Oxidationsreaktion Neuer Weg für eine sichere und nachhaltige Synthesechemie

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Für die chemische Industrie sind Oxidationsreaktionen unverzichtbar, gehören allerdings aus Sicht der Prozesssicherheit zu den anspruchsvollsten Umwandlungen. Ein Forschungsteam der Universität Bayreuth hat in Zusammenarbeit mit internationalen Forschenden nun einen grundlegend neuen Ansatz für die Oxidationsreaktion vorgestellt, in dem Kohlendioxid als Sauerstoffquelle für die chemische Synthese verwendet wird.

Oxidationsreaktionen ermöglichen die Herstellung von Pharmazeutika, Polymeren, Duftstoffen und Kraftstoffen. Allerdings sind diese Reaktionen mit einem Sicherheitsrisiko verbunden: Häufig beruhen konventionelle Oxidationsmethoden auf molekularem Sauerstoff oder hochreaktiven Oxidationsmitteln, mit denen Entflammbarkeit, Explosionsgefahr oder die Entstehung gefährlicher Abfälle einhergehen. Durch die Verwendung von Kohlendioxid als Sauerstoffquelle für die Oxidationsreaktion werden viele dieser Probleme umgangen: CO₂ ist reichlich vorhanden, ungiftig, nicht brennbar und deutlich sicherer im Umgang als klassische Oxidationsmittel. Damit liefert der Bayreuther Ansatz eine Alternative zur konventionellen Oxidationschemie, bei der betriebliche Gefahren reduziert, die Prozesssicherheit verbessert und die Entstehung schädlicher Nebenprodukte minimiert werden.

Oxidationen lassen sich nicht nur im Alltag beobachten, beispielsweise wenn Eisen rostet oder Kraftstoffe verbrennen, sondern sind auch für die Industrie unabdingbar: Indem Moleküle durch Oxidation umgebaut werden, entstehen Wirkstoffe oder Vorstufen von Kunststoffen. Manche alltäglichen Materialien wie Farbe oder Lack härten erst durch Oxidation aus. Im großtechnischen Maßstab, wo Sicherheit und Kontrollierbarkeit von zentraler Bedeutung sind, werden Oxidationsreaktionen nach Möglichkeit jedoch vermieden, da sie Sicherheitsrisiken darstellen. Viele Oxidationen erzeugen Wärme, wodurch sich die Reaktion beim sogenannten thermischen Durchgehen immer weiter hochschaukeln kann, bis es zu Bränden oder Explosionen kommt. Insbesondere, wenn Sauerstoff als Oxidationsmittel eingesetzt wird, besteht Explosionsgefahr. Doch auch andere Oxidationsmittel sind wegen ihrer chemisch aggressiven Eigenschaften schwer zu kontrollieren.

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„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 Prof. Dr. Shoubhik Das vom Lehrstuhl Organische Chemie I der Universität Bayreuth und Letztautor der Studie. In ihrer Arbeit demonstrieren die Forschenden erstmals ein Sauerstoffübertragungssystem, das durch Licht angetrieben wird und CO₂ direkt für die oxidative Spaltung von Alkenen unter Umgebungsbedingungen nutzt. Viele Kunststoffe entstehen aus Alkenen, weshalb diese Stoffe für die Industrie von enormer Wichtigkeit sind. „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“, so Das. Durch die lichtgetriebene Reaktion ist der Ansatz zudem energieeffizient.

„Über die Erschließung einer neuen Reaktion hinaus eröffnet unser Ansatz einen Weg zu Oxidationsprozessen, die den wachsenden Anforderungen an industrielle Sicherheit, Nachhaltigekeit 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.

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

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