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Photoredoxkatalyse mit Titan Grünes Licht für umweltfreundlicheren Katalysator

| Redakteur: Christian Lüttmann

Ein neu entwickelter Katalysator auf Titanbasis soll maßgeschneiderte Reaktionen ermöglichen, etwa für Bausteine antiviraler Medikamente. Der Titankatalysator ist kostengünstiger und weniger schädlich als andere verwendete Metallkatalysatoren und nutzt grünes Licht als Aktivierungsenergie.

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Kolben mit dem Titan-Katalysator und dem roten Farbstoff, die im Labor des Kekulé-Instituts für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn mit grünem Licht bestrahlt werden.
Kolben mit dem Titan-Katalysator und dem roten Farbstoff, die im Labor des Kekulé-Instituts für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn mit grünem Licht bestrahlt werden.
(Bild: Zhenhua Zhang)

Bonn, Bethlehem/USA – In chemischen Molekülen führen die Elektronen ungern ein Single-Dasein, sie kommen meistens paarweise vor. Dann sind sie besonders stabil und neigen nicht zu neuen Partnerschaften in Form neuer Verbindungen. Um Moleküle zur Reaktion zu bringen, ist daher in vielen Fällen eine Form von Energiezufuhr nötig. Das kann etwa Hitze sein, oder aber Licht. Denn wenn mithilfe von Photonen ein Teil der Elektronen auf ein höheres Energieniveau gebracht wird, sieht es mit deren „Monogamie“ anders aus: In einem solch angeregten Zustand geben die Moleküle gern ein Elektron ab oder nehmen eines auf. Dadurch entstehen Radikale, deren Solo-Elektronen sehr reaktiv sind und leicht neue Verbindungen bilden.

Leicht anzuregende Elektronen aus Kohlenstoffring

Berechnetes Absorptionsspektrum des Titanocendichlorids [(C5H4)2TiCl2] und in der Anregung beteiligte Molekülorbitale.
Berechnetes Absorptionsspektrum des Titanocendichlorids [(C5H4)2TiCl2] und in der Anregung beteiligte Molekülorbitale.
(Bild: Tobias Hilche)

Auf diesem Prinzip beruht ein neuer Katalysator von Chemikern der Universität Bonn und der US-amerikanischen Lehigh University in Bethlehem: Im Zentrum befindet sich Titan, das mit einem Kohlenstoffring verbunden ist. Darin sind die Elektronen besonders beweglich und lassen sich leicht anregen. Grünes Licht reicht aus, um mithilfe des Katalysators durch eine Elektronenübertragung reaktive organische Zwischenprodukte zu erzeugen, die sonst nur schwer zugänglich sind. „Wir haben im Labor einen Reaktionskolben mit einem roten Farbstoff und dem Titankatalysator mit grünem Licht bestrahlt, und es hat sofort funktioniert“, sagt Prof. Dr. Andreas Gansäuer vom Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn: Aus dem Gemisch entstanden Radikale, die viele Reaktionszyklen in Gang setzen, aus denen verschiedenste chemische Produkte erzeugt werden können.

Wichtig bei den Reaktionen mit diesem Photo-Redox-Katalysator ist die Wellenlänge des verwendeten Lichtes. „Ultraviolette Strahlung ist ungeeignet, weil sie viel zu energiereich ist und die organischen Verbindungen zerstören würde“, erklärt Gansäuer. Grünes Licht aus LED-Lampen ist gleichzeitig milde und energiereich genug, um die Reaktion in Gang zu setzen.

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Maßgeschneiderte Katalysatoren

Katalysatoren sind Stoffe, die die Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen erhöhen und die Aktivierungsenergie senken, ohne selbst verbraucht zu werden. Damit stehen sie dauerhaft zur Verfügung und setzen Reaktionen in Gang, die ansonsten so nicht ablaufen würden. Der neue Titankatalysator, den die Forscher aus Bonn und Bethlehem entwickelt haben, lässt sich hinsichtlich der gewünschten Produkte maßschneidern, je nachdem, mit welchem organischen Molekül das Titan verbunden ist. Die zugrunde liegende organische Chemie beruht auf Kohlenstoffverbindungen, die sich ähnlich wie mit einem Legobaukasten zusammenfügen lassen.

Bausteine für antivirale Medikamente oder lumineszierende Farbstoffe

Der neue Titankatalysator hilft bei der Produktion von Epoxiden – eine chemische Stoffgruppe, zu der auch das Epoxidharz gehört, das als Klebstoff oder für Verbundwerkstoffe verwendet wird. Die Wissenschaftler haben es jedoch nicht auf dieses Massenprodukt abgesehen, sondern auf die Synthese viel wertvollerer Feinchemikalien. „Mit dem auf Titan basierenden, maßgeschneiderten Photo-Redox-Katalysatoren lassen sich Bausteine zum Beispiel für antivirale Medikamente oder lumineszierende Farbstoffe herstellen“, sagt Gansäuer. Er ist zuversichtlich, dass diese neuen Katalysatoren eine kostengünstige und unschädliche Alternative für bislang verwendete Katalysatoren darstellen, die auf sehr teuren und giftigen Metallen wie Ruthenium und Iridium beruhen.

Originalpublikation: Zhenhua Zhang, Tobias Hilche, Daniel Slak, Niels Rietdijk, Ugochinyere N. Oloyede, Robert A. Flowers II and Andreas Gansäuer: Titanocenes as Photoredox Catalysts Using Green-Light Irradiation, internationale Ausgabe der Zeitschrift „Angewandte Chemie“, 26 March 2020; DOI: 10.1002/anie.202001508

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