Katalyseforschung

Chemiker vereinfachen die Amin-Synthese

Zahlreiche Aminverbindungen konnten Rostocker Forscher mit Hilfe eines einfachen Katalysators auf Ruthenium-Basis herstellen.

Auswahl an verschiedenen Katalysatoren aus LIKAT-Laboren. © nordlicht LIKAT

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. 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.

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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.

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

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