Dr. Gregor Kemper & Dr. Anne-Christine Kick - Metallorganische CO2 Chemie

Im Team „Metallorganische CO₂ Chemie“ arbeiten wir an der Entwicklung homogener Übergangsmetallkatalysatoren, mit deren Hilfe Kohlenstoffdioxid (CO₂) in neuartigen thermo- sowie elektrokatalytischen Prozessen genutzt werden kann. So kann dieses Treibhausgas in Verbindung mit anderen nicht-fossilen Rohstoffen in Fein- und Basischemikalien sowie Energiespeichermedien umgewandelt werden.

Ganz dem Planck’schen Motto „Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen“ folgend, sind wir hierbei insbesondere an einem tiefgreifenden Verständnis der zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen interessiert, das wir durch Katalyse/Elektrolyse-Experimente, (NMR-)Spektroskopie, Spektroelektrochemie, Cyclovoltammetrie, Isolierung und Charakterisierung von Intermediaten sowie Röntgendiffraktometrie etablieren. Dieses Mechanismus-Verständnis wird durch computerchemische Rechnungen (DFT) unterstützt, die zum Teil in enger Zusammenarbeit mit der Gruppe „Computerchemie in der Homogenen Katalyse“ um Dr. Markus Hölscher an der RWTH Aachen University erfolgen. Hierbei zielen wir darauf ab, rechnerische Methoden nicht nur als analytisches Tool zu nutzen, um experimentelle Beobachtungen zu erklären, sondern auch zur  ab initio Vorhersage von Katalysatorstrukturen und bis dato unbekannten Katalysezyklen zu verwenden.¹ 

In Anbetracht der Klimakrise und der anhaltenden Freisetzung toxischer und persistenter Chemikalien in die Umwelt bedarf es einem grundlegenden Wandel der chemischen Industrie und des Energiesektors. Während letzterer - zumindest theoretisch - vollständig dekarbonisiert werden kann, werden die benötigten Produkte der chemischen Synthese auch weiterhin zu einem Großteil auf dem Element Kohlenstoff basieren. Daher muss eine zirkuläre und ganzheitliche chemische Industrie etabliert werden, in welcher der in den Produkten enthaltene Kohlenstoff an deren Lebensende wieder in der Synthese Verwendung findet. Bei der Suche nach leistungsfähigeren Produkten oder nach alternativen Reaktionswegen zu etablierten Produkten müssen zudem Aspekte wie die Vermeidung toxischer oder persistenter Abfallstoffe, die Steigerung der Atomökonomie sowie der Verzicht auf toxische, fossile und Konflikt-verursachende Rohstoffe von Beginn an berücksichtigt werden. So kann Nachhaltigkeit als integraler Bestandteil der Leistungsfähigkeit von Produkten verstanden werden.^{2, 3}

Neben der Verwendung von Biomasse und grünem Wasserstoff, besitzt die Umwandlung des Treibhausgases CO₂ das Potential, einen großen Beitrag zur Defossilisierung der chemischen Wertschöpfungskette zu leisten. Es stellt eine ungiftige, nicht entzündliche und günstige Kohlenstoffquelle dar, die in unserer Atmosphäre (mehr als genug) vorhanden ist und auch weiterhin in sehr großem Maßstab ausgestoßen wird. Aufgrund seiner Eigenschaften als sehr stabiles und reaktionsträges Molekül, ist jedoch die Verwendung geeigneter Katalysatoren zu dessen Aktivierung und Umwandlung notwendig. 

Ein Hauptaugenmerk unserer Gruppe liegt auf der Untersuchung der reversiblen Hydrierung von Carbonylverbindungen mit molekularem Wasserstoff. Diese Reaktionen sind von besonderer Bedeutung auf dem Weg zur Nutzung von CO₂ als grundlegende Kohlenstoffquelle, da so ein direkter Zugang zu Kohlenstoffatomen auf unterschiedlichen Reduktionsniveaus ermöglicht wird. Die ineinander umwandelbaren C1-Bausteine CO₂ (+4), Ameisensäure (+2), Kohlenstoffmonoxid (+2), Formaldehyd (0) and Methanol (-2) können entweder als Wasserstoff-/Energiespeichermaterialien Verwendung finden oder – entweder nach ihrer Isolierung oder in situ – in weiterführenden Reaktionssequenzen genutzt werden, um molekulare Vielfalt zu erreichen. In diesem Hinblick untersuchen wir verschiedene katalytische Transformationen, wie die Hydrierung von Estern, Aldehyden und Ketonen, die selektive Dehydrierung von Methanol und die herausfordernde direkte Hydrierung von CO₂ zu Methanol unter milden Reaktionsbedingungen.^{4, 5} 

Um diese Reaktionen im Sinne der Grünen Chemie zu ermöglichen und/oder zu verbessern, untersuchen wir insbesondere Komplexverbindungen, die auf Edelmetalle verzichten und stattdessen 3d-Metalle wie Mangan als Zentralatom aufweisen, die in der Erdkruste reichlich vorhanden und dadurch günstiger und mit geringerem Treibhausgasausstoß zu gewinnen sind. Diese kombinieren wir mit Pincer-Liganden, die zur Metall-Ligand-Kooperation (MLC) fähig sind, um so Moleküle wie elementaren Wasserstoff zu aktivieren. Neben der gezielten, teils computergestützten Entwicklung neuartiger Mangankomplexe sind wir hierbei besonders an der Aufklärung der zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen interessiert. Ein zentraler Bestandteil hiervon stellt die Isolierung und Charakterisierung stabiler metallorganischer Intermediate dar, die in diesen Reaktionsmechanismen auftreten und so die zu überwindenden Energiebarrieren maßgeblich beeinflussen.⁶