Universität Regensburg

Nachhaltige Chemie ist an der Naturwissenschaftlichen Fakultät für Chemie und Pharmazie der Universität Regensburg in Forschung und Lehre durch zahlreiche Aktivitäten verankert. Mitarbeiter mehrerer Lehrstühle forschen gemeinsam an neuen Möglichkeiten Rohstoffe nachhaltiger zu nutzen und verstärkt nachwachsende Rohstoffe zu verwenden. Folgende Themen stellen die Schwerpunkte der Forschung dar.

Chemische Photokatalyse

Die chemische Photokatalyse ist ein Schwerpunkt der Forschung im Bereich der nachhaltigen Chemie in Regensburg. Ziel der Aktivitäten, die Arbeitsgruppen und Forschungsprojekte aus der organischen, anorganischen, physikalischen und theoretischen Chemie sowie aus Kooperationen mit Nachbaruniversitäten einschließen, ist es, katalytisch-chemische Prozesse durch Nutzung von Lichtenergie zu beschleunigen oder erst möglich zu machen. Schlüsselschritt ist dabei eine photo-induzierte Elektronenübertragung. Gemeinsames Element aller untersuchten Katalysatoren ist ihr Aufbau aus einem redoxaktiven Chromophor und einer Substratbindungsstelle. Durch ein tieferes Verständnis der molekularen Vorgänge chemischer Photokatalysen soll es möglich werden, diese Technik rationaler und vielseitiger für chemische Transformationen unter (Sonnen-) Lichteintrag anzuwenden.

Vision

An einem chemischen Katalysator läuft bei Belichtung eine ansonsten endotherme oder kinetisch stark gehinderte Reaktion ab. Ein Teil der eingestrahlten Lichtenergie wird zur Überwindung kinetischer Barrieren genutzt und im Produkt chemisch gespeichert. Es soll kein Modell des Photosynthese­prozesses entwickelt werden, sondern viel einfachere chemisch-katalytische Verfahren, zunächst mit viel geringerer Effizienz, die eine Umwandlung von Lichtenergie in chemisch gebundene Energie erlauben. Auch die direkte Photochemie organischer oder anorganischer Substanzen ist nicht Gegenstand der Untersuchungen.

Beispiele aus der gegenwärtigen Forschung

Chemisch-katalytische Verfahren zur Konversion von nachwachsenden Rohstoffen

Die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen als Ausgangsmaterialien für chemische Prozesse ist vor dem Hintergrund endlicher und sich verteuernder fossiler Ressourcen ein wichtiges Forschungsthema geworden. Während biotechnologische und chemisch-technische Verfahren zur Konversion von Biomasse schon weit entwickelt sind, ist die Anzahl bekannter katalytisch-chemischer Reaktionen, die hoch funktionalisierte Biomoleküle effizient in wertvolle Synthesebausteine der Chemie umsetzen, noch relativ gering. In Forschungsprojekten aus den Bereichen der organischen und der physikalischen Chemie werden daher chemisch-katalytische Verfahren zur Konversion von nachwachsenden Rohstoffen untersucht. Ziel ist dabei die effiziente Herstellung von synthetisch besonders wertvollen Produkten (chiral, funktionalisiert, gute Syntheseintermediate) durch neue Katalyse- oder Reaktionsverfahren.

Vision

An einem chemischen Katalysator gelingt die effiziente Umwandlung eines gut verfügbaren nachwachsenden Rohstoffs (zum Beispiel Saccharose, Fettsäure, Aminosäure) in eine wertvolle Feinchemikalie durch Um- oder teilweise Defunktionalisierung. Die wertvolle Funktionalität des Naturstoffes, etwa Chiralitätszentren, aus der Syntheseleistung der Natur soll zum Teil erhalten bleiben, die Komplexität aber soweit reduziert werden, dass gut einsetzbare Synthesechemikalien entstehen.

Beispiele aus der gegenwärtigen Forschung

In wasserfreien Schmelzen aus Zuckern und Harnstoff oder Cholinchlorid konnten effiziente Konversionsverfahren zur Synthese von Glycosylharnstoffen und Hydroxymethylfurfural etabliert werden. Für die Synthesen in homogener Lösung werden keine Lösemittel verwendet; die Konversion erfolgt bei Konzentrationen von 3 mol/L des Kohlenhydrats.

