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Nachhaltige Chemie ist an der Naturwissenschaftlichen Fakultät für Chemie und Pharmazie der Universität Regensburg in Forschung und Lehre durch zahlreiche Aktivitäten verankert.
1. In der Lehre
Das neue und nachhaltigere organisch-chemische Praktikum (NOP) ist ein durch Regensburg koordiniertes Verbundprojekt sechs deutscher Universitäten mit dem Ziel, zeitgemäßes Lehrmaterial für eine moderne Ausbildung anzubieten. Neben klassischen Aspekten der praktischen Laborausbildung, werden Konzepte der nachhaltigen Chemie, Werkzeuge zur Effizienzbeurteilung chemischer Reaktionen und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen chemischer Substanzen vorgestellt. Das elektronische Lehrmaterial ist über eine Internetdatenbank (www.oc-praktikum.de) frei verfügbar. Die Datenbank wird ständig erweitert und in Partnerschaften mit nationalen Editoren in viele Sprachen übersetzt. Der Fonds der chemischen Industrie hat das Projekt im Jahr 2007 mit dem Literaturpreis ausgezeichnet; 2008 war es im Finale des Medida Prix.
Mit Hilfe der Mikroreaktortechnik können Reaktionen viel schneller als bisher optimiert werden. Durch die exakte Kontrolle der Reaktionsbedingungen können Nebenreaktionen vermieden werden. Um bereits Studierende an diese Technologie heranzuführen, werden im Rahmen eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projekts, Laboratoriumsexperimente mit Mikroreaktoren für die organisch-chemischen Praktika erarbeitet. Die Ergebnisse werden 2009 als Teil der NOP Datenbank und als Buchbroschüre veröffentlicht.
Ein vertieftes Studium der nachhaltigen Chemie wird an der Universität Regensburg im Rahmen des Masters of Science ab dem WS 09/10 möglich sein. Das Studienangebot umfasst chemische, technologische und ökologische Aspekte und vermittelt einen Überblick der Zusammenhänge vom Molekül bis zum Ökosystem.
2. In der Forschung
Die Chemie kann Energie- und Rohstoffprobleme nicht generell lösen, in zwei Bereichen aber wollen wir in Regensburg durch Grundlagenforschung wichtige Beiträge leisten.
a) Die chemische Photokatalyse
Die chemische Photokatalyse ist ein Schwerpunkt der Forschung im Bereich der nachhaltigen Chemie in Regensburg. Ziel der Aktivitäten, die Arbeitsgruppen und Forschungsprojekte aus der organischen, der anorganischen, der physikalischen und theoretischen Chemie, sowie Kooperationen mit Nachbaruniversitäten einschließen ist es, katalytisch-chemische Prozesse durch Nutzung von Lichtenergie zu beschleunigen bzw. erst möglich zu machen. Schlüsselschritt ist dabei eine photo-induzierte Elektronenübertragung. Gemeinsames Element aller untersuchten Katalysatoren ist ihr Aufbau aus einem redoxaktiven Chromophor und einer Substratbindungsstelle. Durch ein tieferes Verständnis der molekularen Vorgänge chemischer Photokatalysen soll es möglich werden, diese Technik rationaler und vielseitiger für chemische Transformationen unter (Sonnen)Lichteintrag anzuwenden.
Vision: An einem chemischen Katalysator läuft bei Belichtung eine ansonsten endotherme oder kinetisch stark gehinderte Reaktion ab. Ein Teil der eingestrahlten Lichtenergie wird zur Überwindung kinetischer Barrieren genutzt und im Produkt chemisch gespeichert. Es soll kein Modell des Photosyntheseprozess entwickelt werden, sondern viel einfachere chemisch-katalytische Verfahren, zunächst mit viel geringerer Effizienz, die eine Umwandlung von Lichtenergie in chemisch gebundene Energie erlauben. Auch die direkte Photochemie organischer oder anorganischer Substanzen ist nicht Gegenstand der Untersuchungen.
Was hält uns bislang davon ab, Photokatalysatorsysteme zu entwickeln und einzusetzen?
Der Primärschritt ist die Aufnahme der Lichtenergie durch Absorption durch den Photokatalysator. Physikalische spektroskopische Methoden erlauben es, Anregungsprozesse und physikalische Folgeprozesse (Energietransfer, Elektronen-transfer) zu untersuchen. Entscheidend für die Photokatalyse ist die Ankopplung eines chemischen Reaktionsschrittes an den physikalischen Primärprozess. Hier treffen typischerweise sehr verschieden Zeitskalen (Photophysik oft sehr schnell; chemische Reaktion viel langsamer) aufeinander; zudem steht die chemische Reaktion im Konkurrenz zu allen physikalischen Deaktivierungskanälen. Auch die klassischen Aspekte der Katalysatorentwicklung: Stabilität (turn over number), Effizienz (turn over frequency), Produktinhibition und Substratspezifität sind zu berücksichtigen.
