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Enzymanaloge funktionalisierte Polymere für die industrielle Katalyse

Durch die Natur inspirierte Wissenschaftler haben aus funktionalisierten Polymeren enzymanaloge Systeme synthetisiert. Die supramolekularen Architekturen mit aktiven Zentren, die in wasserabstoßenden (hydrophoben) Nischen verstaut sind, werden zahlreiche industriell relevante Reaktionen bei Lösungsmitteln auf Wasserbasis unterstützen.
Enzymanaloge funktionalisierte Polymere für die industrielle Katalyse
Katalysatoren sind Substanzen, welche die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Industrielle Reaktionen verlassen sich stark auf Katalysatoren. Durch die Beschleunigung der Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen Katalysatoren auch die Ausbeute. Dank ihrer Spezifität können Sie auch erwünschte Verbindungen mit sehr hoher Reinheit herstellen, was die Anzahl der folgenden Produktionsschritte verringert. Außerdem sind katalytische Kaskadenreaktionen, die dem natürlichen Weg der Molekülbildung ähneln, zu den Vorzeigeverfahren der organischen, "grünen" Chemie geworden, mit denen eine Vielzahl natürlicher Produkte synthetisiert werden können.

Die Natur ist oft eine Inspirationsquelle für Wissenschaftler und Ingenieure, natürliche Katalysatoren sind davon nicht ausgenommen. Enzyme sind Proteine, lange Ketten aus Untereinheiten (Aminosäuren), die sich auf komplexe Art falten und so dreidimensionale Strukturen bilden, die ihnen eine Funktion verleihen. Auf dieser Ähnlichkeit von Proteinen zu Blockcopolymeren aufbauend, haben Wissenschaftler des EU-finanzierten Projekts 'Single chain polymer nanoparticles' (SCPNANOPART) synthetische, proteinanaloge Nanopartikel (NP) hergestellt. Um dies zu bewerkstelligen, wurden Copolymere (Polymere, die aus mehr als einer Untereinheit oder Monomer bestehen) mit supramolekularen funktionellen Gruppen funktionalisiert, welche die Faltung fördern, sobald sie ausgelöst werden.

Unter den vielen Architekturen, welche für die Entwicklung eines Verfahrens für Blockcopolymere mit Funktionalisierung geschaffen und untersucht wurden, hat das Team NP mit katalytisch aktiven Zentren auf hydrophoben Innenseiten für Katalyse in wässrigen Medien aufgefunden.

Die erworbenen Kenntnisse wurden in Studien verwertet, die auf zwei Reaktionstypen mit industrieller Bedeutung ausgerichtet waren. Die Aldolkondensationsreaktion ist für die organische Synthesechemie entscheidend, da sie Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen bildet. Boronsäurederivate katalysieren eine Reihe von industriell relevanten Reaktionen, daher haben die Wissenschaftler auch die Funktionalisierung von Polymeren mit Benzolboronsäure für die Katalyse in Wasser oder organischen Lösungsmitteln untersucht.

Funktionalisierte Polymere für die Aldolreaktion wiesen eine bemerkenswerte Aktivität in Wasser auf, ähnlich der von natürlichen Enzymen. Eine neuartige Methode zur Positionierungssteuerung des aktiven Zentrums des Katalysators ermöglichte außerdem eine beeindruckende Selektivität. Mit Benzolboronsäure funktionalisierte Polymere zeigten hohe Aktivität in zwei verschiedenen Reaktionen (direkte Amidierung in einem organischen Lösungsmittel und Diels-Alder-Reaktionen in Wasser).

SCPNANOPART hat erfolgreich neuartige, gegliederte Katalysesysteme synthetisiert, bei denen das aktive Zentrum für Reaktionen in wässrigen Medien auf der hydrophoben Innenseite lokalisiert ist. Es wird erwartet, dass diese hochaktiven und spezifischen enzymanalogen Nanostrukturen bedeutende Auswirkungen auf die synthetische Chemie haben werden, insbesondere auf organische Verbindungen mit Kaskadenreaktionen.

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