Ping-Pong mit Photonen: Licht als Werkzeug für eine neue und vor allem nachhaltige Chemie
In Sachen Erkenntnisfortschritt belegt die Photokatalyse in der Chemie
gerade Spitzenplätze. Auf diesem Gebiet entwickelt Dr. Jola Pospech mit
ihrem Team am Rostocker Leibniz-Institut für Katalyse neue Wege für
klassische Reaktionspfade. Ein Beispiel ist die Hydrofunktionalisierung
für wertvolle Produkte wie bioaktive Amine, die natürlicherweise in
Neurotransmittern vorkommen und wichtig für die Wirkstoffforschung sind.
In ihren Vorlesungen verwendet Dr. Pospech prägnante Bilder, um
Studienanfängern die Photokatalyse zu erklären.
Photokatalyse braucht Licht, und als Lichtquelle nutzt die
Forschungsgruppe von Dr. Jola Pospech im Labor oftmals Massenware für die
Disko: Schwarzlicht. Der kuriose Name bezeichnet LEDs im ultravioletten
Bereich, UV-A-Licht, das gerade noch sichtbar ist und in der Zahnmedizin
ebenso gern verwendet wird wie im Diskoklub.
„Dieses Licht hat in unserem Fall die richtige Wellenlänge, um chemische
Reaktionen in Gang zu setzen“, erläutert Dr. Jola Pospech. „Wir richten
das LED-Panel auf das Reaktionsgefäß, dort treffen die Photonen auf die
äußeren Elektronenpaare beteiligter Stoffe, in unserem Falle des
Katalysators, und dieser geht in einen sogenannten angeregten Zustand
über.“ Das heißt, er ist nun in der Lage, ein Elektron abzugeben oder
aufzunehmen und auf diesem Wege chemische Ausgangsstoffe zu aktivieren.
Denn letztlich entstehen neue chemische Verbindungen, indem die
beteiligten Stoffe Elektronen austauschen oder gemeinsam nutzen.
Photoredoxkatalyse
Nehmen wir zwei Grundreaktionen der Chemie: Oxidation und Reduktion. Für
die Oxidation spendet der Katalysator ein Elektron und nimmt es am Ende
des Zyklus‘ wieder auf. Für die Reduktion nimmt er umgekehrt ein Elektron
auf und gibt es am Ende wieder ab. „Das Ganze kannst du dir wie ein Ping-
Pong-Spiel vorstellen“, sagt Dr. Pospech und erklärt es an der
Photoredoxkatalyse, die beide Reaktionen vereinigt.
Jola Pospech: „Stell dir vor, du hältst in der Hosentasche zwei Bälle
fest. Bei einem Energieschub, verursacht durch das Photon, wandert ein
Ball, also ein Elektron, auf das nächst höhere Niveau.“ Jola Pospechs Hand
wandert mit dem imaginären Ball aus der Tasche über den Kopf. „Die Tasche
hat nun Zugang und Platz für neue Mitspieler. So kommen chemische
Reaktionen in Gang. Wenn die Ausgangsstoffe umgesetzt sind, kann der Ball
aus der Hand abgegeben werden, und der Zyklus beginnt von vorn.“ Der
imaginäre Ball landet wieder in der Hosentasche.
Beispiel: Hydrofunktionalisierung
Jahrhundertelang lief Chemie folgendermaßen ab: Chemiker erhitzten ihre
Reaktionsgefäße, um die Stoffe darin zu aktivieren. „Mit Licht kann ich
sehr viel schneller und mit viel größeren Energiemengen die
Aktivierungsbarriere überwinden“, sagt Jola Pospech. Durch moderne LED-
Technik lässt sich dabei die Wellenlänge der Lichtquelle haargenau auf das
Absorptionsspektrum des Katalysators abstimmen.
Als Beispiel nennt die Chemikerin die Hydrofunktionalisierung, das ist ein
beliebter Reaktionspfad, der sehr „atomökonomisch abläuft“: beteiligte
Stoffe werden bis auf das letzte Atom, ohne Nebenprodukte, umgesetzt.
Dabei entstehen wertvolle Produkte, wie bioaktive Amine, die
natürlicherweise in Neutransmittern vorkommen und wichtig sind für die
Wirkstoff-Entwicklung.
Viele dieser Reaktionen laufen bislang mit Katalysatoren aus knappen und
teuren Metallen ab, mit vielen Zwischenschritten, Co-Katalysatoren und
sogenannten Opferreagenzien. Jola Pospech: „Die dienen lediglich dazu, ein
zusätzliches Elektron zu spenden, damit an entsprechender Stelle ein
anderes Elektron energetisch günstig den Partner wechseln kann.“
Organische Katalysatoren als Alternative
Ihre Forschungsgruppe entwickelte alternativ organische Photoredox-
Katalysatoren, die auf Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Kohlenstoff
bestehen. „Die von uns genutzten Verbindungen sind günstig herzustellen,
lassen sich durch Schwarzlicht präzise und schnell aktivieren und sind
mechanistisch multifunktional.“ Co-Katalysatoren und Opferreagenz werden
damit obsolet.
Die Rostocker ChemikerInnen sind gerade dabei, diesem Katalysator
selektive Funktion zu verleihen, und zwar über den Einbau von Aminosäuren.
Dies soll helfen rechts- und linkshändige Moleküle licht-getrieben
herzustellen. Hierfür braucht der Katalysator sozusagen einen „räumlichen
Sinn“, eine Stereoinformation. Nach Jola Pospechs Idee könnten Aminosäuren
solche Stereoinformationen vermittelt, denn sie weisen definierte
dreidimensionale Strukturen auf.
Nach Einschätzung von Dr. Pospech ist man in der Praxis durchaus
motiviert, solche Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung industriell zu
nutzen. Zumindest auf lange Sicht. „Jedes größere Chemieunternehmen
verfügt mittlerweile in der Forschung über Abteilungen für Photokatalyse
und Elektrochemie.“ Das LIKAT ist da sozusagen am Puls der Zeit.
