Entwicklung von HF-Shuttling-Katalysatoren für das Recycling von Fluorkohlenwasserstoffe

• Antragsteller: Dr. Raphael Bühler
• Fachliche Zuordnung: Anorganische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 575637459

Fluorkohlenwasserstoffe stehen zunehmend im Fokus der öffentlichen und wissenschaftlichen Aufmerksamkeit, da sie hinsichtlich ihrer Persistenz in der Umwelt, potenziellen Gesundheitsrisiken und ihres Beitrags zur globalen Erwärmung problematisch sind. Gleichzeitig sind fluorhaltige Verbindungen unverzichtbar für zahlreiche Hochtechnologiebranchen wie die Pharmazeutik, Agrarchemie und Materialwissenschaft. Ihre Synthese beruht jedoch nach wie vor auf Rohstoffen wie Flussspat (CaF2), einer nicht erneuerbaren und sensiblen Ressource. Diese Abhängigkeit macht die Entwicklung zirkulärer chemischer Strategien dringend erforderlich, um Fluor rückzugewinnen, die Nutzung primärer Quellen zu reduzieren und ökologische Auswirkungen zu minimieren. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung molekularer HF-Shuttling-Katalysatoren auf Basis von Hauptgruppen Lewis-Säuren und -Basen. Diese Systeme sollen eine selektive Übertragung von Fluorwasserstoff-Äquivalenten zwischen Donor- und Akzeptormolekülen vermitteln und so eine katalytische Defluorierung und stoffliche Aufwertung fluorierter Abfall- und Nebenprodukte ermöglichen. Dieser Ansatz schafft ein neues konzeptionelles Fundament für eine zirkuläre Fluorchemie mittels Hauptgruppenkatalyse und eröffnet nachhaltige Pfade für das Recycling von Fluor. Das Projekt kombiniert aktuelle Fortschritte in der Hauptgruppenchemie mit automatisierter Hochdurchsatzexperimentierung (HTE) und detaillierter mechanistischer Analyse. Eine maßgeschneiderte Bibliothek von Boran-Phosphin-Katalysatoren wird unter inerten Bedingungen mithilfe robotergestützter HTE-Plattformen systematisch untersucht. Die Anwendung von Design-of-Experiment (DOE) Prinzipien gewährleistet eine rationale und effiziente Erforschung des chemischen Raums. Die mechanistische Aufklärung erfolgt durch multinukleare NMR-Spektroskopie, in situ IR-Spektroskopie sowie fortgeschrittene Massenspektrometrie, die speziell auf reaktive Intermediate zugeschnitten ist. Die so gewonnenen Daten fließen direkt in quantenchemisch gestützte mechanistische Modellierungen ein und ermöglichen einen vollständig integrierten experimentell-theoretischen Zugang zur Katalysatoroptimierung. In der letzten Phase werden vielversprechende Katalysatorsysteme vom Batch- in den kontinuierlichen Flussbetrieb überführt. Hierfür stehen Vapourtec- und Uniqsis-Reaktoren zur Verfügung, die ein sicheres und skalierbares Arbeiten mit anspruchsvollen Substraten wie fluorierten Gasen (z. B. R-134a) ermöglichen. Diese Umsetzung wird die praktische Anwendbarkeit, Robustheit und industrielle Anschlussfähigkeit der Plattform demonstrieren. Durch die Etablierung einer neuen molekularen Strategie zur selektiven C-F Bindungsaktivierung leistet das Projekt einen wesentlichen Beitrag zur Grundlagenentwicklung für nachhaltige Fluorchemie.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. Mark R. Crimmin