Chirale Nanocluster für Heterogene Asymmetrische Katalyse

Chiralität ist im Universum in verschiedenen Größenordnungen allgegenwärtig, von Galaxien bis zu atomaren Teilchen. Aber was ist Chiralität? Schauen wir uns unsere Hände an: Sie sind chiral, weil die rechte Hand ein Spiegelbild der linken Hand ist, aber sie können nicht übereinander gelegt werden. Diese Eigenschaft finden wir auch bei vielen Molekülen mit einer rechten und einer linken Form, den so genannten Enantiomeren, die sehr unterschiedliche Eigenschaften haben können. Die Chiralität ist besonders in der pharmazeutischen Industrie von Bedeutung: Eine enantiomere Form eines Arzneimittels kann heilsam sein, während d ie andere (das Spiegelbild) schädlich sein kann (Contergan war ein tragisches Beispiel). Daher ist es von entscheidender Bedeutung, ein Enantiomer einer Verbindung selektiv herzustellen. Im letzten Jahrzehnt wurde dies mit chiralen homogenen Katalysatoren erreicht. Homogen bedeutet jedoch, dass sich Katalysatoren und Moleküle dasselbe Medium teilen, was eine mühsame Trennung oder Wiederaufbereitung erfordert, was ihre Anwendung in der Industrie einschränkt, die normalerweise feste heterogene Katalysatoren verwendet. Daher ist es an der Zeit, sich der Herausforderung der Gewinnung reiner Enantiomere unter Verwendung heterogener chiraler Katalysatoren zu stellen. Die erfolgreiche Gestaltung solcher Prozesse setzt jedoch voraus, dass jeder relevante Schritt verstanden und kontrolliert wird, was gut definierte Katalysatoren auf atomarer Ebene erfordert. Dies kann mit Metall-Nanoclustern erreicht werden, die unerwartete und abstimmbare katalytische Eigenschaften aufweisen. Eine zweite Herausforderung besteht darin, die Eigenschaften der Nanocluster nach ihrer Ablagerung auf aktiven Trägeroberflächen zu erhalten. In den letzten Jahren haben wir erfolgreich heterogene Nanocluster-Katalysatoren entwickelt und waren in der Lage, ihr Verhalten auf molekularer Ebene mithilfe spektroskopischer Techniken zu verstehen. Eine weitere herausragende Eigenschaft dieser Nanocluster sind ihre intrinsisch chiralen Eigenschaften, die auch durch chirale Liganden induziert werden können. Dies macht sie zu idealen Kandidaten, um die Herausforderung zu meistern, die Nanokatalyse auf enantioselektive Reaktionen auszuweiten, was das Ziel dieses Projekts ist. Nach der Herstellung chiraler Cluster, die in homogenen asymmetrischen Reaktionen aktiv sind, werden wir ihre Immobilisierung auf der Trägeroberfläche und ihre chiralen Eigenschaften kontrollieren (Konzeptnachweis im Jahr 2020). Solche atomar präzisen chiralen Oberflächen werden es ermöglichen, die Empfindlichkeitsbarrieren der verfügbaren spektroskopischen Techniken zu überwinden und die Untersuchung der Chiralität an Oberflächen zu verbessern. Schließlich werden mit einer gut definierten chiralen Oberfläche asymmetrische/enantioselektive Modellreaktionen erforscht, die auf die Gewinnung reiner Enantiomere abzielen. Jeder Prozessschritt stellt für sich genommen eine neue Pionierarbeit auf dem Gebiet der Nanocluster und der asymmetrischen Katalyse dar, die bisher weitgehend unerforscht ist. Die Herstellung und das Verständnis einer solchen neuen Klasse chiraler Oberflächen auf atomarer Ebene wird einen Wissensdurchbruch darstellen, der für Materialwissenschaft, Nanotechnologie, Biologie und Medizin von Bedeutung ist.

Chiralität, die Eigenschaft von Objekten, nicht überlagerbare Spiegelbilder voneinander zu sein, ist in verschiedenen Bereichen von entscheidender Bedeutung, insbesondere in der pharmazeutischen Industrie, wo Enantiomere - spiegelbildliche Formen eines Moleküls - drastisch unterschiedliche Wirkungen haben können. Die selektive Herstellung von reinen Enantiomeren ist daher von entscheidender Bedeutung. Homogene chirale Katalysatoren haben sich zwar als wirksam erwiesen, ihre industrielle Nutzung ist jedoch aufgrund von Problemen bei der Trennung und dem Recycling begrenzt. Um dieses Problem zu lösen, konzentriert sich unser Projekt auf die Entwicklung chiraler aktiver Zentren mit atomarer Präzision und das Verständnis ihrer Chiralität für die zukünftige Anwendung in heterogenen chiralen Katalysatoren. Das Projekt hat wichtige Meilensteine erreicht, angefangen mit der Synthese von enantiomerenreinen chiralen Nanoclustern, die starke und stabile chirale Eigenschaften unter harten Bedingungen aufwiesen. Diese Cluster zeigten eine vielversprechende katalytische Aktivität in homogenen asymmetrischen Reaktionen und bildeten die Grundlage für ihren Einsatz in heterogenen Systemen. Eine wichtige Errungenschaft war die Optimierung der Immobilisierung dieser Cluster auf aktiven Trägeroberflächen, wodurch ihre Eigenschaften erhalten blieben und eine weitere Funktionalisierung möglich wurde. Diese Funktionalisierung verlieh den Clustern neue Eigenschaften und erweiterte ihre Anwendungsmöglichkeiten über die chirale Katalyse hinaus. Das Projekt lieferte auch entscheidende Einblicke in die Strukturdynamik von Clustern während katalytischer Reaktionen, was unsere Fähigkeit zur Entwicklung stabiler und wirksamer Katalysatoren verbessert hat. Die Immobilisierungs- und Funktionalisierungsprozesse eröffnen neue Möglichkeiten für Anwendungen in den Materialwissenschaften, der Nanotechnologie und der Biologie. Diese bahnbrechende Arbeit bringt die Forschung zu Nanoclustern und asymmetrischer Katalyse voran und bietet eine Plattform für das Verständnis und die Nutzung von Chiralität auf atomarer Ebene. Die Ergebnisse haben weitreichende Auswirkungen auf Pharmazeutika, Materialwissenschaften und Nanotechnologie.