Die Forschungsgruppe von Dr. Constanze Neumann am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung hat eine elegante Methode entwickelt, um zwei unterschiedliche Bereiche der Katalyse miteinander zu verbinden. Es handelt sich dabei um homogene Katalysatoren, die in flüssiger Lösung wirken und für ihre hohe Präzision bekannt sind, und heterogene Katalysatoren, die in fester Form vorliegen und dadurch leicht wiederverwendbar sind. Durch die neuartige „Click-Heterogenisierung“ in einem Metall-Organischen Gerüst (MOF) können die Vorteile beider Katalysatortypen nun vereint werden.
Homogene und Heterogene Katalyse – zwei getrennte Welten
Homogene Katalysatoren funktionieren wie maßgeschneiderte Anzüge: Sie bestehen aus einzelnen Molekülen, die chemische Reaktionen äußerst selektiv und effizient steuern können. Da sich der Katalysator, die Ausgangsstoffe und die Produkte in derselben Phase befinden, sind sie schwer wieder voneinander zu trennen, wodurch wertvolle Substanzen verloren gehen. Im Gegensatz dazu sind heterogene Katalysatoren Feststoffe, die sich nach der Reaktion einfach herausfiltern lassen. Obwohl sie praktisch und langlebig sind, erreichen sie in der Regel nicht die Präzision der molekularen Systeme und sind schwieriger zu optimieren.
Click-Heterogenisierung: Ein neues Bindeglied
Das Team um Constanze Neumann hat eine Methode entwickelt, die die Vorteile beider Katalysator-Welten vereint: die sogenannte Click-Heterogenisierung. Dabei werden lösliche Phosphan-Liganden, die zentrale Bausteine vieler homogener Katalysatoren sind, mit einem einfachen „Klick“ fest in ein metallorganisches Gerüst (MOF) integriert. Die Forschenden konnten nachweisen, dass die Liganden innerhalb des MOF weiterhin flexibel genug sind, um Metalle wie Kobalt genauso zu koordinieren wie in einer Lösung. Das bedeutet, die Katalysatoren funktionieren im MOF mechanistisch wie homogene Systeme, sind aber fest eingebettet und lassen sich somit leicht wiederverwenden.
Test mit industriell relevanten Reaktionen: Hydroformylierung
Die Methode wurde anhand der Hydroformylierung von Olefinen getestet, einer der bedeutendsten industriellen Reaktionen. Jährlich werden weltweit rund zehn Millionen Tonnen Aldehyde mithilfe homogener Katalysatoren auf diese Weise hergestellt.
Die neuen Katalysatoren zeigten:
- Gleiche Leistung und Produktverteilung wie bei homogenen Katalysatoren.
- Stabile Wiederverwendbarkeit ohne Qualitätsverlust.
- Extrem geringe Verluste an wertvollen Substanzen (<0,7 ppm Kobalt, <0,05 ppm Phosphor).
- Regenerierbare Trägermaterialien, da die MOFs erneut mit Katalysatoren beladen werden können.
Perspektiven
Nach Einschätzung der Forschungsgruppe eröffnet die neue Methode eine vielseitige Plattform, die die Entwicklung nachhaltiger, leistungsstarker und wiederverwertbarer Katalysatoren beschleunigen kann. In einem nächsten Schritt will das Team die Strategie auf weitere Metalle und Reaktionen ausweiten und systematisch untersuchen, wie verschiedene Arten von Liganden schnell, einfach und sicher in metallorganische Gerüste eingebaut werden können.
Langfristig soll so ein allgemeines Werkzeug zur maßgeschneiderten Entwicklung von Katalysatoren entstehen, das sowohl für die Grundlagenforschung als auch für industrielle Anwendungen von großem Nutzen ist. Dies ist besonders relevant, da sich die chemische Industrie zunehmend von erdölbasierten Rohstoffen hin zu Abfällen und erneuerbaren Ressourcen verlagert. Dieser Wandel erfordert, dass viele etablierte Produktionsprozesse überdacht und neue, nachhaltige, hocheffiziente Katalysatoren entwickelt werden. Da sich die Leistung und Produktausbeute durch die Click-Heterogenisierung nicht verändert, kann die Entwicklung heterogener Katalysatoren von den effizienten Analyse- und Optimierungsmöglichkeiten der homogenen Katalyse profitieren.
Quelle
Max-Planck-Institut für Kohlenforschung (09/2025)
Publikation
Junjun Chen, Christophe Farès, Aamir Abbas, and Constanze N. Neumann
Click Heterogenization of Phosphines Furnishes Recyclable Hydroformylation Catalysts that Reproduce Homogeneous Performance
DOI: 10.1021/jacs.5c10989
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c10989