Hochvalente Metall-Tetrapyrrole für oberflächengestützte Katalyse

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozent Dr. Florian Klappenberger; Dr. Eva Rauls
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 220520320

Der Makrozyklus von Tetrapyrrolen stellt einen der vielseitigsten Koordinationsplätze für katalytisch aktive Metallionen bereit. Metallocorrole und –porphyrine sind die bekanntesten Mitglieder dieser natürlich vorkommenden Katalysatormoleküle. Der einfache Zugang, die Robustheit und einfach veränderbaren Eigenschaften haben Metallotetrapyrrole zu Schlüsselkomponenten in hochentwickelten Systemen wie Katalysatoren, Therapeutika, in‐vivo Biomarkern oder Farbstoff‐sensibilisierten photovoltaischen Zellen gemacht. Ihre charakteristische Fähigkeit, Metallionen in hohen Oxidationsstufen wie +III, +IV und +V zu stabilisieren, gewährt ihnen selektive katalytische Aktivität für aussichtsreiche Reaktionspfade in neuen Anwendungen wie z. B. Tumorelimination via Mn(III), Fe(III), Au(III) oder Ga(III) und Arteriosklerosevorbeugung. Jüngste Untersuchungen in flüssiger Phase haben ein hohes Potential der Metallocorrole für die Aktivierung von kleinen Molekülen gezeigt (z. B. O2 und CO2). Die Corrolchemie blieb für Jahrzehnte weitgehend unterentwickelt aufgrund großer synthetischer Hindernisse, welche nicht vor den späten 1990ern überwunden wurden und bisher wurden buchstäblich alle Untersuchungen in flüssiger Phase durchgeführt. Daher bleibt das Grundlagenwissen der elektronischen Eigenschaften, Konformation und Funktionalität von Corrolen auf Oberflächen noch zu erforschen.Unser Antrag befasst sich mit der Untersuchung, Charakterisierung und Entwicklung von corrolbasierten Wirkstoffsystemen unterstützt durch technologisch relevante Metall‐ und Halbleiteroberflächen (Au, Si) zur verbesserten Aktivierung kleiner Moleküle. Wir konzentrieren uns auf ausgewählte Metallocorrole, welche als vielversprechende Katalysatormoleküle für selektive O2‐ und CO2‐aktivierung in flüssiger Phase gelten. Als Vergleichsreferenz untersuchen wir simultan auch die zugehörigen Porphyrinverbindungen. Eine verbesserte katalytische Leistung wird angestrebt durch die Anwendung wohldefinierter Oberflächentemplate, welche nicht nur die gewünschte Stabilisierung hochvalenter Metallionen unterstützen, sondern auch als aussichtsreiche technologische Plattformen dienen. Wir beabsichtigen, jene elementaren Eigenschaften und Prozesse umfassend zu charakterisieren, die spezifische katalytische Aktivitäten festlegen. Unser Antrag ist eine interdisziplinäre feedback‐orientierte Kollaboration von vier komplementären Forschergruppen aus Österreich und Deutschland mit geeigneter Expertise in experimenteller und theoretischer Physik, synthetischer und analytischer Chemie. Basierend auf bereits existierenden Zusammenarbeiten führen wir konzertierte experimentelle Multi‐Technik Untersuchungen durch (Tieftemperatur‐Rastertunnelmikroskopie; Photoelektronen‐, Röntgenabsorptions‐, Magnetresonanz‐ und optische Spektroskopie; Elektrochemie) in Kombination mit modernen Modellrechnungen (first principles). Unsere langfristige Vision ist die Kontrolle funktionalisierter Metallocorrole und –porphyrine auf technologisch relevanten Oberflächen für selektive Aktivierung kleiner Moleküle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Johannes V. Barth; Dr. Stefan Müllegger