Vita

B.Sc. Universität Konstanz (2008-2011)
M.Sc. Universität Konstanz - Prof. Dr. S. Mecking (2012-2015)
Dr. rer. nat. RWTH Aachen University, Institut für Technische und Makromolekulare Chemie - Prof. Dr. Walter Leitner (2016-2020)
PostDoc RWTH Aachen University, Institut für Technische und Makromolekulare Chemie - Prof. Dr. Walter Leitner (2021-2022)
MPI CEC, Molekulare Katalyse - Prof. Dr. Walter Leitner (2023)
Gruppenleiter 'Metallorganische CO2 Chemie', MPI CEC (seit 2024)

 

Publications

Full publications list | ORCID

Selected MPI CEC publications

  • Voit, G.; Jenthra, S.; Hölscher, M.; Weyhermüller, T.; Leitner, W. Reversible insertion of carbon dioxide at phosphine sulfonamido PdII–aryl complexes. Organometallics 2020, 39 (24), 4465-4473.
  • Kemper, G.; Hölscher, M.; Leitner, W. Pd (II)-catalyzed carboxylation of aromatic C─ H bonds with CO2. Science Advances 2023, 9 (5), eadf2966.
  • Singh, A.; Kemper, G.; Weyhermueller, T.; Kaeffer, N.; Leitner, W. Activated Mn‐MACHO Complexes Form Stable CO2 Adducts. Chemistry–A European Journal 2023, e202303438.
Gruppenmitglieder

Wissenschaftliche Mitarbeiter*innen

Dr. Liwei Guo

PhD Studierende

Himani Bisht
Natalia Mendoza Vallejo
Paul Resch
Offene Stellen

Die Gruppe Metallorganische CO2 Chemie ist stets auf der Suche nach interessierten und talentierten Studierenden, Promovierenden und PostDocs. KandidatInnen, die sich für metallorganische Chemie begeistern, gerne Reaktionsmechanismen verstehen wollen und in einem motivierenden Umfeld Grundlagenforschung betreiben möchten, die zu Anwendungen für eine nachhaltigere Welt beitragen, sind herzlich dazu eingeladen Gregor Kemper zu kontaktieren.

Forschung in der Gruppe Metallorganische CO2 Chemie

Im Team „Metallorganische CO2 Chemie“ arbeiten wir daran homogene Übergangsmetallkatalysatoren zu entwickeln, mit deren Hilfe Kohlenstoffdioxid (CO2) in neuartigen Reaktionen genutzt werden kann. So kann dieses Treibhausgas in Verbindung mit anderen nicht-fossilen Rohstoffen in Fein- und Basischemikalien sowie Energiespeichermedien umgewandelt werden.

Dieses Forschungsziel verfolgen wir, da es in Anbetracht der Klimakrise und der anhaltenden Freisetzung toxischer und persistenter Chemikalien in die Umwelt einem grundlegenden Wandel der chemischen Industrie und des Energiesektors bedarf. Während letzterer - zumindest theoretisch - vollständig decarbonisiert werden kann, werden die benötigten Produkte der chemischen Synthese auch weiterhin zu einem Großteil auf dem Element Kohlenstoff basieren. Daher muss eine zirkuläre und ganzheitliche chemische Industrie etabliert werden, in welcher der in den Produkten enthaltene Kohlenstoff an deren Lebensende wieder in der Synthese Verwendung findet. Zudem müssen bei der Suche nach leistungsfähigeren Produkten oder nach alternativen Reaktionswegen zu etablierten Produkten, Aspekte wie die Vermeidung toxischer oder persistenter Abfallstoffe, die Steigerung der Atomökonomie chemischer Reaktionen sowie der Verzicht auf toxische, fossile und Konflikt-verursachende Rohstoffe von Beginn an berücksichtigt werden und so Nachhaltigkeit als integraler Bestandteil der Leistungsfähigkeit von Produkten verstanden werden1, 2.

