01 Dez. Licht als Werkzeug für eine nachhaltige Chemie
Jahrhundertelang lief Chemie folgendermaßen ab: Chemiker erhitzten ihre Reaktionsgefäße, um die Stoffe darin zu aktivieren. „Mit Licht kann ich sehr viel schneller und mit viel größeren Energiemengen die Aktivierungsbarriere überwinden“, sagt Dr. Jola Pospech vom Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse (Likat). Pospech entwickelt mit ihrem Team neue Wege für klassische Reaktionspfade in der Fotokatalyse. Die Fotokatalyse ist ein Verfahren, bei dem ein Katalysator unter Lichteinfluss chemische Reaktionen beschleunigt. Als Lichtquelle nutzt die Forschungsgruppe im Labor oftmals Schwarzlicht, also UV-A-Licht, das gerade noch sichtbar ist. „Dieses Licht hat in unserem Fall die richtige Wellenlänge, um chemische Reaktionen in Gang zu setzen“, erläutert Pospech. „Wir richten das LED-Panel auf das Reaktionsgefäß, dort treffen die Photonen auf die äußeren Elektronenpaare beteiligter Stoffe, in unserem Falle des Katalysators, und dieser geht in einen angeregten Zustand über.“ Das heißt, er ist nun in der Lage, ein Elektron abzugeben oder aufzunehmen und auf diesem Wege chemische Ausgangsstoffe zu aktivieren. Denn letztlich entstehen neue chemische Verbindungen, indem die beteiligten Stoffe Elektronen austauschen oder gemeinsam nutzen.
Licht statt Wärme
Dr. Jola Pospech leitet am Likat die Abteilung ‚Katalytische Funktionalisierungen‘. Bild: Likat
Durch moderne LED-Technik lässt sich die Wellenlänge der Lichtquelle präzise auf das Absorptionsspektrum des Katalysators abstimmen. Als Beispiel nennt die Chemikerin die Hydrofunktionalisierung: Beteiligte Stoffe werden bis auf das letzte Atom, ohne Nebenprodukte, umgesetzt. Dabei entstehen Produkte, wie bioaktive Amine, die natürlicherweise in Neutransmittern vorkommen und wichtig sind für die Wirkstoffentwicklung.
Viele dieser Reaktionen laufen bislang mit Katalysatoren aus knappen und teuren Metallen ab, mit vielen Zwischenschritten, Co-Katalysatoren und sogenannten Opferreagenzien. Pospech: „Die dienen lediglich dazu, ein zusätzliches Elektron zu spenden, damit an entsprechender Stelle ein anderes Elektron energetisch günstig den Partner wechseln kann.“
Günstig, präzise und industriell geeignet
Ihre Forschungsgruppe entwickelte alternativ organische Photoredox-Katalysatoren, die auf Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff bestehen. „Die von uns genutzten Verbindungen sind günstig herzustellen, lassen sich durch Schwarzlicht präzise und schnell aktivieren und sind mechanistisch multifunktional.“ Co-Katalysatoren und Opferreagenz werden damit nicht mehr benötigt.
Nach Einschätzung von Pospech ist man in der Praxis durchaus motiviert, solche Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung industriell zu nutzen. Zumindest auf lange Sicht. „Jedes größere Chemieunternehmen verfügt mittlerweile in der Forschung über Abteilungen für Fotokatalyse und Elektrochemie.“ Das Likat ist da sozusagen am Puls der Zeit.
Quelle und Bild: www.catalysis.de