Cyclam-Sekundärsphären-Reaktionen für eine verbesserte CO2-Reduktion: Ein chemischer und enzymatischer Ansatz

• Antragsteller: Professor Dr. Ulf-Peter Apfel; Johannes Rebelein, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569255924

Das Projekt zielt darauf ab, effizientere und selektivere Katalysatoren für die Umwandlung von Kohlendioxid (CO2) in Kohlenwasserstoffe zu entwickeln, die als Grundchemikalien und Kraftstoffe dienen. Die CO2-Konzentrationen sind aufgrund menschlicher Aktivitäten gestiegen und verursachen die aktuelle Klimakrise. Um dies zu mildern, werden CO2-Abscheidungs- und Nutzungstechnologien entwickelt, die CO2 in Grundchemikalien umwandeln. Allerdings sind die aktuellen CO2-Reduktions (CO2R) - Prozesse unselektiv und erfordern erhebliche Energiemengen. Um unser langfristiges Ziel zu erreichen, effizientere und selektivere CO2R-Katalysatoren zu entwickeln, untersuchen wir die Rolle und Funktion der zweiten Koordinationssphäre in CO2-aktivierenden Übergangsmetallkomplexen und künstlichen Metalloenzymen. Obwohl die Natur Enzyme für die CO2-Umwandlung (z. B. Kohlenmonoxid-Dehydrogenase, Formiat-Dehydrogenase, usw.) evolviert und optimiert hat, sind diese Enzyme zu komplex, um direkt zu manipulieren und ihren Produktspektrum zu optimieren. Daher schlagen wir vor, Cyclam-Komplexe, zu verwenden, um effizientere und selektivere CO2R-Katalysatoren zu entwickeln. Cyclam ist vielversprechend für die CO2R, kann aber durch Modifizierung der zweiten Koordinationssphäre weiter optimiert werden. Wir werden modifizierte Cyclam-basierte Metallkomplexe synthetisieren und in Proteine einbringen um künstliche Metalloenzyme zu konstruieren. Dieser Ansatz erlaubt es uns, den Einfluss der zweiten Koordinationsspähre in Cyclamen und künstlichen Enzym zu studieren. Wir werden eine Kombination von synthetischer Chemie und biochemischen Ansätzen verwenden, um die folgenden vier Ziele zu erreichen: (1) Synthese modifizierter Cyclame mit unterschiedlichen sekundären Koordinationsspähren, (2) die Konstruktion von Cyclam-basierten künstlichen Metalloenzymen, (3) die Charakterisierung der Cyclam-basierten Metallkatalysatoren und der künstlichen Metalloenzyme für elektro- und photochemische CO2R und (4) die Anwendung von Protein-Engineering auf den besten künstlichen Metalloenzymen, um ihre katalytische Aktivität zu verbessern. Um die Cyclam-basierten Komplexe und künstlichen Metalloenzyme umfassend zu charakterisieren, werden wir eine Reihe von Techniken verwenden, einschließlich zyklischer Voltammetrie, linearer Sweep-Voltammetrie und kontrollierter Potenzial-Koulometrie, um das elektrokatalytische Verhalten zu analysieren sowie Röntgenkristallographie, um ein atomares Verständnis der Komplexe und der künstlichen Metalloenzyme zu erhalten. Das Projekt wird Einblicke in die Reaktionsmechanismen liefern und uns ermöglichen die sekundäre Koordinationssphäre in synthetischen und biologischen Systemen bezüglich Selektivität, Aktivität und Stabilität zu vergleichen. Daraus können wir Prinzipien für das Design von effizienten und selektiven chemischen und biologischen CO2R-Katalysatoren ableiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen