Koordinationschemie von Actiniden spielt in verschiedenen Bereichen, wie z.B. zur Sicherheitsforschung der Endlagerung, bei der Entwicklung von Extraktionsverfahren zur Actinidenabtrennung sowie im Bereich der Toxikologie eine wesentliche Rolle Daher werden grundlegende spektroskopische Untersuchungen zur Koordination von Lanthaniden und Actiniden mit anorganischen, organischen und biologisch relevanten Liganden durchgeführt, die wesentliche Informationen über die Bindungszustände und Strukturen der Komplexe liefern.

Die Forschungsaktivitäten konzentrieren sich dabei auf folgend Themenbereiche:  

• Hochtemperaturfluoreszenzspektroskopie zur Quantifizierung von Komplexierungsreaktionen von Lanthaniden und Actiniden mit anorganischen und organischen Liganden im Temperaturbereich ≤ 200°C.
• Grundlegende Speziationsuntersuchungen an Cm(III)- und Eu(III)-Komplexen mit N-Donorliganden. Dabei sollen wesentliche Informationen bezüglich des Komplexierungsverhaltens der trivalenten Actiniden und Lanthaniden sowie der Bindungsverhältnisse (Kovalenz) in f-Elementkomplexen mit Soft-Donor-Liganden erhalten werden.
• Wechselwirkungen von Actiniden mit Blutserumproteinen (Transferrin, Albumin etc.) und deren Bedeutung für die Bioverfügbarkeit bzw. Toxizität von Actiniden im menschlichen Körper.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Petra Panak     

   +49 712 608 24469

Die chemische Flüssig-Flüssig-Extraktion ist eine gängige Methode zur Abtrennung und Reinigung ionischer Spezies. Sie wird im industriellen Maßstab eingesetzt, z.B. für die Wiederaufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffe mit dem PUREX-Prozess oder für die Kupferproduktion mittels der SX/EW (solvent extraction, electrowinning)-Technologie.

Prinzip: Ein in einer wässrigen Phase gelöstes Solvat bildet einen Komplex mit einem in einer nicht mischbaren organischen Phase vorliegenden Komplexbildner. Da dieser Komplex bevorzugt in der organischen Phase löslich ist, wird das Solvat in diese extrahiert. Auf diese Weise kann das Solvat von anderen Spezies, welche nicht mit dem Komplexbildner reagieren, getrennt werden.

Wir entwickeln und untersuchen Flüssig-Flüssig-Extraktionssysteme im nuklearen und im nichtnuklearen Bereich. Unser Fokus liegt auf Extraktionssystemen für die Abtrennung von Actiniden, insbesondere für die Trennung dreiwertiger Actiniden, An(III), von den chemisch ähnlichen Lanthaniden, Ln(III). Beginnend in den frühen 1990er Jahren, wurden und werden diese Arbeiten kontinuierlich im Rahmen von EURATOM-Projekten durchgeführt. Ein gemeinsamer Nenner dieser Projekte ist die Verwendung heterozyklischer Stickstoffdonorliganden. Mit solchen Verbindungen wird eine hohe Selektivität für An(III) gegenüber Ln(III) erzielt, wobei auf dem BT(B)P (Bis-triazinyl-(bi)pyridin)-Grundgerüst aufgebaute Moleküle zu den leistungsfähigsten gehören.

Die Arbeiten erfolgen in enger Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen Koordinationschemie von Actiniden und NMR-Spektroskopie. So werden im Rahmen von durch das BMBF geförderten Projekten grundlegende Untersuchungen zur Koordinationschemie dreiwertiger Actinid- und Lanthanidionen mit Stickstoffdonorliganden durchgeführt. Ziel ist es, die ausgeprägte Selektivität solcher Liganden aus molekularer Ebene besser zu verstehen.

Ansprechpartner:

Dr. Andreas Geist      

   +49 712 608 26249

Bei der Kernmagnetresonanzspektroskopie (Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR) handelt es sich um die wichtigste Spektroskopiemethode für organisch-chemische, aber auch anorganische, Verbindungen. Sie ist seit Jahrzehnten in der chemischen Forschung etabliert und stellt sowohl eine Routinemethode als auch ein aktives Forschungsfeld dar.

Bisher fand die NMR-Spektroskopie in der Radiochemie nur wenig Anwendung. Das INE ist eines von weltweit nur wenigen Instituten, an denen ein NMR-Spektrometer in einem Kontrollbereich zur Verfügung steht. Die Arbeitsgruppe betreibt ein Bruker Avance III 400 Spektrometer mit einer Protonenresonanzfrequenz von 400 MHz (magnetische Flussdichte im Inneren ca. 9,4 T). Die Ausstattung mit verschiedenen Probenköpfen erlaubt sowohl die direkte als auch indirekte Messung aller gängigen NMR-aktiven Kerne (¹H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F, ³¹P, …). Darüber hinaus stehen Probenköpfe für spezielle Anwendungen zur Verfügung: Dies beinhaltet beispielsweise Heterokerne mit besonders niedrigem gyromagnetischem Verhältnis und Proben mit dem radioaktiven Wasserstoffisotop Tritium (³H) in flüssiger Form. Auch Messungen an nicht-radioaktiven Festkörpern (Magic Angle Spinning) sind möglich.

Der Tätigkeitsschwerpunkt der Arbeitsgruppe liegt in der Struktur- und Bindungsaufklärung von radioaktiven Koordinationsverbindungen der Transuranelemente in Flüssigphasen. Während diese Kerne zwar selbst nicht NMR-aktiv sind, ermöglichen ¹H, ¹³C und insbesondere ¹⁵N-Spektren der Liganden Aussagen über die Bindungsverhältnisse im Komplex. Der Paramagnetismus der Actinidenionen ruft zusätzliche Effekte in den NMR-Spektren hervor. Ursache ist die Übertragung von Elektronen durch Bindungen bzw. Kopplung von ungepaarten Elektronenspins und den Kernspins in den Liganden. Durch den Vergleich mit isostrukturellen Lanthanidenkomplexen und unter Anwendung verschiedener mathematischer Methoden kann dabei ein durch kovalente Bindungen übertragener Anteil dieser Effekte isoliert werden. Auf diese Weise ist es möglich, Aussagen über die Kovalenz in der Actinidion-Liganden-Bindung zu treffen.

Weiterhin beschäftigt sich die Gruppe auch mit der Synthese neuer N-Donor-Liganden und deren Isotopenmarkierung, vorwiegend mit dem NMR-aktiven Stickstoffisotop ¹⁵N.

Im Servicebetrieb steht das NMR-Spektrometer für Routinemessungen in Flüssigphase auch anderen Gruppen am INE zu Verfügung. Messungen außerhalb des Routinebetriebs sind auch für externe Forscher nach Absprache jederzeit möglich.

Ansprechpartner:

Dr. Thomas Sittel