Propylenoxid-Synthese Auf dem Weg zu einer umweltfreundlicheren Propylenoxid-Synthese

Ein geeigneter Katalysator zur umweltfreundlicheren Propylenoxid-Synthese wird von vielen Wissenschaftlern in der Katalyseforschung als „Heiliger Gral“ angesehen. Japanische Wissenschaftler könnten ihn nun in nanoskopischen Goldclustern gefunden haben.

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Tokyo, Japan – Propylenoxid ist eine wichtige Massenchemikalie, die vor allem für die Produktion von Polyurethan-Kunststoffen benötigt wird. Derzeit wird sie meist aus Propylen (Propen) nach einem Verfahren hergestellt, das Chlor als Oxidationsmittel einsetzt. Dabei entstehen jedoch unerwünschte Nebenprodukte sowie giftige chlorierte organische Verbindungen. Die bisherigen Alternativen sind meist sehr aufwändig und wenig wirtschaftlich.

Japanische Forscher haben jetzt einen neuen Katalysator entwickelt, der dabei helfen könnte, eine umweltschonende Propylenoxid-Synthese mit Sauerstoff als Oxidationsmittel auf den Weg zu bringen. Wie die Wissenschaftler um Masatake Haruta in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, basiert der Katalysator auf Gold-Clustern und einem speziellen Titan-haltigen Trägermaterial.

Bei der Oxidation von Propylen zu Propylenoxid wird formal ein Sauerstoffatom in die Doppelbindung eingeschoben. Es entsteht ein Ring aus zwei Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom. Sauerstoff als Oxidationsmittel kam bisher nicht in Betracht, da sich das Sauerstoffmolekül nur unter Zuführung einer extrem hohen Energiemenge in Sauerstoffatome spalten lässt. Außerdem reagiert Propylen mit atomarem Sauerstoff bevorzugt zu Acrolein und nicht zum gewünschten Propylenoxid.

Aufbauend auf früheren Arbeiten haben Haruta und sein Team nun einen Katalysator entwickelt, der aus weniger als 2 nm großen Goldclustern besteht, auf einem speziellen titanhaltigen Silikat als Trägermaterial. „Es ist wichtig, dass das Gold nicht in Form von Nanopartikeln vorliegt, sondern als so genannte Cluster“, betont Haruta. Auch wenn in der Literatur beide Begriffe oft synonym verwendet werden, gibt es wichtige Unterschiede. Goldcluster sind eindeutig definierte, strukturell einheitliche nanoskopische Gebilde, während unter Goldnanopartikeln Teilchen im Nanometerbereich verstanden werden, die weder in Größe noch in ihrer Struktur einheitlich sind. „Unsere Goldcluster sind in der Lage, aus Sauerstoff und Wasser Hydroperoxid zu erzeugen, das auf benachbarte Titanzentren übertragen wird“, erläutert Haruta. „Die so entstehenden Titanhydroperoxid-Spezies sind die eigentlichen Reaktionspartner des Propylens, das zu Propylenoxid umgewandelt wird.“

Noch sind die erzielten Ausbeuten und Selektivitäten für einen industriellen Prozess nicht ausreichend. „Unser Katalysator ist aber ein weiterer wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einer umweltfreundlichen Propylenoxid-Synthese“, so Haruta.

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