Forscher der Jacobs University Bremen entdecken eine neue Klasse von heterogenen Katalysatoren auf Edelmetallbasis

Ulrich Kortz, Professor für Chemie an der Bremer Jacobs University, und sein Mitarbeiter Dr. Saurav Bhattacharya mit einem POM-Modell. (Quelle: privat) — Ulrich Kortz, Professor für Chemie an der Bremer Jacobs University, und sein Mitarbeiter Dr. Saurav Bhattacharya. (Quelle: privat)

20. Februar 2019

Sie ist stabil und recyclingfähig: Ein Team von Wissenschaftlern der Jacobs University unter Leitung von Ulrich Kortz, Professor für Chemie, hat in enger Zusammenarbeit mit Forschern der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg und der Technischen Universität München eine neue Klasse von Materialien entwickelt. Die auf dem Edelmetall Palladium basierende Verbindung ebnet den Weg für die vollständige Nutzung der gesamten Klasse der diskreten Polyoxopalladate (POPs) als Bausteine für 3D-Gerüstmaterialien (MOFs). Das Projekt wurde mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Der Name der neuen Materialklasse: POP-MOF, JUB-1.

Edelmetalle wie Palladium sind wohl die allgegenwärtigsten Katalysatoren in der modernen organischen synthetischen Chemie. In 2010 wurde der Chemie Nobel Preis für solche Forschungsarbeiten vergeben (Heck, Negishi, Suzuki). Reaktionen mit Palladium-basierten Katalysatoren sind wichtige Werkzeuge in verschiedenen Prozessen von industrieller Bedeutung, wie z.B. der Synthese von Agrochemikalien, Naturprodukten, Pharmazeutika und hochoktanigem Benzin. Diese breite Anwendung hat mit der einzigartigen Fähigkeit von Palladium (entweder in +2 oder 0 Oxidationsstufen) zu tun als effizienter Katalysator in verschiedenen organischen Reaktionen zu agieren. Die Wirksamkeit dieser katalytischen Reaktionen kann jedoch durch Faktoren wie (i) Instabilität der Katalysatoren aufgrund von Auswaschen oder (ii) schlechte Recyclingfähigkeit und somit Rückgewinnung der Katalysatoren stark beeinträchtigt werden. So haben Forscher aus der ganzen Welt in den letzten Jahrzehnten intensiv an der Entwicklung von neuartigen, besseren Palladium-basierten Katalysatormaterialien gearbeitet.

Die Forschungsgruppe von Ulrich Kortz, Experte für die Synthese von mehrkernigen Metall-Oxo-Clustern (sogenannte Polyoxometalate oder POMs), machte dabei 2008 eine entscheidende Entdeckung, als sie eine Strategie zur Isolierung des ersten diskreten, edelmetallhaltigen POM in wässrigem Medium entwickelte. Dieses Polyoxopalladat (oder POP) mit der Kernformel [Pd13O8(AsO4)8H6]8- ebnete den Weg für eine ganze Familie (aktuell ca. 70) POPs in unterschiedlicher Größe, Form und Zusammensetzung. Diese hochreaktiven POPs liefern auch ein neues Verständnis für den Mechanismus der edelmetallbasierten Molekülkatalyse. Es ist jedoch schwierig, lösliche (homogene) Katalysatoren von den Reaktionsprodukten zu trennen und daher zieht die chemische Industrie in der Regel unlösliche (heterogene) Katalysatoren mit einer großen Oberfläche vor.

Vor diesem Hintergrund entwickelten Prof. Kortz und seine Mitarbeiter Dr. Saurav Bhattacharya und Dr. Wassim W. Ayass eine Strategie, bei der sie extern modifizierte diskrete POPs als Bausteine für den Aufbau eines starren und katalytisch aktiven Gerüstmaterials, einem sogenannten Metal-Organic Framework (MOF) verwenden konnten. MOFs sind eine wichtige Materialklasse, die sich durch geordnete periodische Netzwerke von molekularen Komponenten (Metallionen oder Cluster) auszeichnet, die durch organische Gruppen (Linker) dreidimensional miteinander verbunden sind, was zu einer stabilen Gerüststruktur mit zugänglichen Hohlräumen oder Poren führt. Dies lässt sich mit dem Skelett eines Fachwerkhauses vergleichen, wo die Eckpfosten (Metallionen oder Cluster) durch Querbalken (starre organische Linker) in Position gehalten werden und die Wohnräume im Inneren den Poren des MOF entsprechen.

Mithilfe dieser Strategie ist es Saurav Bhattacharya jetzt gelungen, ein solches molekulares Haus zu konstruieren durch die erstmalige Synthese eines stabilen POP-basierten MOF-Materials (POP-MOF). Wassim Ayass war beteiligt bei den Studien der heterogenen katalytischen Aktivität in mikrowellenunterstützten Suzuki-Miyaura C–C Kupplungsreaktionen. Das Team hat eine gute Stabilität sowie Recyclingfähigkeit des Katalysators nachgewiesen. Der Name des neuen Materials (JUB-1) ist angelehnt an den Standort der Erfindung, der Jacobs University Bremen (JUB). An der Charakterisierung von JUB-1 waren auch ein weiteres Forschungslabor der JUB (Prof. V. Wagner, Physik) beteiligt, sowie Forschungsteams der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg und der Technischen Universität München. Die Ergebnisse der Forschungsarbeit sind jetzt im renommierten Journal of the American Chemical Society veröffentlicht worden.

Forscher der Jacobs University entdecken eine neue Klasse von heterogenen Katalysatoren auf Edelmetallbasis. (Quelle: privat) — Forscher der Jacobs University entdecken eine neue Klasse von heterogenen Katalysatoren auf Edelmetallbasis. (Quelle: Dr. Rami Al-Oweini)

Discovery of Polyoxo-Noble-Metalate-Based Metal-Organic Frameworks
Bhattacharya, S.; Ayass, W. W.; Taffa, D. H.; Schneemann, A.; Semrau, A. L.; Wannapaiboon, S.; Altmann, P. J.; Pöthig, A.; Nisar, T.; Balster, T.; Burtch, N. C.; Wagner, V.; Fischer, R. A.; Wark, M.; Kortz, U.
J. Am. Chem. Soc. 2019, DOI: 10.1021/jacs.8b13397

[https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b13397]

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Ulrich Kortz | Professor für Chemie
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