Die Entwicklung neuer Katalysatoren und Biokatalysatoren stellt eines der wichtigsten Forschungsthemen dar, welche für die Sicherung einer nachhaltigen Zukunft unserer Gesellschaft notwendig sind. Mit Hilfe neuer Katalysatoren ist es möglich, sowohl die Effizienz bestehender Verfahren zur Herstellung von Feinchemikalien und Polymeren zu verbessern als auch Erdöl durch neue erneuerbare Rohstoffe zu ersetzen. Damit ist die Katalyse der Schlüssel für die Zukunft unserer Gesellschaft. Aufgrund ihrer großen Bedeutung ist die Katalyse einer unserer Forschungsschwerpunkte in der Fakultät 3 der Universität Stuttgart. Wir betreiben Spitzenforschung auf dem Gebiet neuer homogener, heterogener und Biokatalysatoren, welche die bestehende chemische und stoffliche Produktion verbessern und neue und verbesserte Prozesse, Ausgangsstoffe und Produkte ermöglichen, die die Ziele einer nachhaltigen Zukunft fördern.
Homogene Katalysatoren sind wohldefinierte Moleküle, die hochaktiv und selektiv für die von ihnen katalysierten Reaktionen sind. Sie haben den zusätzlichen Vorteil, dass ihre Reaktivität in Bezug auf ihre Strukturen erklärt werden kann, oft in Zusammenarbeit mit ab initio chemischen Simulationstechniken (Gruppen Kästner und Kühn). Mit den hier entwickelten homogenen Katalysatoren lassen sich hochaktive und selektive Katalysatoren für die Synthese einer Vielzahl von Produkten herstellen, von Feinchemikalien über Pharmazeutika (Gruppen Laschat, Peters) bis hin zu neuen polymeren Materialien (Gruppe Buchmeiser) mit interessanten Eigenschaften.
Heterogene Katalysatoren sind Feststoffe, deren Oberflächen aktive Stellen enthalten, die zur Durchführung katalytischer Umwandlungen genutzt werden können. Aufgrund ihrer einfachen und kostengünstigen Synthese und ihrer hohen Stabilität bei hohen Reaktionstemperaturen sind sie bei industriellen Reaktionen besonders beliebt. Wir entwickeln neue heterogene Katalysatoren für Anwendungen bei der Umstellung großmaßstäblicher industrieller Prozesse von erdölbasierten auf erneuerbare Rohstoffe, z. B. bei der Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien aus CO2 (Gruppen Klemm, Krüger, Estes) oder aus Biomasse gewonnenen Rohstoffen (Gruppen Traa, Dyballa).
Biokatalysatoren sind Proteine, die eine katalytisch aktive Stelle mit besonderen Eigenschaften enthalten, die ohne das Protein nicht möglich sind - der so genannte entatische Zustand. Nach dem Prinzip des entatischen Zustands hat die Evolution Biokatalysatoren iterativ verbessert, so dass sie oft die effizientesten Katalysatoren für eine bestimmte Reaktion sind. Biokatalysatoren sind nützlich in groß angelegten Fermentationsprozessen, die zur Herstellung wichtiger Produkte in der chemischen und pharmazeutischen Industrie verwendet werden (Gruppen Jeltsch, Traube, Richert). Unsere Fakultät war auch ein Vorreiter bei der Schaffung nicht natürlicher Enzyme durch Protein-Engineering-Strategien, die als sehr effiziente Katalysatoren für Reaktionen dienen, die für die Industrie nützlich sind (Gruppe Kries).
Unsere Forschung bleibt jedoch nicht nur innerhalb der traditionellen Grenzen der katalytischen Disziplinen, sondern kombiniert auch die Vorteile aller drei katalytischen Disziplinen, um die Leistung der Katalysatoren weiter zu verbessern. Im Sonderforschungsbereich 1333, der an unserer Fakultät angesiedelt ist, schließen wir homogene Katalysatoren in festen Materialien ein und nutzen diesen Einschluss zur Verbesserung ihrer katalytischen Eigenschaften. Auf diese Weise erhalten wir Katalysatoren, die immer noch hochaktiv und selektiv für interessante Reaktionen sind, deren Struktur jedoch durch die Bildung eines biokatalysatorähnlichen entatischen Zustands im Inneren des Materials verändert wird. Auf diese Weise können wir nur die Vorteile der einzelnen Katalysatordisziplinen nutzen und die nächste Generation von Katalysatoren synthetisieren, die in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können, die zweifellos dauerhafte Auswirkungen auf unsere Gesellschaft haben werden.
