Frustrierte Moleküle verhalten sich radikal

Was­ser­stoff ist für die che­mi­sche Indus­trie ein wich­ti­ger Roh­stoff – und ein umwelt­freund­li­cher Ener­gie­trä­ger, etwa für Fahr­zeu­ge mit Brenn­stoff­zel­len. Um das trä­ge Mole­kül für che­mi­sche Reak­tio­nen nutz­bar zu machen, sind jedoch Reak­ti­ons­be­schleu­ni­ger nötig. Die­se Kata­ly­sa­to­ren ent­hal­ten meist teu­re Edel- oder gif­ti­ge Schwer­me­tal­le. Ein Team der Uni­ver­si­tät Olden­burg und der TU Ber­lin um den Che­mi­ker Prof. Dr. Tho­mas Mül­ler hat nun mit Hil­fe von Expe­ri­men­ten wich­ti­ge Hin­wei­se dar­auf gefun­den, wie neu­ar­ti­ge, ungif­ti­ge Kata­ly­sa­to­ren – frus­trier­te Lewis-Paa­re – Was­ser­stoff zur Reak­ti­on brin­gen. Die Ergeb­nis­se sind in der inter­na­tio­na­len Aus­ga­be des Fach­ma­ga­zins Ange­wand­te Che­mie erschie­nen.

Lewis-Paa­re bestehen aus einer Säu­re und einer Base und damit aus zwei Mole­kü­len, die sich sehr stark anzie­hen und sich in ihrer Wir­kung neu­tra­li­sie­ren. Bestehen die Lewis-Paa­re jedoch aus beson­ders gro­ßen Mole­kü­len mit einer spe­zi­el­len Bau­wei­se, kön­nen sie nicht zusam­men­kom­men – sie sind „frus­triert“. Vor gut zehn Jah­ren ent­deck­ten Wis­sen­schaft­ler, dass die­se ver­hin­der­ten Paa­re in der Lage sind, bei­spiels­wei­se mit Was­ser­stoff­mo­le­kü­len – die natür­li­cher­wei­se aus zwei Ato­men bestehen – einen Kom­plex zu bil­den und das Mole­kül letzt­lich zu spal­ten.

Dabei besteht die Lewis-Säu­re aus einer Ver­bin­dung, die das Ele­ment Bor ent­hält; die Lewis-Base ent­hält das Ele­ment Phos­phor. Bereits vor eini­gen Jah­ren fan­den die Olden­bur­ger Che­mi­ker zudem her­aus, dass statt Bor auch Ver­bin­dun­gen mit Sili­zi­um sich als Lewis-Säu­ren eige­nen. „Die­se Mole­kü­le ein­zu­set­zen, um Was­ser­stoff zur Reak­ti­on zu brin­gen, wäre wun­der­bar“, sagt Mül­ler. Denn der Vor­teil ist: Phos­phor und Sili­zi­um kom­men im Gegen­satz zu Edel- und Schwer­me­tal­len sehr häu­fig in der Natur vor. Zudem sind sie bil­lig und nicht gif­tig. Auf wel­che Wei­se frus­trier­te Lewis-Paa­re Reak­tio­nen mit Was­ser­stoff auf die Sprün­ge hel­fen, haben Wis­sen­schaft­ler bis­her jedoch noch nicht ver­stan­den.

Hier setzt die aktu­el­le Arbeit der Olden­bur­ger Che­mi­ker an: In Expe­ri­men­ten konn­ten sie ers­te Zwi­schen­schrit­te der außer­ge­wöhn­li­chen Reak­ti­on iden­ti­fi­zie­ren. „Wir konn­ten in unse­ren Unter­su­chun­gen ein­deu­tig zei­gen, dass die frus­trier­ten Lewis Paa­re sehr reak­ti­ve Ver­bin­dun­gen, soge­nann­te Radi­ka­le, bil­den“, sagt Ana­sta­sia Merk, Dok­to­ran­din am Insti­tut für Che­mie der Uni­ver­si­tät und Erst­au­torin der Stu­die. Nach Ansicht von Mül­ler sei­en die Erkennt­nis­se ein wich­ti­ger Schritt, um die Reak­ti­ons­freu­dig­keit der Lewis-Paa­re bes­ser zu ver­ste­hen. Die For­scher müs­sen jedoch noch wei­te­re Unter­su­chun­gen durch­füh­ren, um ihre Schluss­fol­ge­run­gen ver­all­ge­mei­nern zu kön­nen.

Wann frus­trier­te Lewis-Paa­re auch in indus­tri­el­len Pro­zes­sen eine ent­schei­den­de Rol­le spie­len könn­ten, sei bis­her noch unklar, sagt Mül­ler. Dies hän­ge vor allem von wirt­schaft­li­chen Fak­to­ren ab. Er sieht jedoch noch ande­re Anwen­dun­gen für die reak­ti­ons­freu­di­gen Mole­kü­le – und zwar in der Phar­ma­zeu­ti­schen Indus­trie: So könn­ten künf­tig Medi­ka­men­te, bei deren Her­stel­lung Was­ser­stoff reagie­ren muss, ohne gif­ti­ge Metall­rück­stän­de her­ge­stellt wer­den.