Neben der Verwendung geeigneter nachwachsender organischer Verbindungen sowie von - durch erneuerbare Energien produziertem - Wasserstoff, besitzt die Umwandlung des Treibhausgases CO2 das Potential, einen großen Beitrag zu dieser Defossilisierung der chemischen Wertschöpfungskette zu leisten. Es stellt eine ungiftige, nicht entzündliche und günstige Kohlenstoffquelle dar, die in unserer Atmosphäre (mehr als genug) vorhanden ist und auch weiterhin in sehr großem Maßstab ausgestoßen wird. Aufgrund seiner Eigenschaften als sehr stabiles und reaktionsträges Molekül, ist jedoch die Verwendung geeigneter Katalysatoren zu dessen Umwandlung notwendig. Hierzu entwickeln wir in unserer Gruppe homogene Übergangsmetall-Komplexe, die auch bei milden Reaktionsbedingungen chemische Transformationen mit hohen Selektivitäten ermöglichen. Zudem besitzen diese Verbindungen eine herausragende Zugänglichkeit für analytische Verfahren, sodass die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen von Beginn an sehr gut verstanden und beeinflusst werden können. Dies eröffnet die Möglichkeit rational maßgeschneiderte Katalysatoren zu entwickeln, um die selektive und atomökonomische Umwandlung verfügbarer Ausgangsmaterialien unter gewünschten Reaktionsbedingungen zu den benötigten Produkten zu ermöglichen. Ganz dem Planck’schen Motto folgend: „Dem Anwenden muss das Erkennen vorausgehen.“

Abb. 1 : Verwendung metallorganischer Verbindungen in der Entwicklung neuer katalytischer Transformationen von CO2.

 

Ein Teil unserer Forschungstätigkeit besteht daher in der Synthese unter Inertgas-Bedingungen und der Analyse der erhaltenen Verbindungen mittels spektroskopischen und röntgendiffraktometrischen Methoden. Die hierbei erhaltenen Verbindungen werden in Katalyse-Experimenten unterschiedlicher Größenordnung eingesetzt, mit dem Ziel anwendbare Reaktionssysteme zu entwickeln. Zudem legen wir großes Augenmerk auf die Untersuchung der zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen, wobei NMR-spektroskopische Untersuchungen im Zentrum stehen. Dieses mechanistische Verständnis wird durch eine enge Zusammenarbeit mit der Gruppe „Computergestützte Methoden in der Katalyse“ um Dr. Markus Hölscher an der RWTH Aachen University unterstützt, mit deren Hilfe wir rechnerische Methoden (DFT) nicht nur zur Erklärung experimenteller Beobachtungen nutzen, sondern auch auf die Vorhersage von Katalysatorstrukturen und bis dato unbekannten Katalysezyklen erweitern wollen (Abb. 4 innen).

Carboxylierung einfacher Arene

Abb. 2: Schematische Darstellung der Pd(II)-katalysierten Carboxylierung von Arenen und mögliche zukünftige Anwendung.

 

Ein Beispiel dieses Forschungsansatzes stellt die homogen katalysierte Carboxylierung aromatischer C-H-Bindungen mit CO2 dar (Abb.2). Diese ist ein atomökonomisches katalytisches Verfahren zur Synthese aromatischer Carbonsäuren, welche ein häufiges Strukturmotiv in Polymeren, Feinchemikalien sowie biologisch aktiven Verbindungen sind. Um diese Reaktion zu realisieren wurde ein neuartiger Katalysezyklus postuliert, für den ex-ante über computerchemische Berechnungen mögliche Katalysatoren vorgeschlagen wurden3. Die katalytische Aktivität von Phosphansulfonamido-Pd(II)-Komplexen konnte anschließend experimentell bestätigt werden4, 5. Derzeit arbeiten wir daran, dieses System mithilfe neuer Katalysatoren effektiver zu gestalten und durch Mechanismus-gestützte Optimierung der Reaktionsbedingungen ein breiteres Spektrum an Arenen aus nachwachsenden Quellen für diese Umsetzung zugänglich zu machen.

Hydrierung von CO2 zu Methanol mit 3d-Metallen

Abb. 3: Schematische Darstellung der Mangan-katalysierten Hydrierung von CO2 zu Methanol.

