Adsorbens für Acetylen Was nicht passt… – flexible Kristalle für die Stofftrennung

Stofftrennung ist eine der Kernaufgaben in der Chemie. Doch wie isoliert man einen Reinstoff aus einem Gemisch? Hierfür hat ein internationales Forscherteam ein neuartiges selektives Adsorbens entwickelt. Das Besondere: die Poren des Materials passen sich extra dem Zielmolekül an – in diesem Fall Acetylen.

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Limerick/Irland, Kyoto/Japan, Stellenbosch/Südafrika, Tampa/USA – Aus der Biologie ist das Schlüssel-Schloss-Prinzip bekannt: Ein Substrat passt in sein Enzym wie ein Schlüssel ins Schlüsselloch. Doch diese Veranschaulichung hinkt bekanntlich etwas. Denn die Bindung des Substrats kann auch das „Schlüsselloch“ so formen, dass es perfekt passt. Bei diesem so genannten „Induced Fit“ verändert sich also die Struktur des Enzyms.

Dass dieses Prinzip nicht nur in der Biologie vorkommt, sondern auch in der Chemie, zeigt die Studie eines internationalen Forschungsteams. Dort stellen die Wissenschaftler ein nicht-biologisches kristallines Material vor, das einen Induced-Fit-artigen Bindungsmechanismus zeigt, wenn es Acetylen hochselektiv in seine Poren aufnimmt.

Selektive poröse Materialien

Ein aus der Natur abgeschauter Induced-Fit-Effekt könnte interessant sein, um beispielsweise die Selektivität poröser kristalliner Materialien zu erhöhen und schwierige Trennprozesse oder Gasabscheidungen besser zu bewältigen. Als Kandidaten bieten sich Materialien an, die nicht ausschließlich über klassische chemische Bindungen zusammenhalten. Dazu gehören beispielsweise metall-organische Gerüste (MOFs) und hybride ultramikroporöse Materialien (HUMs). Sie sind weniger starr als klassische poröse Stoffe wie Zeolithe, weil sie Metallatome als Knotenpunkte zwischen ihren organischen und/oder anorganischen Verbindungsstücken besitzen.

Das Team um Susumu Kitagawa und Michael J. Zaworotko von der irischen University of Limerick hat jetzt ein neuartiges weiches HUM entwickelt, das seine Poren so verändern kann, dass Acetylen-Moleküle perfekt hineinpassen. Das Material bindet Acetylen außergewöhnlich stark und ermöglicht eine hochselektive Trennung von Acetylen und Ethylen bzw. Acetylen und Kohlendioxid, schreiben die Autoren.

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Angepasst für den Gast

Hochreines Acetylen ist ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie, z. B. für die Herstellung von Kunststoffen, aber auch für Mikroelektronik. Bei den derzeitigen Herstellverfahren für Acetylen fallen Verunreinigungen wie Ethylen und Kohlendioxid an, deren Abtrennung schwierig und energieintensiv ist. Das neue Induced-Fit-Adsorbens „erkennt“ Acetylen spezifisch als sein Gast-Molekül und ändert seine Struktur reversibel so, dass dichte Hohlräume mit starken Wechselwirkungen und hoher Bindungsenergie für diesen Gast entstehen.

Das neue hybride ultramikroporöse Material (HUM) des Forscherteams hat ein flexibles Gerüst aus Hexafluorosilikat-Anionen, flexiblen organischen Verbindungsstücken sowie Zinkionen als Knotenpunkten. Die Wissenschaftler haben mithilfe von analytischen Methoden und Computermodellen ermittelt, wie sich die Gitterstruktur des HUM bei Anwesenheit von Acetylen verändert. Sie fanden heraus, dass die beobachteten Umwandlungen in erster Linie auf Wechselwirkungen mit den anorganischen Anionen basieren. Dies ist anders als bei bisher bekannten Beispielen für Induced-Fit-Phänomene. Zu erwarten sind eine gute Trennleistung als Adsorbens und ein geringer Energiebedarf für die Regenerierung des Materials.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse hofft das Team, Induced-Fit-Materialien für weitere Arten von Gast-Molekülen entwickeln zu können, die bisher schwierig abzutrennen sind.

Originalpublikation: Dr. Mohana Shivanna, Dr. Ken-ichi Otake, Dr. Bai-Qiao Song, Lisa M. van Wyk, Dr. Qing-Yuan Yang, Naveen Kumar, Dr. Wesley K. Feldmann, Dr. Tony Pham, Shanelle Suepaul, Prof. Brian Space, Prof. Leonard J. Barbour, Prof. Susumu Kitagawa, Prof. Michael J. Zaworotko: Benchmark Acetylene Binding Affinity and Separation through Induced Fit in a Flexible Hybrid Ultramicroporous Material, Angewandte Chemie, First published: 12 July 2021; DOI: 10.1002/ange.202106263

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