Neuer Weg für sichere und nachhaltige Synthesechemie

Oxidationen lassen sich nicht nur im Alltag beobachten, beispielsweise wenn Eisen rostet oder Kraftstoffe verbrennen, sondern sind auch für die Industrie unabdingbar: Indem Moleküle durch Oxidation umgebaut werden, entstehen Wirkstoffe oder Vorstufen von Kunststoffen. Manche alltäglichen Materialien wie Farbe oder Lack härten erst durch Oxidation aus. Im großtechnischen Maßstab, wo Sicherheit und Kontrollierbarkeit von zentraler Bedeutung sind, werden Oxidationsreaktionen nach Möglichkeit jedoch vermieden, da sie Sicherheitsrisiken darstellen. Viele Oxidationen erzeugen Wärme, wodurch sich die Reaktion beim sogenannten thermischen Durchgehen immer weiter hochschaukeln kann, bis es zu Bränden oder Explosionen kommt. Insbesondere, wenn Sauerstoff als Oxidationsmittel eingesetzt wird, besteht Explosionsgefahr. Doch auch andere Oxidationsmittel sind wegen ihrer chemisch aggressiven Eigenschaften schwer zu kontrollieren.

„Vor diesem Hintergrund haben wir einen neuen Ansatz entwickelt, bei dem Kohlendioxid als Sauerstoffquelle für Oxidationsreaktionen dient. Dieser Durchbruch macht CO₂ von einem rein inerten Treibhausgas zu einem wertvollen Synthesereagenz“, sagt Prof. Dr. Shoubhik Das vom Lehrstuhl Organische Chemie I der Universität Bayreuth und Letztautor der Studie. In ihrer Arbeit demonstrieren die Forschenden erstmals ein Sauerstoffübertragungssystem, das durch Licht angetrieben wird und CO₂ direkt für die oxidative Spaltung von Alkenen unter Umgebungsbedingungen nutzt. Viele Kunststoffe entstehen aus Alkenen, weshalb diese Stoffe für die Industrie von enormer Wichtigkeit sind. „Ermöglicht durch einen robusten heterogenen Photokatalysator auf Eisenbasis verläuft die Reaktion bei Raumtemperatur und Normaldruck ohne gefährliche Oxidationsmittel oder unter Druck stehenden Sauerstoff. Dadurch wird die Reaktion sicherer als herkömmliche Oxidationen“, so Das. Durch die lichtgetriebene Reaktion ist der Ansatz zudem energieeffizient.

„Über die Erschließung einer neuen Reaktion hinaus eröffnet unser Ansatz einen Weg zu Oxidationsprozessen, die den wachsenden Anforderungen an industrielle Sicherheit, Nachhaltigekeit und grüne Produktion entsprechen. Letztlich trägt unsere Forschung zu einer Zukunft bei, in der grundlegende chemische Umwandlungen mit Blick auf Sicherheit, Nachhaltigkeit und Umweltverantwortung entwickelt werden“, sagt Das.

Die Studie entstand aus einer internationalen Zusammenarbeit zwischen der Universität Bayreuth, dem Leibniz-Institut für Katalyse, dem CNR Institute of Chemistry of Organometallic Compounds, dem CNR Institute for Chemical and Physical Processes, der Stockhol University, der Jagiellonian University, dem State Key Laboratory of Low Carbon Catalysis and Carbon Dioxide Utilization und dem Politecnico di Milano. Gefördert wurde die Studie durch einen DTU Grant (2035-00147B) sowie ein start-up Funding der Universität Bayreuth.