Aus der Luft gegriffen

21.04.2009: Darum beneiden Chemiker die grünen Pflanzen: Durch Photosynthese können sie Kohlendioxid, das in unserer Luft reichlich vorhanden ist, einfach fixieren und daraus Biomasse, also organische Verbindungen, aufbauen. Auch Chemiker möchten Kohlenstoffverbindungen einfach aus Luft-CO2 herstellen können. Denn anders als die heute üblichen Kohlenstoffquellen Erdöl und Erdgas ist Kohlendioxid ein erneuerbarer Rohstoff und ein umweltfreundliches chemisches Reagens. Leider sind die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen aber sehr schwer zu knacken. Forscher um Yugen Zhang und Jackie Y. Ying vom Institute of Bioengineering and Nanotechnology in Singapur haben nun ein neuartiges Reaktionsschema entwickelt, nach dem CO2 bei sehr milden Bedingungen effektiv in Methanol umgesetzt werden kann. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, basiert es auf einem N-heterozyklischen Carben als Katalysator und einem Silan als Reduktionsmittel.

Das Grundgerüst eines N-heterozyklischen Carbens ist ein Fünfring aus zwei Stickstoff- und drei Kohlenstoffatomen. Eines dieser Kohlenstoffatome ist dabei statt vierbindig nur zweibindig. So bleiben Elektronen übrig in Form eines so genannten einsamen Elektronenpaars, das diese Spezies sehr reaktiv macht. Reaktiv genug, um auch CO2 anzugreifen.

Die Singapurer Forscher erzeugen den verwendeten Carben-Katalysator in situ aus einer Vorstufe. Das Carben aktiviert das CO2, wird dann aber wieder abgespalten und liegt am Ende des Reaktionszyklus unverändert vor. Formaler Reaktionpartner ist ein Hydrosilan, eine siliciumorganische Verbindung, die als Reduktionsmittel wirkt. Das Reaktionsprodukt, in das CO2 umgewandelt wird, lässt sich im letzten Schritt der Reaktionsfolge problemlos in Form von Methanol gewinnen. Methanol ist ein wichtiges Ausgangsprodukt für viele chemische Synthesen und dient als alternativer Kraftstoff sowie als Rohstoff für die Energieerzeugung in Methanol-Brennstoffzellen.

Besonderer Vorteil: Anders als bisherige Reaktionsschemata mit metallhaltigen Katalysatoren kann mit Luft als CO2-Quelle gearbeitet werden, da der Carbenkatalysator unempfindlich gegenüber Sauerstoff ist. Dabei zeigt sich das Carben effektiver als die metallhaltige Katalysatoren. Die Reaktion läuft zudem unter sehr milden Bedingungen ab.

Originalveröffentlichung: Yugen Zhang et al.; "Conversion of Carbon Dioxide to Methanol with Silanes over N-Heterocyclic Carbene Catalysts"; Angewandte Chemie 2009, 121, No. 18, 3372-3375