Drei neuartige anorganische Cluster beschleunigen chemische Reaktionen und bilden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen

Parfüm, Reinigungsalkohol, ein Cholesterinmedikament und sogar biologische Prozesse hängen alle von einem chemischen Prozess namens Aldolreaktion ab. Bei der Reaktion werden vor allem Verbindungen miteinander verbunden, um Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen zu bilden, die unglaublich stark sind und einem Molekül Stabilität verleihen.

Katalysatorcluster aus Aluminium und Sauerstoff tragen typischerweise dazu bei, diese Reaktion zu beschleunigen, aber Cluster, die auch Seltenerdelemente enthalten, könnten laut einem in China ansässigen Forscherteam wünschenswertere und synergistischere Eigenschaften bieten.

Das Team entwickelte drei solcher Cluster, von denen jeder eine tatsächliche Ausbeute von mindestens 74 % und bis zu 86 % der theoretisch potenziellen Endprodukte lieferte – die in praktischen Umgebungen, beispielsweise im Labor, als gut gelten. Sie veröffentlicht ihre Ergebnisse in Polyoxometallate.

„In der organischen Chemie ist die Aldolreaktion eine der wichtigsten Methoden zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen“, sagte der korrespondierende Autor Wei-Hui Fang, Forschungsprofessor am State Key Laboratory of Structural Chemistry am Fujian Institute of Research Struktur der Materie, Chinesische Akademie der Wissenschaften. „Bisher wurden in Aldolreaktionen viele Katalysatoren eingesetzt, Cluster hingegen sind in dieser Hinsicht seltener im Einsatz.“

Cluster bestehen aus gebundenen Atomen und sind größer als ein Molekül, aber kleiner als ein festes Schüttgut. Herkömmliche katalytische Cluster, sogenannte Homometallkomplexe, werden aus Aluminium und Sauerstoff oder Seltenerdelementen hergestellt. Laut Fang sind heterometallische Komplexe, die beides kombinieren, jedoch weitaus seltener – trotz Eigenschaften, die ein besseres Zusammenwirken der beiden Komponenten ermöglichen würden.

„Heterometallische Verbindungen können zu synergistischen Eigenschaften führen, bleiben aber aufgrund komplizierter Reaktionssysteme, die mehr als drei Komponenten enthalten, darunter zwei Metalle plus Linker, relativ unerforscht“, sagte Fang.

Fang und ihr Team haben zuvor eine Methode zur Herstellung von Aluminium-Molekülringen entwickelt, die mit einzelnen Lanthanoidionen beladen sind, einer Klasse seltener Erdelemente, die als Leichtmetalle bekannt sind. Sie fanden heraus, dass sie durch eine Erhöhung der Menge an Aluminium und den Lanthanoidionen eine reine Clusterverbindung mit kristalliner Struktur erzeugen konnten. Durch Veränderung der Menge und Art der Lanthanoidionen – Cer, Praseodym oder Neodym – erzeugten sie die drei heterometallischen Cluster.

„Wir haben eine ligandenkontrollierte partielle Hydrolyse eingesetzt, um diese hutförmigen Cluster herzustellen“, sagte Fang. Bei einem solchen Prozess werden Moleküle mithilfe von Wasser in kleinere Komponenten zerlegt, die sich zu verschiedenen Komplexen neu anordnen können. Liganden oder an ein Atom gebundene Ionen können helfen, den Prozess zu kontrollieren, indem sie bestimmte Dissoziationen verhindern. „Seine einzigartige Scheitel-zu-Kante-Gemeinschaftsanordnung wurde weder in Seltenerd- noch in Aluminium-Oxo-Clustern berichtet.“

Die gemeinsame Anordnung bezieht sich auf die Art und Weise, wie sich die Moleküle miteinander verbinden, wobei sich Kanten und Spitzen so paaren, dass die Cluster wie Hüte aussehen. Zur Charakterisierung der Cluster verwendeten die Forscher verschiedene bildgebende und chemische Analysetechniken. Anschließend testeten sie, wie gut jeder von ihnen eine Aldolreaktion mit Aceton beschleunigte. Bei 60 °C und nach 48 Stunden ergab der Cluster mit Cer eine Ausbeute von 86 %, was Fang als „hervorragendes“ Ergebnis bezeichnete. Der Cluster mit Praseodym hatte eine Ausbeute von 84 % und der Cluster mit Neodym hatte eine Ausbeute von 74 %.

„Es ist ersichtlich, dass die heterometallische Kombination von Aluminium und dem Seltenerdsystem einen völlig anderen Strukturtyp als die beiden ursprünglichen Systeme mit sich bringt“, sagte Fang. „Wir gehen davon aus, dass die ligandengesteuerte partielle Hydrolyse weiterhin in der Heterometallsynthese wirksam sein wird.“