Ein Katalysator ist ein wichtiger Bestandteil für viele chemische Reaktionen. Es erleichtert die Umwandlung eines Moleküls in ein anderes Molekül, ohne selbst verändert zu werden, was bedeutet, dass es mehrfach verwendet werden kann. Viele Katalysatoren bestehen jedoch aus Edelmetallen, was sie teuer und möglicherweise umweltschädlich macht. Jetzt haben Forscher einen Katalysator entwickelt, der aus einem viel häufiger vorkommenden Metall – Eisen – besteht, um eine wichtige chemische Reaktion zu erleichtern: die Olefinmetathesereaktion. Ihre Arbeit wurde kürzlich in veröffentlicht Naturkatalyse.
„Die Olefin-Metathese-Reaktion gehört zu den am weitesten verbreiteten katalytischen Reaktionen zur Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen“, erklärte Satoshi Takebayashi, ein Forscher an der Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), der an der Arbeit beteiligt war. „Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen sind eine wichtige Bindung, die in vielen chemischen Produkten zu finden ist.“
Olefine sind eine Klasse von Verbindungen mit Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen. Die Olefinmetathesereaktion erzeugt neue Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen durch Austausch der Kohlenstoffatome in Olefinen. Der Katalysator erleichtert diesen Austausch, indem er die ursprünglichen Doppelbindungen aufbricht und die Bildung neuer bewirkt.
Derzeit wird einer der beliebtesten Katalysatoren für diese Reaktion aus dem Edelmetall Ruthenium hergestellt. Das Ziel dieser Studie war es, die Reaktion mit einem Katalysator zu erleichtern, der mit einem viel häufiger vorkommenden Metall, Eisen, hergestellt wird, wodurch der gesamte Prozess billiger und umweltfreundlicher wird. Dies war ein lang ersehntes Ziel in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, da Ruthenium und Eisen in derselben Gruppe des Periodensystems stehen und daher ähnliche Eigenschaften erwartet werden.
Für diese Studie entwarfen die Forscher einen neuen Eisenkomplex und zeigten, dass er als Katalysator in der Olefinmetathesereaktion verwendet werden könnte. Sie zeigten, dass es funktionierte, indem sie ein Polymer schufen – ein langkettiges Molekül aus kleineren chemischen Einheiten.
Trotz des Erfolgs dieser Forschung betonte Takebayashi, dass die hochmodernen Katalysatoren auf Rutheniumbasis immer noch viel besser anwendbar sind als die neu geschaffenen auf Eisenbasis. Der Eisenkatalysator ist instabil und weniger aktiv, wenn er Luft und Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Diese Einschränkungen müssen behoben werden, bevor der Eisenkatalysator den Rutheniumkatalysator ersetzen kann.
„Diese Studie kann für andere Forscher auf diesem Gebiet nützlich sein“, schloss Takebayashi. „Ich hoffe, dass mit diesem Wissen eisenbasierte Katalysatoren weiterentwickelt werden können.“
Satoshi Takebayashi, Eisenkatalysierte ringöffnende Metathesepolymerisation von Olefinen und mechanistische Studien, Naturkatalyse (2022). DOI: 10.1038/s41929-022-00793-4. www.nature.com/articles/s41929-022-00793-4