„Dream Reactions - Nachhaltigkeit durch atomökonomische Synthesemethoden“

Lukas J. Gooßen und Käthe Gooßen

Die Vielzahl chemischer Produkte und Arzneistoffe, die uns heutzutage zur Verfügung stehen, werden zumeist über ein verzweigtes Netz von Reaktionen aus einer begrenzten Anzahl einfacher Moleküle erzeugt, die überwiegend aus Erdöl und Erdgas gewonnen werden (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 1). Obwohl die einzelnen Reaktionen bereits über viele Jahrzehnte optimiert wurden, werden durch die Bildung von Abfall und Nebenprodukten immer noch wertvolle Rohstoffe verschwendet und die Umwelt belastet. Durch Verringerung der Anzahl und Verbesserung der Effizienz aller Einzelschritte bestehen Chancen, diesen komplexen Wertschöpfungsprozess weitaus nachhaltiger zu gestalten. Zumindest bei der Synthese von Grundchemikalien deckt sich dieses gesellschaftliche Interesse weitgehend mit den ökonomischen Zielen der chemischen Industrie, da die Kosten für Einsatzstoffe und Energie sowie für die Rückführung bzw. Entsorgung von Nebenprodukten und Abfall den größten Anteil der Produktionskosten darstellen.
Angesichts der Unzulänglichkeiten einiger Herstellungsprozesse träumt so mancher Chemiker von idealen Reaktionen, mit denen man aus einfach und kostengünstig verfügbaren Bausteinen in einem Schritt, unter milden Bedingungen und in hohen Ausbeuten komplexe Strukturen erzeugen kann. Die grundsätzliche Machbarkeit solcher Ideen lässt sich einfach überprüfen, indem man die Energien von Startmaterialien und Produkten miteinander vergleicht. "Dream Reactions" müssen diesen ersten Test überstehen: Es sollte sich um energetisch vorteilhafte und somit zumindest theoretisch mögliche Transformationen handeln, auch wenn basierend auf existierenden Mechanismen und Reaktionstechniken kein Weg von den Startmaterialien zu den Produkten zu führen scheint. Die Chancen, solche Traumreaktionen zu realisieren, sind daher überaus gering, angesichts der Größe des erreichbaren ökonomischen und ökologischen Fortschritts kommt entsprechenden Forschungsprojekten jedoch ein hoher gesellschaftlicher Stellenwert zu.

Schema 1: Beispiele für Traumreaktionen und die entsprechenden klassischen Transformationen in der Aromatenchemie

Schema 2: "Dream Reactions" mit Methan zur Synthese von Basischemikalien
In Schema 1 sind etablierte Transformationen und "Dream Reactions" am Beispiel der Synthese aromatischer Verbindungen einander gegenübergestellt. Eine ehemalige "Dream Reaction" ist bereits verwirklicht worden: Während Benzoesäure früher abfallintensiv durch die Oxidation von Toluol mit stöchiometrischen Mengen eines Schwermetalloxids hergestellt wurde, erlaubt ein eigens entwickeltes Katalysatorsystem mittlerweile die Verwendung von Luftsauerstoff als umweltfreundliches Oxidationsmittel. Die Synthese von Anilin dagegen lässt sich noch enorm verbessern, ideal wäre etwa eine Umsetzung von Benzol mit Ammoniak und Luftsauerstoff. Auch die Luftoxidation von Aromaten zu Phenolen, ihre selektive Monofluorierung (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 16) oder die Umsetzung mit Kohlendioxid zu Benzoesäuren - außer dem klassischen Beispiel der Kolbe-Synthese von Salicylsäure aus Phenol und Kohlendioxid - gehören bisher noch in das Reich der Träume. In der Realität konzentriert man sich auf die Optimierung bewährter, aber z. T. systembedingt wenig nachhaltiger Verfahren.
Verbesserungspotenziale in der Aromatenchemie werden besonders auch am Beispiel der Arylketone deutlich. Großtechnisch werden diese überwiegend über nicht-katalytische Friedel-Crafts-Reaktionen dargestellt, wobei große Mengen an Salzabfällen gebildet werden und die Produkte in der Regel als Gemische verschiedener Regioisomere anfallen. Seit der Entdeckung dieser Reaktionen vor 130 Jahren hat man sich unablässig bemüht, ihre Selektivität zu steuern und die Abfallproduktion zu reduzieren, doch trotz vielerlei Weiterentwicklungen blieb die grundlegende Problematik für viele Anwendungsfälle ungelöst. "Dream Reactions" als Alternativen, wie die regioselektive Umsetzung von Benzolderivaten mit Carbonsäuren unter Freisetzung von Wasser oder gar die abfallfreie Synthese von Arylketonen aus Arenen, Kohlenmonoxid und Alkenen, konnten bisher noch nicht ansatzweise realisiert werden.
Um eine Umstellung der aktuellen chemischen Produktionsketten von fossilen Quellen auf nachwachsende Rohstoffe oder Biogas zu ermöglichen, ist die technische Umsetzung einer ganzen Reihe von "Dream Reactions" erforderlich (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 4 und 8). So existiert bisher noch kein einziger Prozess, in dem Methan, der Hauptbestandteil von Biogas, direkt zur Synthese chemischer Grundstoffe genutzt wird. Daher müsste Methan nach dem derzeitigen Stand der Technik zunächst energieaufwändig zu Synthesegas - einem Gemisch aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff - abgebaut werden, aus dem komplexere Moleküle zumeist nur verlustreich und unselektiv zugänglich sind. Somit ginge gleich am Anfang einer chemischen Wertschöpfungskette ausgehend von Bio- oder Erdgas ein Großteil der Energie und der Wertstoffe verloren. Erst "Dream Reactions", wie die Umsetzung von Methan mit Kohlendioxid zu Essigsäure, seine Luftoxidation zu Methanol, die oxidative Dimerisierung von Methan zu Ethylen oder der Aufbau von Kohlenstoffringen und -ketten aus Methan würden eine wirklich nachhaltige Synthesechemie erlauben (Schema 2).

