Biomasse als nachhaltiger Rohstoff für Chemie
Die Chemieindustrie des 21. Jahrhunderts steht vor großen Herausforderungen: Von Erdöl und anderen fossilen Materialien als Rohstoff für die Produktion hochwertiger Chemikalien möchte man sich aus Gründen der CO2-Neutralität, Kreislaufwirtschaft und geopolitischer Instabilitäten langfristig verabschieden. Doch wie sollen die molekularen Bausteine für beispielsweise lebenswichtige Medikamente in Zukunft gewonnen werden? Einen neuen Weg zur Gewinnung solcher Chemikalien zeigt jetzt ein Team aus der Arbeitsgruppe von Prof. Benjamin List, Direktor am Max-Planck-Institut für Kohlenforschung.
„Die Devise lautet: Biomasse als chemischer Rohstoff statt Erdöl“, erklärt Nils Frank, Doktorand im Team von Benjamin List. Doch anders als beim Erdöl sei das chemische Potential von Biomasse noch längst nicht ausgeschöpft. Nils Frank und das Team aus dem List-Labor haben sich in ihrem Projekt, das in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, mit sogenannten Furanen beschäftigt, einem Produkt aus Biomasse.
„Seit Jahrzehnten kleben Chemiker förmlich am Erdöl, deshalb wurde lange Zeit kaum systematisch untersucht, welche Möglichkeiten Furane bieten. Wir haben das einmal genauer unter die Lupe genommen.“, sagt Nils Frank. Etablierte Prozesse oxidieren oder reduzieren Furane zu Alkoholen oder Carbonsäuren – eine einfache, redoxneutrale Ringöffnung zu z.B. dem Dialdehyd Succinaldehyd war nicht bekannt.
Wenn die Reaktion bergauf geht
Gelungen ist diese redoxneutrale Reaktion dank der sogenannten Photohydrolyse. „Das Licht ist wichtig, weil es sich bei der Reaktion um eine ‚bergauf-gerichtete‘ Reaktion handelt“, erläutert Nils Frank. Das bedeutet, dass Energie zugeführt werden muss, damit die Reaktion ablaufen kann. Und diese Energie kommt wie bei der natürlichen Photosynthese durch das Licht. „Kohlendioxid und Licht sind die Bausteine einer zukünftigen chemischen Industrie, und Nils‘ Entdeckung ist erst der Anfang unserer durch die Werner Siemens-Stiftung geförderten Arbeiten in diese Richtung“ sagt Ben List.
Spannend sind auch die Intermediate, über die die Reaktion verläuft. Mitautor Dr. Markus Leutzsch begleitete die Studien spektroskopisch: „Interessanterweise fanden wir heraus, dass die Reaktion über einen bislang wissenschaftlich nicht beschriebenen Heterozyklus abläuft.“
Das Team konnte so zeigen, dass wertvolle Medikamente wie Prostaglandine oder Antibiotika direkt aus Furanen hergestellt werden können, ohne Umwege über Oxidation und Reduktion zu gehen. Ob eines Tages Pharmazeutika auf diesem Wege produziert werden, kann Nils Frank noch nicht sagen. „Mein Kollege Dr. Moreshwar Chaudhari konnte jedoch zeigen, dass die Reaktion beliebig skalierbar ist, indem er einen beleuchteten Flussreaktor entwickelte, eine Anwendungsform, die insbesondere in der Industrie eingesetzt wird.“