Zahlreiche Produkte des Alltags und der Industrie, wie Arzneimittel, Kunststoffe oder Beschichtungen, basieren auf dem Einsatz chemischer Katalysatoren. Dafür werden häufig teure und begrenzt verfügbare Edelmetalle genutzt. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) präsentieren nun erstmals eine an der Luft stabile Eisenverbindung, die Eisen(I) direkt für die Katalyse verfügbar macht und dabei ohne starke Reduktionsmittel auskommt. In ersten Tests konnten daraus bereits aktive Eisenkatalysatoren gewonnen werden.
Während etablierte Verfahren auf seltene Metalle wie Rhodium, Iridium oder Palladium setzen, um Reaktionen zu ermöglichen oder zu beschleunigen, bietet Eisen eine kostengünstige Alternative. „Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf nachhaltigen und umweltfreundlichen Alternativen zu Edelmetallkatalysatoren“, erläutert Dr. Oliver Townrow. „Eisen ist das vierthäufigste Element der Erdkruste und kann in bestimmten katalytischen Reaktionen ähnliche Aufgaben übernehmen wie Edelmetalle.“
Reaktives Eisen stabilisieren
Im Zentrum der Forschungsarbeit steht eine modulare, voraktivierte Eisen(I)-Quelle für die Katalyse, wobei die römische Ziffer den elektronischen Zustand des Metalls definiert. Während Eisen in chemischen Verbindungen üblicherweise als Eisen(II) oder Eisen(III) auftritt, ist der Eisen(I)-Zustand für spezifische Reaktionen besonders vorteilhaft, da er den Elektronentransfer erleichtert und alternative Reaktionswege eröffnet.
Da bisher eine stabile Ausgangsverbindung fehlte, die Eisen(I) direkt verfügbar macht, mussten Forschende diese Form oft erst während des Prozesses durch zusätzliche Reduktionsmittel erzeugen. Diese Hilfsstoffe können jedoch unerwünschte Nebenreaktionen auslösen. „Das macht es schwer, genau zu kontrollieren, welche Eisenverbindung in der Reaktion entsteht und wie sie weiterreagiert“, erklärt Luise Kink. „Mit unserem Ansatz können wir diese reaktive Eisenform jetzt verlässlicher einsetzen.“
Neue Eisenverbindungen herstellen und testen
In ihren Experimenten stellte das Team Eisen(I) zunächst außerhalb der eigentlichen Katalyse als eigenständige Verbindung her, bei der das reaktive Metall zwischen zwei stabilisierenden, ringförmigen Kohlenwasserstoffen – sogenannten Duren-Molekülen – platziert wurde. Durch diesen Aufbau bleibt das empfindliche Eisen(I) gegenüber Luftsauerstoff und Feuchtigkeit ausreichend beständig, um in nachfolgenden Reaktionen genutzt zu werden. Im nächsten Schritt ersetzten die Forschenden das Duren gezielt durch andere Moleküle und erzeugten so diverse Eisen(I)-Verbindungen, die sie mittels Röntgenstrukturanalyse, spektroskopischen Verfahren und magnetischen Messungen untersuchten. In einem ersten katalytischen Test konnte zudem nachgewiesen werden, dass aus dieser neuen Verbindung erfolgreich ein aktiver Eisenkatalysator hervorgeht.
Eisenkatalysatoren weiterentwickeln
Die neu entwickelte Eisen(I)-Verbindung dient als Fundament für vielfältige künftige Anwendungen, da Forschende nun systematisch testen können, welche Varianten sich für spezifische katalytische Reaktionen eignen. „Unser Ergebnis zeigt, dass wir Eisen(I) für die Katalyse besser vorbereiten und kontrollierter einsetzen können als bisher“, so Townrow. „Langfristig soll unser Ansatz dazu beitragen, Edelmetalle in industriellen Anwendungen durch Eisen zu ersetzen.“ Durch diese kontrollierte Handhabung wird der Weg geebnet, um die Effizienz und Nachhaltigkeit chemischer Prozesse maßgeblich zu steigern.
Quelle
Karlsruher Institut für Technologie (05/2026)
Publikation
Luise Kink, Robert Kruk, Oliver P. E. Townrow: A Simple, Air Stable Single-Ion Source of Iron(I). Journal of the American Chemical Society, 2026. DOI: 10.1021/jacs.6c01660. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.6c01660