Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Radikale bei der Entstehung von Ziegler-Natta-Katalysatoren beobachtet

22.05.2002


Max-Planck-Wissenschaftlern gelingt neuer Einblick in die molekularen Prozesse bei der Aktivierung des bewährten Katalysators



Polyethylen und Polypropylen sind zwei Kunststoffe, die aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken sind. Technisch werden sie durch Kupplung der Gase Ethen oder Propen an der Oberfläche eines festen, so genannten Ziegler-Natta-Katalysators* erzeugt. Wie dieser allerdings auf molekularer Ebene entsteht, weiß man bis heute noch immer nicht genau. Jetzt haben Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin um Thomas Risse und Hans-Joachim Freund den experimentellen Beweis für einen seit langem diskutierten Reaktionsmechanismus geliefert (Angewandte Chemie, 3. Mai 2002).



Ziegler-Natta-Katalysatoren bestehen aus verschiedenen Bestandteilen, deren Wechselwirkung für die Funktionsweise des Katalysators eine entscheidende Rolle spielen. Zum einen besteht ein solches System aus der aktiven Komponente, meist einem Titanzentrum, sowie dem Trägermaterial und einem Aktivierungsreagenz, in diesem Fall einer metallorganischen Aluminiumverbindung (Trimethylaluminium Al(Me)3).

Aufgrund der Komplexität dieses Systems ist es praktisch unmöglich, das genaue Zusammenspiel der Komponenten allein aus Untersuchungen des aktiven Katalysators zu erkennen. Da seine Entstehung fast immer über einen mehrstufigen Prozess abläuft, lassen sich zusätzliche Informationen deshalb durch die Charakterisierung gezielt hergestellter Zwischenstufen erhalten. Die Wissenschaftler des Berliner Fritz-Haber-Instituts präparierten und charakterisierten daher neben dem aktiven Katalysator verschiedene Zwischenstufen. Vor allem eine spezielle Reaktion, nämlich die Aktivierung des Titanzentrums mit der metallorganischen Aluminiumverbindung, stand dabei im Mittelpunkt dieser Experimente - sie ist von zentraler Bedeutung für die Wirksamkeit des Systems.

Doch für einen komplexen, technisch eingesetzten Katalysator ist die molekulare Charakterisierung auch dieser Teilschritte noch nicht möglich. Daher vereinfachten die Max-Planck-Wissenschaftler das untersuchte System auf zwei Wegen weiter. Zum einen verwendeten sie strukturell einfachere Modell-Oberflächen. Zum anderen untersuchten sie das System unter Vakuumbedingungen, um so störende Einflüsse der Umgebung auszuschließen.

Abb. 1: Schematische Darstellung des verwandten Modellkatalysators vor (a) und nach (b) der Aktivierung mit Trimethylaluminium.
Grafik: Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft

Unter kontrollierten Bedingungen beschichteten die Forscher zunächst einen Palladium-Einkristall mit dem eigentlichen Trägermaterial, einem dünnen Magnesiumchlorid-Film. Auf diesem wurden Titanchloride als reaktive Zentren verankert (vgl. Abb.1a). Anschließend wurde dieses System bei tiefen Temperaturen mit Trimethylaluminium aktiviert (vgl. Abbildung 1b). Dabei wird das Titanzentrum durch die Aluminiumverbindung chemisch reduziert.

Das kann auf verschiedene Weise geschehen. Nach einer gängigen Hypothese erfolgt diese Reduktion unter Freisetzung einer sehr reaktiven Spezies, eines so genannten Radikals. Die Berliner Wissenschaftler konnten nun erstmals direkt zeigen, dass bei tiefen Temperaturen (40 Kelvin) tatsächlich Radikale als Zwischenprodukte entstehen. Der Nachweis gelang durch ein Elektronen-Spin-Resonanz-Experiment. Damit ist es möglich, eine charakteristische Eigenschaft dieser speziellen Klasse von Molekülen aufzuspüren. Wegen der großen Reaktivität solcher Verbindungen lassen sich diese Moleküle allerdings nur bei tiefer Temperatur und beim Fehlen geeigneter Reaktionspartner nachweisen - das war der Grund, weshalb sie bislang nicht gefunden wurden.

Durch die beschriebenen Messungen an diesem Modellkatalysator konnten die Wissenschaftler nun erstmals einen "radikalischen" Aktivierungs-Mechanismus - bei dem also Radikale frei werden - zweifelsfrei beweisen. Die Max-Planck-Forscher entdeckten damit einen wichtigen Baustein in der Kette von Reaktionen, die aus einfachen Molekülen einen wirksamen Ziegler-Natta-Katalysator machen. Der hier beschrittene Weg der Verwendung einfacher Modellsysteme zur Untersuchung molekularer Prozesse wird am Fritz-Haber-Institut auch erfolgreich für andere Katalysatorsysteme angewendet. Das dabei gewonnene Verständnis der Prozesse kann künftig zu einer gezielter Weiterentwicklung von Katalysatorsystemen beitragen.

*Ziegler-Natta-Katalysatoren sind nach den beiden Wissenschaftlern Karl Ziegler (1898-1973), Max-Planck-Institut für Kohlenforschung, Mülheim/Ruhr, und dem italienischen Chemiker Giulio Natta (1903-1979) benannt, die 1963 gemeinsam mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet worden sind. Originalveröffentlichung der Arbeit:

T. Risse, J. Schmidt, H. Hamann, and H.-J. Freund, Angew. Chem. Int. Ed. 41, 1517 (2002).

Dr. Bernd Wirsing | Presseinformation

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Software mit Grips
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main

nachricht Einen Schritt näher an die Wirklichkeit
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics