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Chemiker eröffnen neue Möglichkeiten zur Wasserspaltung: Photokatalytische Methode zur Aktivierung von Wasser

Wasserstoff als Energieträger. Die WWU entwickelt neues Verfahren.
Quelle: Zbynek Burival auf Unsplash

Wasserstoff ist als zukünftiger Energieträger von großer Bedeutung, insbesondere wenn er auf umweltfreundliche Weise produziert wird. Er spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von Wirkstoffen und anderen wichtigen Substanzen. Um Wasserstoff zu gewinnen, kann Wasser (H2O) durch eine Reihe chemischer Prozesse in Wasserstoffgas (H2) umgewandelt werden. Da Wassermoleküle jedoch sehr stabil sind, stellt ihre Spaltung in Wasserstoff und Sauerstoff eine große Herausforderung in der Chemie dar. Um dies zu ermöglichen, muss das Wasser zunächst durch einen Katalysator aktiviert werden, wodurch es leichter reagiert. 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, das Wasser unter milden Reaktionsbedingungen durch Triarylphosphine aktiviert und nicht wie bei den meisten anderen Verfahren durch Übergangsmetallkomplexe.

Neue Strategie in der Radikalchemie

Diese Strategie, die nun in der Fachzeitschrift „Nature“ vorgestellt wurde, wird nach Ansicht des Teams eine neue Tür im sehr aktiven Forschungsfeld der Radikalchemie öffnen. Radikale sind in der Regel besonders reaktive 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“, betont Armido Studer.

Anwendung in der Arzneimittelforschung und Materialwissenschaften

„Die Wasserstoff-Sauerstoff-Bindung in diesem Zwischenprodukt ist außergewöhnlich schwach, sodass eine Übertragung eines Wasserstoffatoms auf verschiedene Verbindungen möglich ist“, erklärt Dr. Christian Mück-Lichtenfeld, der die aktivierten Wasserkomplexe mit theoretischen Methoden analysierte. Dr. Jingjing Zhang, die die experimentellen Arbeiten durchgeführt hat, fügt hinzu: „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 Arbeit wurde von der Alexander-von-Humboldt-Stiftung finanziell unterstützt.

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