Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth hat gemeinsam mit internationalen Partnern eine Oxidationsreaktion entwickelt, die Kohlendioxid als Sauerstoffquelle für die chemische Synthese verwendet. Dadurch verläuft die Reaktion sicherer und nachhaltiger als mit herkömmlichen Oxidationsmitteln.
Die Methode beruht auf einem durch Licht angetriebenen Sauerstoffübertragungssystem, das einen Photokatalysator auf Eisenbasis einsetzt und bei Raumtemperatur sowie Normaldruck arbeitet. Auf diese Weise lassen sich Alkene oxidativ spalten, ohne dass gefährliche Oxidationsmittel oder unter Druck stehender Sauerstoff erforderlich sind.
Wenn Oxidationen zum Sicherheitsrisiko werden
Oxidationen begegnen einem im Alltag, etwa wenn Eisen rostet oder Kraftstoffe verbrennen, und sie sind zugleich für die Industrie unverzichtbar. Durch den oxidativen Umbau von Molekülen entstehen Wirkstoffe und Vorstufen von Kunststoffen, und Materialien wie Farbe oder Lack härten erst durch Oxidation aus.
Im großtechnischen Maßstab, wo Sicherheit und Kontrollierbarkeit zentral sind, werden solche Reaktionen jedoch nach Möglichkeit vermieden. Viele Oxidationen setzen Wärme frei, wodurch sich die Reaktion beim sogenannten thermischen Durchgehen immer weiter hochschaukeln kann, bis es zu Bränden oder Explosionen kommt. Besonders beim Einsatz von Sauerstoff als Oxidationsmittel besteht Explosionsgefahr, und auch andere Oxidationsmittel sind wegen ihrer chemisch aggressiven Eigenschaften schwer zu beherrschen.
Kohlendioxid als Sauerstoffquelle für eine sicherere Oxidationsreaktion
An dieser Stelle setzt der Ansatz der Universität Bayreuth an, der für die Oxidationsreaktion Kohlendioxid als Sauerstoffquelle erschließt. Das Team um Prof. Dr. Shoubhik Das vom Lehrstuhl Organische Chemie I der Universität Bayreuth, Letztautor der Studie, demonstriert ein durch Licht angetriebenes Sauerstoffübertragungssystem, das CO2 unter Umgebungsbedingungen direkt für die oxidative Spaltung von Alkenen verwendet. Da viele Kunststoffe aus Alkenen hervorgehen, ist diese Stoffklasse für die Industrie von großer Bedeutung.
Getragen wird die Umwandlung von einem robusten heterogenen Photokatalysator auf Eisenbasis. „Ermöglicht durch einen robusten heterogenen Photokatalysator auf Eisenbasis verläuft die Reaktion bei Raumtemperatur und Normaldruck ohne gefährliche Oxidationsmittel oder unter Druck stehendem Sauerstoff. Dadurch wird die Reaktion sicherer als herkömmliche Oxidationen“, erläutert Das. Weil der Prozess durch Licht angetrieben wird, arbeitet diese Oxidationsreaktion zudem energieeffizient.
Mit dem Verfahren verändert sich auch die Rolle des Kohlendioxids. „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 Das.
Anwendungen und der Weg zu einer nachhaltigen Synthesechemie
Oxidationsreaktionen stehen am Beginn zahlreicher Produkte, von Pharmazeutika über Polymere und Duftstoffe bis zu Kraftstoffen. Indem Kohlendioxid die klassischen Oxidationsmittel ersetzt, entfallen viele der bisherigen Risiken, denn das Gas ist reichlich vorhanden, ungiftig, nicht brennbar und im Umgang deutlich sicherer. Auf diese Weise reduziert der Bayreuther Ansatz betriebliche Gefahren, verbessert die Prozesssicherheit und minimiert die Entstehung schädlicher Nebenprodukte.
Über die einzelne Reaktion hinaus zielt die Arbeit auf eine grundsätzlich sicherere und nachhaltigere Chemie. „Über die Erschließung einer neuen Reaktion hinaus eröffnet unser Ansatz einen Weg zu Oxidationsprozessen, die den wachsenden Anforderungen an industrielle Sicherheit, Nachhaltigkeit 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 in internationaler 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 Stockholm University, der Jagiellonian University, dem State Key Laboratory of Low Carbon Catalysis and Carbon Dioxide Utilization und dem Politecnico di Milano. Gefördert wurde sie durch einen DTU Grant (2035-00147B) sowie ein Start-up-Funding der Universität Bayreuth.
Originalpublikation: Yuman Qin et al. Photocatalyzed oxidative cleavage of alkenes using CO2 as an oxygen donor. Science (2026). DOI: https://doi.org/10.1126/science.aed6068
