Photokatalyse Chemie mit Schwarzlicht statt teuren Metallkatalysatoren

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Forscher am Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse nutzen ultraviolettes Licht, um chemische Reaktionen anzutreiben. Ihre organischen Photokatalysatoren sollen teure Edelmetalle ersetzen und Synthesewege verkürzen. Künftig wollen die Wissenschaftler sogar chirale Moleküle lichtgetrieben herstellen.

Am Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse (Likat) schalten Dr. Jola Pospech und ihr Team regelmäßig das Schwarzlicht an. Sie erforschen neue Wege für klassische Reaktionspfade auf dem Gebiet der Photokatalyse und nutzen dazu eben jenes UV-A-Licht, das gerade noch sichtbar ist und in der Zahnmedizin ebenso verwendet wird wie im Partykeller.

„Dieses Licht hat in unserem Fall die richtige Wellenlänge, um chemische Reaktionen in Gang zu setzen“, erläutert Pospech. „Wir richten das LED-Panel auf das Reaktionsgefäß, dort treffen die Photonen auf die äußeren Elektronenpaare beteiligter Stoffe, in unserem Falle des Katalysators, und dieser geht in einen so genannten angeregten Zustand über.“ Damit kann der Katalysator chemische Ausgangsstoffe aktivieren und Reaktionen beschleunigen.

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Beispiel: Hydrofunktionalisierung

Jahrhundertelang setzten Chemiker lediglich Hitze ein, um die Stoffe in ihren Reaktionsgefäßen zu aktivieren. „Mit Licht kann ich sehr viel schneller und mit viel größeren Energiemengen die Aktivierungsbarriere überwinden“, sagt Pospech. Durch moderne LED-Technik lässt sich dabei die Wellenlänge der Lichtquelle haargenau auf das Absorptionsspektrum des Katalysators abstimmen.

Als Beispiel nennt die Chemikerin die Hydrofunktionalisierung. Dabei handelt es sich um einen Reaktionspfad, der sehr „atomökonomisch abläuft“: beteiligte Stoffe werden bis auf das letzte Atom umgesetzt, ohne Nebenprodukte. Dabei entstehen wertvolle Produkte, wie bioaktive Amine, die natürlicherweise in Neutransmittern vorkommen und wichtig sind für die Wirkstoff-Entwicklung.

Viele dieser Reaktionen laufen bislang mit Katalysatoren aus seltenen und teuren Metallen ab, mit vielen Zwischenschritten, Co-Katalysatoren und Opferreagenzien. „Die dienen lediglich dazu, ein zusätzliches Elektron zu spenden, damit an entsprechender Stelle ein anderes Elektron energetisch günstig den Partner wechseln kann“, erläutert Pospech.

Organische Katalysatoren mit selektiven Funktionen

Die Likat-Forschungsgruppe entwickelte alternativ organische Photoredox-Katalysatoren, die auf Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff bestehen. „Die von uns genutzten Verbindungen sind günstig herzustellen, lassen sich durch Schwarzlicht präzise und schnell aktivieren und sind mechanistisch multifunktional.“ Co-Katalysatoren und Opferreagenz werden damit obsolet, wie die Wissenschaftlerin erklärt.

Aktuell arbeiten die Rostocker Chemiker daran, ihrem Katalysator selektive Funktion zu verleihen, und zwar über den Einbau von Aminosäuren. Dies soll helfen rechts- und linkshändige (chirale) Moleküle licht-getrieben herzustellen. Hierfür braucht der Katalysator einen „räumlichen Sinn“, eine Stereoinformation. Nach Pospechs Idee könnten Aminosäuren solche Stereoinformationen vermittelt, denn sie weisen definierte dreidimensionale Strukturen auf. Nach Einschätzung der Chemikerin ist man in der Praxis durchaus motiviert, solche Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung industriell zu nutzen. Zumindest auf lange Sicht. „Jedes größere Chemieunternehmen verfügt mittlerweile in der Forschung über Abteilungen für Photokatalyse und Elektrochemie.“ Das Likat sieht sie damit am Puls der Zeit.

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