Poröse Strukturen im Nanomaßstab als Katalysatoren

Mikroporöse organische Polymere (MOP) verfügen im Durchschnitt über eine Porengrößen von weniger als 2 nm. Wissenschaftler nutzten ihre große spezifische Oberfläche für neuartige funktionelle MOP zur Katalyse.

Industrielle Technologien

Das Interesse, poröse Polymere zur Gastrennung, Energiespeicherung und Katalyse einzusetzen, ist enorm hoch. Sie ermöglichen die Herstellung von Multifunktionswerkstoffen mit hierarchischen porösen Architekturen und machen sich dabei die etablierte und unkomplizierte Verarbeitung der Polymere zunutze. Wissenschaftler riefen das EU-finanzierte Projekt "Functional microporous organic polymers" (FUNMOPS) ins Leben, um neue MOP für die Katalyse zu synthetisieren. Die nanomaßstäblichen MOP stellen eine Plattform zur Entwicklung heterogener Katalysatoren dar, bei denen sich der Katalysator in einer anderen Phase befindet als die Reaktionspartner. Die Heterogenität hat zur Folge, dass der Katalysator wiederverwertet werden kann. Zu den anvisierten Zielen gehören Katalysatoren, die aus gewirkten MOP hergestellt werden, MOP, die sowohl über einen Säure- als auch einen Base-Teil verfügen sowie MOP, die Photoinitiatoren enthalten. Gewirkte MOP werden durch ein "Verweben" der aromatischen Bausteine erzeugt. Dabei werden ein externer Vernetzer und kostengünstige Reaktionspartner verwendet. Die Wissenschaftler aus dem Projekt FUNMOPS synthetisierten ein gewirktes Netz aus Eisen(III)-Chlorid-Phthalocyanin und copolymerisierten es anschließend mit Benzol, um die Porosität zu erhöhen. Unerwarteterweise fanden sie dabei heraus, dass die Oberfläche bei steigendem Benzolgehalt linear zunahm. Da Eisen(III)-Chlorid-Phthalocyanin ein bekannter Katalysator für eine Oxidation ist, prüften die Wissenschaftler das Benzol-Co-Netz und konnten eine ausgezeichnete Oxidation und Produktausbeute sowie Chemoselektivität nachweisen. Das Team hatte auch Erfolg mit der Säure-Base-Katalyse der MOP. Sie setzten die Base-katalysierte Knoevenagel-Reaktion (Kondensation) aus Benzaldehyd mit Malonsäuredinitril ein. Das Team konnte eine 96 %-ige Umwandlung bei einer Selektivität von mehr als 99 % nachweisen. Dabei verwendetete man konjugierte mikroporöse Polymere, die mit Amingruppen als heterogenem Katalysator funktionalisiert wurden, welcher erfolgreich wiederverwertet werden konnte. Zudem zeigte das Team, wie nützlich kostengünstigere gewirkte Netze für die Base-katalysierte Knoevenagel-Reaktion sein können. Schließlich konnte das Team die Synthese von MOP, die den starren aromatischen Photoinitiator Thioxanthon enthalten, demonstrieren. Wie im Fall der gewirkten MOP, stellten die Wissenschaftler die MOP durch Copolymerisation von Thioxanthon mit einem anderen ertragreichen porösen Monomer her. Die Netze wurden erfolgreich für die Photopolymerisation freier Radikale aus Methylmethacrylat eingesetzt. Des Weiteren konnten die MOP ohne maßgeblichen Aktivitätsverlust wiederverwendet werden. Das Projekt FUNMOPS hat einen wesentlichen Beitrag zu den Bereichen der Polymere und der Katalyse geleistet, welche beide von großer sozioökonomischer Bedeutung sind. Die wiederverwendbaren MOP mit hohen Ausbeuten und hoher Selektivität für industriell relevante Reaktionen werden zudem die Wettbewerbsfähigkeit zahlreicher Hersteller von auf Katalyse beruhenden Produkten steigern.

Schlüsselbegriffe

Katalysatoren, mikroporöse organische Polymere, Polymere, Knoevenagel, Thioxanthon

Functional Microporous Organic Polymers

Poröse Strukturen im Nanomaßstab als Katalysatoren

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