Mit Chemie gegen den Klimawandel? Chemiker verwandeln CO₂ in Alkohol für die Industrie

Kohlendioxid (CO₂) ist vielen als klimaschädliches Treibhausgas bekannt. Eine neue Möglichkeit, den Überschuss an produziertem CO₂ zu senken, haben nun Forscher der Ruhr-Universität Bochum entdeckt. Mithilfe spezieller Katalysatoren machen sie aus CO₂ einen industriell nutzbaren Alkohol. Diese chemische Reaktion könnte es eines Tages erlauben, das klimaschädliche Gas sinnvoll zu nutzen.

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Bochum – Beim Klimawandel spielt unter anderem Kohlendioxid eine entscheidende Rolle. Weil wir viel mehr dieses Gases über Verbrennungsprozesse in die Luft entlassen als durch natürliche Prozesse wieder gebunden werden kann, sammelt sich das CO₂ in der Atmosphäre und trägt zur Erderwärmung bei.

Reaktion ohne viel Abfall

Forscher der Ruhr-Universität Bochum haben jetzt 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 hat das Team um Timo Wendling und Prof. Dr. Lukas Gooßen gemeinsam mit einem Kollegen der Technischen Universität Kaiserslautern publiziert.

Um Kohlendioxid in einen Alkohol zu überführen, ohne dass dabei unerwünschte Abfallprodukte entstehen, ist eine zweischrittige Reaktion erforderlich. Das Problem: Die beiden Teilreaktionen sind aus energetischen Gründen quasi nicht unter einen Hut zu bringen. Damit die Prozesse aus thermodynamischer Sicht zu vereinbaren sind, 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 den Übergangsmetallen 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.“

Orginalpublikation: 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

* Dr. Julia Weiler: Ruhr-Universität Bochum (RUB), 44801 Bochum

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