Chemiker entwickeln neuen Ansatz zur Wasserspaltung
Wasserstoff gilt als ein Energieträger der Zukunft – zumindest, wenn er klimafreundlich hergestellt wird. Auch für die Herstellung von Wirkstoffen und anderen bedeutsamen Substanzen kann Wasserstoff wichtig sein. Zur Gewinnung von Wasserstoff lässt sich Wasser (H2O) durch eine Folge chemischer Prozesse in Wasserstoffgas (H2) umwandeln. Da die Wassermoleküle jedoch sehr stabil sind, ist ihre Spaltung in Wasserstoff und Sauerstoff eine große Herausforderung in der Chemie. Damit es überhaupt gelingt, muss das Wasser zunächst durch einen Katalysator aktiviert werden – dann reagiert es leichter. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Armido Studer am Institut für Organische Chemie der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster hat ein photokatalytisches Verfahren entwickelt, bei dem Wasser unter milden Reaktionsbedingungen durch Triarylphosphine und nicht wie bei den meisten anderen Verfahren durch Übergangsmetallkomplexe aktiviert wird.
Diese jetzt in der Fachzeitschrift „Nature“ vorgestellte Strategie wird nach Überzeugung des Teams eine neue Tür in dem sehr aktiven Forschungsfeld der Radikalchemie öffnen. Radikale sind in der Regel besonders reaktionsfreudige Zwischenstufen. Das Team verwendet ein spezielles Zwischenprodukt – ein Phosphin-Wasser-Radikalkation – als aktiviertes Wasser. Von diesem lassen sich die Wasserstoffatome aus H2O leicht abspalten und auf ein weiteres Substrat übertragen. Die Reaktion wird durch Lichtenergie angetrieben. „Unser System bietet eine ideale Plattform, um unerforschte chemische Prozesse zu untersuchen, die das Wasserstoffatom als Reagenz in der Synthese nutzen", unterstreicht Armido Studer.
"Die Wasserstoff-Sauerstoff-Bindung in diesem Zwischenprodukt ist außerordentlich schwach, sodass eine Übertragung eines Wasserstoffatoms auf verschiedene Verbindungen möglich ist", erläutert Dr. Christian Mück-Lichtenfeld, der die aktivierten Wasserkomplexe mit theoretischen Methoden analysierte. Dr. Jingjing Zhang, die die experimentellen Arbeiten durchgeführt hat, ergänzt: „Die Wasserstoffatome des aktivierten Wassers können unter sehr milden Bedingungen in sogenannten Hydrierungsreaktionen auf Alkene und Arene übertragen werden.“ Hydrierungsreaktionen sind in der Arzneimittelforschung, in der agrochemischen Industrie und auch in den Materialwissenschaften von großer Bedeutung.
Die Alexander-von-Humboldt-Stiftung unterstützte die Arbeit finanziell.
Originalveröffentlichung
Jingjing Zhang, Christian Mück-Lichtenfeld and Armido Studer (2023): Photocatalytic phosphine-mediated water activation for radical hydrogenation. Nature; DOI: 10.1038/s41586-023-06141-1