In „Sci­ence“: Bay­reu­ther For­scher ent­wickeln Kata­ly­sa­tor für die nach­hal­ti­ge Her­stel­lung wich­ti­ger Ausgangsstoffe

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Die aus Koh­len­stoff und Was­ser­stoff bestehen­den alpha-Ole­fi­ne sind die wich­tig­sten Aus­gangs­stof­fe der che­mi­schen Indu­strie. For­scher der Uni­ver­si­tät Bay­reuth stel­len jetzt in der Zeit­schrift „Sci­ence“ eine Ent­deckung vor, die unge­ahn­te Per­spek­ti­ven für das Design und die selek­ti­ve sowie nach­hal­ti­ge Her­stel­lung die­ser che­mi­schen Pro­duk­te eröff­net: Sie haben einen Kata­ly­sa­tor ent­wickelt, der es erst­mals erlaubt, poten­zi­ell unend­lich vie­le Varia­tio­nen von alpha-Ole­fi­nen ziel­ge­nau unter Ver­wen­dung von Ethy­len her­zu­stel­len. Bis­her stan­den nur für drei alpha-Ole­fi­ne der­art selek­ti­ve Her­stel­lungs­ver­fah­ren zur Ver­fü­gung. Der neue Kata­ly­sa­tor basiert auf Titan, einem der am häu­fig­sten vor­kom­men­den Metal­le der Erdkruste.

„Unse­re Ver­öf­fent­li­chung wird vor­aus­sicht­lich die Initi­al­zün­dung für eine Viel­zahl von For­schungs­ar­bei­ten sein, die unse­ren Kata­ly­sa­tor – oder struk­tu­rell ähn­li­che Kata­ly­sa­to­ren – ein­set­zen, um sehr unter­schied­lich struk­tu­rier­te alpha-Ole­fi­ne selek­tiv her­zu­stel­len und die­se als Aus­gangs­stof­fe für inno­va­ti­ve Pro­duk­te zu nut­zen. Bis­her konn­te man alpha-Ole­fi­ne nur, abge­se­hen von drei Aus­nah­men, in Mischun­gen aus Ethy­len her­stel­len. Unse­rer Syn­the­se von alpha-Ole­fi­nen lie­gen im Wesent­li­chen zwei Bau­prin­zi­pi­en zugrun­de, die Ver­län­ge­rung und die Ver­zwei­gung. Die­se las­sen sich mit dem neu­en Kata­ly­sa­tor mit sehr hoher Prä­zi­si­on steu­ern“, erklärt Prof. Dr. Rhett Kem­pe, kor­re­spon­die­ren­der Autor der Stu­die, der an der Uni­ver­si­tät Bay­reuth den Lehr­stuhl Anor­ga­ni­sche Che­mie II – Kata­ly­sa­tor­design innehat.

Der­zeit wer­den welt­weit jähr­lich mehr als 32 Mil­lio­nen Ton­nen von alpha-Ole­fi­nen auf der Basis von Ethy­len erzeugt. Sie die­nen der indu­stri­el­len Her­stel­lung von Pro­duk­ten, die aus dem All­tag nicht weg­zu­den­ken sind, bei­spiels­wei­se Medi­ka­men­te, Wasch­mit­tel und Kunst­stof­fe. Die dabei ver­wen­de­ten alpha-Ole­fi­ne unter­schei­den sich hin­sicht­lich ihrer Grö­ße und ihrer Struk­tur. Des­halb ist die che­mi­sche Indu­strie seit vie­len Jahr­zehn­ten drin­gend an Kata­ly­sa­to­ren inter­es­siert, mit denen die jeweils benö­tig­ten Mole­kü­le ziel­ge­nau erzeugt wer­den kön­nen. In die­sem Punkt waren die Erfol­ge der che­mi­schen For­schung bis­lang über­schau­bar: Nur für drei alpha-Ole­fi­ne wur­de jeweils hoch­s­e­lek­ti­ve Kata­ly­sa­to­ren ent­wickelt, für 1‑Buten (1960), 1‑Hexen (1989) und 1‑Octen (2004). Alle ande­ren indu­stri­ell bedeu­ten­den alpha-Ole­fi­ne sind bis heu­te ledig­lich als Bestand­tei­le von Stoff­mi­schun­gen ver­füg­bar. Benö­tigt man nur ein Ole­fin aus einer sol­chen Mischung, ist der Rest der Mischung Abfall: Für eine Ton­ne Pro­dukt wer­den meh­re­re Ton­nen Abfall pro­du­ziert. Außer­dem kostet die Stoff­tren­nung viel Ener­gie. Vor die­sem Hin­ter­grund ist der in „Sci­ence“ vor­ge­stell­te Kata­ly­sa­tor ein ent­schei­den­der Durch­bruch im Hin­blick auf nach­hal­ti­ge Syn­the­se. Er ist hoch­s­e­lek­tiv für vie­le, poten­zi­ell unend­lich vie­le Varia­tio­nen von alpha-Olefinen.

Mechanismus und Katalysatorstruktur. Bild: Alex Goller.

Mecha­nis­mus und Kata­ly­sa­tor­struk­tur. Bild: Alex Goller.

Die her­aus­ra­gen­de Selek­ti­vi­tät ist mit einer unge­wöhn­lich hohen Effi­zi­enz gekop­pelt: Der in Bay­reuth ent­wickel­te Kata­ly­sa­tor arbei­tet mit einer enor­men Geschwin­dig­keit, wie sie in der Regel nur bei den aktiv­sten Enzy­men, die in sol­chen Geschwin­dig­kei­ten nur viel ein­fa­che­re Reak­tio­nen ver­mit­teln kön­nen, auf­tritt. Pro Sekun­de kann der Bay­reu­ther Kata­ly­sa­tor 100.000-mal eine C‑H-Bin­dung bei Raum­tem­pe­ra­tur spal­ten und das Was­ser­stoff­atom auf ein ande­res Mole­kül übertragen.

„Unse­re For­schungs­er­geb­nis­se zei­gen die gro­ße Dyna­mik der Kata­ly­sa­tor­for­schung. Sie bele­gen ein­mal mehr, dass fun­da­men­ta­le Her­aus­for­de­run­gen in den Natur­wis­sen­schaf­ten, die mit dem Begriff Nach­hal­tig­keit stark asso­zi­iert sind, wie Kli­ma, Ener­gie, Gesund­heit und Res­sour­cen­scho­nung durch Kata­ly­se adres­siert wer­den kön­nen“, sagt Kempe.

Ver­öf­fent­li­chung:

Tho­mas Die­tel, Fabi­an Lukas, Win­fried P. Kret­schmer, Rhett Kem­pe: Elon­ga­ti­on and bran­ching of α‑olefins by two ethy­le­ne mole­cu­les. Sci­ence (2022), Vol. 375, Issue 6584, pp. 1021–1024. DOI: https://​www​.sci​ence​.org/​d​o​i​/​1​0​.​1​1​2​6​/​s​c​i​e​n​c​e​.​a​b​m​5​281

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