Katalysatorforschung

Titanocene als Photo-Redox-Katalysatoren

Chemiker der Universität Bonn und der Lehigh University in Bethlehem (USA) haben einen Titan-Katalysator entwickelt, der durch Aktivierung mit grünem Licht selektive chemische Reaktionen möglich macht.

Ein Reaktionskolben mit dem Titan-Katalysator und einem roten Farbstoff wird mit grünem Licht bestrahlt. © Zhenhua Zhang

Der Titan-Katalysator kann eine kostengünstige und unschädliche Alternative für bislang verwendete Ruthenium- und Iridium-Katalysatoren dar, die auf sehr teuren und giftigen Metallen beruhen. Mit dem neuen Katalysator können hochselektiv chemische Produkte hergestellt werden, die zum Beispiel als Bausteine für antivirale Medikamente oder lumineszierende Farbstoffe dienen können. Die Ergebnisse sind in der internationalen Ausgabe der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ erschienen.

Grünes Licht setzt die Reaktion in Gang
Im Zentrum des Katalysatormoleküls, einem Titanocen, befindet sich Titan, das mit einem Kohlenstoffring verbunden ist, in dem die Elektronen besonders beweglich sind und sich leicht anregen lassen. Grünes Licht reicht aus, um mit Hilfe des Katalysators durch eine Elektronenübertragung reaktive organische Zwischenprodukte zu erzeugen, die sonst nicht leicht zugänglich sind. „Wir haben im Labor einen Reaktionskolben mit einem roten Farbstoff und dem Titankatalysator mit grünem Licht bestrahlt“, berichtet Prof. Dr. Andreas Gansäuer vom Kekulé-Institut für Organische Chemie und Biochemie der Universität Bonn. „Und es hat sofort funktioniert.“ Aus dem Gemisch entstanden Radikale, die viele Reaktionszyklen in Gang setzen, aus denen verschiedenste chemische Produkte erzeugt werden können.

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Wichtig bei den Reaktionen mit diesem Photo-Redox-Katalysator ist die Wellenlänge des Lichtes, das zur Bestrahlung verwendet wird. „Ultraviolette Strahlung ist ungeeignet, weil sie viel zu energiereich ist und die organischen Verbindungen zerstören würde“, sagt Gansäuer. Grünes Licht aus LED-Lampen ist gleichzeitig milde und energiereich genug, um die Reaktion in Gang zu setzen. Je nachdem, mit welchem organischen Molekül das Titan verbunden wird, lässt sich der Katalysator hinsichtlich der gewünschten Produkte maßschneidern.

Berechnetes Absorptionsspektrum des Titanocendichlorids [(C5H4)2TiCl2)] und in der Anregung beteiligte Molekülorbitale. © Tobias Hilche

Bausteine für Arzneimittel oder lumineszierende Farbstoffe
Der neue Titan-Katalysator hilft bei der Produktion von Epoxiden – eine chemische Stoffgruppe, zu der auch das Epoxidharz gehört, das als Klebstoff oder für Verbundwerkstoffe verwendet wird. Die Wissenschaftler haben es jedoch nicht auf dieses Produkt abgesehen, sondern auf die Synthese wertvoller Feinchemikalien. „Mit dem auf Titan basierenden, maßgeschneiderten Photo-Redox-Katalysatoren lassen sich Bausteine zum Beispiel für antivirale Medikamente oder lumineszierende Farbstoffe herstellen“, sagt Gansäuer. Er ist zuversichtlich, dass diese neuen Katalysatoren eine kostengünstige und unschädliche Alternative für bislang verwendete Ruthenium- und Iridium-Katalysatoren darstellen, die auf sehr teuren und giftigen Metallen beruhen.

Die Entwicklung ist eine internationale Gemeinschaftsleistung von Zhenhua Zhang, Tobias Hilche, Daniel Slak, Niels Rietdijk und Andreas Gansäuer von der Universität Bonn sowie von Ugochinyere N. Oloyede und Robert A. Flowers II von der Lehigh University (USA). Während die Wissenschaftler der Universität Bonn erforschten, wie sich die gewünschten Verbindungen am besten mit dem neuen Katalysator synthetisieren lassen, führten die Kollegen aus den USA die Messungen zum Nachweis der Reaktionswege durch. „Die Lumineszenzeigenschaften des Titans eröffnen interessante neue Perspektiven, um das Design neuer und nachhaltiger Reaktionen mit freien Radikalen als Intermediaten zu ermöglichen“, sagt Prof. Robert Flowers von der Lehigh University.

Publikation: Zhenhua Zhang, Tobias Hilche, Daniel Slak, Niels Rietdijk, Ugochinyere N. Oloyede, Robert A. Flowers II and Andreas Gansäuer: Titanocenes as Photoredox Catalysts Using Green-Light Irradiation, internationalen Ausgabe der Zeitschrift „Angewandte Chemie“, DOI: 10.1002/anie.202001508

Quelle: Universität Bonn

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