Technik

Nickel-Ionen enthüllen das Geheimnis: Simons-Prozess effizienter denn je

von Artisan Baumeister · 16. April 2025

Ein Berliner Forschungsteam hat mittels In-situ-Synchrotronmessungen die Rolle hochvalenter Nickel-Ionen im Simons-Prozess aufgedeckt. Diese Erkenntnis ermöglicht die gezielte Optimierung fluororganischer Synthesen, insbesondere in Pharma, Agrochemie und Materialwissenschaft – ein technologischer Schritt mit großer industrieller Relevanz.

Inhaltsübersicht

Einleitung
Was macht Nickel im Simons-Prozess so besonders?
Wie die Wissenschaft genauer hinschaute: Synchrotronmethodik erklärt
Industrie im Wandel: Neue Perspektiven durch präzise Katalyse
Fazit

Einleitung

Fluororganische Verbindungen sind unverzichtbar in der modernen Industrie – ob in Medikamenten, Pflanzenschutzmitteln oder Hightech-Materialien. Eine zentrale Methode zu ihrer Herstellung ist der elektrochemische Simons-Prozess, der seit Jahrzehnten im Einsatz ist – allerdings mit vielen offenen Fragen. Jetzt hat ein Team der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Freien Universität Berlin erstmals den entscheidenden Einfluss hochvalenter Nickel-Ionen in diesem Verfahren sichtbar gemacht. Mit Hilfe hochpräziser In-situ-Synchrotronmessungen gelang es den Forschenden, die chemische Dynamik an der Nickel-Anodenoberfläche live zu beobachten – ein Durchbruch, der neue Wege für effizientere und nachhaltigere Produktionsprozesse eröffnet. Der folgende Artikel beleuchtet die Erkenntnisse im Detail: Was wurde entdeckt, wie wurde es gemessen – und welche industriellen Konsequenzen lassen sich daraus ableiten?

Was macht Nickel im Simons-Prozess so besonders?

Der Simons-Prozess ist ein Spezialist unter den elektrochemischen Verfahren: Er ermöglicht die direkte elektrochemische Fluorierung organischer Verbindungen – also die gezielte Anlagerung von Fluoratomen an Moleküle. Der zentrale Werkstoff dabei? Nickel. Genauer gesagt: die Nickel-Anode, die bisher als funktionale, aber nicht besonders gut verstandene Komponente galt.

Was jetzt die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Community fesselt, sind hochvalente Nickel-Ionen. Gemeint sind Nickel-Teilchen, die ungewöhnlich viele Elektronen abgegeben haben und dadurch in reaktiven Zuständen vorliegen. Sie entstehen während des Prozesses an der Anodenoberfläche – und das unter speziellen Bedingungen in der aggressiven Umgebung der Fluorierung.

Durch In-situ-Synchrotronmessungen an BESSY II wurde erstmals sichtbar, was sich dort eigentlich abspielt. Die Forscher beobachteten die Bildung eines dunklen, aktiven Films auf der Nickel-Anode. Dessen Struktur erwies sich als entscheidend: Offenbar steuern hochvalente Nickel-Zentren innerhalb dieses Films die Effizienz der fluororganischen Synthesen. Sie beschleunigen nicht nur die Reaktionsgeschwindigkeit, sondern erhöhen offenbar auch die Ausbeute – ein klares Plus für Anwendungen in der Pharmaindustrie und bei Chemieverfahren, die auf zuverlässige Reaktionsführung angewiesen sind.

Bislang war ungeklärt, wie genau Nickel die Reaktion beeinflusst. Mit der Identifikation dieser aktiven Spezies beginnt sich ein Bild abzuzeichnen, das nicht nur die Reaktionschemie besser erklärbar macht, sondern zugleich die Nachhaltigkeit in der Chemie stärker in den Fokus rückt – Effizienz und Prozesskontrolle sind nämlich auch Energiesache.

Wie die Wissenschaft genauer hinschaute: Synchrotronmethodik erklärt

Wenn sich ein elektrochemischer Prozess tief in der Materie abspielt, braucht es Werkzeuge, die genauso tief blicken können. Am Synchrotron BESSY II in Berlin gelang einem Forschungsteam genau das: Sie setzten In-situ-Synchrotronmessungen ein, um die Nickel-Anode des Simons-Prozesses während der laufenden Reaktion buchstäblich „unter Strom“ zu beobachten.

