Oliver Reiser

Abbildung 1: Ein Katalysator arrangiert Moleküle in günstiger Weise, so dass sie unter milden Bedingungen miteinander reagieren.

Was sorgt dafür, dass ein Auto Benzin sauber verbrennt? Wodurch werden in unserem Körper unerwünschte Stoffe, wie z. B. Alkohol, schnell und effektiv abgebaut? Warum sind schon geringe Mengen an Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs) für die Ozonschicht unserer Atmosphäre so gefährlich? Obwohl hier ganz unterschiedliche Prozesse ablaufen, so ist doch allen gemeinsam, dass Katalysatoren (Abbildung 1) eine entscheidende Rolle spielen.

Im Jahre 1812 beobachtete der aus Hof stammende Johann Wolfgang Döbereiner (1780-1849), dass die Gase Wasserstoff und Sauerstoff, die normalerweise nicht, sondern erst nach Zündung mit einer offenen Flamme oder einem Zündfunken miteinander reagieren, sich bei Kontakt mit Platin heftig und unter Feuererscheinung zu Wasser umsetzten. In diesem "Berührungsphänomen", wie Döbereiner (Abbildung 2a) es nannte, wurde allerdings noch nicht das Prinzip der Katalyse erkannt. Immerhin entstand durch diese Entdeckung bereits eine praktische Anwendung: die ersten Feuerzeuge kamen auf den Markt (Abbildung 2b).

Abbildung 2 a und b: a) Johann Wolfgang Döbereiner, Professur für Chemie, Pharmazie und Technologie an der Universität Jena und b) sein Feuerzeug.

Der Begriff Katalyse wurde 1836 von Jöns Jakob Berzelius (1779-1848), dem großen schwedischen Chemiker des 19. Jahrhunderts, für die Beschleunigung einer chemischen Reaktion durch scheinbar nicht an ihr teilnehmende Stoffe geprägt. Diesen Stoffen sprach Berzelius eine katalytische Kraft zu, die allein durch ihre Anwesenheit und nicht durch ihre eigene Affinität in der Lage ist, Affinitäten zu wecken, die sonst… schlummern.

Wie widersprüchlich und schwer zu verstehen diese Vorgänge damals waren, zeigt ein Zitat Justus von Liebigs (1803-1873) aus seiner Zeit am chemischen Laboratorium der Universität München fast 30 Jahre später: Es gibt kaum etwas, was gegen die Regeln echter Naturforschung mehr streitet, als die Erfindung und der Gebrauch des Wortes Katalyse oder katalytische Kraft; wir alle wissen, dass in diesem Worte keine Wahrheit liegt…

Doch konnte dieses vernichtende Urteil des bedeutendsten Chemikers jener Zeit den Siegeszug der Katalyse durch alle Bereiche der Chemie nicht aufhalten. Das 20. Jahrhundert war durch viele revolutionäre Entdeckungen gekennzeichnet: Arzneimittel, Kunststoffe, Farben, Lacke, Halbleiter, Kosmetika, Waschmittel oder die Abfallreinigung in modernen Kläranlagen sind nur einige Beispiele, bei denen der Einsatz von Katalysatoren unverzichtbar ist. Die Verleihung der Nobelpreise in Chemie in den Jahren 2001, 2005 und 2007 für Katalyse zeigt eindrucksvoll die Bedeutung, die diesem Gebiet heute zugeordnet wird. Auch die Natur verwendet Katalysatoren. Enzyme sind die Katalysatoren der Natur, die auch immer mehr zur Durchführung chemischer Prozesse eingesetzt werden (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 9).

Abbildung 3: Katalysator und Heiratsvermittler - in der chinesischen Sprache das gleiche Wort.

Ein Katalysator ist ein Heiratsvermittler - jedenfalls wurde bei den Chinesen das gleiche Schriftzeichen (phonetische Aussprache "tsoo mei") für die auf den ersten Blick so unterschiedlichen Begriffe gewählt (Abbildung 3).

