Aktivierung (Chemie)

Bedeutung und grundlegende Wege

In der Chemie bedeutet Aktivierung, einen Reaktanten in einen Zustand oder in eine chemische Verbindung zu überführen, in dem beziehungsweise in der eine bestimmte Reaktion oder ein Reaktionstyp wegen höherer Reaktivität schneller oder mit höherer Ausbeute abläuft. Aktivierungen sind besonders wichtig bei der Entwicklung von Synthesen, die großtechnisch umgesetzt werden sollen.

Damit eine chemische Reaktion beginnen kann, muss Aktivierungsenergie zugeführt werden. Sie ist die Energie, die benötigt wird, um den Übergangszustand zu erreichen, also den energetisch höchsten Zustand auf dem Reaktionsweg. Bei spontan ablaufenden Reaktionen genügt dafür die Umgebungstemperatur. Bei anderen Reaktionen kann eine Temperaturerhöhung die Aktivierungsenergiebarriere überwinden.

Höhere Temperaturen steigern jedoch nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeit: Bei vielen Prozessen fördern sie auch Nebenreaktionen und können dadurch die Ausbeute des gewünschten Produkts senken. Alternativen zur bloßen Erwärmung sind die Bestrahlung mit Licht (photochemische Aktivierung), der Einsatz von Katalysatoren, die Veränderung einer Oberfläche oder die Führung der Reaktion über eine leicht zugängliche Zwischenstufe, die sich leicht zum Zielmolekül umsetzen lässt.

Aktivierung durch Katalysatoren und Oberflächen

Bei Katalysatoren spricht man von Aktivierung einer Substanz, wenn sich bei der Chemisorption an der Katalysatoroberfläche die Bindungsverhältnisse oder elektronischen Eigenschaften eines Moleküls ändern. Chemisorption ist die Bindung eines Stoffes an eine Oberfläche durch chemische Bindungen. Die Änderung kann die Aktivierungsenergie einer Reaktion herabsetzen.

Ein Beispiel ist die Ammoniak-Synthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren. Der sehr reaktionsträge Stickstoff kann nur dann in vernünftigen Ausbeuten mit Wasserstoff zu Ammoniak umgesetzt werden, wenn die Reaktion an der Oberfläche eines Eisenoxid-Mischkatalysators abläuft.

Vergrößerte und fein verteilte Oberflächen

Eine größere Oberfläche kann die Reaktivität einer Substanz stark erhöhen. Raney-Nickel besitzt eine poröse Struktur und wird deshalb in vielen Laborsynthesen und industriellen Prozessen eingesetzt, hauptsächlich zur Hydrierung ungesättigter Verbindungen.

Auch die feine Verteilung eines Stoffes in kleine Partikel kann aktivierend wirken. Feine Stahlwolle ist gut brennbar, ein Block aus solidem Stahl dagegen nicht. Feine Stäube, etwa aus Mehl oder Holz, können sogar explodieren.

Chemische und biochemische Aktivierung

Bei der chemischen Aktivierung wird ein Substrat in eine geeignete Zwischenverbindung überführt. Für Substitutionsreaktionen ist beispielsweise die Güte der Abgangsgruppe entscheidend. Eine Hydroxy-Gruppe ist eine schlechte Abgangsgruppe. Wird sie zunächst in einen Ester überführt, der eine gute Abgangsgruppe darstellt, lassen sich Substitutionen, zum Beispiel mit Halogeniden, leicht durchführen.

Ein häufiger Schritt in Reaktionsmechanismen ist die Protonierung einer funktionellen Gruppe. Dabei wird ein Proton gebunden; dies verändert die elektronischen Eigenschaften der Gruppe oder des gesamten Moleküls und ermöglicht Reaktionen oft erst. Beim Aufbau von Peptiden, etwa nach der Merrifield-Synthese, werden freie Säuregruppen von Aminosäuren mit Reagenzien wie Dicyclohexylcarbodiimid (DCC) zunächst in Aktivester überführt. Diese können dann leicht mit der freien Aminofunktion der folgenden Aminosäure kuppeln. Bei der elektrophilen aromatischen Substitution erhöhen aktivierende Substituenten die Elektronendichte im Aromaten durch den +M-Effekt und erleichtern damit die Reaktion eines Elektrophils.

In der Biochemie bezeichnet Aktivierung häufig den ersten Schritt einer Reaktionsabfolge. Ein vergleichsweise inaktives Substrat wird dabei so modifiziert, dass eine Reaktionskaskade beginnt. Die Acetylierung durch das Coenzym A, einen Acetylgruppenüberträger, ist ein zentraler Schritt im Fett-, Kohlenhydrat- und Proteinstoffwechsel. Acetyl-Coenzym A wird daher als aktivierte Essigsäure bezeichnet. Auch die durch Phosphorylierung erzeugte Phosphorsäureesterbindung sowie ihre Variante, die Phosphodiesterbindung, sind Beispiele; dies gilt beispielsweise für Adenosintriphosphat.