Katalysatoren kommen überall dort zum Einsatz, wo chemische Reaktionen ablaufen. Zum Beispiel in Organismen bei der Atmung, in der chemischen Industrie bei der Produktherstellung oder im Abgasstrom des Verbrennungsmotors. Unabhängig vom Wirkungsort gilt überall das gleich Prinzip: Durch Katalysatoren laufen Reaktionen schneller ab oder werden überhaupt erst ermöglicht. Aus diesem Grund ist die Optimierung von Katalysatoren ein wichtiger Weg zu zum Beispiel mehr Ressourceneffizienz und zu einer „grüneren“ Wirtschaft.
Einem Forschungsteam des Exzellenzclusters „Unifying Systems in Catalysis“ (UniSysCat) der Technischen Universität Berlin sowie der Professur Organische Chemie der Technischen Universität Chemnitz unter Leitung von Prof. Dr. Johannes Teichert ist es nun gelungen, ein neuartiges Konzept zur Entwicklung von Katalysatoren vorzustellen. „Während man bisher versucht hat, Katalysatoren mit einer reaktiven Position im Molekül immer reaktiver zu machen, haben wir einen vermeintlich unreaktiven Katalysator mit einer zweiten, chemisch komplett unterschiedlichen Katalysatoreinheit in direkter Nachbarschaft versehen“, beschreibt Johannes Teichert seinen neuartigen Ansatz.
Das Ergebnis ist ein sogenannter „bifunktioneller Katalysator“. Mit diesem könne man nun die Reaktivität des vermeintlich schwachen Katalysators derart verändern, dass auch bisher unreaktive Verbindungen umgesetzt werden können.
Das betrifft zum Beispiel ganz konkret häufig genutzte und gut bekannte Kupferkatalysatoren, die unter anderem bei der Herstellung von Wirkstoffen zum Einsatz kommen. Mit diesen Katalysatoren war es bisher nicht möglich, Ester umzusetzen. Ester sind als Stoffgruppe essentielle Bausteine für nahezu alle chemischen Produkte – zum Beispiel für Duft- und Parfümstoffen und vor allem auch in Form von Polyestern als Plastik für PET-Getränkeflaschen. „Unser bifunktioneller Katalysator sorgt dafür, dass die Kupferkatalysatoren nun zum ersten Mal überhaupt mit Estern reagieren“, sagt Teichert.
Damit wird es möglich, auch vermeintlich unreaktive Katalysatoren bedeutend reaktionsfreudiger zu machen und so für chemische Reaktionen maßzuschneidern. Damit ist die Forschungsgruppe um Johannes Teichert einen Schritt weiter, chemische Reaktionen idealerweise komplett ohne Abfälle und mit Wasserstoff ablaufen zu lassen.
Um die Bedeutung mit einem alltäglichen Beispiel zu erklären: Die Produktion chemischer Produkte wird durch die Erkenntnisse von Teichert und seinem Team besser und sauberer – so wie wenn nach dem Spülen sowohl sauberes Geschirr als auch sauberes Wasser zurückbleiben. Zudem ist der Ansatz besonders effizient, da alle Atome verwertet werden – Chemiker sprechen von der sogenannten „Atomökonomie“. Oder – um im Bild zu bleiben: Nicht nur Geschirr und Spülwasser sind rein, sondern es wurde auch nur exakt die Menge Wasser benutzt, die zum Spülen notwendig war.