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Grüne Chemie mit Nano-Rost

11.07.2014: Eisen und Kobaltoxide – beide Metalle können als Basis für effiziente Katalysatoren dienen und einen „grünen“ Weg zu organischen Nitrilen ermöglichen, das zeigen neueste Arbeiten aus dem Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) im Fachblatt „NATURE COMMUNICATIONS“.

Nitrile sind eine Gruppe chemischer Verbindungen, die sich formal von der Blausäure ableiten. Während die Blausäure (HCN - auch als Cyanwasserstoff bezeichnet) und entsprechende Cyanid-Salze (MCN) ihre enorm toxische Wirkung im letzten Jahrhundert leider viele Millionen Mal gezeigt haben, weisen die organischen Verwandten, die Nitrile, völlig andere Eigenschaften auf. Sie gelten als wichtige Bausteine für viele pharmazeutische und biologische Produkte. Daneben gewinnen Nitrilverbindungen auch für die Herstellung neuer Materialien („polymers and high performance materials“) zunehmend an Bedeutung. Bisher wird diese wichtige Gruppe chemischer Verbindungen – die Gruppe der sogenannten Nitrilderivate - oft aus den sehr toxischen Verwandten, den Cyaniden, gewonnen.

Wissenschaftler um Matthias Beller, Direktor des Leibniz-Instituts für Katalyse, haben kürzlich neuartige Eisen- bzw. Kobaltoxidkatalysatoren entwickelt, die die Gewinnung einer breiten Palette von Nitrilen aus verschiedensten Alkoholen ermöglichen. Diese Metalloxide sind nanostrukturierte Materialien, die in ihrer Zusammensetzung dem Rost ähneln und deshalb auch als Nano-Rost bezeichnet werden. Ein Katalysator ist ein Hilfsstoff, der die Geschwindigkeit einer Reaktion erhöht und diese damit zugleich selektiver macht. Das schafft ein guter Katalysator, indem er unter mehreren möglichen Reaktionswegen nur den gewünschten beschleunigt. Im Falle der Umwandlung von Alkoholen zu entsprechenden Nitrilen haben sich Eisen- bzw. Kobaltoxide, die umgeben von Stickstoffatomen auf einem grafitstrukturierten Kohle-Träger eingebettet sind, als außerordentlich wirksame Katalysatoren erwiesen. „Ein doppelter Erfolg also, wir können nun auf die toxischen Ausgangsstoffe verzichten, auch die Verwendung von umweltfreundlichen und preiswerten Metallen als Basis für die neuen Katalysatoren konnte realisiert werden“, so Matthias Beller. Viele Jahre galten insbesondere Edelmetalle als besonders effizient und einsatzfähig in der Katalyse. Im Zuge der immer knapper werdenden Ressourcen rückt die Frage nach der Verfügbarkeit neben der Frage nach der Toxizität der chemischen Reaktionen immer mehr in den Vordergrund.

Die Forscher vom LIKAT in Rostock verwenden zur Herstellung der Katalysatoren für die Synthese von Nitrilen aus Alkoholen käufliche Eisen- bzw. Kobaltsalze, die zusammen mit einem Liganden auf einem Kohle-Träger auf 800°C erhitzt werden. Die so gebildeten komplexen Strukturen katalysieren wiederum bei 130°C unter einem Sauerstoffdruck von ca. 5 bar die Umwandlung einer großen Vielzahl verschiedenster Alkohole in die gewünschten aromatischen oder auch aliphatischen Amine. Weder Schwefel, noch Halogenatome oder Doppel- bzw. Dreifachbindungen stellen ein Problem als Substituenten in den Alkoholen dar, das bedeutet ein enormes Anwendungsspektrum für das katalytische System. Die Wissenschaftler sprechen von einer hohen Toleranz gegenüber weiteren Gruppen. Der Katalysator beschleunigt also ganz selektiv ausschließlich die Reaktion des einen gewünschten Moleküls, so wie es von einem guten Katalysator, der auch in der chemischen oder pharmazeutischen Industrie zur Anwendung kommt, erwartet wird.

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