UniSysCat – Unifying Systems in Catalysis
Beschreibung
UniSysCat (Unifying Systems in Catalysis) verbindet Forscher der vier Universitäten in Berlin und Potsdam, der Charité sowie der Forschungsinstitute FHI, MPI-KG, HZB und FMP mit dem Ziel, die nächste Stufe in der Katalyeforschung zu meistern. Die Herausforderungen umfassen die Aufklärung, Kreation und Kontrolle von Reaktionsnetzwerken in der chemischen und biologischen Katalyse bei verschiedenen Graden an Komplexität in Raum und Zeit. Das Ziel ist die Verbesserung und Entwicklung von Energie- und Materialeffizienten Transformationen in der Chemie und Biotechnologie, sowie Fortschritten in der medizinischen Diagnostik und Therapie.
Die interdisziplinäre Arbeitsgemeinschaft UniSysCat besteht aus 51 Arbeitsgruppen mit Expertise in den experimentellen Methoden und theoretischen Ansätzen der Fachgebiete Molekular- und Strukturbiologie, Biochemie und Biophysik, chemische Synthese, physikalische und theoretische Chemie, sowie der Physik. Die Forschungsstrategie von UniSysCat basiert auf dem vorangegangenen integrativen Katalyseforschungsprogramm des Exzellenzclusters UniCat (Unifying Concepts in Catalysis) und schreitet voran von einzelnen katalytischen Zentren zu gekoppelten katalytischen Systemen. Zehn Jahre erfolgreiche Zusammenarbeit in UniCat mit dem Fokus auf der Klärung wissenschaftlicher Schlüsselfragen verwirklichten den Zusammenschluss von Forschern vieler Disziplinen und unterschiedlicher Institutionen.
Neue Partner sind die Charité mit ihrer Expertise in Strukturbiologie, das FMP mit ihrer NMR-Expertise und ihren NMR-Einrichtungen und das HZB mit ihrer Synchrotronquelle BESSY II, einer wichtigen Infrastruktur für die Entwicklung neuer Ansätze in der Proteinspektroskopie und der in situ-Analyse katalytischer Prozesse. Die räumliche und zeitliche Kopplung der Komponenten eines solchen Systems ermöglicht die gewünschte katalytische Transformation, erfordert jedoch ein umfassendes Verständnis der Elementarschritte sowie die Natur und Dynamik der katalytischen Zentren.
Die Forschungseinheiten A – E in UniSysCat sind über den Austausch von Materialien, Methoden und Konzepten vernetzt:
Forschungseinheit A: Gekoppelte chemokatalytische Reaktionen
Forschungseinheit B: Gekoppelte biokatalytische Reaktionen
Forschungseinheit C: Kopplung von Chemo- und Biokatalyse
Forschungseinheit D: Katalyse mit elektronisch aktivierten Molekülen
Forschungseinheit E: Signal-kontrollierte Multikomponentenkatalyse
Unit A (Gekoppelte chemokatalytische Reaktionen)
Heterogen-katalysierte Tandem-Reaktion ausgehend von CO2 Methanol, Dimethylether (DME) und Dimethylcarbonat (DMC)
Die Hydrierung von CO2 ist ein etablierter Prozess zur chemischen Zugänglichkeit von Methanol und industriell relevanten Folgeprodukten. Zur Untersuchung der Kopplung dieses industriell mehrstufig durchgeführten Systems wurde ein experimentelles Setup, bestehend aus zwei unterschiedlichen Reaktoren (Berty-Reaktor und Festbettreaktor), für kinetische Experimente entwickelt und gebaut. Das Ziel des Projektes soll die Untersuchung des Einflusses der Distanz zweier Katalysatoren bei der Tandemkatalyse sein sowie eine weitere Aufklärung über die für die Katalyse relevanten Metallzentren und deren Kopplung miteinander. Wie Literaturbeispiele für die Reaktion von CO2 zu Methanol und DME zeigen, hat der Abstand der zwei Katalysatoren einen qualitativen Einfluss auf den Umsatz und die Selektivität der Reaktion. Neben der Untersuchung des Umsatzes sollen mithilfe von experimentellem Design, die optimalen Reaktionsbedingungen durch Simulationen und Verifizierungsreaktionen ermittelt werden. Weitere Modellreaktionen zu Sekundärprodukten wie Dimethylcarbonat könnten so in naher Zukunft ebenfalls in den Mittelpunkt des Projektes rücken.
Alternative Syntheserouten zur heterogen-katalysierten Umsetzung von Cyclohexan zu Cyclohexanol
Cyclohexanol für Nylon wird herkömmlich durch selektive Oxidation von Cyclohexan oder aus Benzol über Cyclohexen (Asahi-Prozess) hergestellt. Im ersten Fall werden große Teile des Rohstoffs aufgrund schlechter Selektivität verbrannt mit großer Umweltbelastung in Form von CO2-Emissionen sowie schlechter Ressourceneffizienz. Im zweiten Fall wird ein hochkomplexes Vierphasenreaktionssystem verwendet. Ziel des Projektes ist die Auffindung neuer Reaktionspfade für verbesserte Ressourceneffizienz bei milden Bedingungen.
Unit D (Katalyse mit elektronisch aktivierten Molekülen)
Elektrokatalytische Reduktion aktivierter Phosphoniumderivate für die Wittig-Reaktion
Elektrokatalytische Synthesen in nicht wässrigen Medien erlauben die Reduktion von ansonsten stabilen Bindungen (P=O, C=O). Funktionelle Gruppen können dadurch neu gebildet oder in andere überführt werden. Insbesondere bei der Wittig-Reaktion fallen bei der technischen Synthese von Vitamin A größere Mengen an Triphenylphosphinoxid (TPPO) als Nebenprodukt an. Dieses entsteht aus Triphenylphosphin (TPP), welches Sauerstoff aus dem Aldehyd oder Keton bindet und wird oftmals unter CO2-Emissionen regeneriert oder verbrannt. Unter dem Aspekt der grünen Chemie wäre ein Wittig-Reaktionszyklus ohne die Bildung stöchiometrischer Mengen an Nebenprodukten sowohl wirtschaftlich als auch technisch optimal.
Technische Universität Berlin
Freie Universität Berlin
Humboldt-Universität zu Berlin
Universität Potsdam
Charité Universitätsmedizin Berlin
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (FHI)
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung (MPI-KG)
Helmholtz Zentrum Berlin (HZB)
Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation)
Germany´s Excellence Strategy – EXC 2008/1– 390540038
Wissenschaftliche Mitarbeiter/innen
Philipp Isbrücker (Unit A)
Maik Rudolph (Unit A)
Michael Lu (Unit D)
Simon Yves Djoko (Unit D)
Carolina Urban (Unit A)
Publikationen
noch keine Publikationen veröffentlicht