Tatsächlich kommt einem Katalysator die Rolle eines Vermittlers zwischen zwei Partnern zu, die ohne dessen Anwesenheit nur langsam oder auch gar nicht eine Verbindung miteinander eingehen würden. Bei einer chemischen Reaktion werden nämlich in der Regel zwei Ausgangsverbindungen in ein Produkt - im obigen Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser - umgewandelt. Hierfür muss eine Barriere überwunden werden, vergleichbar mit einem Berg, der zwischen Start (Ausgangsverbindungen) und Ziel (Produkt) liegt. Durch einen Katalysator wird ein neuer Reaktionspfad eröffnet, der besonders leicht zu begehen ist (Abbildung 4). Es kommt so zu einer Beschleunigung der Reaktion, die sich im Extremfall dadurch ausdrückt, dass die Reaktion überhaupt erst möglich wird. Keinesfalls kann jedoch ein Katalysator die Lage des Start- und Zielpunktes, und damit die Triebkraft Energiegewinn einer Reaktion verändern. Moleküle sind konsequenter als Menschen: Eine Verbindung zwischen zwei Partnern, die aus energetischen Gründen ungünstig ist, kann auch durch den besten Katalysator nicht angetrieben werden.

Abbildung 4: Die Moleküle der Ausgangsverbindungen am Start benötigen viel Energie - sie müssen über einen hohen Berg - um zu den Produkten zu reagieren und damit zum Ziel zu gelangen. Die Reaktion verläuft - wenn überhaupt - sehr langsam (oben). Der Katalysator öffnet einen neuen Weg über einen niedrigeren Berg, der sehr viel weniger Energie erfordert. Die Reaktion verläuft viel schneller (unten).

...und läuft und läuft und läuft...

Behalten wir bei den folgenden Ausführungen weiterhin das Bild des Heiratsvermittlers als Hilfestellung im Gedächtnis. Ein Katalysator nimmt an einer chemischen Reaktion zwar teil, wird aber dabei nicht verbraucht. Somit sollte ein Katalysator ein unverwüstliches Arbeitsvehikel sein, das seine Aufgaben ohne Verschleiß und Entstehung von Abfällen erfüllt - leider ist dies nur theoretisch der Fall. Ein Katalysator leistet Schwerstarbeit, um eine erfolgreiche Reaktion zu ermöglichen: er aktiviert und arrangiert die Partner in einem geeigneten Abstand zueinander, so dass sie sich verbinden können. Nach erfolgreicher Arbeit - ein Reaktionszyklus ist abgeschlossen - ist er wieder frei und beginnt sofort wieder, an einer Liaison zwischen zwei neuen Partnern zu arbeiten. Wie viele Reaktionszyklen absolut (man spricht von Wechsel- oder Turnover-Zahlen) und wie viele Reaktionszyklen pro Zeit (man spricht von Wechsel- oder Turnover-Frequenzen) ein Katalysator leisten kann, bestimmt seine Effektivität (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 10). Mit der Zeit ermüdet ein Katalysator, insbesondere dadurch, dass er dem Charme eines Reaktionspartners selbst nicht widerstehen kann und sich mit letzterem verbindet: Von nun steht er nicht mehr als Vermittler zur Verfügung. Anders als in Literatur und Film fasst der Chemiker diesen Vorgang keineswegs als Happy End auf: Man sagt, der Katalysator sei vergiftet!

Es gibt bereits katalytische Prozesse, mit denen eine Million und mehr Reaktionszyklen erreicht werden. Bei der Synthese von Natur- und Wirkstoffen zur Herstellung neuer Arzneimittel gelten dagegen 100 Reaktionszyklen oft schon als gut, diese Zahl ist für viele Reaktionen aber noch deutlich kleiner. Auch die Geschwindigkeit, mit der viele Katalysatoren arbeiten, ist oft gering: Wechselfrequenzen von einem Reaktionszyklus pro Stunde und Katalysatormolekül sind momentan noch keine Seltenheit. Der Einsatz von Katalysatoren ist aus ökologischen und ökonomischen Gründen jedoch prinzipiell außerordentlich attraktiv. Reduzierung von Abfall und des Energieverbrauchs sowie Schonung der Ressourcen bei chemischen Prozessen sind die wesentlichen Vorteile, die das Streben nach Verbesserung und Neuentwicklung von Katalysatoren verständlich machen (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 1).

	» Kontakt Prof. Dr. Oliver Reiser Department of Organic Chemistry Universitätsstr. 31 93053 Regensburg Tel.: +49 (0)941-943-4631 (4630) Fax: +49 (0)941-9434121 E-Mail: Oliver.Reiser@chemie.uni-regensburg.de