Bioanorganische Katalysatoren in Mikrogelen

  Schamatisches Bild eines Mikrogels Urheberrecht: © F. Fink

Kolloide werden generell in drei große Unterkategorien eingeteilt: flexible Makromoleküle, harte Partikel und Tenside. Eine neue Gruppe kolloidaler Teilchen ist in den letzten Jahrzehnten immer stärker in den Fokus der wissenschaftlichen Forschung gerückt. Diese sogenannten Mikrogele besitzen Eigenschaften aller drei großer kolloidaler Unterkategorien und können somit in keine dieser eingeordnet werden. Mikrogele sind aus vernetzten Polymerketten, welche aus speziellen Monomeren wie N-Isopropylacrylamid (NIPAM) oder N-Vinylcaprolactam (VCL) bestehen, aufgebaut, wodurch nanometergroße Polymerkugeln entstehen. Abhängig von den verwendeten Monomeren können Mikrogele eine Responsivität gegenüber einem externen Reiz (zum Beispiel Veränderungen der Temperatur, des pH-Wertes oder der Ionenstärke in einer Lösung) aufweisen. Deshalb werden Mikrogele häufig als „smarte“ Partikel bezeichnet. Diese Responsivität gegenüber externen Stimuli ermöglicht die Anwendung von Mikrogelen in verschiedenen Bereichen, wie beispielsweise dem Tissue Engineering, der Biosensorik oder in der Katalyse.

Unser Arbeitskreis beschäftigt sich mit der Anwendung von Mikrogelen als Katalysatoren durch Kombination mit molekularen, bioinspirierten Metallkomplexen im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „Functional Microgels and Microgel Systems“ (SFB 985). Dabei arbeiten wir in zwei Teilprojekten: in Projekt A1 „Microgel-engineered chemoenzymatic cascades employing whole cells“ und Projekt C6 „Modular colloidal catalysts based on responsive microgels (microgelzymes)“.

In Projekt A1 werden in Kooperation mit dem Arbeitskreis von Prof. Schwaneberg (Institut für Biotechnologie) Kaskadenreaktionen untersucht. Hierbei ist das Ziel eine Kombination von mykotischen Peroxygenasen, bioanorganischen Kupferkomplexen und Mikrogelen auf ganzen Hefezellen für die Umsetzung von polyzyklischen Aromaten zu Phenazinen. Vor Kurzem haben wir eine „one-pot two-step“-Kaskadenreaktion veröffentlicht, wobei wir eine kupferkatalysierte Kreuzkupplung gefolgt von einer enzymkatalysierten Hydroxylierung zur Herstellung eines Bis-Benzofuran-Derivats kombiniert haben. Diese Publikation zeigt deutlich die Vorteile von chemoenzymatischen Kaskadenreaktionen.

Projekt C6 ist eine Kooperation zwischen den Arbeitskreisen von Prof. Pich (Institut für technische und makromolekulare Chemie), Prof. Hecht (Institut für technische und makromolekulare Chemie) und unserem Arbeitskreis. Ziel ist die Herstellung von Mikroreaktoren durch Inkorporation von Fotoschaltern und plasmonischen Nanopartikeln zusammen mit bioanorganischen Zinkkomplexen in maßgeschneiderte Mikrogele. Diese Mikroreaktoren sollen zur Durchführung einer Licht-gesteuerten, zinkkatalysierten Ringöffnungspolymerisation von zyklischen Estern dienen, wodurch die Morphologie der hergestellten Polymere gesteuert werden kann. In unserer neuesten Publikation zeigen wir die verbesserte katalytische Aktivität eines bioinspirierten Komplexes durch die Immobilisierung in Mikrogelen. Darauf basierend haben wir für zukünftige Funktionalisierungen von Mikrogelen wertvolle Erkenntnisse erhalten und nützliche Werkzeuge entwickelt.

Weitere Informationen über den Sonderforschungsbereich „Functional Microgels and Microgel Systems“ (SFB 985) können auf der Website erhalten werden.