{"id":269160,"date":"2021-01-19T17:00:56","date_gmt":"2021-01-19T16:00:56","guid":{"rendered":"http:\/\/innovationorigins.com\/?p=269160"},"modified":"2021-01-19T17:00:56","modified_gmt":"2021-01-19T16:00:56","slug":"neues-nachhaltiges-katalyse-verfahren-zur-herstellung-chemischer-verbindungen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/neues-nachhaltiges-katalyse-verfahren-zur-herstellung-chemischer-verbindungen\/","title":{"rendered":"Neues, nachhaltiges Katalyse-Verfahren zur Herstellung chemischer Verbindungen"},"content":{"rendered":"\n

Acetale sind wichtige chemische Verbindungen, die zum Beispiel in der Medizin bei der Herstellung bestimmter Wirkstoffe eingesetzt werden. Sie entstehen aus der Reaktion von Alkoholen mit Aldehyden und ihre Herstellung ist bisher recht aufw\u00e4ndig. Chemiker der Universit\u00e4t Bonn<\/a> haben nun mithilfe modernster Computersimulationen ein nachhaltiges Katalyse-Verfahren entwickelt und optimiert, mit dem Acetale k\u00fcnftig einfacher und umweltschonender synthetisiert werden k\u00f6nnen. Die Reaktion in diesem Verfahren basiert auf einem Mechanismus, der in der Natur vorkommt. Bislang wurde er in der chemischen Synthese jedoch selten genutzt.<\/p>\n\n\n\n

Zur Herstellung von Acetalen m\u00fcssen zwei Sauerstoffatome an ein Kohlenstoffatom binden. Das geschieht in der Regel durch Oxidationen, f\u00fcr die aber normalerweise starke Oxidationsmittel eingesetzt werden. Das bei der Reaktion \u00fcbriggebliebene Oxidationsmittel muss entsorgt werden.<\/p>\n\n\n\n

\u201eWir beschreiben in unserer Studie jedoch einen Weg, den man als atom-\u00f6konomisch bezeichnet \u2013 das hei\u00dft, bei ihm entsteht kein Abfall\u201c, erkl\u00e4rt Prof. Dr. Andreas Gans\u00e4uer vom Kekul\u00e9-Institut f\u00fcr Organische Chemie und Biochemie der Universit\u00e4t Bonn. \u201eDabei ist im Ausgangsmolek\u00fcl selbst bereits das Sauerstoff-Atom enthalten, das f\u00fcr die Oxidation ben\u00f6tigt wird. Durch die von uns entwickelte Katalyse wird dieser Sauerstoff einfach im Molek\u00fcl verschoben, wodurch das Acetal entsteht.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Katalyse nach dem Vorbild der Natur<\/h3>\n\n\n\n

Das Ausgangsmolek\u00fcl enthalte dazu eine sogenannte Epoxid-Gruppe \u2013 eine Art \u201eDreieck\u201c, bei dem zwei Ecken von Kohlenstoffatomen und die dritte von einem Sauerstoffatom gebildet werden, schreiben Gans\u00e4uer und seine Kollegen in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie<\/a>. Da solche Dreiringe unter gro\u00dfer Spannung stehen, brechen sie leicht am Sauerstoffatom auseinander. Dabei speichern Epoxide wie eine gespannte Feder die n\u00f6tige Reaktionsenergie.<\/p>\n\n\n\n

Dazu ist aber ein passender Katalysator n\u00f6tig. Sauerstoffatome verf\u00fcgen \u00fcber zwei Arme, mit denen sie Bindungen eingehen k\u00f6nnen und einer dieser Arme wird beim Bruch des Epoxid-Rings frei. An ihn bindet nun tempor\u00e4r der Katalysator. Dadurch werde eine Abfolge von molek\u00fcl-internen Umlagerungen in Gang gesetzt, an deren Ende das Sauerstoff-Atom den Katalysator wieder loslasse und stattdessen an den gew\u00fcnschten Kohlenstoff binde, erkl\u00e4rt Gans\u00e4uer. \u201eWir bezeichnen diesen Schritt als Oxygen Rebound.\u201c<\/p>\n\n\n\n

W\u00e4hrend dieser Mechanismus in der Natur h\u00e4ufig vorkommt, wird er bei chemischen Synthesen bisher nur selten genutzt. So baut zum Beispiel die Leber mit Hilfe des \u201eOxygen Rebounds\u201c unter anderem Giftstoffe ab. Die sogenannten P450-Enzyme funktionieren dabei als Katalysatoren. In ihrem aktiven Zentrum sitzt ein Eisen-Atom. \u201eAuch das Herz unseres Katalysators besteht aus einem h\u00e4ufig vorkommenden und ungiftigen Metall, n\u00e4mlich Titan\u201c, erkl\u00e4rt Prof. Dr. Stefan Grimme vom Institut f\u00fcr Physikalische und Theoretische Chemische der Universit\u00e4t Bonn.<\/p>\n\n\n\n

Virtuelles Katalysator-Tuning<\/h3>\n\n\n\n

Bei der Acetal-Synthese nimmt das Titan zun\u00e4chst ein Sauerstoff-Atom auf und gibt es dann wieder ab, d.h. auf die Oxidation folgt eine sogenannte Reduktion. Dazu muss es den Sauerstoff aber einerseits stark genug an sich binden, darf andererseits aber nicht zu sehr \u201eklammern\u201c. Um diese Sauerstoff-Affinit\u00e4t richtig einzustellen, wird das Titan an bestimmte Molek\u00fcle gebunden \u2013 seine Liganden. Je nach Bindungspartner wirke das Metall dann etwas st\u00e4rker oxidierend oder lie\u00dfe sich leichter reduzieren, sagen die Forscher. Die Wahl der am besten geeigneten \u201eTuning-Molek\u00fcle\u201c erfolge heutzutage am Computer. Die Arbeitsgruppe um Prof. Grimme ist auf diese Aufgabe spezialisiert: Sie hat in den letzten Jahren Algorithmen entwickelt, die sehr schnelle Simulationen von Katalysator-Eigenschaften erlauben.<\/p>\n\n\n\n

Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler ihren Katalysator so optimieren, dass er den Ausgangsstoff komplett zum gew\u00fcnschten Acetal umsetzt. \u201eDas Ergebnis dokumentiert sehr sch\u00f6n, wie n\u00fctzlich eine enge Kooperation zwischen Experiment und Theorie ist, um nachhaltige Katalyse-Methoden zu entwickeln\u201c, betont Gans\u00e4uer.<\/p>\n\n\n\n

Gef\u00f6rdert wurde die Studie durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG mit Mitteln des Gottfried Wilhelm Leibniz Preises sowie durch die Konrad-Adenauer-Stiftung.<\/p>\n\n\n\n

Titelbild<\/em><\/strong>: Im oxidierten Zustand ist Titan rot (links), im reduzierten blau (rechts). \u00a9 AG Gans\u00e4uer, Pierre Funk\/Universit\u00e4t Bonn<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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