Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hansdampf im Katalyselabor: LIKAT-Chemiker vereinfachen die Amin-Synthese

22.10.2018

Das wäre einmal eine chemische Reaktion im Sinne der Nachhaltigkeit: Die Ausgangssubstanzen lassen sich aus erneuerbaren Rohstoffen herstellen, und als Abfallprodukt fällt bei der Reaktion – neben der gewünschten Substanz – einzig Wasser an! Chemiker am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock haben ein solches Verfahren entwickelt, und zwar für die Synthese von Aminen, das sind wichtige Grundstoffe für Chemie und Pharmazie. Die Forscher nutzen dafür einen schlicht gebauten Katalysator auf der Basis von Ruthenium. Und am meisten überraschte sie das breite Spektrum von Aminverbindungen, die dieser Katalysator hervorbringt. Sie berichten darüber in NATURE COMMUNICATIONS.

Das Spektrum beginnt bei simplen chemischen Grundbausteinen etwa für Waschmittel und Farben, denen Amine Fett- bzw. Wasserlöslichkeit verleihen. Und es endet bei komplexen Aminverbindungen für die Arzneimittelherstellung. Für all dies konnte eine Gruppe von Forschern um LIKAT-Direktor Mathias Beller nachweisen, dass die neue Synthese funktioniert.


Auswahl an verschiedenen Katalysatoren aus LIKAT-Laboren

nordlicht LIKAT

In Medikamenten sorgen Aminogruppen dafür, dass der Wirkstoff an entsprechende Zellstrukturen im Organismus, an die Rezeptoren, andockt. Außerdem eignet sich der Einsatz von Aminen zur Erkundung neuer Wirkstoffe, weil schon geringe Änderungen in ihren Parametern die Wirkstoffeigenschaften beeinflussen können. So lässt sich mit Aminen im Hochdurchsatz-Screening die Wirkweise bekannter Verbindungen modifizieren und die Funktion neuer Substanzen testen.

Arbeitspferd Ruthenium

Üblicherweise brillieren Forscher in der Fachliteratur mit komplexen, hochspeziell designten Substanzen. Viele kommerzielle Ruthenium-Katalysatoren hingegen sind schlicht und stehen in unterschiedlichsten Laboren der Welt. Jacob Schneidewind, mit fast 22 Jahren der jüngste Doktorand am LIKAT und Mitautor, nennt sie „Hansdampf in allen Gassen“, stets zuverlässig und ausgeglichen.

Chemiker setzen bei neuen Experimenten zunächst oft auf dieses Arbeitspferd. Doch die Ruthenium-Spezies erbringt gewöhnlich nur ein begrenztes Spektrum an Verbindungen, weshalb Chemiker im Forschungsprozess dann auf komplexe Katalysatoren umsatteln.

Jagadeesh Rajenahally, einer der federführenden Autoren des Nature Com-Papers: „Wir waren sehr überrascht, dass ein so simpler Katalysator die Herstellung von Aminen in einem derart breiten Spektrum ermöglicht.“ Dies macht die Synthese aus dem LIKAT auch so attraktiv. Rajenahally ist sich sicher, dass die Veröffentlichung Wissenschaftler weltweit animieren wird, mehr als bisher einfache, günstige Wege in der Katalyseforschung zu beschreiten.

Kaskaden-Theorie bestätigt

Die Ergebnisse sind neben ihrer Bedeutung für Ökologie und Ökonomie aus einem weiteren Grund von Interesse für die Fachwelt. Indem das Team die Reaktion auf atomaren Ebene analysierte, fand es Antworten auf grundlegende Fragen der Katalyse. Üblicherweise läuft so eine chemische Reaktion wie in einer Blackbox ab:

Die Ausgangsstoffe, in diesem Falle ein Aldehyd oder Keton und Ammoniak, werden zusammen mit einer Vorstufe des Katalysators, in einer Lösung verrührt. Erst dort nimmt der Katalysator jene Form an, in der er aktiv werden kann, und die Stoffe reagieren miteinander. Am Ende entstehen Aminverbindungen und Wasser.

Für die Entwicklung von Synthesen mag das reichen. Grundlagenforscher aber wollen es genauer wissen: Was läuft da wie ab? Unter welchen Umständen wird der Katalysator aktiv? In welcher Phase ist er am aktivsten und was deaktiviert ihn am Ende? Dies zu erkunden half dem Forscherteam die Expertise von Jacob Schneidewind im Umgang mit Ruthenium-Katalysatoren und mit der NMR-Spektroskopie, die die elektronische Umgebung einzelner Atome und ihre Wechselwirkung untersucht. Er hat damit im Rahmen seiner Dissertation zu tun, in der es um Wasserstofftechnologien geht.

Wissen für eine nachhaltige Chemie

„Nach unserer Hypothese sollte primär Wasserstoff zur Aktivierung unseres Ruthenium-Katalysators beitragen“, sagt Jacob Schneidewind, „das hat sich bestätigt.“ Die Analysen bestätigten zudem eine Theorie, wonach diese chemische Reaktion in einer Kaskade abläuft. Der junge Chemiker wies nach, dass der Katalysator sich in seiner Struktur auf jeder Stufe ein bisschen verändert. Er konnte all diese Formen des Katalysators dokumentieren und jede einzeln auf ihre katalytische Stärke hin testen.

