Nachhaltige
Chemie mit Licht
Pflanzenreste statt Erdöl: Ein Forschungsteam aus der Arbeitsgruppe von Benjamin List am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung hat eine Reaktion entwickelt, die pflanzenbasierte Moleküle in nur einem Schritt in wertvolle Grundchemikalien umwandelt. Der Ansatz könnte neue Wege zu einer nachhaltigen, grünen Chemie ebnen.
Die chemische Industrie steht vor einem tiefgreifenden Wandel: Heute verwendet sie fast ausschliesslich erdölbasierte Ausgangsmaterialien, künftig sollen es erneuerbare Rohstoffe sein. Eine wichtige Rolle werden dabei sogenannte Furane spielen – ringförmige Moleküle, die sich aus Pflanzenmaterial wie Holz oder Stroh gewinnen lassen. Sie gelten als eine Art Universalrohstoffe für viele weitere Chemikalien. Das Problem: Bislang lassen sie sich industriell nur weiterverarbeiten, wenn sie zuvor stark chemisch verändert wurden – entweder durch Oxidation oder Reduktion. Das kostet Energie, erzeugt Abfall und widerspricht dem Ziel einer nachhaltigen Chemie.
Nun ist einem Team um Benjamin List am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung in Mülheim an der Ruhr ein Durchbruch gelungen: Im renommierten Fachmagazin «Science» (*) stellen die Forschenden eine Reaktion vor, mit der sich Furane in einem einzigen Schritt in Moleküle verwandeln lassen, die begehrte Ausgangsstoffe für die chemische Industrie sind. «Gelungen ist uns dies mit einer sogenannten Photohydrolyse», sagt Nils Frank, Doktorand im Team von Benjamin List. Er führte nicht nur einen grossen Teil der Forschungsarbeiten durch, sondern hatte auch die Idee für das Projekt.
Für die Reaktion geben die Forschenden dem Ausgangsstoff, dem Furan, Wasser, Lichtenergie und einen Photokatalysator zu. Dadurch wird das Furan zuerst in einen Zwischenzustand überführt, der dann schrittweise zu einem linearen Molekül zerfällt. Eines dieser Zielprodukte ist Succinaldehyd. «Dabei handelt es sich um eine mögliche neue, biobasierte Grundchemikalie, etwa für die Medikamenten- oder Kunststoffproduktion», sagt Frank. Auf der Basis von Erdöl lässt sich Succinaldehyd kaum wirtschaftlich herstellen – nicht weniger als fünf Umwandlungsschritte sind dafür nötig.
Überraschender Reaktionsweg
Der Ansatz funktioniert für viele verschiedene Furane – und zum Teil äusserst effizient: Bei manchen Derivaten erreichten die Chemiker Ausbeuten von fast 80 Prozent der theoretisch möglichen Stoffmenge. Überraschend sei der Zwischenzustand, über den die Reaktion verlaufe, erzählt Nils Frank. Es handelt sich dabei um einen zehngliedrigen Ring, der aus zwei Furan-Einheiten entsteht, und der wissenschaftlich bislang nicht nachgewiesen war. «Zuerst glaubten wir deshalb nicht, dass es sich um einen solchen Heterozyklus handelt», erzählt Frank. «Wir versuchten mit spektroskopischen Methoden über ein Jahr lang, diese Struktur zu widerlegen – vergeblich.»
Die Forschenden wandten ihren Ansatz auch auf eine Gruppe von Furan-Derivaten namens Furfurale an. «Das Konzept ist formell dasselbe», sagt Nils Frank. Doch nun läuft die Reaktion nicht über den zehngliedrigen Ring, und am Ende entstehen andere Stoffe: Moleküle, die sich in Naturstoffen mit antimikrobieller Wirkung finden. Für die Pharmaindustrie sind sie äusserst interessant, um daraus Antibiotika herzustellen. Auch sie mussten bislang aufwändig über mehrere chemische Schritte hergestellt werden, wie Frank erklärt. «Wir machen das nun ganz einfach in einem Schritt.»
