Steuerung der Bildung und Reaktion von Kupfer-Sauerstoff-Adduktkomplexen in Mehrphasenströmungen

Der Arbeitskreis Herres-Pawlis war im SPP1740 mit der Entwicklung eines maßgeschneiderten chemischen Reaktionssystems beauftragt. Zum genaueren Verständnis der Stoffvorgänge bei Gas-flüssig-Phasengemischen, wie sie in reaktiven Blasenströmungen vorliegen, mussten Systeme entwickelt werden, die in Lösung mit Gasen wie NO und O2 reagieren. Wichtigste Anforderung ist die einstellbare Reaktionsgeschwindigkeit, daneben auch die Sensitivität verschiedenen Messmethoden gegenüber, um punktgenau die Reaktion mit dem Gas anzuzeigen. Dabei sind speziell die Methoden interessant, die als in-situ-Spektroskopie eingesetzt werden können, wie z.B. Raman- und Fluoreszenz-Spektroskopie. Es wurden also sechs verschiedene Reaktionssysteme entwickelt und kinetisch und theoretisch untersucht, sowohl mittels Stopped-Flow-Spektroskopie als auch im Superfocusmischer und in der Taylor-Blase.Das Ziel der zweiten Förderperiode ist es nun, den Sauerstoff-Übergang mit nachgeschalteter Folge- bzw. Parallelreaktion mit Mischungssensitivität mehrdimensional zu detektieren und die vollständige Kinetik mit Stoffdurchgangskoeffizient aufzuklären. Hierfür soll das System LIF-fähig sein und in sehr großem Maßstab verfügbar sein. Die zusätzliche besondere Herausforderung liegt darin, die Systeme zu einzustellen, dass sie ihre Reaktivität auch bei Raumtemperatur zeigen, während die definierte Cu2O2-Chemie normalerweise eher bei -80°C abläuft. Dazu ist ein ausgefeiltes Ligandendesign notwendig. Zusätzlich müssen Strategien zum Recycling der Liganden entwickelt werden, um auch den Bedarf im Litermaßstab decken zu können und trotzdem die Kosten im Rahmen zu halten. Die Charakterisierung der Kinetiken der Sauerstoffaktivierung und des -transfers wird mittels UV/Vis- und Stopped-Flow-Spektroskopie durchgeführt, um die intrinsischen Reaktionskonstanten zu erhalten. In Kooperation mit ausgewählten Arbeitskreisen werden dann multidimensionale Experimente im Superfokusmischer, Taylor-Blase, Taylor-Flow, Ein- und Zweiblasenzellen, Wendelkapillare bis hin zur Blasensäule durchgeführt: dafür wird einerseits die Farbigkeit der generierten Systeme aber auch ihre Fluoreszenzantwort verwendet. Eine umfassende kinetische Analyse aller Schritte sowie ein tiefes Verständnis des Massentransfers durch die Phasengrenzschicht gasförmig-flüssig ist notwendig, um die Oxygenierungsreaktionen im großen Stil synthetisch zu nutzen. Hierbei kommen Simulationen auf verschiedenen Größenskalen zur Hilfe: mittels Dichtefunktionaltheorie werden wir in diesem Projekt die Schritte der vielversprechenden Systeme auf atomarer Skala modellieren, während weitere SPP-Partner dann die Kinetik in Superfokusmischer, Taylor-Blase und Wendelreaktor auf größerer Skala simulieren. Gegenüber der ersten Projektphase werden nun auch konkurrierende Folge- und Parallel-Reaktionen in diesen Reaktoren betrachtet.

 

RWTH Aachen Universität
Lehrstuhl für Bioanorganischen Chemie

 

Projektleitung
Prof. Dr. Sonja Herres-Pawlis

 

Projektmitarbeiter/innen
Dr. Alexander Hoffmann
Patricia Liebhäuser
Florian Strassl
Melanie Paul