Chemie in zwei Dimensionen: Stuttgarter Forscher haben einen Enzym-ähnlichen Katalysator aus zwei Eisenatomen (violett) und vier Terephthalsäure-Molekülen auf eine Kupferoberfläche gebracht. Sie verbinden auf diese Weise die ausgesprochen präzise Funktionsweise von Enzymen mit der einfachen Handhabbarkeit fester Katalysatoren.
Ein selbstorganisiertes, metallorganisches Netz spaltet Sauerstoff und vereinigt dabei die Vorteile eines Enzyms und eines heterogenen Katalysators
Aus einem chemischen Dilemma könnte sich nun ein Ausweg abzeichnen. Ein internationales Team um Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart hat die Vorteile zweier verschiedenartiger Katalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen und oft in eine gewünschte Richtung steuern, miteinander kombiniert: Sie haben auf einer Kupferoberfläche ein Netz aus Eisenatomen und organischen Molekülen erzeugt und damit Sauerstoffmoleküle gespalten. Das metallorganische Netz gleicht der zweidimensionalen Version eines Enzyms, also eines Biokatalysators, der im wässrigen Milieu einer Zelle Moleküle mit Sauerstoff umsetzt, ohne dass diese gleich komplett in Kohlendioxid zerlegt werden. Auf der Kupferoberfläche lässt sich der Katalysator leichter handhaben als in einer wässrigen Lösung. Katalysatoren dieser Art könnten für die chemische Industrie interessant sein, um Sauerstoff gezielt in organische Verbindungen einzubauen und etwa das Gas Methan in das besser transportierbare Methanol umzuwandeln.
Ohne Katalysatoren läuft in der chemischen Industrie nicht viel. Die Hilfsmittel beschleunigen Reaktionen zwischen verschiedenen Molekülen und helfen so Energie zu sparen, lenken eine Umsetzung zum gewünschten Ergebnis, und manchmal machen sie eine Reaktion erst möglich. Doch leider sind die selektivsten Katalysatoren, die selbst anspruchsvolle chemische Umsetzungen präzise steuern, für großtechnische Prozesse recht unpraktisch. Enzyme etwa arbeiten als Biokatalysatoren absolut zuverlässig, aber nur in einer flüssigen Umgebung. Daher müssen Ausgangsstoffe, Produkte und der Katalysator nach einer Reaktion aufwendig voneinander getrennt werden. Im Gegensatz zu dieser homogenen Katalyse strömen die Reaktionspartner bei der heterogenen Katalyse flüssig oder gasförmig über einen festen Katalysator, was die Aufarbeitung enorm erleichtert. Dafür scheitern heterogene Katalysatoren oft an Reaktionen, die eine besondere Raffinesse erfordern.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung verbinden nun die Präzision homogener Katalysatoren, genauer gesagt von Enzymen, mit der einfachen Handhabbarkeit von festen Katalysatoren. Sie haben einen enzymähnlichen Katalysator wie ein Netz über einen Festkörper gelegt und daran die Spaltung molekularen Sauerstoffs untersucht. Zu diesem Zweck dampften die Forscher Eisenatome und die organische Terephthalsäure so wohldosiert auf eine Kupferoberfläche, dass sich das filigrane Netz von selbst formte. Dessen Kontenpunkte bilden dabei jeweils zwei Eisenatome, die über die organischen Säure miteinander verknüpft sind.
Die Details der Sauerstoffspaltung
„Damit haben wir ein zweidimensionales Modellsystem für einen Typ von eisenhaltigen Enzymen geschaffen“, sagt Klaus Kern, Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und Leiter der Studie. „Dieses Modellsystem könnte nicht nur als Vorbild für praktisch einsetzbare Katalysatoren dienen, es ermöglicht uns auch, die Reaktionen an solchen Enzymen genau zu studieren.“ Anders als im Durcheinander einer homogenen Katalyse können die Forscher das Reaktionsgeschehen auf der Oberfläche mit geeigneten Mikroskopen und Spektrometern nämlich im Detail verfolgen. „Mit dem so gewonnenen Verständnis können wir für vielfältige Reaktionen neue Katalysatoren maßschneidern“, so Sebastian Stepanow, dessen Arbeitsgruppe am Stuttgarter Max-Planck-Institut maßgeblich an der Arbeit beteiligt war.
Mit dem Katalysator aus zweiatomigen Eisenknoten und organischen Säureliganden spalteten die Forscher nun Sauerstoffmoleküle. Diesen Prozess beobachteten sie durch ein Rastertunnelmikroskop und mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie, und stellten auf der Basis der spektroskopischen Daten Rechnungen an, die den Ablauf der Reaktion Schritt für Schritt wiedergeben. Mit dem Ergebnis, dass sie die gängige Vorstellung von dem Reaktionsmechanismus an solchen Eisenkatalysatoren revidieren mussten.
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