Bio- und Chemokatalyse für grüne Chemie kombiniert

Der Chemiker Professor Dr. Harald Gröger von der Universität Bielefeld ist
Pionier auf dem Gebiet der so genannten 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 macht Produktionsprozesse effizienter und reduziert Abfälle.
Gemeinsam mit Kollegen der US-amerikanischen University of California,
Santa Barbara, und dem Schweizer Pharma-Unternehmen Novartis hat Gröger
einen Beitrag über solche effizienten Synthesen im Journal Chemical
Reviews veröffentlicht.

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 der Chemiker. 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.“

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.

Grüne Chemie vom Rohstoff an
Der Ansatz der Ein-Topf-Synthese steht im Einklang mit den Grundsätzen der
grünen Chemie, einem Forschungsgebiet, das vor allem in den vergangenen
Jahren an Aufmerksamkeit gewonnen hat. „Das Interesse der Industrie an
nachhaltiger Produktion wächst und mit ihr die Zahl der Forschenden“, sagt
Gröger. Doch bleibt es nicht nur beim Optimieren von Verfahren: Rohöl
bildet derzeit die Grundlage zahlreicher Produkte des täglichen Bedarfs
und trägt gleichzeitig massiv zum Klimawandel bei. „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 der Münchner Firma Klüber Lubrication entwickelte eine
Gruppe von Bielefelder Chemiker*innen um Gröger neue Schmierstoff für
insbesondere 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.