Wasserstoff gilt als Energieträger der Zukunft – zumindest dann, wenn er klimafreundlich hergestellt wird. Auch für die Herstellung von Wirkstoffen und anderen wichtigen Stoffen kann Wasserstoff wichtig sein. Zur Herstellung von Wasserstoff kann Wasser (H2O) durch eine Reihe chemischer Prozesse in Wasserstoffgas (H2) umgewandelt werden. Da Wassermoleküle jedoch sehr stabil sind, stellt die Aufspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff für Chemiker eine große Herausforderung dar. Damit es überhaupt gelingt, muss das Wasser zunächst mit einem Katalysator aktiviert werden; dann reagiert es leichter.
Ein Forscherteam um Prof. Armido Studer vom Institut für Organische Chemie der Universität Münster (Deutschland) hat einen photokatalytischen Prozess entwickelt, bei dem Wasser unter milden Reaktionsbedingungen durch Triarylphosphine aktiviert wird und nicht – wie bei den meisten anderen Prozessen – durch Übergangsmetallkomplexe.
Diese Strategie, die jetzt veröffentlicht wurde in Natur, wird eine neue Tür im hochaktiven Forschungsfeld der Radikalchemie öffnen, sagt das Team. Radikale sind in der Regel hochreaktive Zwischenprodukte. Als aktiviertes Wasser nutzt das Team ein spezielles Zwischenprodukt – ein Phosphin-Wasser-Radikalkation –, aus dem sich Wasserstoffatome aus H2O leicht abspalten und auf ein weiteres Substrat übertragen lassen. Die Reaktion wird durch Lichtenergie angetrieben.
„Unser System“, sagt Prof. Studer, „bietet eine ideale Plattform zur Untersuchung unerforschter chemischer Prozesse, die das Wasserstoffatom als Reagens in der Synthese nutzen.“
Dr. Christian Mück-Lichtenfeld, der die aktivierten Wasserkomplexe mit theoretischen Methoden analysierte, sagt: „Die Wasserstoff-Sauerstoff-Bindung in diesem Zwischenprodukt ist außerordentlich schwach und ermöglicht die Übertragung eines Wasserstoffatoms auf verschiedene Verbindungen.“
Dr. Jingjing Zhang, der die experimentellen Arbeiten durchgeführt hat, fügt hinzu: „Die Wasserstoffatome des aktivierten Wassers können unter sehr milden Bedingungen, in sogenannten Hydrierungsreaktionen, auf Alkene und Arene übertragen werden.“
Hydrierungsreaktionen sind in der pharmazeutischen Forschung, in der agrochemischen Industrie und in den Materialwissenschaften von enormer Bedeutung.
Mehr Informationen:
Jingjing Zhang et al., Photokatalytische Phosphin-vermittelte Wasseraktivierung für die radikalische Hydrierung, Natur (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06141-1