Nervengifte schnell und effektiv zersetzen

Zirkoniumorganische Gerüststruktur bringt Tempo

Trotz erheblichen Forschungsaufwands mangelt es noch immer an Materialien, die chemische Kampfstoffe ausreichend rasch und effektiv unschädlich machen können. Ein vielversprechendes Material für Schutzausrüstungen und zur Beseitigung großer Lagerbestände an Nervengiften stellen amerikanische Wissenschaftler kürzlich vor.

Nervengifte schnell und effektiv zersetzen mit Zirkonium-basierter Metall-organischer Gerüststruktur.

Viele chemische Kampfstoffe, wie Sarin, Soman und Tabun, wirken als Nervengifte, indem sie das Enzym Acetylcholinesterase hemmen, die Erregungsübertragung zwischen Nerv und Muskel lahmlegen und letztendlich eine Atemlähmung verursachen. Bei der Suche nach neuartigen Materialien für sichere Schutzausrüstungen, aber auch für eine effektive Vernichtung großer Mengen gelagerter Kampfstoffe sind Metall-organische Gerüstverbindungen (engl. metal-organic frameworks, MOF) als interessante Kandidaten für Katalysatoren in den Fokus gerückt. MOFs bestehen aus metallischen „Knotenpunkten“, die über organische Verbindungsstücke zu dreidimensionalen Gittern verbrückt sind. Über eine Variation der Bausteine lassen sich hochporöse kristalline Feststoffe mit maßgeschneiderten Eigenschaften herstellen.

Das Team um Joseph T. Hupp und Omar K. Farha von der Northwestern University (Evanston, USA) und der King Abdulaziz University (Jeddah, Saudi Arabien) hatte letztes Jahr ein zirkoniumbasiertes MOF entwickelt, UiO-66, das Nervengifte zu spalten vermag. Weiterentwicklungen von UiO-66 sollen dessen Leistungsfähigkeit jetzt verbessern. So hatte ein anderes Forschungsteam kürzlich einen neuen Ansatz für selbstentgiftende Filter vorgestellt. Diese basieren auf luftdurchlässigen Textilien, die mit einer lithiumhaltigen UiO-66-Modifikation imprägniert wurden.

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Hupp, Farha und ihr Team haben jetzt MOF 808 untersucht, ein Material, das UiO-66 entspricht, dessen Gerüst aber strukturell verändert wurde. In UiO66 sind die Zirkonium-Knoten mit 12 kleinen organischen Verbindungsstücken verbrückt. Die entstehenden Kanäle haben nur relativ kleine Öffnungen, so dass die katalytische Aktivität auf die externe Oberfläche der Kristalle beschränkt bleibt. In MOF 808 sind die Zirkonium-Knoten dagegen nur über sechs Verbindungsstücke verknüpft. So entstehen Kanäle, die weit genug sind, um die innere Oberfläche des Gerüsts zugänglich zu machen – und damit wesentlich mehr katalytisch aktive Zentren.

MOF 808 konnte ein Nervengift-Analogon denn auch 350mal schneller zersetzen als UIO-66. In einen Filter integriert, konnte es in einem einfachen, kontinuierlich durchströmten Rohr-Reaktor hohe Umsätze bei der Entgiftung von Nervengas-Simulantien erzielen.

Literatur:
Instantaneous Hydrolysis of Nerve-Agent Simulants with a Six-Connected Zirconium-Based Metal–Organic Framework, Angewandte Chemie,
http://dx.doi.org/10.1002/ange.201502155

Autor:
Omar K. Farha
Northwestern University (USA)
http://faculty.wcas.northwestern.edu/omarfarha/

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