 

Weiterhin forschen wir auf dem Gebiet der katalytischen Hydrierung von CO2 (Abb. 3). Als Reaktionsprodukt von besonders großem Interesse kann hierbei Methanol betrachtet werden. Dieser Alkohol besitzt nicht nur eine zentrale Bedeutung als Basischemikalie (jährliches Produktionsvolumen >100 Gt), deren breites Anwendungspotential durch weitere Forschung auf diesem Gebiet noch gesteigert werden kann, sondern kann zukünftig auch als Energiespeichermedium Verwendung finden.

Unser Interesse besteht darin, metallorganische Katalysatorsysteme zu finden, die die Methanolsynthese ausgehend aus CO2 und elementarem Wasserstoff unter möglichst milden Reaktionsbedingungen und mit hoher Selektivität ermöglichen. Hierzu untersuchen wir insbesondere Komplexverbindungen, die auf Edelmetalle verzichten und stattdessen 3d-Metalle, wie Mangan, als Zentralatom aufweisen, die in der Erdkruste reichlich vorhanden und dadurch günstiger und mit geringerem Treibhausgasausstoß zu gewinnen sind. Ausgehend von ersten erfolgreichen Experimenten zur Synthese von Methanol mit Mangan-MACHO-Komplexen6, 7, arbeiten wir derzeit daran, dieses System durch gezielte Mechanismusuntersuchungen8 und – teilweise computerchemisch gestützte – Katalysatorentwicklung soweit zu verbessern, bis eine wirtschaftliche Darstellung dieses wichtigen Bausteins einer Kohlenstoffkreislaufwirtschaft gelingt.

Abb. 4: Verwendete Methoden zur Entwicklung neuer katalytischer Transformationen von CO2 (innen) und ausgewählte Forschungsergebnisse die Carboxylierung von Arenen (blau) und die Hydrierung von CO2 (gelb) betreffend.

 

(1) Zimmerman, J. B.; Anastas, P. T.; Erythropel, H. C.; Leitner, W. Designing for a green chemistry future. Science 2020, 367 (6476), 397-400.
(2) Artz, J.; Müller, T. E.; Thenert, K.; Kleinekorte, J.; Meys, R.; Sternberg, A.; Bardow, A.; Leitner, W. Sustainable conversion of carbon dioxide: an integrated review of catalysis and life cycle assessment. Chemical reviews 2018, 118 (2), 434-504.
(3) Hölscher, M.; Kemper, G.; Jenthra, S.; Bolm, C.; Leitner, W. Factors governing the catalytic insertion of CO2 into arenes–A DFT case study for Pd and Pt phosphane sulfonamido complexes. Chemistry–A European Journal 2022, 28 (23), e202104375.
(4) Voit, G.; Jenthra, S.; Hölscher, M.; Weyhermüller, T.; Leitner, W. Reversible insertion of carbon dioxide at phosphine sulfonamido PdII–aryl complexes. Organometallics 2020, 39 (24), 4465-4473.
(5) Kemper, G.; Hölscher, M.; Leitner, W. Pd (II)-catalyzed carboxylation of aromatic C─ H bonds with CO2. Science Advances 2023, 9 (5), eadf2966.
(6) Kuß, D. A.; Hölscher, M.; Leitner, W. Combined Computational and Experimental Investigation on the Mechanism of CO2 Hydrogenation to Methanol with Mn-PNP-Pincer Catalysts. ACS Catalysis 2022, 12, 15310-15322.
(7) Kuß, D. A.; Hölscher, M.; Leitner, W. Hydrogenation of CO2 to Methanol with Mn‐PNP‐Pincer Complexes in the Presence of Lewis Acids: the Formate Resting State Unleashed. ChemCatChem 2021, 13 (14), 3319-3323.
(8) Singh, A.; Kemper, G.; Weyhermueller, T.; Kaeffer, N.; Leitner, W. Activated Mn‐MACHO Complexes Form Stable CO2 Adducts. Chemistry–A European Journal 2023, e202303438.