„Am Ende ist der Katalysator gänzlich inaktiv“, sagt Schneidewind. Er kennt inzwischen die Substanz, die da entstand, sie enthält Kohlenmonoxid, das letztlich für die Deaktivierung verantwortlich ist.
Dieses „theoretische“ Wissen können Chemiker nun in der Praxis nutzen, um einen Katalysator möglichst schnell zu aktivieren und seine Deaktivierung zu verhindern. Und auch das ist ein Weg zur Nachhaltigkeit im Umgang mit Ressourcen.

Originalpublikation:

DOI: 10.1038/s41467-018-06416-6 | www.nature.com/naturecommunications

Dr. Barbara Heller | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.catalysis.de

Weitere Berichte zu: Ammoniak Katalysator Katalyse LIKAT Leibniz-Institut Synthese chemische Reaktion

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Soziale Netzwerke geben Aufschluss über Dates von Blaumeisen
19.02.2020 | Max-Planck-Institut für Ornithologie

nachricht Einblicke in den Ursprung des Lebens: Wie sich die ersten Protozellen teilten
19.02.2020 | Universität Augsburg

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: Fraunhofer IOSB-AST und DRK Wasserrettungsdienst entwickeln den weltweit ersten Wasserrettungsroboter

Künstliche Intelligenz und autonome Mobilität sollen dem Strukturwandel in Thüringen und Sachsen-Anhalt neue Impulse verleihen. Mit diesem Ziel fördert das Bundeswirtschaftsministerium ab sofort ein innovatives Projekt in Halle (Saale) und Ilmenau.

Der Wasserrettungsdienst Halle (Saale) und das Fraunhofer Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung, Institutsteil Angewandte Systemtechnik...

Im Focus: A step towards controlling spin-dependent petahertz electronics by material defects

The operational speed of semiconductors in various electronic and optoelectronic devices is limited to several gigahertz (a billion oscillations per second). This constrains the upper limit of the operational speed of computing. Now researchers from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg, Germany, and the Indian Institute of Technology in Bombay have explained how these processes can be sped up through the use of light waves and defected solid materials.

Light waves perform several hundred trillion oscillations per second. Hence, it is natural to envision employing light oscillations to drive the electronic...

Im Focus: Haben ein Auge für Farben: druckbare Lichtsensoren

Kameras, Lichtschranken und Bewegungsmelder verbindet eines: Sie arbeiten mit Lichtsensoren, die schon jetzt bei vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken sind. Zukünftig könnten diese Sensoren auch bei der Telekommunikation eine wichtige Rolle spielen, indem sie die Datenübertragung mittels Licht ermöglichen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) am InnovationLab in Heidelberg ist hier ein entscheidender Entwicklungsschritt gelungen: druckbare Lichtsensoren, die Farben sehen können. Die Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt in der Zeitschrift Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908258).

Neue Technologien werden die Nachfrage nach optischen Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen erhöhen, darunter auch die Kommunikation mithilfe von...

Im Focus: Einblicke in die Rolle von Materialdefekten bei der spin-abhängigen Petahertzelektronik

Die Betriebsgeschwindigkeit von Halbleitern in elektronischen und optoelektronischen Geräten ist auf mehrere Gigahertz (eine Milliarde Oszillationen pro Sekunde) beschränkt. Die Rechengeschwindigkeit von modernen Computern trifft dadurch auf eine Grenze. Forscher am MPSD und dem Indian Institute of Technology in Bombay (IIT) haben nun untersucht, wie diese Grenze mithilfe von Lichtwellen und Festkörperstrukturen mit Defekten erhöht werden könnte, um noch größere Rechenleistungen zu erreichen.

Lichtwellen schwingen mehrere hundert Trillionen Mal pro Sekunde und haben das Potential, die Bewegung von Elektronen zu steuern. Im Gegensatz zu...

Im Focus: Charakterisierung von thermischen Schnittstellen für modulare Satelliten

Das Fraunhofer IFAM in Dresden hat ein neues Projekt zur thermischen Charakterisierung von Kupfer/CNT basierten Scheiben für den Einsatz in thermalen Schnittstellen von modularen Satelliten gestartet. Gefördert wird das Projekt „ThermTEST“ für 18 Monate vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie.

Zwischen den Einzelmodulen von modularen Satelliten werden zur Kopplung eine Vielzahl von Schnittstellen benötigt, die nach ihrer Funktion eingeteilt werden...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gemeinsam auf kleinem Raum - Mikrowohnen

19.02.2020 | Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage am 14. und 15. März 2020: „Mach es einfach!“

12.02.2020 | Veranstaltungen

4. Fachtagung Fahrzeugklimatisierung am 13.-14. Mai 2020 in Stuttgart

10.02.2020 | Veranstaltungen

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

Supercomputer „Hawk“ eingeweiht: Höchstleistungsrechenzentrum der Universität Stuttgart erhält neuen Supercomputer

19.02.2020 | Informationstechnologie

Soziale Netzwerke geben Aufschluss über Dates von Blaumeisen

19.02.2020 | Biowissenschaften Chemie

Gemeinsam auf kleinem Raum - Mikrowohnen

19.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

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