Neue Katalysatoren für Chemie und Pharma Kobalt in die Zange genommen

Chemikerinnen am Leibniz-Institut für Katalyse an der Universität Rostock haben einen Katalysator auf Basis von Kobalt entwickelt, bei dem das aktive Metallzentrum von einer Molekülstruktur zangenartig umklammert und damit fixiert wird. Dieser sogenannte Cobalt Pincer Complex ermöglicht die Hydrierung von Estern zu Alkoholen, die einen typischen Syntheseschritt in der Chemie und Pharmazie darstellt.

Nicht-Edelmetall kann Kosten und Ressourcen sparen

Der Cobalt-Pincer-Complex dient außerdem als Modell für die künftige Entwicklung von Katalysatoren, die auf solchen Strukturen aufgebaut sind. Gleichzeitig wird mit Kobalt ein Nicht-Edelmetall verwendet – dies könnte im Hinblick auf chemische Anwendungen helfen, Kosten zu senken und Ressourcen zu sparen.

Ein Katalysator ist eine bestimmte chemische Verbindung, die durch ihre bloße Anwesenheit in der Lage ist, eine chemische Reaktion zu beschleunigen. Solch ein Katalysator besteht aus einem reaktiven Metall-Zentrum, das durch eine Art Gerüst, dem Liganden, umgeben und damit fixiert ist. Die Funktion solcher Liganden lässt sich durch eine vorteilhafte räumliche Struktur unterstützen. Eine solche Struktur ist ein Pincer-Ligand, bei dem zwei Molekülarme des Liganden das reaktive Zentrum in die Mitte nehmen.

In der anorganischen Chemie werden Pincer-Komplexe seit den siebziger Jahren untersucht. Das gesammelte Wissen nutzen Dr. Kathrin Junge und ihr Team am Likat nun für die organische Chemie, die sich mit der Umwandlung von Kohlenstoffverbindungen befasst. Im konkreten Fall beschleunigt der Cobalt-Pincer-Komplex die Reduktion von Carbonsäureestern, die durch Anlagerung von Wasserstoff zu Alkohol umgewandelt werden. Diese Hydrierung ist ein wichtiger Schritt bei der Herstellung von Medikamenten oder pharmakologischen Wirkstoffen und auch bei der Synthese großtonnagiger Grundchemikalien.

Metall-Pincer-Komplexe werden schon seit etwa fünf Jahren am Likat bearbeitet. Dabei wurden erste Erfahrungen mit Pincer-Strukturen zunächst anhand von Katalysatoren auf Ruthenium-Basis gesammelt. Doch Ruthenium ist ein teures Edelmetall mit einer begrenzten Verfügbarkeit. Deshalb geht der Trend in der Chemie aus Kosten- und Umweltgründen hin zur Verwendung von Nicht-Edelmetallen.

Leistungsfähiger Katalysator auch bei milden Bedingungen

Nach ersten Erfolgen mit Eisen als reaktivem Zentrum nahmen sich Junge und ihre Mitarbeiter die chemischen Elemente Mangan und Kobalt vor. Dabei ließen sich die Ergebnisse mit Kobalt weitaus weniger gut reproduzieren als mit Mangan. Nach vielen Versuchen haben Junge und ihr Team nun aber einen katalytisch aktiven Cobalt-Pincer-Katalysator gefunden. Damit liege nun ein leistungsfähiges Modell vor, dass bei recht milden Reaktionsbedingungen arbeitet, nämlich bei Temperaturen von 120 Grad Celsius und Drücken von maximal 50 bar. Das stellt gegenüber bisherigen Katalyse-Komplexen eine deutliche Verbesserung dar.

Ein weiterer Vorteil des Cobalt-Pincer-Katalysators besteht darin, dass er selektiv arbeitet und die sogenannten funktionellen Gruppen im Molekül nicht angreift. Katalysereaktionen laufen ja mit meist sehr komplexen Verbindungen ab, in denen bestimmte Molekülgruppen für spezifische Eigenschaften sorgen und deshalb erhalten bleiben sollen. Und die dürfen während einer Katalysereaktion nicht beschädigt oder beeinträchtigt werden.

Als nächstes werden sich Kathrin Junge und ihre Arbeitsgruppe den Elementen Kupfer und Zink zuwenden, um das Modell durch weitere Elemente auszubauen. Da sie dabei klassische Grundlagenforschung betreiben und keinerlei Patente anmelden müssen, kann jeder davon profitieren. Die Industrie verfolgt deshalb sehr genau die Veröffentlichungen des Likat.