Forscher*innen der Johannes Kepler Universität Linz und des Leibniz-Instituts für Katalyse in Rostock (LIKAT) haben einen neuen Mangan-Katalysator entwickelt, der bestimmte chemische Prozesse ökologisch unbedenklich möglich macht. Der Forschungsdurchbruch wurde nun im renommierten Journal ACS Catalysis publiziert.

Mangan ist eines der häufigsten Metalle in der Erdkruste und ökologisch unbedenklich. In ihrer neuen Studie beschreiben Forscher*innen des JKU Instituts für Katalyse (INCA) und ihre deutschen Kolleg*innen die Entwicklung eines neuartigen Katalysators auf Basis dieses günstigen und umweltfreundlichen Metalls. Der Katalysator ermöglicht es, aus einfachen chemischen Bausteinen komplexe aromatische Moleküle herzustellen – Stoffe, die eine wichtige Rolle in der Entwicklung von Medikamenten, Kunststoffen und High-Tech-Materialien spielen.

Ersatz für teure Edelmetalle
Bisher wurden solche sogenannten „Cyclotrimerisierungsreaktionen“ meist mit teuren Edelmetallen wie Rhodium oder Iridium durchgeführt. Diese Metalle sind nicht nur knapp und teuer – ihre Förderung und Nutzung ist auch mit Umweltproblemen verbunden. Hinzu kommt, dass diese Katalysatoren oft hohe Temperaturen benötigen und zusätzliche Chemikalien, um überhaupt wirksam zu werden.

Der neue Mangan-Katalysator bringt hier entscheidende Vorteile: Er nutzt eines der häufigsten Übergangsmetalle in der Erdkruste, das weder giftig noch umweltschädlich ist. Die Reaktion kann bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen (zwischen 30 und 80 °C) stattfinden und benötigt lediglich sichtbares Licht, um abzulaufen – ohne zusätzliche, oft teure und komplizierte Lichtaktivatoren. Das macht den Prozess nicht nur günstiger, sondern auch nachhaltiger.

„Ein weiterer Pluspunkt: Die chemische Reaktion verläuft schnell, sehr effizient und ,sauber‘ – das bedeutet, es entstehen kaum unerwünschte Nebenprodukte“, betont der Leiter des JKU Instituts für Katalyse Univ.-Prof. Marko Hapke. „Solche komplexen, hochsubstituierten aromatischen Verbindungen finden vielfach in der Forschung Verwendung, z. B. für die Entwicklung von Medikamenten, oder aber neuen funktionellen Molekülen, die für Anwendungen in der Materialwissenschaft interessant sind. Für solche Fälle ist die Entwicklung neuer Katalysatoren wichtig“, sieht er mögliche Anwendungen optimistisch. Es zeige zudem auch die Bedeutung der internationalen Forschungskooperationen.

„Die Entdeckung ist das Ergebnis einer engen internationalen Zusammenarbeit. Forschende vom Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT) in Rostock arbeiteten eng mit unserem Team vom INCA zusammen. Besonders hervorzuheben sind die Leistungen der beiden Doktoranden Benedikt Baumann (INCA) und Phong Dam (LIKAT), die das Projekt entscheidend vorangebracht haben“, freut sich Hapke.

Unabhängigkeit von russischen Importen
Die Forschenden hoffen, dass dieser Ansatz den Weg ebnet für eine breitere Katalyse-Nutzung von leicht verfügbaren Metallen wie Mangan, Eisen oder Nickel. Damit könnten teure und politisch problematische Importe von Edelmetallen deutlich reduziert werden – viele davon stammen derzeit unter anderem aus Russland und sind in den letzten Jahren stark im Preis gestiegen.

Darüber hinaus eröffnen sich neue Möglichkeiten, Mangan auch für andere chemische Reaktionen nutzbar zu machen, bei denen bislang fast ausschließlich teure Edelmetalle zum Einsatz kamen. Die Ergebnisse sind somit ein wichtiger Schritt in der Entwicklung nachhaltiger Katalysatoren, die letztlich die Chemiebranche umweltfreundlicher und kostengünstiger gestalten könnten.