Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben einen Weg gefunden, klimaschädliches CO2 in einen Alkohol zu verwandeln, der als Ausgangsstoff für die chemische Industrie dienen könnte. Und zwar ohne dass große Mengen an Salzabfällen entstehen, wie üblicherweise der Fall.
Den Reaktionsmechanismus beschreibt das Team um Timo Wendling und Prof. Dr. Lukas Gooßen gemeinsam mit einem Kollegen der Technischen Universität Kaiserslautern in der Zeitschrift „Chemistry – A European Journal“. Um Kohlendioxid in einen Alkohol zu überführen, ohne dass dabei unerwünschte Abfallprodukte entstehen, ist eine Zweischritte- Reaktion erforderlich. Das Problem: Die beiden Teilreaktionen sind aus energetischen Gründen quasi nicht unter einen Hut zu bringen. Um die Prozesse aus thermodynamischer Sicht vereinbar zu machen, braucht es geeignete Katalysatoren, die die Teilreaktionen erleichtern.
Katalysator und Lösungsmittel entscheidend
Das Team testete zahlreiche Substanzen und fand schließlich zwei Katalysatoren, die die erforderlichen Eigenschaften besitzen: eine Kupferverbindung für den ersten Reaktionsschritt und eine Verbindung aus Rhodium und Molybdän für den zweiten Schritt. Entscheidend war auch die genaue Zusammensetzung und Menge des Lösungsmittels, in dem die Reaktion stattfand.
So läuft die Reaktion ab: In der ersten Teilreaktion, Carboxylierung genannt, koppelten die Forscher CO2 an eine Kohlenwasserstoffverbindung. Dazu wird ein Proton (H+) von der Kohlenwasserstoffverbindung abgespalten; an der frei werdenden Stelle dockt das CO2-Molekül an, und es entsteht eine Säure. Das überschüssige Proton wird von einer Base aufgenommen. Im zweiten Schritt, der Hydrogenierung, wird die Säure durch Übertragen von Protonen in einen Alkohol umgewandelt. Dabei gibt die Base das zuvor aufgenommene Proton wieder ab und wird so recycelt. Dass diese Reaktion machbar ist, zeigte das Team anhand der Kohlenwasserstoffverbindung Phenylacetylen. In weiteren Studien muss sich zeigen, ob das Prinzip auf andere organische Verbindungen ausgeweitet werden kann.
Wirtschaftlich und ökologisch von Vorteil
Mit dem vorliegenden Katalysatorsystem erzielten die Forscher für die Base eine Recyclingrate von 40 Prozent. „Das zeigt, dass die Base nicht während der Reaktion zerstört wird, aber dass das Verfahren noch deutlich verbessert werden muss, um industriell anwendbar zu werden“, sagt Lukas Gooßen, Mitglied im Exzellenzcluster Ruhr Explores Solvation, kurz Resolv. „Wir haben einen ersten wichtigen Schritt gemacht, um CO2 für die chemische Industrie nutzbar zu machen, was wirtschaftlich und ökologisch ein großer Vorteil wäre.“
Die Arbeiten wurden unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters Resolv (EXC 1069), der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, dem Fonds der Chemischen Industrie und der Carl-Zeiss-Stiftung.
Originalveröffentlichung: Timo Wendling, Eugen Risto, Thilo Krause, Lukas J. Gooßen: Salt‐free strategy for the insertion of CO2 into C−H bonds: catalytic hydroxymethylation of alkynes, Chemistry – A European Journal, 2018, DOI: 10.1002/chem.201800526
Quelle: Ruhr-Universität Bochum, Fakultät für Chemie und Biochemie
