Fachbereich Chemie
FachbereichChemie
Publikation des Monats Januar 2026: Mit Katalyse nachhaltig zu cyclischen Carbonaten (AG Prof. Jacobi von Wangelin)
21. April 2026
Foto: Robin Stuhr, Leon Liu und Axel Jacobi von Wangelin
Katalyse 1, 2, 3. Es gibt diese chemischen Reaktionen, die einen nicht mehr loslassen, weil sie besonders nützlich, innovativ, ungewöhnlich oder elegant sind. Das Forschungsprojekt dieses Artikels entstand aus der Idee, drei derartige, nahezu perfekte chemische Reaktionen hintereinander in einer neuartigen Wertschöpfungskette zu schalten. Biomassechemikalien boten sich als ideale Startmaterialien an, was die gesamte Synthesesequenz zu einer neuen Strategie der Veredlung von nachwachsenden Rohstoffen zu hochfunktionalisierten Produkten machte. Robin Stuhr nahm sich im Rahmen seiner Dissertation zu Photokatalytischen Aktivierungen kleiner Moleküle dieser Thematik an. Unterstützt wurde er durch Leon Liu, der seine Bachelorarbeit bei ihm und mit derselben Thematik anfertigte.
Der erste Schritt der geplanten Syntheseroute, die lichtgetriebene Oxidation von Alkenen mit Sauerstoff, war seit 80 Jahren bekannt, aber vorrangig in Nichenanwendungen von Naturstoffsynthesen eingesetzt worden. Die resultierenden Allylhydroperoxide sind hoch funktionalisierte Moleküle, die allerdings immer durch Reduktion in die besser handhabbaren Alkohole überführt werden. Dafür muss ein zuvor aus Luftsauerstoff übertragenes Sauerstoffatom wieder geopfert werden; ein Ansatz, der unserem Empfinden von Eleganz sowie atomarer und energetischer Effizienz widersprach. Hierzu hatten wir zwei Antworten parat: 1) die Verwendung unseres selbst gebauten Photo-Flussreaktors (siehe Abbildung), der die Menge an reaktiven Materialien drastisch reduziert und sichere Reaktionen unter strikter Einhaltung der Reaktionsbedingungen ermöglicht, sowie 2) eine zweite höchst elegante Reaktion: der Transfer eines Sauerstoff-Atoms entlang der Kohlenstoffkette zum Aufbau eines neuen Epoxids, was die Gefahrneigung der Verbindung wesentlich verringerte, sämtliche Atome aber im Molekül behielt. Noch dazu vereinte diese Reaktion, erstmals 1988 berichtet, drei weitere von uns geliebte Eigenschaften: Sie verlief katalytisch mit einem preiswerten und ungiftigen Titan- oder Vanadium-Katalysator, war hoch selektiv und funktionierte auf Anhieb. Alles war nun angerichtet für Schritt 3: Durch Einbau von Kohlendioxid konnten die Epoxyalkohole in cyclische Carbonate überführt werden. Nötig war ein einfacher organischer Katalysator, Pyridin. Organische Carbonate spielen eine zentrale Rolle als Plattformchemikalien für die Herstellung von Kunststoffen, Lösungsmitteln, Elektrolyten in Batterien und vielen Feinchemikalien. Eine wichtige Anwendung ist z.B. die Herstellung von Polymeren durch Kondensation mit Aminen zu Polyurethanen, sogenannten PU-Schäumen.
Robin und Leon entwickelten die hypothetische Reaktionssequenz zu einem hocheffektiven und praktikablen Prozess. Ausgehend von biologischen Fetten und Ölen sowie verwandten Alken-haltigen Verbindungen entstehen unter vollständigem Einbau von Luftsauerstoff und Kohlendioxid ohne Abspaltung von Atomen in drei katalytischen Schritten die wertvollen organischen Carbonate. Einzig notwendig dafür sind die Anwesenheit von Luft, sichtbarem Licht und einem essbaren organischen Farbstoff als Katalysator (in Schritt 1), von Titan- oder Vanadium-Salzen (in Schritt 2) und von Kohlendioxid und katalytischen Mengen Pyridin (in Schritt 3). Der Gesamtprozess ist eine besonders elegante Demonstration des Konzepts nachhaltiger Chemie durch Verwendung verfügbarer und nachwachsender Rohstoffe (Licht, Luft, CO2, Biomasse), milder Reaktionsbedingungen und durch die vollständige Nutzung aller Atome der Startmaterialien (siehe Abbildung).
Leon hat mit der Erfahrung aus seiner Bachelor-Arbeit und einem erfolgreichen M.Sc.-Studium in Hamburg mittlerweile eine Promotion in einer der weltweiten angesehensten Arbeitsgruppen der Katalyseforschung in Bern (Schweiz) begonnen. Robin arbeitet bei tesa SA in der strategischen Forschung zu Polymeren und Werkstoffen.
Die grundsätzlichen Ideen aus diesem erfolgreichen Forschungsprojekt haben bereits Eingang gefunden in weiterführende Projekte, die sich anderen Startmaterialien widmen. Abfallströme der Lebensmittelindustrie, die bislang als Bio-Treibstoffe in PKWs sinnfrei verbrannt werden, würden eine wesentlich bessere Wertschöpfung in dieser katalytischen Sequenz ermöglichen. Mehr dazu berichten wir hoffentlich schon bald an dieser Stelle.
Original-Publikation:
Robin Stuhr, Leon Liu, Axel Jacobi von Wangelin: A Triple-Catalytic, Fully Biogenic Synthesis of Cyclic Carbonates
