger Katalysator! Unser vorgeschlagener Mechanismus wird von vielen Beobachtungen unterstützt. Die Eisen-Oberfläche bindet Benzol, welches dann für einen chemische Angriff mit einem löslichen Ba-Hydridintermediat aktiviert ist.“

„Diese Katalysatoren sind im Hinblick auf die Zusammenarbeit eines Hauptgruppenmetalls mit Eisen, ein billiges und häufig vorkommendes Übergangsmetall, einzigartig“, fügt Prof. Dr. Harder hinzu. „Was diese Katalysatoren auch besonderes macht, ist die Kooperation eines homogenen Katalysators in Lösung mit einer unlöslichen, heterogenen Komponente. Am Ende der Reaktion fällt das ganze Katalysatorsystem wieder aus als Feststoff. Weil Eisen magnetisch ist, kann man den gesamten Katalysator einfach mit einem Magneten abtrennen und ohne Aktivitätsverlust wieder neu verwenden. Das macht diese Chemie richtig nachhaltig. Wir sind von dieser neue Klasse von Kombi-Katalysatoren sehr fasziniert und spüren, dass dies nur der Anfang ist. Mit so vielen Metallen im Periodensystem ist die Anzahl der Kombinationen nahezu endlos.“

Weitere Informationen

Open Access Artikel in Nature Communications: https://rdcu.be/cPimn

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