Gut skalierbarer Ansatz
Ob eines Tages tatsächlich Medikamente oder Kunststoffe mit den neuen Reaktionswegen hergestellt werden, muss die Zukunft zeigen. Immerhin weisen die Forschenden in ihrer Studie bereits nach, dass sich ihre photochemischen Methoden grundsätzlich in grösserem Massstab anwenden lassen. Sie entwickelten einen sogenannten photochemischen Durchflussreaktor, in dem die Reaktionslösung durch dünne Schläuche geführt und gleichmässig bestrahlt wird. In diesem System liessen sich pro Tag und Kubikdezimeter mehrere Gramm der gewünschten Stoffe produzieren.
Für die technische Umsetzung und die industrielle Produktion brauche es aber natürlich weitere Untersuchungen, sagt Frank. «Zum einen gilt es, das Verständnis der Reaktion zu vertiefen, also zu untersuchen, welche anderen Produkte man noch erhalten könnte.» Zum anderen müsste man den Energieverbrauch des Prozesses bestimmen und allenfalls optimieren. Momentan habe er das Gefühl, dass in der Industrie der Wille fehle, auf solche Biomasse-basierten Prozesse umzuschwenken. «Wenn wir aber als Chemiker neuartige Reaktionen zu innovativen Produkten entwickeln, die nicht über erdölbasierte Routen zugänglich sind, werden Unternehmen diese Ideen irgendwann aufgreifen.»
Die Kraft des Lichts
Was ist das Geheimnis, um solch völlig neue Reaktionswege zu finden? Im Nachhinein sei die Idee eigentlich einfach, sagt Nils Frank. Aber wahrscheinlich habe es organische Chemiker gebraucht, die gerne über neue Reaktivitäten nachdenken. In diesem Zusammenhang wurde laut Frank deutlich, dass redoxneutrale Reaktionen – also Reaktionen ohne Einbau oder Entfernung von Sauerstoff – in der biobasierten Chemie bislang wenig vertreten sind. Viele Biologen oder technische Chemiker, die sich mit Umwandlungen von Biomaterialien befassten, hätten die Prozesse im Blick, aber nicht die Quintessenz, also das Molekül und die Atome.
Benjamin List stimmt dem zu. Die Chemie mit Photokatalysatoren sei im Trend, sagt er. «Aber viele, die damit arbeiten, realisieren noch nicht ganz, welche Kraft Licht in chemischen Reaktionen haben kann.» Die Photochemie mache Reaktionen möglich, die Chemiker eigentlich für unmöglich halten: thermodynamisch ungünstige Reaktionen, bei denen Energie zugeführt werden muss, damit sie ablaufen können. Es sei der grosse Verdienst von Nils Frank, dass er sich an solche Projekte heranwage.
Zuversicht für CO2-Spaltung
Hier liegt auch die Verknüpfung zur photokatalytischen Spaltung von CO2, dem Hauptziel, das Benjamin List im Rahmen seiner Förderung durch die Werner Siemens-Stiftung (WSS) verfolgt: Zwar handle es sich bei der Umwandlung von Furan um eine ganz andere Reaktion, sagt List. Doch gebe es eben entscheidende Gemeinsamkeiten: Ein Aspekt des von der WSS geförderten Projektes ist es, solaren Kohlenstoff durch eine künstliche Photosynthese zu erzeugen, um daraus letztlich Feinchemikalien zu produzieren. «Bei der jetzt beschrieben Reaktion nutzen wir zunächst noch die natürliche Photosynthese», sagt List. Aus deren Reaktionsprodukt, den pflanzlichen Kohlenhydraten, werden Furane erzeugt, die die Forscher wiederum mittels einer künstlichen Photosynthese in Feinchemikalien umwandeln.
Und es gibt weitere Ähnlichkeiten: Sowohl bei der CO2-Spaltung als auch bei der Furan-Photohydrolyse handelt es sich um sogenannte Aufwärts-Reaktionen, in die Energie gesteckt werden muss. Die Aufspaltung des Zwischenzustands, also des zehngliedrigen Rings, benötige sogar ziemlich viel Energie, erzählt Nils Frank. Dass sie gelingt, stimme ihn für die CO2-Spaltung optimistisch. «Das ist die Magie der Photochemie», ergänzt Benjamin List. «Licht transportiert wahnsinnig viel Energie. Licht macht alles möglich.»
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