Paradigmenwechsel in der metallorganischen Katalyse: Kalzium statt Platin

Chemikern gelingt Imin-Hydrierung mit preiswertem Hauptgruppenmetall

09.05.2018 - Deutschland

Preiswerte und biokompatible Hauptgruppenmetalle könnten künftig teure und giftige Übergangsmetalle bei katalytischen Prozessen ersetzen: Chemiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben gezeigt, dass die Hydrierung von Iminen mit Kalzium statt mit Edelmetallen möglich ist. Die katalytische Umwandlung von Iminen zu Aminen ist ein wichtiger Prozess in der Feinchemikalienproduktion, besonders in der Pharmachemie.

Seit über zweihundert Jahren wird Platin für die Umsetzung reaktionsträger Stoffe genutzt. Es ist ein ausgezeichneter Katalysator, weil es die Moleküle von Wasserstoff, Sauerstoff und anderen Gasen in einzelne Atome aufspaltet. Platin wird heute beispielsweise als Oxidationskatalysator in Fahrzeugen, bei der Salpetersäureherstellung und in der Krebstherapie verwendet. Doch Platin hat auch gravierende Nachteile: Das Edelmetall ist – bezogen auf seine molekulare Masse – fast doppelt so teuer wie Gold, es gibt nur wenige Vorkommen auf der Erde, und Platinsalze können hochgiftig sein, weil sie sich in DNA-Stränge einlagern. Forscher auf der ganzen Welt suchen deshalb nach günstigen und sicheren Alternativen zu Katalysatoren aus sogenannten Übergangsmetallen, zu denen neben Platin zum Beispiel Palladium, Rhodium oder Iridium gehören.

Vielversprechend: Katalyse mit Kalzium

Diesem Ziel sind Chemiker der FAU jetzt ein großes Stück nähergekommen: Sie haben im Experiment gezeigt, dass die Hydrierung von Iminen mit Wasserstoff auch mit Kalzium statt mit Edelmetallen möglich ist – und das bei vergleichsweise geringem technischem Aufwand und erstaunlich niedrigen Drücken bis zu einem Bar. Imine sind organische Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindungen, die durch katalytische Anlagerung von Wasserstoffatomen zu Aminen umgewandelt werden – ein Prozess, der vor allem für die Pharmachemie relevant ist. „Wir waren selbst überrascht, wie gut die Imin-Hydrierung mit Kalzium funktioniert“, sagt Prof. Dr. Sjoerd Harder, Inhaber des Lehrstuhls für Anorganische und Metallorganische Chemie. „Offenbar ist Kalzium ein besserer Katalysator, als wir bislang angenommen hatten.“

Preiswert, biokompatibel und atomeffizient

Kalzium gehört – ebenso wie zum Beispiel Magnesium – zu den sogenannten Erdalkalimetallen. Diese frühen Hauptgruppenmetalle sind überall auf der Welt verfügbar, leicht zu gewinnen und dadurch sehr preiswert und vor allem preisstabil. Bezogen auf seine molekulare Masse ist Kalzium 5000 mal billiger als Platin und sogar 11000 Mal billiger als Rhodium. Und im Gegensatz zu Übergangsmetallen ist Kalzium besonders biokompatibel: „Kalzium ist völlig ungefährlich“, sagt Sjoerd Harder. „Man findet es in vielen Organismen, beim Menschen zum Beispiel in Knochen und Zähnen.“ Außerdem ist die von Harder beschriebene kalziumkatalysierte Imin-Hydrierung zu einhundert Prozent atomeffizient – es entstehen keine Nebenprodukte.

Paradigmenwechsel in der metallorganischen Chemie

Die Ergebnisse der Erlanger Wissenschaftler könnten einen Paradigmenwechsel in der metallorganischen Katalyse einleiten. Sjoerd Harder und seine Lehrstuhlmitarbeiter haben es sich zur Aufgabe gemacht, das volle Anwendungspotenzial von Erdalkalimetallen bei anspruchsvollen Katalyseprozessen zu erforschen und die etablierten Übergangsmetalle sukzessive zu ersetzen.

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