Goldene Kugelmühlen als grüner Katalysator

Ein mit Gold beschichteter Mahlbecher für Kugelmühlen hat sich in der Forschungsarbeit der Anorganischen Chemie der Ruhr-Universität Bochum als wahrer Wundertopf erwiesen: Ganz ohne Lösungsmittel und umweltschädliche Chemikalien konnte das Team um Prof. Dr. Lars Borchardt darin Alkohole in Aldehyde umwandeln. Die katalytische Reaktion läuft an der Goldoberfläche ab und wird mechanisch angetrieben. Das Gefäß ist mehrfach wiederverwendbar. „Das eröffnet neue Perspektiven für die Anwendung von Gold in der Katalyse und zeigt, wie traditionelle Materialien auf innovative Weise zur Lösung moderner Umweltprobleme beitragen können“, so Borchardt.

Das Team berichtet in der Zeitschrift Angewandte Chemie vom 27. Mai 2024.

Aldehyde sind essenzielle Verbindungen in der chemischen Industrie. Sie finden Verwendung in der Herstellung von Medikamenten, Vitaminen und Duftstoffen. Die selektive Oxidation von Alkoholen zu Aldehyden ohne Nebenreaktionen ist daher von großer Bedeutung. Bei vielen herkömmlichen Methoden kommt es häufig zur Überoxidation, wobei sich unerwünschte Nebenprodukte wie Carbonsäuren und Ester bilden. Traditionelle Verfahren zur Oxidation von Alkoholen erfordern zudem oft den Einsatz von Lösungsmitteln und umweltschädlichen Chemikalien. Sie erzeugen nicht nur gefährliche Abfälle, sondern bringen auch erhebliche Gesundheitsrisiken für die Anwendenden mit sich. Zusätzlich werden häufig hohe Temperaturen und Drücke verwendet, die zu einer Zersetzung temperaturempfindlicher Substrate führen können.

Wiederverwendbare Gefäße

Das Bochumer Team nutzt stattdessen die Mechanochemie. Kugelmühlen, üblicherweise für das Zerkleinern von Materialien verwendet, kommen dabei zur Durchführung von chemischen Reaktionen zum Einsatz. Der entscheidende Durchbruch liegt in der Verwendung von Mahlgefäßen, die mit einer nur wenige Nanometer dünnen Schicht aus Gold beschichtet sind. „Da wir herausgefunden haben, dass die Reaktion ausschließlich auf der Goldoberfläche stattfindet, konnten wir uns durch das einfache Beschichten des Mahlgefäßes auf geringste Mengen des wertvollen Metalls beschränken“, sagt Erstautor Maximilian Wohlgemuth. „Die Gefäße sind noch dazu über mehrere Reaktionen hinweg wiederverwendbar.“

Die katalytische Reaktion läuft direkt in der Kugelmühle ab, ohne den Einsatz schädlicher Lösungsmittel und unter milden Bedingungen, was die Integrität der Substrate bewahrt, und die Energieeffizienz erhöht. „Unsere Methode erzeugt deutlich weniger Abfall und verzichtet auf die aufwendige Herstellung molekularer Goldverbindungen oder Goldnanopartikel“, fasst Wohlgemuth zusammen. Das macht den Prozess nicht nur nachhaltiger, sondern auch kosteneffizienter.

Übertragbar auf viele Bereiche der Chemie

Die Einführung von Gold als Katalysator in mechanochemischen Prozessen hat das Potenzial, in vielen Bereichen der Chemie Anwendung zu finden. „Unsere Ergebnisse könnten den Weg für weitere Forschungen und Entwicklungen ebnen, die auf der Nutzung von Edelmetallen in umweltfreundlichen Prozessen basieren“, meint Lars Borchardt. „Die Kombination aus hoher Effizienz, geringer Umweltbelastung und Kosteneffektivität macht unsere Methode zu einem vielversprechenden Ansatz für die Zukunft der Chemie.“

Förderung

Die Arbeiten wurden gefördert durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union („Mechanocat“, Fördervereinbarung Nr. 948521).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Lars Borchardt
Lehrstuhl Anorganische Chemie I
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 29431
E-Mail: lars.borchardt@ruhr-uni-bochum.de

Originalpublikation:

Maximilian Wohlgemuth, Sarah Schmidt, Maike Mayer, Wilm Pickhardt, Sven Graetz, Lars Borchardt: Festphasen-Alkoholoxidation mittels Direkter Mechanokatalyse, in: Angewandte Chemie, 2024, DOI: 10.1002/anie.202405342, https://doi.org/10.1002/anie.202405342

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