16.08.2021 - University of Limerick

Kristalle passend gemacht

Induced-Fit-Adsorbens für Acetylen

Das Substrat passt in sein Enzym wie ein Schlüssel ins Schlüsselloch – diese Veranschaulichung hinkt etwas. Denn die Bindung des Substrats kann auch das „Schlüsselloch“ (die Struktur des Enzyms) so verändern, dass es perfekt passt (Induced Fit). Ein internationales Forschungsteam stellt in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt ein nicht-biologisches kristallines Material vor, das einen Induced-Fit-artigen Bindungsmechanismus zeigt, wenn es Acetylen hochselektiv in seine Poren aufnimmt.

Ein aus der Natur abgeschauter Induced-Fit-Effekt könnte interessant sein, um beispielsweise die Selektivität poröser kristalliner Materialien zu erhöhen und schwierige Trennprozesse oder Gasabscheidungen besser zu bewältigen. Als Kandidaten bieten sich Materialien aus nicht über klassische chemische Bindungen verknüpften einzelnen organischen und/oder anorganischen Verbindungsstücken und Metallatomen als Knotenpunkten an, wie metall-organische Gerüste (MOFs) und hybride ultramikroporöse Materialien (HUMs), da sie weniger starr als klassische poröse Stoffe sind, wie z.B. Zeolithe.

Das Team um Susumu Kitagawa und Michael J. Zaworotko hat jetzt ein neuartiges weiches HUM entwickelt, das seine Poren so verändern kann, dass Acetylen-Moleküle perfekt hineinpassen. Das Material „sql-SIFSIX-bpe-Zn“ bindet Acetylen außergewöhnlich stark und ermöglicht eine hochselektive Trennung von Acetylen und Ethylen bzw. Acetylen und Kohlendioxid.

Hochreines Acetylen ist ein wichtiger Rohstoff für die chemische Industrie, z.B. für die Herstellung von Kunststoffen, aber auch für Mikroelektronik. Bei den derzeitigen Herstellverfahren für Acetylen fallen Verunreinigungen wie Ethylen und Kohlendioxid an, deren Abtrennung schwierig und energieintensiv ist. Das neue Induced-Fit-Adsorbens „erkennt“ Acetylen spezifisch als sein Gast-Molekül und ändert seine Struktur reversibel so, dass dichte Hohlräume mit starken Wechselwirkungen und hoher Bindungsenergie für diesen Gast entstehen.

Das neue HUM des Teams von den Universitäten Limerick (Irland), Kyoto (Japan), Stellenbosch (Südafrika) und Süd-Florida (Tampa, USA) hat ein flexibles Gerüst aus Hexafluorosilikat-Anionen, flexiblen organischen Verbindungsstücken sowie Zinkionen als Knotenpunkten. Wie mit analytischen Methoden und Computermodellen ermittelt, basieren die in Anwesenheit von Acetylen beobachteten Umwnadlungen, anders als bei bisher bekannten Beispielen für Induced Fit, in erster Linie auf dessen Wechselwirkungen mit den anorganischen Anionen. Zu erwarten sind eine gute Trennleistung als Adsorbens und ein geringer Energiebedarf für die Regenerierung.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse hofft das Team, Induced-Fit-Materialien für weitere Arten von Gast-Molekülen entwickeln zu können, die schwierig abzutrennen sind.

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