Grüne Chemie Pionierarbeit für grüne Chemie: Chemoenzymatische Ein-Topf-Synthese

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Professor Dr. Harald Gröger von der Universität Bielefeld ist ein führender Forscher im Bereich der chemoenzymatischen Ein-Topf-Synthese. Diese Technik kombiniert Chemokatalysatoren und umweltfreundliche Biokatalysatoren (Enzyme) in einem einzigen Reaktor, wodurch Produktionsprozesse effizienter werden und Abfall reduziert wird.

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.

Originalpublikation: Harald Gröger, Fabrice Gallou, and Bruce H. Lipshutz: Where Chemocatalysis Meets Biocatalysis: In Water. Chemical Reviews. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00416

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