Auf dem Weg zu grüner Chemie

Barbara Schick,

Biokatalyse und Chemokatalyse in Kombination

Professor Dr. Harald Gröger von der Universität Bielefeld ist nach Universitätsangaben Pionier auf dem Gebiet der sog. chemoenzymatischen Ein-Topf-Synthese. Das Konzept beschreibt die Durchführung mehrerer Reaktionen ohne Trennschritte in einem Reaktor, bei der konventionelle Chemokatalysatoren und umweltfreundliche Biokatalysatoren (Enzyme) kombiniert werden. Diese Verzahnung kann Produktionsprozesse effizienter machen und Abfälle reduzieren. Gemeinsam mit Kollegen der US-amerikanischen University of California, Santa Barbara, und dem Schweizer Pharma-Unternehmen Novartis hat Gröger einen Artikel über solche effizienten Synthesen im Journal Chemical Reviews verfasst. Die Autoren stellen in ihrem Beitrag Ansätze und Lösungen vor, die es ermöglichen können, solche Kombinationen von Chemo- und Biokatalyse in Wasser zu realisieren. In dem Beitrag wird darüber hinaus auf die Historie und besonders wichtige Entwicklungen in diesem Forschungsbereich eingegangen, ein Überblick über den aktuellen Stand des Forschungsfeldes, Herausforderungen beleuchtet und ein Blick in die Zukunft geworfen.

Prof. Dr. Harald Gröger forscht auf dem Gebiet der grünen Chemie. © Universität Bielefeld

Wenn beide Katalysatoren in einem einzigen Reaktor funktionieren sollen, bedarf es eines gemeinsamen Reaktionsmediums. Für Gröger und seine Kollegen ist Wasser die Lösung: "Wasser ist billig, in großen Mengen verfügbar und umweltfreundlich", sagt Chemiker Gröger. Während die meisten Enzyme ohnehin Wasser brauchen, um Reaktionen anzutreiben, werden Chemokatalysatoren routinemäßig in organischen Lösungsmitteln genutzt. Solche Lösungsmittel wie etwa Ether oder Alkane können allerdings Enzyme deaktivieren. "Wenn wir es aber schaffen, im Wasser zu bleiben, könnten wir prinzipiell alle Enzyme, die es gibt, verwenden. Wir könnten dadurch prinzipiell das ganze Spektrum der Enzyme in der Natur einsetzen und somit Energie und Abfall sparen."

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Verschiedene Ansätze kombinieren

Damit das funktioniert, setzen die drei Wissenschaftler an beiden Seiten an: "Wir müssen einerseits Enzyme dazu bringen, unnatürliche Ausgangsstoffe mit hoher Produktivität umzusetzen. Dafür verändern wir teilweise auch den Aufbau der Enzyme und die DNA der Mikroorganismen, die die Enzyme herstellen. Und andererseits müssen wir den chemischen Katalysator so konzipieren, dass er in der Lage ist, in Wasser Reaktionen durchzuführen."

Mit ihrem Übersichtsbeitrag bringen die Autoren ihre Forschungsergebnisse mit denen von inzwischen zahlreichen auf diesem Fachgebiet tätigen Arbeitsgruppen zusammen: "Es war spannend, zu dritt an der Veröffentlichung zu arbeiten", sagt Gröger, denn: Die drei kannten sich zuvor nicht und haben verschiedene Ansätze. Professor Dr. Bruce H. Lipshutz von der University of California, Santa Barbara, erforscht seit Jahren das Gebiet der chemischen Synthese in Wasser. Dr. Fabrice Gallou ist Industriechemiker beim Pharmakonzern Novartis in der Schweiz und arbeitet daran, Katalyse-Prozesse kompatibel für die Industrie zu machen. "Das Interesse der Industrie an nachhaltiger Produktion wächst und mit ihr die Zahl der Forschenden", sagt Professor Gröger.

Schmierstoffe entwickelt

"Mit erneuerbaren Rohstoffen lassen sich der CO2-Fußabdruck deutlich verringern und zudem neue Materialien designen", beschreibt der Wissenschaftler einen zweiten großen Bereich seiner Forschungsarbeit an der Universität Bielefeld. Gemeinsam mit dem Unternehmen Klüber Lubrication entwickelte eine Gruppe von Bielefelder Chemikern und Chemikerinnen um Gröger neue Schmierstoffe für marine Anwendungen: "In Hafenbecken liegen Boote dicht an dicht und belasten das Wasser durch nicht abbaubare Öle." Mit einem Verfahren, das chemische und enzymatische Stoffumwandlungen verzahnt, wurden Schmierstoffe im Labor derart gestaltet, dass diese aus nachwachsenden Rohstoffen zugänglich und zugleich leichter biologisch abbaubar sind.

Publikation:
Harald Gröger, Fabrice Gallou, and Bruce H. Lipshutz:Where Chemocatalysis Meets Biocatalysis:In Water. Chemical Reviews 2023, 123, 9, 5262–5296. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00416

Quelle: Universität Bielefeld

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