Rost als High-Tech-Katalysator
Die Entwicklung von nachhaltigen, effizienten und selektiven Synthesewegen ist ein wesentliches Ziel aktueller und zukünftiger Forschung in der Chemie. Dabei kommt dem Einsatz von Katalysatoren eine Schlüsselrolle zu. Katalysatoren sind in kleinen Mengen eingesetzte Hilfsmittel, die fast alle Arten von chemischen und biologischen Reaktionen beschleunigen. Gleichzeitig lenken sie das Reaktionsgeschehen in Abhängigkeit von ihrem Aufbau gezielt in eine erwünschte Richtung. Unerwünschte Nebenreaktionen werden minimiert (Verbesserung der Selektivität). Besonders metallorganische Katalysatoren - bei denen organische Substanzen durch Bindungen an Metallzentren aktiviert werden - sind heute zu einem etablierten Werkzeug der Synthesechemie geworden.
In den vergangenen Jahrzehnten sind effiziente Katalysatoren insbesondere auf Basis von Edelmetallen wie Palladium, Rhodium, Iridium und Ruthenium entwickelt worden. Die vergleichsweise begrenzte Verfügbarkeit und der damit einhergehende hohe Preis sowie die teilweise erhebliche Toxizität dieser Metalle machen es aus ökologischer und ökonomischer Sicht wünschenswert, nach alternativen umweltfreundlicheren Katalysatoren zu suchen. Eine Lösung dieses Problems könnte der vermehrte Einsatz von häufiger vorkommenden Metallen, speziell des Eisens, als Katalysator sein. Mit einem Gewichtsanteil von 4,7% ist Eisen nach Aluminium das zweithäufigste Metall in der Erdrinde. Viele Eisensalze sowie Eisenkomplexe sind in großen Mengen und zu niedrigen Kosten kommerziell verfügbar bzw. leicht zu synthetisieren. Eisenverbindungen sind außerdem meist wesentlich umweltfreundlicher als die etablierten Katalysatormetalle und zeichnen sich durch eine geringere Toxizität aus. Auch in vielen biologischen Systemen ist Eisen ein essentielles Zentralelement. Es ist unter anderem in Proteinen wesentlich am Transport und Metabolismus kleiner Moleküle (Sauerstoff, Stickstoff, Stickoxide, Methan etc.) beteiligt.
Aktuelle Entwicklungen am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock zeigen, dass Eisenverbindungen auch Oxidationsreaktionen positiv beeinflussen. So bewirken Eisen-basierte Katalysatoren signifikante Quantensprünge in der Synthese- und Katalysechemie. Dem Arbeitskreis um Prof. Matthias Beller, dem Direktor des LIKAT, gelang es nano-strukturierte Eisenoxide als selektive und einfach wieder verwendbare Katalysatoren einzusetzen. Einen weiteren Vorteil der neuen Katalysatoren erläutert Beller so: "Katalysatoren sind Hilfsmittel, die im Idealfall nach Reaktionsablauf unverbraucht vorliegen, oft ist die Abtrennung von den Produkten ein schwer zu lösendes Problem, nicht so bei den Eisenkatalysatoren. Hier kann man sich der magnetischen Eigenschaften des Eisens bedienen."
Beller macht außerdem auf einen weiteren Erfolg aufmerksam: "Um ein weiteres, seit langem offenstehendes Ziel in der Oxidationschemie zu lösen, haben wir Eisenchlorid in Kombination mit Diaminliganden eingesetzt und konnten so ungewöhnlich hohe Enantioselektivitäten bei sogenannten Epoxidierungen erreichen."
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