Die Beantwortung der folgenden Frage ist der Schlüssel zu einem besseren Verständnis und einer rationaleren Planbarkeit chemischer Photokatalyatoren:
Wie koppelt man effizient und katalytisch einen photophysikalischen Primärprozess an eine chemische Folgereaktion? Welche Parameter (geometrische, zeitliche, energetische) sind wichtig?
b) Chemisch-katalytische Verfahren zur Konversion von nachwachsenden Rohstoffen
Die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen als Ausgangsmaterialien für chemische Prozesse ist vor dem Hintergrund endlicher und sich verteuernder fossiler Ressourcen ein wichtiges Forschungsthema geworden. Während biotechnologische und chemisch-technische Verfahren zur Konversion von Biomasse schon weit entwickelt sind, ist die Anzahl bekannter katalytisch-chemischer Reaktionen, die hoch funktionalisierte Biomoleküle effizient in wertvolle Synthesebausteine der Chemie umsetzen, noch relativ gering. In Forschungsprojekten aus den Bereichen der organischen und der physikalischen Chemie werden daher chemisch-katalytische Verfahren zur Konversion von nachwachsenden Rohstoffen untersucht. Ziel ist dabei die effiziente Herstellung von synthetisch besonders wertvollen Produkten (chiral, funktionalisiert, gute Syntheseintermediate) durch neue Katalyse- oder Reaktionsverfahren.
Einen Überblick über die Perspektiven der Nachhaltigen Chemie und die Verwendung nachwachsender Rohstoffe gibt die Einleitung aus der Masterarbeit von Kathrin Ulbrich, Institut für Organische Chemie der Universität Regensburg:
„Konversion von Nachwachsenden Rohstoffen in der Nachhaltigen Chemie: Mikrowellenunterstützte Umwandlung von Furfurylalkohol“ - Einleitung
Vision: An einem chemischen Katalysator gelingt die effiziente Umwandlung eines gut verfügbaren nachwachsenden Rohstoffs (z.B. Saccharose, Fettsäure, Aminosäure) in eine wertvolle Feinchemikalie durch Um- oder teilweise Defunktionalisierung. Die wertvolle Funktionalität des Naturstoffes, z.B. Chiralitätszentren, aus der Syntheseleistung der Natur soll zum Teil erhalten bleiben, die Komplexität aber soweit reduziert werden, dass gut einsetzbare Synthesechemikalien entstehen. Plakativ: 1 Kg Glucose (60 Cent) durch einen katalytischen Schritt in 400 g einer Feinchemikalie umwandeln, die im Aldrich Katalog für 100 EUR pro 10 g angeboten wird.
Was hält uns bislang davon ab, solche chemisch-katalytischen Konversionen von Naturstoffen durchzuführen?
Die Synthesechemie hat unzählige Methoden zur Einführung oder Umwandlung funktioneller Gruppen in den letzten 100 Jahren entwickelt. Dieser Bereich der Synthesechemie hat ein sehr hohes Niveau erreicht, wie die Totalsynthesen komplexer Wirk- oder Naturstoffe belegen. Methoden zur selektiven Defunktionalisierung komplexerer Ausgangsmaterialien sind hingegen kaum entwickelt. Beispiele: Eine katalytische Di-dehydroxylierung von Sorbitol oder die katalytische Deaminierung von Aminosäuren sind (unseres Wissens) nicht bekannt und nur sehr umständlich synthetisch zu erreichen. Dies spiegelt sich auch in der Syntheseplanung wieder: Eine Synthese von Aspirin aus Acetylen kann (fast) jeder fortgeschrittene Student vorschlagen; aus Glucose oder Aminosäuren fällt dies ungleich schwerer.
Neue Reaktionsmedien, wie ionische Flüssigkeiten, „Solvosurfactants“ in Wasser oder wässrige Salzlösungen bei Temperaturen über 100°C können solche chemisch-katalytische Verfahren zur Konversion von nachwachsenden Rohstoffen erleichtern, beschleunigen, in eine bestimmte Richtung lenken oder erst möglich machen. So ist es beispielweise gelungen, Glycerin in wässrigen Kochsalzlösungen um die 200°C in diverse andere wertvolle Chemikalien umzuwandeln. Sogar Toluol konnte auf diese Weise aus Glycerin gewonnen werden. Aus der Geologie ist bekannt, dass unter solchen Bedingungen das Mineral Siderit (Eisenkarbonat) in Erdöl umgewandelt werden kann. Die einzelnen Reaktionsschritte sind jedoch weitgehend unbekannt und damit ein gezielter Einsatz dieser Medien noch nicht realisiert.
„Solvosurfactants“ sind Hybride aus Tensiden und Lösungsmitteln. Hydrotrope, eine Untergruppe davon, werden in großem Maßstab in der Industrie eingesetzt. In Zusammenarbeit mit anderen europäischen Arbeitsgruppen synthetisieren wir Solvosurfactants aus nachhaltigen Rohstoffen, charakterisieren ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften und führen auch Toxizitäts- und zum Teil auch Bioabbaubarkeitstests durch.
Schließlich spielt für die chemisch-katalytische Konversion auch die Löslichkeit der einzelnen Komponenten eine Rolle. Am ökologisch besten ist natürlich eine ausreichende Löslichkeit in Wasser. In diesem Zusammenhang ist es uns beispielsweise gelungen, auch sehr langkettige Fettsäuren in Form ihrer Cholinsalze in Wasser zu lösen.
Ein anderes Beispiel ist die Verflüssigung von Zucker durch Mischung mit Harnstoff und Ammoniumsulfat, was zu einem Schmelzpunkt des ternären Gemisches um die 60°C führt, ohne dass irgendein Lösungsmittel (auch nicht Wasser) zugesetzt ist. Damit liegt Zucker flüssig und in unkaramelisierten Zustand vor, was zu interessanten Lösungseigenschaften dieses „nachhaltigen“ neuen Lösungsmittels führt.