Genutzt wurde dabei sogenannte Röntgenabsorptionsspektroskopie – eine Methode, die durch hochenergetisches Röntgenlicht Veränderungen in der elektronischen Struktur analysiert. Durch diese Echtzeit-Daten konnte das Team erstmals genau nachverfolgen, wie sich hochvalente Nickel-Ionen – also Nickel in einem ungewöhnlich hohen Oxidationszustand – auf der Anodenoberfläche bilden und entwickeln.

Spannend daran: Die Messdaten waren nicht nur qualitativ, sondern auch messbar präzise. So zeigte sich, dass während der elektrochemischen Fluorierung ein spezifischer Anteil an Nickel in einem +3- und teilweise sogar +4-Zustand vorliegt – Werte, die zuvor kaum im Kontext des Simons-Prozesses dokumentiert wurden. Parallel analysierten die Forscher die Entstehung des charakteristischen dunklen Films auf der Nickel-Anode, der sich als Träger dieser aktiven Nickel-Zentren entpuppte.

Diese Messungen machten endlich sichtbar, was bisher bloß vermutet wurde: Der Zusammenhang zwischen der Konzentration hochvalenter Nickel-Ionen und der Steigerung von Reaktionsgeschwindigkeit und Produktausbeute. So wurde direkt messbar, wie entscheidend die Nickel-Oberflächenchemie für nachhaltigere fluororganische Synthesen ist – mit klar erkennbarem Potenzial für effizientere Chemieverfahren in der Pharmaindustrie und darüber hinaus.

Industrie im Wandel: Neue Perspektiven durch präzise Katalyse

Die neuen Einblicke in den Simons-Prozess sind mehr als ein akademischer Erfolg – sie markieren einen Wendepunkt für ganze Industriezweige. Die gezielte Steuerung hochvalenter Nickel-Ionen auf der Nickel-Anode verspricht handfeste Verbesserungen: höhere Reaktionsgeschwindigkeit, bessere Kontrolle über Zwischenprodukte und eine klar messbare Effizienzsteigerung in der elektrochemischen Fluorierung.

Ein Schlüsselelement dafür ist das Verständnis der elektrochemisch aktiven Oberflächenschicht – jenes „dunklen Films“, den Forscher mithilfe von In-situ-Synchrotronmessungen an BESSY II erstmals präzise charakterisieren konnten. Damit wird es möglich, nicht nur bestehende Reaktoren zu optimieren, sondern auch ganz neue Katalysatordesigns für spezifische fluororganische Synthesen zu entwickeln.

Der wirtschaftliche Nutzen liegt auf der Hand: weniger Energieeinsatz bei gleicher oder besserer Produktqualität reduziert die Produktionskosten deutlich – nicht zuletzt in der Pharmaindustrie, wo Fluorverbindungen häufig als Schlüsselelemente in Wirkstoffen dienen. Auch die Agrochemie, die auf stabile, biologisch aktive Fluorverbindungen angewiesen ist, könnte durch präzisere Reaktionsführung erhebliche Einsparungen erzielen.

Gleichzeitig wächst das Potenzial für mehr Nachhaltigkeit in der Chemie. Ein effizienterer Simons-Prozess bedeutet geringere Emissionen pro Produktmolekül und ein Ende des bisherigen „Overengineering“ – also dem unnötigen Energie- und Materialeinsatz im Reaktor. Das öffnet mittelfristig den Weg zu chemischen Verfahren, die nicht nur leistungsfähig, sondern auch gesellschaftlich tragfähig sind.

Industrieprozesse ändern sich selten über Nacht. Aber diese Nickel-Ionen machen einen erstaunlich guten Anfang.

Fazit

Die Entdeckung der aktiven Rolle hochvalenter Nickel-Ionen bringt frischen Wind in die Welt der fluororganischen Chemie. Jahrzehntelang blieb der genaue Wirkmechanismus des Simons-Prozesses ein weitgehend ungelöstes Rätsel – nun eröffnet sich ein Pfad zu gezielter Katalyse, gesteigerter Energieeffizienz und kontrollierbarer Produktqualität. Gerade in Branchen, die auf hochspezialisierte Verbindungen angewiesen sind, könnte die Forschung zu einem Wendepunkt führen. Der nächste wichtige Schritt besteht darin, die Erkenntnisse aus dem Labor in skalierbare industrielle Prozesse zu überführen. Parallel dazu dürfte die neue Methodenkombination aus Elektrochemie und Synchrotronanalyse weitere Verfahren aus der Blackbox holen – und so die grüne Transformation der Chemie vorantreiben.

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