Der Reaktivität von Katalysatoren auf der Spur

In rund 90 Prozent aller chemischen Prozesse in der Industrie werden Katalysatoren eingesetzt. Das sind Verbindungen, die chemische Reaktionen beschleunigen, bei tieferen Temperaturen ablaufen lassen oder sie ¨¹berhaupt erm?glichen k?nnen. Die Analogie aus der Natur sind Enzyme, die komplexe biochemische Umwandlungen im Organismus hoch effizient und selektiv durchf¨¹hren.

In der Industrie sind Katalysatoren essentiell, um Energie zu sparen, und dadurch Prozesse nachhaltiger und effizienter zu machen. Daher besteht ein grosses Interesse an solchen Reaktionsvermittlern, um Chemikalien und Materialien herzustellen. Allerdings ist die Entwicklung von Katalysatoren auch heute noch stark von Screening, also dem Durchprobieren verschiedener Molek¨¹le, und somit vom Zufall abh?ngig.

Katalysatoren im Detail verstehen

Um neue Katalysatoren zu entwickeln oder effizienter zu machen, ist es wichtig, die Verteilung und Bindungsfreudigkeit ihrer Elektronen bis ins kleinste Detail zu verstehen. Diese elektronische Struktur bestimmt den Charakter eines jeden Molek¨¹ls und Katalysators, wie etwa die Farbe, den Geruch oder die Reaktivit?t. Kennt man die genaue elektronische Struktur, ist es auch m?glich, Vorhersagen ¨¹ber die chemischen Eigenschaften einer Verbindung zu machen.

Genau dies gelang nun Forschern der Gruppe von ETH-Professor Christophe Cop¨¦ret mit einem internationalen Team: Sie konnten mit Hilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) ¨C einer weitverbreiteten Analysemethode in der Chemie ¨C und modernsten computergest¨¹tzen Methoden die elektronische Struktur von Katalysatoren pr?zise bestimmen und ihr Verhalten vorhersagen. Dank der neuen Methode, die sie aktuell in externe Seite PNAS vorstellen, wird der Weg zu neuen Katalysatoren einfacher und unabh?ngiger von Screening und Zufall.

Von Ethylen zu Polyethylen

In ihrer Studie untersuchten die Forscher Katalysatoren, die in der Industrie zur Polymerisierung von Olefinen eingesetzt werden. Polyolefine sind Grundchemikalien wie zum Beispiel Polypropylen und Polyethylen. Ihre Anwendung reicht von Verpackungen ¨¹ber Fischernetze bis hin zu Hightechprodukten wie kugelsicheren Westen. Polyethylen entsteht durch Polymerisierung von Ethylen in Gegenwart von sogenannten metallorganischen Katalysatoren. Diese enthalten ein Metall, das mindestens an ein Kohlenstoffatom gebunden ist.

In den Grundlagenvorlesungen der Chemie lernen Studierende, dass es in Molek¨¹len Einfach-, Doppel- und Dreifachbindungen gibt. Und sie lernen, dass Polyolefine durch Katalysatoren erzeugt werden, die eine Metall-Kohlenstoff-Einfachbindung enthalten. Die Forscher in Cop¨¦rets Gruppe fanden jedoch heraus, dass die Realit?t nicht immer so ganzzahlig ist: In den untersuchten Katalysatoren liegt die Kohlenstoff-Metall-Bindung je nach Metall und Ladung zwischen einer Einfach- und einer Doppelbindung.

Doppelbindungscharakter bestimmt Reaktivit?t

Der Grad dieser Doppelbindung ist entscheidend f¨¹r die katalytische Aktivit?t. Genau diesen Doppelbindungscharakter konnten die Forscher nun aus der NMR-Spektroskopie direkt aus der chemischen Verschiebung des Kohlenstoffatoms ableiten. Sie zeigten, dass ein Katalysator Polyolefine umso besser produziert, je mehr sich die Bindung zwischen dem Metall- und dem Kohlenstoffatom wie eine Doppelbindung verh?lt. Dies wurde bisher von Forschern nicht beachtet und f¨¹hrt zu einer kontraintuitiven Erkenntnis: Je mehr Doppelbindungscharakter die Kohlenstoff-Metall Bindung hat, desto k¨¹rzer und st?rker ist sie ¨C trotzdem wird sie umso leichter bei der Olefinpolymerisierung gebrochen.

Katalysatoren schneller entwickeln

Durch Kombination von NMR-Spektroskopie mit theoretischen Berechnungen l?sst sich nun vorhersagen, ob ein Katalysator eine chemische Reaktion erm?glichen wird. Die Forscher erwarten, dass diese neue Methode das zeitaufw?ndige Design in Zukunft beschleunigen und gleichzeitig den Chemikern ein feineres Verst?ndnis der elektronischen Struktur von Katalysatoren vermitteln wird.