Verbesserter Zugang zu Kohlenstoffdioxid als Kohlenstoffquelle in der Chemie
Kohlenstoffdioxid ist einerseits der Hauptverursacher des Klimawandels, andererseits ist es aber auch eine allgegenwärtige, erneuerbare und preisgünstige Quelle für C1 Kohlenstoffbausteine. Allerdings ist die Umwandlung dieses Treibhausgases in nützliche Substanzen in industriellem Maßstab mangels effizienter Verfahren bislang eingeschränkt.
Unter anderem ist die Umwandlung des wenig reaktiven Kohlenstoffdioxids durch katalytische Hydrogenierung in Ameisensäure ein vielversprechender Ansatz, aber nur, wenn der in der Reaktion verwendete Wasserstoff mit nachhaltigen Verfahren gewonnen wird, z.B. mittels Photovoltaik oder Windenergie. Umgekehrt ist die Ameisensäure für Brennstoffzellenanwendungen als Wasserstoffspeicher von Interesse, da sie ebenfalls katalytisch wieder in Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid gespalten werden kann.
In einer Zusammenarbeit von WissenschaftlerInnen von NanoKat und OPTIMAS wurde eine Serie neuer Trimethylphosphin-basierter Ruthenium-Katalysatoren für die Kohlenstoffdioxid-Hydrierung synthetisiert und charakterisiert. Der Schwerpunkt der Arbeiten war Aufklärung des elektronischen Einflusses verschiedener Liganden auf die Effizienz der Katalysatoren. Dafür wurde eine Reihe von 2-(3(5)-Pyrazolyl)pyridinen mit verschiedenen elektronenziehenden und -schiebenden Gruppen an das Ruthenium-Zentrum koordiniert und die Aktivität der entstandenen Komplexe bestimmt. Diese Untersuchungen wurden mit DFT Rechnungen und massenspektrometrischen Analysen unterstützt, um einen umfassenden Blick auf die Elementarreaktionen der Ruthenium-basierten Umwandlung einschließlich aller Übergangszustände zu bekommen. Das Vorgehen ermöglichte es, den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Hydrogenierung zu identifizieren und außerdem die gemessenen Reaktivitäten mit berechneten thermodynamischen Daten abzugleichen.
Die Untersuchungen, die anorganische, theoretische und physikalische Chemie miteinander verbinden, wurden kürzlich in der hochangesehenen Fachzeitschrift Chemistry – A European Journal veröffentlicht:
Keven Muller, Yu Sun, Andreas Heimermann, Fabian Menges, Gereon Niedner-Schatteburg, Christoph van Wüllen, and Werner R. Thiel:
Structure-Reactivity Relationships in the Hydrogenation of Carbon Dioxide with Ruthenium Complexes Bearing Pyridinylazolato Ligands
Chem. Eur. J. 19, 7825-7834 (2013)
Die Arbeiten wurden vom Sonderforschungsbereich SFB/TRR 88 3MET und der ERA-Chemistry Initiative finanziert.
Als „Nebenprodukt“ dieser Untersuchungen wurde gefunden, dass die Verwendung preisgünstigerer und weniger toxischer Phosphite anstelle des hochgiftigen und sehr sauerstoffempfindlichen Trimethylphosphins die Synthese sehr reaktiver Ruthenium-Komplexe für die katalytische Kohlenstoffdioxid-Hydrierung ermöglicht:
K. Muller, Y. Sun, W. R. Thiel, ChemCatChem 2013, 5, 1340-1343