Forschende des KIT und der Universit?t Paderborn stellen neues System zur Aktivierung und katalytischen ?bertragung von Ammoniak vor – Katalyse basiert auf Hauptgruppenelementen
Ein gro?es Ziel der Chemie ist es, auf einfachem Weg Amine aus Ammoniak und unges?ttigten Kohlenwasserstoffen zu erzeugen. W?hrend der katalytischen Addition, bei der Ammoniak aktiviert und anschlie?end übertragen wird, entsteht zudem kein Abfall und so ist sie besonders nachhaltig. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universit?t Paderborn sind dem Ziel nun ein Stück n?hergekommen. 365体育_足球比分网￥投注直播官网 haben ein System zur Aktivierung und katalytischen ?bertragung von Ammoniak entwickelt, das nicht auf ?bergangsmetallen, sondern auf einer Verbindung aus Hauptgruppenelementen basiert. ?ber die Ergebnisse berichtet das Team in Nature Chemistry.
Prof. Dr. Jan Paradies von der Universit?t Paderborn hat die katalytischen Untersuchungen unterstützt und erkl?rt: ?Durch unsere Arbeiten k?nnte es in Zukunft m?glich sein, nachhaltige Stickstoffquellen auf Basis von Ammoniak zu entwickeln.“
Das Molekül Ammoniak (NH3), eine Verbindung von Stickstoff und Wasserstoff, ist eine der meistproduzierten Chemikalien weltweit und bildet den Ausgangsstoff für die Herstellung vieler weiterer stickstoffhaltiger Verbindungen. Wenn es gel?nge, durch Addition von Ammoniak an unges?ttigte Kohlenwasserstoffe auf einfachem Weg Amine zu erzeugen, w?re der Chemie ein entscheidender Durchbruch gelungen. Denn Amine, organische Derivate von Ammoniak, sind in vielen verschiedenen Bereichen gefragt: 365体育_足球比分网￥投注直播官网 dienen beispielsweise als Bausteine für Agro- und Pharmachemikalien sowie für waschaktive Substanzen, Farbstoffe, Schmierstoffe und Beschichtungen. Als Katalysatoren werden Amine auch bei der Produktion von Polyurethanen eingesetzt. Eine weitere wichtige Anwendung ist die Gasw?sche in Raffinerien und Kraftwerken.
Durch das Brechen der starken Bindung zwischen Stickstoff und Wasserstoff, die sogenannte Aktivierung, kann das Ammoniakmolekül zumindest theoretisch auf andere Moleküle wie unges?ttigte Kohlenwasserstoffe übertragen werden. So würde beispielsweise bei der ?bertragung von Ammoniak auf das Alken Ethylen, einem wichtigen Stoff in der chemischen Industrie, Ethylamin entstehen. Chemiker*innen bezeichnen diese Addition als Hydroaminierung. Allerdings reagieren Ammoniak und Ethylen nicht einfach so miteinander – ein Katalysator muss die Reaktion vermitteln. Die üblichen und auf ?bergangsmetallen basierenden Katalysatoren haben jedoch den Nachteil, dass sie selbst mit Ammoniak reagieren und dadurch inaktiv werden. ?Die Hydroaminierung von nicht aktivierten Alkenen mit Ammoniak gilt daher als gro?e Herausforderung, sozusagen als Heiliger Gral der Katalyse“, erkl?rt Prof. Dr. Frank Breher, Forschungsgruppenleiter der Abteilung Molekülchemie am Institut für Anorganische Chemie (AOC) des KIT.
Aktivierung und katalytische ?bertragung von Ammoniak
Prof. Dr. Frank Breher und Dr. Felix Kr?mer vom AOC des KIT, unterstützt von Forschenden der Universit?t Paderborn und der Universit?t Complutense Madrid, sind dem herausfordernden Ziel nun ein gro?es Stück n?hergekommen. ?Wir haben ein System zur Aktivierung von Ammoniak entwickelt, das nicht auf ?bergangsmetallen basiert, sondern auf Hauptgruppenelementen. Beim ,atom?konomischen‘ Prozess der Aktivierung und bei der anschlie?enden ?bertragung von Ammoniak wird kein Abfall erzeugt – dies ist unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit natürlich besonders interessant“, so Breher.
Das Team erzeugte ein sogenanntes frustriertes Lewis-Paar (FLP), bestehend aus einer S?ure als Elektronenpaarakzeptor und einer Base als Elektronenpaardonor. Beide reagieren üblicherweise miteinander und erzeugen ein Addukt. Wird die Adduktbildung verhindert oder zumindest eingeschr?nkt, ergibt sich sozusagen eine frustrierte Situation und das Molekül reagiert bereitwillig mit kleinen Molekülen wie beispielsweise Ammoniak. ?Entscheidend ist dabei aber, die Reaktivit?t so zu d?mpfen, dass die Reaktion mit kleinen Molekülen m?glichst reversibel ist, denn nur dann ist es m?glich, ein solches FLP auch in der Katalyse einzusetzen. Dies ist uns erstmals mit Ammoniak als Substrat gelungen“, berichtet Breher. Die Forschenden zeigten, dass die Titelverbindung leicht mit nichtw?ssrigem Ammoniak thermoneutral reagiert und die Stickstoff-Wasserstoff-Bindung von Ammoniak bei Raumtemperatur reversibel spaltet. Darüber hinaus stellen sie in ihrer Ver?ffentlichung erstmals NH3-?bertragungsreaktionen vor, die durch einen auf Hauptgruppenelementen basierenden Katalysator vermittelt werden. ?Zwar haben wir bislang nur aktivierte Substrate und noch keine unges?ttigten Kohlenwasserstoffe umgesetzt, aber wir sind der ,Traumreaktion‘ deutlich n?hergekommen“, sagt Breher. ?Wir erwarten, dass unser erstmals erbrachter Grundsatzbeweis weitere Arbeiten zur Nutzung von N–H-aktiviertem Ammoniak als leicht verfügbare und nachhaltige Stickstoffquelle ansto?en wird.“
Zum Artikel: https://www.nature.com/articles/s41557-023-01340-9