Am Ende der chemischen Wertschöpfungskette, z. B. bei der Synthese komplexer und teurer High-Tech Materialien oder Pharmaka, spielen auch heute noch Nachhaltigkeitsaspekte zumeist nur eine untergeordnete Rolle, zu groß sind wirtschaftliche Zwänge, diese Substanzen schnell und zuverlässig bereitstellen zu können. Kosten für Herstellungsprozesse oder gar für die Entsorgung von Abfällen fallen gerade bei Pharmaka im Vergleich zur medizinischen Entwicklung kaum ins Gewicht, und für die Reaktionsentwicklung steht nur wenig Zeit zur Verfügung. Daher greift man für ihre Darstellung überwiegend auf bewährte Reaktionsschritte zurück. Die dabei zur Verfügung stehende organische Synthesechemie erscheint auf den ersten Blick extrem hoch entwickelt, denn es gibt kaum eine Struktur, die über existierende Methoden unzugänglich wäre. Das von B. M. Trost in den 90er Jahren formulierte Konzept der "Atomökonomie" verdeutlicht jedoch, warum es hier dennoch noch einen enormen Verbesserungsbedarf gibt. Mit einer einfachen Formel beurteilte er die Qualität chemischer Transformationen anhand der Atomökonomie AE, die angibt, wieviel Prozent der Atommassen der Einsatzstoffe sich überhaupt in den Produkten wieder finden, und wieviel als Abfall oder Nebenprodukte verloren gehen. Abbildung 1 illustriert die relative Atomökonomie einiger häufig verwendeter Reaktionstypen.

Abbildung 1: Das Konzept der Atomökonomie (AE) zur Beurteilung der Qualität chemischer Transformationen

Dieses Konzept öffnete vielen die Augen, die dachten, dass die Synthesechemie bereits eine reife Wissenschaft sei: Bei vielen etablierten Reaktionstypen, wie etwa der in der Synthese eines Vitamin A-Vorläufers eingesetzten Wittig-Olefinierung (Schema 3), finden sich nur wenige Atome der aufwändig erzeugten Einsatzstoffe im Zielprodukt wieder. Die rutheniumkatalysierte Additionsreaktion und die Hydrierung in der alternativen Synthese sind dagegen überaus atomökonomisch, da alle Startmaterialien vollständig in das Zielprodukt inkorporiert werden.

Schema3: Moderne und traditionelle Synthese einer Vitamin A-Vorstufe

Eine große Herausforderung für chemische Methodenentwickler besteht aktuell darin, immer atomeffizientere Synthesemethoden zu erschließen und so weit zu entwickeln, dass sie hinsichtlich ihrer Anwendungsbreite und technischen Umsetzbarkeit den etablierten Methoden kaum nachstehen. Dem Synthesechemiker fällt dann die Aufgabe zu, solche atomökonomischen Einzelschritte bei der Entwicklung neuer Prozesse auch bevorzugt einzusetzen. Durch die Erforschung und Realisierung von "Dream Reactions", aber auch durch die kontinuierliche Verbesserung der Effizienz und der Atomökonomie von Einzelreaktionen entlang der gesamten chemischen Wertschöpfungskette von den Grundstoffen bis hin zu komplexen Pharmaka können Chemiker so wesentliche Beiträge zur Erhaltung unserer Umwelt leisten.


 

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Prof. Dr. Lukas J. Gooßen
Fachbereich Chemie - Organische Chemie
Technische Universität Kaiserslautern
Erwin-Schrödinger-Straße Geb. 54
D-67663 Kaiserslautern
Tel.: +49 (0)631 205-2046
E-Mail: goossen@chemie.uni-kl.de

Literaturhinweise

[1] Atomökonomische Synthesen - eine Herausforderung in der Organischen Chemie: die Homogenkatalyse als wegweisende Methode, B. M. Trost, Angew. Chem. 1995, 107, 285-307.
[2] Atom efficiency and catalysis, R. A. Sheldon, Chemistry Review 1999, 9, 10.
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