Connect – Catch – Couple: Metall-Molekül-Wechselwirkungen bei der katalytischen Kupplung

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Friedrich Esch
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444946100

Ziel dieses Projekts ist ein grundlegendes Verständnis der chemischen Wechselwirkung zwischen organischen Molekülen und metallischen Palladium-Nanostrukturen während heterogener C-C-Kupplungsreaktionen. Mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie (STM) in Vakuum und in Lösung werden detaillierte Einblicke in die Wechselwirkung zwischen Metall und Molekülen auf atomarer Skala gewonnen, indem untersucht wird, wie einzelne Moleküle mit einer systematischen Variation von Struktur und Größe des Metalls interagieren. Die Pd-Nanokatalysatoren reichen von gestuften Einkristalloberflächen über größenselektierte Cluster bis hin zu Einzelatomen.Der Kupplungsprozess wird entlang der drei Hauptschritte untersucht: (i) CONNECT: Bildung von Metall-Molekül-Bindungen an die Pd-Nanostrukturen; (ii) CATCH: Einfluss der Metall-Molekül-Interaktion auf Morphologie und Dynamik der Nanostruktur; (iii) COUPLE: Bildung der Reaktionsprodukte und Freisetzung der Pd-Nanopartikel. Hierbei werden Arylhalogenide mit Alkenen und Borsäuren gekuppelt und die Katalysatoraktivität mit strukturellen Eigenschaften korreliert. Wir wollen verschiedene Schlüsselfragen beantworten: Wie interagieren Moleküle mit Pd-Oberflächen unterschiedlicher Morphologie? Wie werden die Reaktanden aktiviert? Wie wird die Katalysatorstabilität durch einzelne Reaktionsschritte beeinflusst? Wie können die Pd-Partikelgröße, Trägermaterial, Oxidationszustand und Lösungsmittel systematisch abgestimmt werden, um die Katalysatorstabilität zu erhöhen?Die Experimente nutzen die Vorteile komplementärer Umgebungen und Techniken in Ultrahochvakuum und in Lösung, wobei gleiche Proben verwendet und ausgetauscht werden: (I) Niedertemperatur-STM ermöglicht hohe räumliche Auflösung der Metall-Molekül-Bindung und damit einen lokalen Einblick in günstige Molekül-Metall-Anordnungen und Umwandlungen. Mittels Spektroskopie können elektronischen Eigenschaften lokal untersucht und mittels Manipulation katalytische Zyklen induziert werden. (II) Elektrochemisches STM an der Fest-Flüssig-Grenzfläche gibt einen direkten Einblick in die Rolle von Solvatisierung und Redoxzustand der Pd-Nanostruktur unter realistischen milden Kupplungsbedingungen. Durch die Implementierung der FAST-Bildgebungstechnik kann ferner die lokale Partikeldynamik untersucht werden, die für das Verständnis der Deaktivierungsmechanismen entscheidend ist. Die Neuheit dieses Projekts liegt in der atomaren Untersuchung der Kreuzkopplung in verschiedenen Umgebungen unter Nutzung der komplementären Expertise und Instrumentierung der beiden Projektpartner. Die Fähigkeit, extrem genau definierte Pd-Nanostrukturen herzustellen und dadurch die Metall-Molekül-Interaktion abzustimmen, in Kombination mit einer systematischen Variation der molekularen Vorläufer, bietet ein Werkzeug zur Steuerung grundlegender katalytischer Eigenschaften durch zielgerichtetes Design, mit Auswirkungen auf viele Bereiche, von Sensoren bis hin zu molekularer Elektronik und darüber hinaus.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Leonhard Grill