Effizientere Katalysatoren

Katalysatoren sind das A und O in der Chemie. Nun gelang es, die Reaktion von Molekülen mit Katalysatoren zu filmen.

Löwen (Belgien) - Vier Fünftel aller modernen Chemikalien entstehen mithilfe spezieller Katalysatoren. Belgische Chemiker beobachten nun die Reaktionen auf diesen Arbeitspferden der chemischen Industrie mit molekularer Auflösung. Für flüssige Substanzen konnten sie erstmals den Einfluss der Oberflächenstruktur der Katalysatoren ermitteln. Dieses Ergebnis, über das sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, könnte zu effizienteren Katalysatoren und damit zu höheren Ausbeuten bei der Produktsynthese führen.

„Diese Methode kann für den wachsenden Bereich der organischen Umwandlungen von flüssigen Phasen verwendet werden“, schreiben Maarten B. J. Roeffaers und seine Kollegen von der Katholischen Universität Löwen. Mit einem Fluoreszenz-Mikroskop verfolgten sie, wie einzelne Moleküle auf der Oberfläche von kristallinen Katalysatoren reagierten. Die Substanzen zeigten dabei ihre Position über ein schwaches Leuchten an: Angestrahlt mit einem Argon-Laser mit 488 Nanometer Wellenlänge fluoreszierten die Moleküle.

In ihren Versuchen konzentrierte sich das Team um Roeffaers auf zwei Schlüsselreaktionen der chemischen Industrie: Hydrolyse und Umesterung. Bei der hydrolytischen Spaltung unter Anlagerung eines Wassermoleküls gingen die Forscher von einem Diacetat aus (5-Carboxyfluoreszeindiacetat, C-FDA), an das sich ein Wassermolekül in einer wässrigen Lösung anlagern kann. Für die Umesterung nutzen sie ebenfalls C-FDA, das mit Butanol zur Reaktion gebracht wurde. Als Katalysator fungierte in beiden Fällen eine kristalline Schichtstruktur aus Lithiumaluminiumhydroxid (LDH). Für die Fluoreszenz während der jeweiligen Reaktion zeichnet ein an das C-FDA angelagertes Enzym des Mikroorganismus Candida antarctica quasi als „Reporter-Molekül“ verantwortlich.

Abb.: Aufnahme der Umesterung von C-FDA (Diacetat) mit Butanol. Die aktiven Bereiche verteilen sich heterogen auf der gesamten Katalysatoroberfläche. (Quelle: Katholische Universität Löwen)

Sowohl bei der Hydrolyse als auch bei der Umesterung kann C-FDA durch das Laserlicht zur Fluoreszenz angeregt werden. Dieses Leuchten fingen die Forscher über die Optik des Fluoreszenz-Mikroskops auf einem empfindlichen CCD-Chip auf. In ihren Aufnahmen zeigte sich deutlich, dass die Hydrolyse fast ausschließlich an den Kanten des Katalysators ablief. Die Umesterung dagegen verteilte sich heterogen über die gesamte Oberfläche. Die Hydrolyse ist damit abhängig von der Struktur, die Umesterung dagegen nicht.

„Nach meinem Wissen ist diese Arbeit die erste, bei der Reaktionen von flüssigen Phasen an katalytischen Festkörpern beobachtet werden“, beurteilt Bert M. Weckhuysen von der Universität Utrecht diese Ergebnisse. Nun gilt es, diese Methode auf viele weitere Substanzen mit geeigneten fluoreszierenden „Reporter-Molekülen“ zu übertragen. Offenbart sich damit die Strukturabhängigkeit von katalytischen Reaktionen, kann nicht nur das passende Material, sondern auch die ideale Oberflächenbeschaffenheit eines Katalysators gewählt werden. Allein auf eine möglichst große aktive Oberfläche bei einem Katalysator zu achten, reicht demnach nicht mehr aus. Bei geringerem Materialeinsatz locken höhere Ausbeuten für die Synthese von Chemikalien.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Maarten B. J. Roeffaers et al., Spatially resolved observation of crystal-facedependent catalysis by single turnover counting, Nature 439, 572 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04502
  http://www.nature.com/.../v439/n7076/abs/nature04502.html  
• Kommentar:
  Bert M. Weckhuysen, Catalysts live and up close, Nature 439, 548 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/439548a  
• Katholische Universität Löwen: 
  http://www.kuleuven.be  
• Abteilung für molekulare Forschung und Nanomaterialien:
  http://www.kuleuven.be/.../researchteam/50407969.htm  
• Universität Utrecht:
  http://www.chem.uu.nl

Weitere Literatur:

• Thomas, J. M. & Thomas, W. J. Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis, (Wiley-VCH, Weinheim, 1996).  
• Haw, J. F. (ed.) In-Situ Spectroscopy in Heterogeneous Catalysis (Wiley-VCH, Weinheim, 2002).  
• Weckhuysen, B. M. (ed.) In-Situ Spectroscopy of Catalysts (Am. Sci., Stevenson Ranch, CA, 2004).  
• Weckhuysen, B. M. Chem. Commun. 97–110 (2002).  
• Hunger, M. & Weitkamp, J. Angew. Chem. Int. Ed. 40, 2954–2971 (2001).