Nachhaltigkeit in der chemischen Synthese - Neue Plattformchemikalien, neue Wege in der Katalyse

Produkte der Chemie sind unverzichtbar. Sie basieren überwiegend auf Erdöl, das knapp wird. Auf nachwachsende Rohstoffe umzusteigen, wird kontrovers diskutiert; denn Ackerflächen werden für Nahrungsmittel benötigt und sollen auch nicht zu Monokulturen verkommen. In der chemischen Forschung wird nach nachhaltigen Wegen gesucht, um auch künftig vertraute und verbesserte chemische Produkte herzustellen. Die Tagung der Fachgruppe Nachhaltige Chemie der Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) stellt einige wichtige Beispiele zu Forschungsarbeiten über „Nachhaltigkeit in der chemischen Synthese“ vor. Zu diesem Thema wird vom 16. bis 18. September 2012 an der Technischen Universität Kaiserslautern über 22 Vorträge und viele Posterbeiträge aus führenden Arbeitsgruppen diskutiert.

Den Anfang macht am Sonntagnachmittag Professor David J. Hamilton von der University of St. Andrews in Schottland. Er will Abfallprodukte nutzen, um daraus Chemikalien zu gewinnen, und stellt in Kaiserlautern seine Arbeiten über Abfallprodukte aus der Holz- und der Cashewnuss-Verarbeitung vor. Sein Augenmerk gilt vor allem Tallöl, Ölen auf Holzbasis, die als Nebenprodukte in der Zellstoff- und Papierindustrie anfallen, und Ölen, die aus den Schalen von Cashewnüssen gewonnen werden können. Im Tallöl interessiert ihn eine der Hauptkomponenten, das Methyloleat. Über verschiedene katalytische Schritte lassen sich daraus Diester, Diole und Diamine synthetisieren, die wiederum als Basis für Polymere, beispielsweise Polyester, dienen. Hamilton gelang dabei auch die sich oftmals schwierig gestaltende Trennung von Produkt und Katalysator. Die Cashewschalen enthalten interessante Phenole, die für die Synthese von Lockstoffen der Tsetse-Fliege (sie überträgt die Schlafkrankheit), von toxikologisch und ökotoxikologisch unbedenklichen Detergentien für Wasch- und Reinigungsmittel oder von Polymeradditiven einsetzbar sind.

Bislang wurde die chemische Forschung mit Fettsäuren und Pflanzenölen als nachwachsenden Rohstoffen, die aus konventionellen Nutzpflanzen gewonnen werden, vorangetrieben. Aus diesen Quellen erhält man aufgrund der Syntheseleistungen der Natur eine große Vielfalt an Basischemikalien, auch als erneuerbare Plattformchemikalien bezeichnet. Seit langem weiß man das Potenzial der Basischemikalien auf pflanzlicher Basis zu schätzen und zu nutzen, vor allem wegen der großen Erfolge in der Katalyseforschung, sowie der Anwendung neuer Katalysatoren und Katalysemethoden. Hierüber gibt Professor Dr. Michael A.R. Meier vom Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) in seinem Vortrag „Pflanzenöle: Der perfekte nachwachsende Rohstoff für die Polymerchemie?!“ einen Überblick. Er geht hierin auf die faszinierend durchdachten Katalyserouten ein, die zu Monomeren führen, die wiederum als Bausteine für eine große Vielfalt an Polymeren dienen.

Auch die Stärke hat großes Potenzial für biobasierte Materialien, auch weil sie preiswert und überall verfügbar ist. Der Chemiker Henning Winkler vom Fraunhofer-Institut für angewandte Polymerforschung in Potsdam zeigt in seinem Vortrag, dass thermoplastische Polymere mit vielversprechenden Eigenschaften synthetisiert werden können, wenn die Stärke mit langkettigen Carbonsäuren - ebenso biobasierte Fettsäuren - verestert werden. Die Eigenschaften der Polymere hängen von der Kettenlänge der Carbonsäuren ab. Die zunächst sehr zeitintensiven Synthesen konnten durch Wechsel der Katalysatoren beschleunigt sowie effizienter und umweltverträglicher gestaltet werden.

Nachhaltigkeit in der chemischen Synthese heißt nicht, dass man sich nur noch mit Synthesen auf Basis nachwachsender Rohstoffe befassen würde. Zentrales Thema ist generell die Katalyseforschung. Sie befasst sich u.a. damit, bei wenig reaktionsfähigen Verbindungen, beispielsweise Kohlendioxid, und Bindungen, beispielsweise die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung in den Kohlenwasserstoffen, erwünschte chemische Reaktionen herbeizuführen. Professor Dr. Lutz Ackermann von der Georg-August-Universität Göttingen sucht nach neuen Wegen, die Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung zu brechen, um somit die Kohlenwasserstoffe effizient funktionalisieren zu können. Er stellt in Kaiserslautern mehrere neue gangbare Wege vor, die umweltverträgliche und wirtschaftlich attraktive Alternativen eröffnen.

Das Unternehmen Umicore ist vielen als Hersteller von Autoabgaskatalysatoren bekannt. Es entwickelt und produziert aber auch Katalysatoren für die chemische Industrie, wobei es hier häufig bereits an der Schnittstelle zwischen der Academia und der Industrie agiert, also bei der Umsetzung vom Labor- zum Produktionsmaßstab behilflich ist. Das verlangt Erfahrung in der metallorganischen Chemie, insbesondere auf Basis wertvoller Metalle wie Platin oder Palladium. Dass bei der Katalysatorentwicklung von vornherein Überlegungen zur Umweltverträglichkeit und Recyclingfähigkeit der Metalle eine Rolle spielen, erläutert Dr. Andreas Rivas Nass von Umicore in Hanau.

Palladiumhaltige Katalysatoren finden zzt. besondere Beachtung bei den äußerst schwierig zu knüpfenden Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen, wodurch man beispielsweise vom Methan aus zu längerkettigen Kohlenwasserstoffen gelangen kann. Professor Dr. Lukas J. Gooßen von der Technischen Universität Kaiserslautern, einer der beiden Organisatoren der Tagung, stellt in seinem Vortrag Konzepte für nachhaltige Synthesen via Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen vor. Professor Dr. Werner R. Thiel, der zweite Organisator, ebenfalls TU Kaiserslautern, wartet mit einem weiteren ganz heißen Forschungsthema auf: die Hydrierung von Kohlendioxid mit Ruthenium-Katalysatoren, wodurch das Treibhausgas einer sinnvollen chemischen Nutzung zugeführt werden könnte.

Krönender Abschluss der Tagung wird die erstmalige Verleihung des Promotionspreises der GDCh-Fachgruppe Nachhaltige Chemie sein. Preisträgerin ist Dr. Hatice Mutlu vom Karlsruher Institut für Technologie. Die gebürtige Bulgarin, die in Istanbul Chemie studierte, hat ihre Doktorarbeit bei dem auch in Kaiserslautern vortragenden Professor Dr. Michael A.R. Meier durchgeführt. Zum Thema „Nachhaltige, effiziente Zugänge zu erneuerbaren Chemikalien und Polymeren“ hat sie vielfältige Methoden entwickelt, die den Prinzipien einer nachhaltigen Chemie genügen. Die Methoden ermöglichen die effiziente Umwandlung nachwachsender Rohstoffe in Basischemikalien bzw. in Monomere, die sich zur Herstellung von sehr unterschiedlichen Polymeren eignen. Besonders hervorgehoben seien die so genannten nachwachsenden Polyamide, die so gute Materialeigenschaften aufweisen, dass sie bereits heute industriell hergestellte Polyamide ersetzen könnten.