David Hunger, der Doktorand, der die Messungen am IPC durchgeführt hat. David Hunger, der Doktorand, der die Messungen am IPC durchgeführt hat.

25. November 2020

Wie Stickstoff per Katalysator übertragen wird

Gruppe um Prof. Joris van Slageren an Durchbruch in der Chemie beteiligt
[Bild: IPC]

Metallkatalysatoren können Stickstoff auf organische Moleküle übertragen. Bei solchen Reaktionen treten kurzlebige Verbindungen auf, deren Funktion für die Produktbildung durch die chemische Bindung von Metall und Stickstoff maßgeblich bestimmt wird. Die Struktur und chemische Bindung eines solchen Schlüsselintermediats (Zwischenglied) für den Stickstoffatom-Transfer haben jetzt Chemiker der Universitäten Göttingen, Frankfurt, Stuttgart und Amsterdam umfassend analysiert. Das detaillierte Verständnis des Reaktionsablaufs erlaubt es, künftig Katalysatoren für bestimmte Reaktionen maßzuschneidern und wichtige chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das renommierte Fachmagazin Nature Chemistry berichtete darüber.

Um neue Wirkstoffe für Medikamente oder innovative, molekulare Materialien mit neuen Eigenschaften herzustellen, müssen Moleküle gezielt modifiziert werden. Die Kontrolle der Selektivität solcher chemischen Transformationen ist eines der Hauptziele der Katalyse. Dies gilt insbesondere für komplexe Moleküle, die an mehreren Stellen reaktiv sein können, um im Sinne der Nachhaltigkeit unnötigen Abfall zu vermeiden. So ist z.B. der selektive Einschub einzelner Stickstoffatome in Kohlenstoff-Wasserstoff Bindungen von Zielmolekülen ein besonders interessantes Ziel der chemischen Synthese. Solche Stickstofftransfer-Reaktionen wurden in der Vergangenheit anhand von quantenchemischen Computersimulationen für molekulare Metallverbindungen dargestellt, bei denen einzelne Stickstoffatome an das Metall gebunden sind. Diese hochreaktiven Intermediate wurden bisher aber nicht experimentell beobachtet. Ein Zusammenwirken von experimentellen und theoretischen Untersuchungen solcher Metallonitren-Schlüsselintermediate ist daher für eine detaillierte Analyse und schließlich Nutzung katalytischer Stickstoffatom-Transferreaktionen sehr bedeutsam. 

Erstmals konnten nun Chemiker um Prof. Sven Schneider, Universität Göttingen, und Prof. Max Holthausen, Goethe-Universität Frankfurt, in Zusammenarbeit mit den Gruppen von Prof. Joris van Slageren, Universität Stuttgart und Prof. Bas de Bruin, Universität Amsterdam, ein solches Metallonitren direkt beobachten, spektroskopisch vermessen und quantenchemisch umfassend charakterisieren. Dazu wurde ein Platin-Azid-Komplex photochemisch in ein Metallonitren umgewandelt und mittels Photo-Kristallographie sowie magnetometrisch untersucht. Zusammen mit der theoretischen Modellierung gelang den Forschern nun die detaillierte Beschreibung eines sehr reaktionsfreudigen Metallonitrens, bei dem ein Stickstoffatom nur eine Bindung zum Metallatom aufweist und als Diradikal vorliegt, das heißt über zwei ungepaarte Elektronen verfügt. Die Wissenschaftler konnten ferner zeigen, wie die ungewöhnliche elektronische Struktur des Platin-Metallonitrens den gezielten Einschub des Stickstoffatoms, z.B. in C–H Bindungen anderer Moleküle, ermöglicht. 

Stuttgarter Messungen tragen zu Detailverständnis bei

Die Arbeitsgruppe Van Slageren am Institut für Physikalische Chemie der Universität Stuttgart hat dabei eine in der Gruppe um Prof. Schneider aus Göttingen hergestellte, einzigartige Platinverbindung auf ihre magnetischen Eigenschaften untersucht. Bei der Verbindung handelt es sich um ein langgesuchtes, schwer fassbares Intermediat in wichtigen chemischen Umsetzungen. Die Stuttgarter Messungen haben dazu beigetragen, die Eigenschaften dieses Intermediats im Detail zu verstehen. Dazu musste ein neuartiger Aufbau entwickelt werden, um die Platinverbindung innerhalb des Messgeräts herzustellen. "Unseren Messaufbau so zu ändern, dass wir diese fragile Verbindung vermessen konnten, war schon cool," sagt David Hunger, der Doktorand, der die Messungen durchgeführt hat. Van Slageren meint: "Diese Zusammenarbeit zeigte wieder mal, dass die Kombination von Expertisen zu einem erheblichen Mehrwert in der Forschung führt."

Die Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft und den Europäischen Forschungsrat gefördert.

Originalpublikation:
Jian Sun, Josh Abbenseth, Hendrik Verplancke, Martin Diefenbach, Bas de Bruin, David Hunger, Christian Würtele, Joris van Slageren, Max C. Holthausen, Sven Schneider: A platinum(II) metallonitrene with a triplet ground state. Nat. Chem. (2020) https://doi.org/10.1038/s41557-020-0522-4
 

 

Kontakt
Prof. Joris van Slageren, Institut für Physikalische Chemie, Tel. 0711 685 64380, E-Mail E-Mail
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