Adsorption von Arzneimittelwirkstoffen und verwandten Verbindungen in Kationen-ausgetauschten Zeolithen – Einblicke durch atomistische Modellierung

• Antragsteller: Dr. Michael Fischer
• Fachliche Zuordnung: Mineralogie, Petrologie und Geochemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 537918374

Zeolithe sind anorganische Gerüstmaterialien, bei denen die Anwesenheit von Hohlräumen in der Kristallstruktur zu einer intrinsischen Porosität führt. In Alumosilikat-Zeolithen wird die negative Gerüstladung durch positiv geladene Spezies, meist Protonen oder Metallkationen, ausgeglichen. Kationenaustausch ist ein vielseitig einsetzbares Verfahren, um anwendungsrelevante Eigenschaften von Zeolithen zu verändern. Neben etablierten Anwendungsfeldern (z.B. Katalyse, Gastrennung) könnten Zeolithe auch in der Adsorption von Pharmazeutika und anderen funktionellen organischen Molekülen zum Einsatz kommen, insbesondere im Zusammenhang mit der Abwasserreinigung oder der kontrollierten Abgabe pharmazeutischer Wirkstoffe („drug delivery“). Da bisher wenige experimentelle Untersuchungen von Kationen-ausgetauschten Zeolithen für diese Anwendungen durchgeführt wurden, gibt nur ein begrenztes Verständnis des Einflusses des Kations auf die Adsorption von funktionellen organischen Molekülen. In diesem Projekt werden Dispersions-korrigierte Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen (DFT) verwendet, um die Wechselwirkung von Pharmazeutika und verwandten Verbindungen mit Kationen-ausgetauschten Zeolithen zu untersuchen. Im Zentrum der Untersuchungen stehen zwei Zeolithe mit großen Poren, die von besonderer Bedeutung für Anwendungen sind (FAU- und MOR-Gerüsttypen), wobei Systeme mit Metallkationen aus verschiedenen Gruppen berücksichtigt werden. Im ersten Teil des Projekts wird eine gründliche Validierung der DFT-Methodik durchgeführt, in die sowohl energetisch bevorzugte Kationen-Positionen wie auch Adsorptionsenergien einbezogen werden. Im zweiten Teil wird die Wechselwirkung zwischen kationischen Zeolithen und organischen „Modellverbindungen“, relativ einfachen pharmazeutischen Wirkstoffen mit repräsentativen funktionellen Gruppen, systematisch untersucht. Hierbei wird die Art des Kations variiert und es werden Zeolithe mit verschiedenen Si/Al-Verhältnissen und Gerüsttypen (FAU/MOR) verglichen. Der dritte Teil des Projekts besteht aus mehreren Fallstudien: Auf Grundlage publizierter experimenteller Ergebnisse werden organische Spezies ausgewählt, welche im Zusammenhang mit Abwasserreinigung oder „drug delivery“ von besonderer Bedeutung sind. Mit DFT-Rechnungen wird dann die Wechselwirkung dieser Moleküle mit Kationen-ausgetauschten Zeolithen untersucht. Hierbei werden nicht nur unterschiedliche Kationen verglichen, sondern es werden auch weitere Aspekte mit einbezogen, welche für Anwendungen relevant sind, beispielsweise der Einfluss der Temperatur sowie die kompetitive Adsorption von Wasser. Insgesamt wird dieses Projekt zu einem besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen funktionellen organischen Molekülen und kationischen Zeolithen beitragen. Diese Erkenntnisse können eine Grundlage für die Entwicklung maßgeschneiderter Zeolith-Adsorbentien bilden und Anknüpfungspunkte für Forschungsaktivitäten mit stärkerem Anwendungsbezug bieten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen