Small Molecule Activation - Cheatsheet

Grundprinzipien der Wasserstoffaktivierung

Definition:

Aktivierung von H2 durch homogene oder heterogene Katalysatoren zur Erzeugung reaktiver Wasserstoffspezies.

Details:

• Homogene Katalysatoren: Übergangsmetallkomplexe, z.B. Wilkinson-Katalysator ([RhCl(PPh3)3])
• Heterogene Katalysatoren: Metalloberflächen, z.B. Pd, Pt
• Oxidative Addition: \text{H}_2 + \text{M} \rightarrow \text{MH}_2 (Anlagerung an Metallzentrum)
• σ-Bindungsaktivierung: Deprotonierung von \text{H}_2 durch geeignete Basen
• Kontrastierende Rolle von Lösungsmittel und Temperatur
• Relevante Mechanismen: heterolytische und homolytische Spaltung von H2

Katalytische Systeme zur Wasserstoffaktivierung

Definition:

Katalysatoren ermöglichen die Aktivierung von H\textsubscript{2} zur weiteren Nutzung in chemischen Reaktionen. Wichtige für die Steigerung der Reaktionsraten und Effizienz.

Details:

• Homogene vs. heterogene Katalyse
• \textbf{Homogene Katalysatoren:} Übergangsmetallkomplexe wie Rh, Ir oder Ru
• \textbf{Heterogene Katalysatoren:} Metalle und Metalloxide auf Trägermaterialien (z.B. Pt/C)
• Typische Reaktionen: Hydrierungen, Hydroformylierungen, Ammoniaksynthese
• \textbf{Bindungsschemata:} \textit{σ-Bindung} und \textit{π-Bindung}
• Beispielreaktion: \textit{Chlorophyll-Catalysts}:
• \textbf{Mechanismen:} Oxidative Addition, Reduktive Eliminierung
• Ziele: Hohe Selektivität, geringe Überkatalyse

Chemische Eigenschaften und Redoxreaktionen von CO und CO2

Definition:

Chemische Eigenschaften und Redoxverhalten von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2).

Details:

• CO: farbloses, geruchloses Gas, linear
• Bindung: triple bonded: \(C\equiv O\)
• Als Ligand: starkes \(\pi\)-Akzeptor
• Reduktion: CO + 2\(H_2\) → \(CH_3OH\)
• Oxidation: 2 CO + \(O_2\) → 2 CO_2
• CO2: linear, farblos, geruchlos
• Bindung: double bonds: \(O=C=O\)
• Reduktion: CO_2 + 4 H_2 → \(CH_4 + 2 H_2O\)
• Oxidation: i.d.R. inert unter normalen Bedingungen

Neuere Katalysatoren zur CO2-Umwandlung

Definition:

Einsatz moderner Katalysatoren zur chemischen Umwandlung von CO2 in wertvolle Chemikalien oder Brennstoffe.

Details:

• Ziel: Reduktion der Treibhausgase und Gewinnung wertvoller Produkte
• Typen: Homogene, heterogene, enzymatische Katalysatoren
• Reaktionen:
  • CO2-Hydrierung: 2CO2 + 4H2 → 2CH3OH + O2
  • Elektrokatalyse: CO2 + H2O → CO + ½O2 + H2
• Eigenschaften: Hohe Selektivität, Aktivität, Stabilität
• Innovation: Nanomaterialien, metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs), molekulare Katalysatoren

Methoden der mechanistischen Untersuchung

Definition:

Untersuchungsmethoden zur Aufklärung, wie kleine Moleküle in chemischen Reaktionen aktiviert werden.

Details:

• Kinetische Untersuchungen: Bestimmung von Geschwindigkeitsgesetzen, Aktivierungsenergien, und Reaktionsordnungen.
• Isotopenmarkierung: Verfolgung von markierten Atomen zur Untersuchung von Reaktionswegen.
• Spektroskopische Techniken: Verwendung von NMR, IR, UV-vis zur Identifikation von Zwischenprodukten und Übergangszuständen.
• Computational Chemistry: DFT- und ab-initio Berechnungen zur Modellierung von Reaktionsmechanismen.
• Reaktionskalorimetrie: Messung der Wärmemengen, die während Reaktionen freigesetzt oder aufgenommen werden.
• In-situ-Methoden: Echtzeit-Untersuchung von Reaktionen mittels Techniken wie XAFS oder Mößbauer-Spektroskopie.

Design und Synthese neuer Katalysatoren

Definition:

Design und Synthese neuer Katalysatoren: Entwicklung und Herstellung von Katalysatoren zur gezielten Aktivierung kleiner Moleküle.

Details:

• Wichtige Parameter: Aktivität, Selektivität, Stabilität.
• Strategien: Ligandendesign, Modifikation von Übergangsmetallkomplexen.
• Methoden: Computergestützte Modellierung, Hochdurchsatzexperimenten.
• Beispielreaktionen: C-H-Aktivierung, Olefinmetathese.
• Wichtige Reaktionsbedingungen überprüfen (Temperatur, Lösungsmittel).

Nachhaltige Syntheserouten und grüne Technologien

Definition:

Integration umweltfreundlicher Methoden und Nachhaltigkeitsprinzipien in die chemische Synthese

Details:

• Ziel: Minimierung von Abfall, Energieverbrauch und gefährlichen Reagenzien
• Bedeutung der 12 Prinzipien der 'Grünen Chemie', zum Beispiel:
  • Vermeidung von Abfällen:
  • Atomökonomie:
  • Einsatz von weniger gefährlichen chemischen Synthesen:
• Nutzung nachwachsender Rohstoffe und erneuerbarer Energien (z. B. Biomasse, Solarenergie)
• Katalyse und Enzymkatalyse als Schlüsseltechnologien
• Anwendung von wasserbasierten oder lösungsmittelfreien Reaktionen

Instrumentelle Techniken (z.B. NMR, IR) zur Reaktionsanalyse

Definition:

Instrumentelle Techniken zur Reaktionsanalyse (z.B. NMR, IR) liefern wichtige Informationen über Struktur, Dynamik und Reaktionsmechanismen von Molekülen.

Details:

• NMR (Kernspinresonanzspektroskopie): Analysiert Wechselwirkungen von Atomkernen mit Magnetfeldern; gibt Aufschluss über die chemische Umgebung von Atomen.
• IR (Infrarotspektroskopie): Misst Schwingungen von Molekülbindungen; liefert Informationen über funktionelle Gruppen.
• UV-Vis-Spektroskopie: Untersucht elektronische Übergänge; besonders nützlich für Konjugationssysteme und Übergangsmetallkomplexe.
• Massenspektrometrie (MS): Bestimmt Molekülmassen und Fragmentierungsmuster; hilfreich zur Strukturaufklärung.
• Raman-Spektroskopie: Ergänzt die IR-Spektroskopie; besonders nützlich bei symmetrischen Molekülen.