Katalysatoren

Katalyse ist eine Schlüsseltechnologie in der Chemie. Schätzungsweise mehr als 90 % aller chemischen Produkte durchlaufen in ihrer Herstellung mindestens eine katalytische Stufe.^[1] Katalysatoren bewirken, dass chemische Reaktionen schneller und selektiver oder auch überhaupt erst ablaufen können. Aus diesem Grund bietet die Katalyse energieeffiziente und ressourcenschonende Synthesen und ist damit für eine nachhaltige Chemie unabdingbar.

Die belebte Natur nutzt Enzyme als Katalysatoren – häufig sehr komplizierte Peptid-Metallkomplexe – um unter physiologischen Bedingungen (37 °C, wässrige Lösung) Reaktionen ablaufen zu lassen. Außerhalb von Zellen, also beispielsweise in Glasgefäßen oder Autoklaven können andere Temperaturbereiche und Lösemittel genutzt werden und vor allem andere Substrate. Hinzu kommt die Möglichkeit störende Gase, wie beispielsweise Sauerstoff, auszuschließen. Die in der Chemie verwendeten molekularen Katalysatoren sind, je nach zu katalysierender Reaktion, Metallkomplexe oder organische Moleküle.

Um mit Katalysatoren die gewünschten Reaktionen und Selektivitäten zu erreichen, ist eine aufwendige (Grundlagen-)Forschungstätigkeit verbunden. Diese beinhaltet die Synthese neuartiger, häufig biologisch inspirierter Katalysatoren und nachfolgend gezielte sterische und/oder elektronische Strukturvariationen der Katalysatoren und Katalysatortests in iterativen Schritten sowie die Aufklärung von Reaktionsmechanismen. Dies wird auch durch Methoden der theoretischen Chemie unterstützt.

In den Instituten für Anorganische und Organische Chemie werden neuartige Katalysatoren insbesondere für folgende Reaktionen untersucht: Polymerisation von Isopren zu Kautschuk (AK Anwander), Funktionalisierung nicht-aktivierter C-H Bindungen (AK Bettinger), C-C Verknüpfungsreaktionen (AK Kunz), enantioselektive Hydrierungen (AK Nagel) sowie metallfreie Oxidationsreaktionen (AK Nachtsheim).

Zusätzlich zu homogenen, molekularen Katalysatoren, ist auch die Immobilisierung von Katalysatoren ein Forschungsthema, da dies zu einer einfacheren Produktisolierung führt (AK Anwander, AK Mayer).

[1] M. Röper, Homogene Katalyse in der Chemischen Industrie, Chem. Unserer Zeit, 2006, 40, 126 – 135.