Ein Forscher bei der Arbeit an der Entwicklung neuer chemischer Reaktionen.
Toluol (Englisch toluene) ist ein häufiges Lösungsmittel für chemische Reaktionen.
Die moderne Welt sieht sich mit großen Herausforderungen bezüglich der Nachhaltigkeit konfrontiert. Zu den Gebieten, in denen ein Paradigmenwechsel ansteht, gehört die Produktion sogenannter Feinchemikalien. Um die chemische Synthese ökonomischer zu gestalten, ist es unser Ziel, neue und abfallfreie Transformationen zu entwickeln. Atomökonomische Reaktionen, also solche, die kein Atom verschwenden, sollen einen Teil dieser "idealen Chemie" der Natur im Labor imitieren.
Chemie im Alltag
Der Chemie kommt für unseren modernen Lebensstil eine grundlegende Rolle zu, und viele Selbstverständlichkeiten des täglichen Lebens sind bahnbrechenden Entwicklungen der chemischen Forschung zu verdanken. Hierzu gehören Shampoos und Duschgels für Körperpflege; Pharmazeutika etwa zur Symptomlinderung bei Grippe; Düngemittel, die es der Landwirtschaft ermöglichen, den steigenden Nahrungsbedarf der Weltbevölkerung zu decken; eine Vielzahl funktioneller Textilien; oder auch innovative Photovoltaiksysteme, mit deren Hilfe die Verwertung der Solarenergie realisierbar wurde.
Unumgängliche Abfallprodukte
Die molekularen Bausteine, die solche Entwicklungen vorantreiben und erst ermöglichen, werden jedes Jahr mithilfe der chemischen Synthese im Tonnenmaßstab hergestellt. Die dazu verwendeten Reaktionen verwandeln einfache und leicht zugängliche Moleküle, die beispielsweise aus Erdgas oder Erdöl gewonnen werden, in komplexere Strukturen, welche in den oben genannten Gebieten Anwendung finden können. Ein großer Nachteil dieser Prozesse ist jedoch in vielen Fällen die unumgängliche Bildung beträchtlicher Mengen von Abfallprodukten. Diejenigen Atome der Ausgangsmaterialien, die keinen Platz im gewünschten Produkt finden, gehen verloren, und die so anfallenden Stoffe sind oftmals toxisch, nicht weiterverwertbar und teuer in der Entsorgung. Die Entsorgung hat somit in vielen Fällen weitreichende ökonomische und ökologische Folgen.
Die "ideale Chemie"
Meine Forschungsgruppe beschäftigt sich mit der Frage, ob wichtige Synthesebausteine ohne die Erzeugung von Abfallprodukten hergestellt werden können. Mit Unterstützung des österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) und des Europäischen Forschungsrats (ERC) entwickeln wir die Grundlagen für eine neue Familie von chemischen Reaktionen, die ohne Verschwendung von Atomen auskommen und somit der sogenannten "idealen Chemie" näherkommen – eine Chemie der nachhaltigen Zukunft.
Energiebilanz der Reaktionen
Um das zu verwirklichen, müssen wir uns den Grund für die Bildung der jeweiligen Abfallprodukte vor Augen führen. Die Entwicklung einer neuen chemischen Reaktion – und das ist schließlich das Hauptthema in meiner Arbeitsgruppe – besteht nicht aus dem simplen Mischen beliebiger Chemikalien und der Hoffnung auf ein Wunder. Tatsächlich bedarf eine chemische Reaktion einer Triebkraft – dies ist in vielen Fällen eine (an die gewünschte Transformation gekoppelte) zweite Reaktion, die beispielsweise durch die Bildung sehr stabiler (also energetisch günstiger) Produkte bereitwillig und spontan abläuft. Man muss, ähnlich einer Wippe, die Energiebilanz der einen Reaktion mit der anderen aufwiegen, wenn man eine stabile Reaktivität haben will. Während diese zweite, gekoppelte Reaktion die gewünschte Transformation also oftmals erst ermöglicht, sind die daraus hervorgehenden Produkte natürlich nicht das eigentliche Ziel, werden nicht gebraucht und sind somit im Grunde Abfall.
In produktive Bahnen lenken
Um dieses Problem zu umgehen, ist es unser Ziel, aktivierte und hochreaktive Reaktionsintermediate herzustellen; somit könnte die Energie der "Triebkraftsreaktion" obsolet werden, weil sie auf andere Art und Weise erhalten wird. Eine zusätzliche Aktivierung des gewünschten Prozesses beziehungsweise eines Reaktanden – beispielsweise durch Licht oder die Verwendung eines Katalysators – könnte die zweite Reaktion demnach ersetzen und die Produktion des Abfalls verhindern. Die resultierenden aktivierten Spezies, obwohl hochreaktiv und a priori schwer zu kontrollieren, können in produktive Bahnen gelenkt werden, wo alle Atome Verwendung finden und die gewünschten Produkte ohne Verschwendung gebildet werden.
Offene Fragen
In gewisser Weise stecken diese Entwicklungen noch in den Kinderschuhen. Erste Erfolge konnten im vergangenen Jahr erzielt und in den renommierten Fachjournalen "Angewandte Chemie" und "Advanced Synthesis and Catalysis" (als Titelgeschichte) publiziert werden. Potenzielle Anwendungen dieser Reaktionen, von der Pharmazeutikasynthese bis zur Herstellung von Kosmetikprodukten, sind offensichtlich.
Es bleiben jedoch noch viele Fragen offen: Können die oben erläuterten Prinzipien generalisiert und auf andere wichtige Reaktionstypen ausgeweitet werden? Wird die Erforschung dieser reaktiven Intermediate die Entwicklung neuer, unerwarteter Transformationen vorantreiben? Spannende und aufregende Zeiten stehen bevor, und unsere fortschreitende Arbeit wird sich mit diesen (und vielen anderen) Fragen befassen. (Nuno Maulide, 24.1.2018)