Molekulare Katalysatoren Minibatterie für chemische Reaktionen

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Die Eigenschaften der Moleküle werden stark von Elektronen bestimmt. Sie ermöglichen Bindungen von Atomen, sind der Schlüssel zu chemischen Reaktionen. Forscher haben nun an einem Modell-Molekül untersucht, wie Elektronen bei einer Katalyse übertragen werden. Das speziell designte Molekül könnte als Prototyp für neue molekulare Katalysatoren dienen, in denen es wie eine Minibatterie seine Elektronen zur Verfügung stellt.

Oldenburg – Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen. Im Körper sind es oft Enzyme, also spezielle geformte Moleküle. Doch auch für den technischen Einsatz gibt es molekulare Katalysatoren. Wie diese speziellen Moleküle chemische Reaktionen ermöglichen oder beschleunigen, haben Oldenburger Chemiker anhand eines Modell-Moleküls untersucht.

Um die Funktionsweise des Moleküls zu verstehen, kombinierten die Wissenschaftler elektrochemische und spektroskopische Experimente mit dem Einsatz des Hochleistungs-Rechenclusters der Universität. Konkret untersuchte das Autorenteam eine Molekülstruktur, deren Prototyp bereits 2006 erstmals in den Laboren des Oldenburger Instituts für Chemie entstand, die aber bislang in vielerlei Hinsicht noch Rätsel aufgab. Es handelt sich um ein komplexes Molekül, dessen Zentrum (auch Brückenligand genannt) aus Kohlenstoff und Stickstoff besteht, worüber drei Titan-Metallzentren verbunden sind.

Mehrfache Elektronenübertragung untersucht

Bei einer solchen Verbindung ist zu erwarten, dass sie mehrere Elektronen aufnehmen und abgeben kann, z.B. indem die Metallzentren untereinander Elektronen austauschen. Diesen Elektronenaustausch besser zu verstehen, ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant: Denn Reaktionen zu ermöglichen oder beschleunigen, bei denen mehr als ein Elektron übertragen wird, stellt in technischen Systemen eine große, bislang nicht gut gelöste Herausforderung dar.

Dies trifft beispielsweise auf die Brennstoffzelle zu. Dort müssen für einen Elektronenfluss von Wasserstoff auf Sauerstoff gleichzeitig vier Elektronen auf ein Sauerstoffmolekül übertragen werden. „Solche Mehrelektronen-Reaktionen bergen auch in der chemischen Produktion große Potenziale, um Material oder Energie einsparen zu können“, sagt Prof. Dr. Gunther Wittstock, einer der Autoren der Studie.

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Hohe Kapazität für einzelnes Molekül

Die Modellverbindung aus Brückenligand und Titanzentren sollte helfen, um im Detail verstehen zu können, wie Verbindungen mit mehreren Metallzentren Elektronen aufnehmen und abgeben. Dies wird durch Anregung mit Licht entschlüsselt, auf die das Molekül je nach auf- oder abgegeben Elektronen anders reagiert.

Um das Modellmolekül besser untersuchen zu können, fügten die Wissenschaftler der Struktur propellerartig geformte Teile an. So verbesserten sie die Löslichkeit und machten die weiteren Experimente möglich. Dabei fanden sie heraus, dass die Modellverbindung insgesamt drei Elektronen aufnehmen oder aber sechs Elektronen abgeben kann – eine ungewöhnlich hohe Kapazität für ein einzelnes Molekül. Bei jeder dieser Reaktionen ändert sich nicht nur die sichtbare Farbe des Moleküls, sondern auch der fürs menschliche Auge teils unsichtbare Spektralbereich.

Minibatterie mit positivem Rahmen

Während gängige Erklärungen davon ausgehen, dass sich bei jedem durch Licht angeregten Übergang nur die Energie eines einzigen Elektrons ändert, vermieden die Oldenburger Forscher derartige vereinfachende Vorannahmen bei den quantenchemischen Gleichungen. Dadurch wurden die Rechnungen zwar komplexer und beschäftigten den Hochleistungs-Rechencluster monatelang. Das Ergebnis war den Aufwand aber wert.

So fanden die Forscher heraus, dass im untersuchten Molekül gleich mehrere Elektronen zusammen ihre Energieniveaus ändern, wenn Licht auf die Substanz trifft. Zudem wird diese Ladung nicht – wie erwartet – auf dem Titan gespeichert, sondern vorwiegend auf dem Brückenliganden, dem „Verbindungsstück“ dazwischen. Die Metallzentren bilden dabei sozusagen einen positiv aufgeladenen Rahmen für den Elektronenspeicher in der Mitte als „Minibatterie“, wie Wittstock erläutert.

Das Modell-Molekül – und damit eine ganze Klasse ähnlicher Verbindungen – habe sich als „Mini-Ausschnitt aus einem Energiespeichermaterial“ erwiesen. Zwar lässt sich dessen Potenzial noch nicht abschätzen, aber Wittstock zufolge könnten solche „Rahmen“ perspektivisch ein neues Designelement komplexer molekularer Katalysatoren für Mehrelektronen-Reaktionen mit eingebautem Elektronenspeicher werden.

Originalpublikation: Aleksandra Markovic, Luca Gerhards, Pia Sander, Carsten Dosche, Thorsten Klüner, Rüdiger Beckhaus, Gunther Wittstock: Electronic Transitions in Different Redox States of Trinuclear 5,6,11,12,17,18‐Hexaazatrinaphthylene‐Bridged Titanium Complexes: Spectroelectrochemistry and Quantum Chemistry, ChemPhysChem, 2020, 21, 2506-2514, DOI 10.1002/cphc.202000547.

* Dr. C. Dahm-Brey, Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg, 26129 Oldenburg

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