Neuer Weg zu leistungsstarken Katalysatoren

Mehr als 80 Prozent aller Produkte der chemischen und pharmazeutischen Industrie benötigen schon heute den Einsatz von Katalysatoren. Katalysatoren sind Stoffe, die bei einer chemischen Reaktion selbst nicht verbraucht werden, sondern die entsprechende Reaktion beschleunigen und zum gewünschten Produkt hin steuern können.

Bis heute gilt das Aufspüren optimaler Katalysatoren als Suche nach der Nadel im Heuhaufen und ist meist von Intuition und Zufall abhängig. Um einen optimalen Katalysator schneller als bisher zu finden, hat die Arbeitsgruppe von Bernhard Breit, Professor für Organische Chemie und Internal Senior Fellow des Freiburg Institute for Advanced Studies (FRIAS), ein völlig neues Konzept entwickelt. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse nun in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Nature Chemistry“.

Das neue Verfahren zur Katalysatorherstellung und -identifizierung bedient sich eines kombinatorischen Ansatzes. Dabei werden Katalysatorbibliotheken durch Mischen sich ergänzender Einzelkomponenten hergestellt, die Wasserstoffbrückenbindungen miteinander ausbilden. Ohne zusätzliche Syntheseschritte entstehen definierte molekulare Katalysatoren. Um aus dieser Bibliothek von Katalysatoren den aktivsten und selektivsten Kandidaten zu identifizieren, wurde das Prinzip der wiederholten Dekonvolution (Entwirrung) entwickelt. Dazu wird die Gesamtbibliothek in Unterbibliotheken eingeteilt. Diese Unterbibliotheken treten nun in Testreaktionen mit vorher definierten Wettebewerbskriterien gegeneinander an. In einem nächsten Schritt konzentrierten sich die Forscher ausschließlich auf die Unterbibliothek, die das beste Resultat in diesem Wettbewerb geliefert hatte. Diese beste Unterbibliothek unterteilten sie erneut in kleinere Einheiten, die wiederum gegeneinander in der gleichen Testreaktion antraten.

Dieses Verfahren wurde so lange fortgesetzt, bis die besten Einzelkatalysatoren identifiziert waren. Auf diese Weise konnten aus einer Bibliothek von 120 Katalysatoren in jeweils 17 Einzelexperimenten für verschiedene Klassen von Substraten jeweils hervorragende Katalysatoren ermittelt werden. Dieser Ansatz ist dem klassischen Vorgehen, bei dem 120 Katalysatoren parallel getestet werden, klar überlegen. Der Ansatz ist allgemein gültig und sollte auf viele Probleme der chemischen und biochemischen Katalyse übertragbar sein.

Joerg Wieland & Bernhard Breit: Nature Chemistry (2010) doi:10.1038/nchem.800

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