Forschende des Katalyse-Exzellenzclusters UniSysCat der TU Berlin haben sogenannte Super-Lewis-Säuren hergestellt, die Silizium und Halogenatome enthalten und zu den stärksten bisher hergestellten Lewis-Säuren gehören. Aufgrund ihrer Fähigkeit, selbst besonders stabile chemische Bindungen aufzubrechen, könnten sie künftig für Recyclingprozesse und im Kontext der Grünen Chemie von Bedeutung sein.

Herausforderung PFAS

Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sind nur schwer abbaubar, da sie nicht durch Licht, Wasser oder Bakterien zeitnah abgebaut werden können. Daher gelten sie als „Ewigkeitschemikalien“. Aufgrund dessen findet PFAS breite Anwendung, beispielsweise in Textilien, Kochgeschirr wie Pfannen oder Baustoffen. In Deutschland werden immer wieder Flächen mit hohen PFAS-Konzentrationen festgestellt.

Die Super-Lewis-Säuren

„Die Beständigkeit der PFAS steht in direktem Zusammenhang mit ihren stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen, die nur sehr schwer aufzubrechen sind. Um PFAS unschädlich machen zu können, benötigt man also einen Stoff, der sehr gerne Elektronenpaare aufnimmt“, so Prof. Dr. Martin Oestreich, Leiter des Fachgebiets Organische Chemie/Synthese und Katalyse.

Diese Substanzen werden „Super-Lewis-Säuren“ genannt. Der Begriff geht auf den US-amerikanischen Physikochemiker Gilbert Newton Lewis zurück, der 1923 Säuren und Basen über ihre Fähigkeit definierte, die Elektronenpaare aufzunehmen. Eine Lewis-Säure ist demnach keine bestimmte chemische Verbindung, wie Salzsäure oder Schwefelsäure, sondern steht für ein besonderes Konzept in der Chemie.

„Unsere Super-Lewis-Säuren enthalten neben zwei organischen Resten vor allem ein Siliziumatom, das zusätzlich ein Halogen, also etwa ein Fluoratom, trägt. Das führt zu einer irren Gier nach Elektronenpaaren“, sagte Oestreich.

Das Element eignet sich somit als Angreifer auf die stabilen Kohlenstoff-Fluor-Bindungen in PFAS.

Herstellung und Überprüfung

Die Herstellung solcher Verbindungen galt lange als schwierig. 2021 konnte durch den Einsatz eines „Protolyse“-Verfahrens ein Durchbruch erzielt werden. Hierbei werden schrittweise chemische Gruppen abgespalten, um neue Verbindungen zu synthetisieren. Sämtliche Arbeiten mussten unter Schutzgasatmosphäre in einer „Handschuhbox“ durchgeführt werden, da die Substanzen empfindlich gegenüber Sauerstoff und Wasser sind.

Mithilfe von quantenmechanischen Berechnungen ließ sich die Säurestärke der hergestellten Moleküle rein aus deren Struktur vorhersagen.

„Wir haben die Verbindungen komplett quantenmechanisch verstanden, das ist ein Riesenvorteil“, so Professor Martin Kaupp, Leiter des Fachgebiets Theoretische Chemie/Quantenchemie an der TU Berlin.

Experimentell wurden die Eigenschaften unter anderem mithilfe von Kernresonanz-Spektroskopie (NMR) überprüft und die Berechnungen verifiziert.

Super-Lewis-Säuren als Katalysatoren

Ein Vorteil der Säuren könnte in ihrer möglichen Regeneration liegen: Nach Aufnahme der Elektronenpaare können sie sich wieder in die ursprüngliche Super-Lewis-Säure zurückbilden. Damit wirken sie ähnlich wie Katalysatoren, die nicht dauerhaft verbraucht werden. Für den Abbau stabiler Substanzen wie PFAS wäre dies von Vorteil, da nur geringe Mengen der Säuren benötigt würden.

Zur Studie in der Fachzeitschrift Nature Chemistry.