Magnetische Nanopartikel als intelligente Plattformen für Liganden zur Anwendung in der Katalyse und zur Extraktion von Metallen

Magnetische Nanopartikel eignen sich in hervorragender Weise als Träger für Katalysatoren, die sich aufgrund der magnetischen Eigenschaften der Partikel durch Anlegen von Magnetfeldern effektiv transportieren und wiedergewinnen lassen. Gerade für die Entwicklung von chemischen Transformationen von nachwachsenden Rohstoffen, die in großen Maßstäben durchgeführt werden, ist ein effektives Recycling von Katalysatoren besonders wichtig.

Umgekehrt können durch die Funktionalisierung von Nanopartikeln mit maßgeschneiderten Liganden effektiv chemische Moleküle aus Lösungen abgetrennt werden. Die magnetischen Eigenschaften ermöglichen wiederum die einfache Abtrennung der Partikel aus Reaktionsmedien, auch außerhalb eines Labors.

Beispiel aus der gegenwärtigen Forschung

Die Arbeiten des Instituts für Organische Chemie in Regensburg fokussieren einerseits auf die Entwicklung neuer Metall- und Organokatalysatoren in durch Magnetfelder begrenzten Durchflussreaktoren, andererseits auf der Entwicklung von Reagenzien zur selektiven Extraktion von organischen Molekülen und Metallen, unter anderem von seltenen Erden.

Lösungsmedien aus nachhaltigen Rohstoffen und für nachhaltige Rohstoffe

Lösungsmittel und Lösungsvermittler wie Tenside sind Großchemikalien, die zu einem nicht unbeträchtlichen Teil aus Erdöl erzeugt werden und die Umwelt belasten. Die Forscher der Universität Regensburg möchte Alternativen aufzeigen und entwickeln, die zum einen aus nachhaltigen Rohstoffen gewonnen werden, zum anderen noch leichter als bisher bioabbaubar und nicht toxisch sind. Außerdem versuchen sie, in solchen Lösungen Biopolymere und andere wertvolle Moleküle aus Pflanzen (zum Beispiel Vorstufen von ätherischen Öle und Hydrolaten) aufzulösen, um sie danach mittels ökologisch und ökonomisch akzeptabler Verfahren, vor allem den oben genannten weiter zu veredeln. Besonders effizient ist es, wenn das Lösungsmittel zugleich als Ausgangsprodukt für die Weiterverarbeitung hergenommen werden kann, etwa Citronellol zu Rosenoxid in lösungsmittelfreien Mikroemulsionen mittels Photokatalyse.

Beispiele aus der gegenwärtigen Forschung

Die Universität Regensburg versucht, umweltfreundliche anionische Tenside als Waschsubstanz einzusetzen, indem das natürliche Kation Cholin als Gegenion verwendet wird. Im einfachsten Fall kann das durch das Verseifen von Fett (Butter) durch Cholinhydroxid erfolgen, wobei das Cholin selbst sehr lange Fettsäuren in wässriger Lösung hält. Weiterhin haben wird aus ätherischen Ölen durch einfache Veresterung ein wasserlösliches Insektenschutzmittel hergestellt und patentiert. In Kooperation mit anderen Arbeitsgruppen und industriellen Partnern versucht die Universität Regensburg auch, hydrophobe natürliche Polymere wie Korkabfälle und Chitin aus Muschelschalen in umweltfreundlichen Medien zu lösen und daraus neue Materialien und Produkte hoher Wertschöpfung herzustellen. Neben biokompatiblen Ionischen Flüssigkeiten kommen dafür sogenannte tiefe Eutektika in Frage, zum Beispiel Mischungen aus Harnstoff, Zucker und cholinbasierten Salzen mit Schmelztemperaturen unterhalb der Raumtemperatur. Schließlich ist es gelungen, die ersten vollständig „grünen“ (das heißt aus nachhaltigen Rohstoffen gewonnene, bioabbaubare und höchstens sehr gering toxische) Mikroemulsionen herzustellen sowie sogenannte tensidfreie Mikroemulsionen. Gegenwärtig werden verschiedenste Anwendungen dieser neuartigen Systeme, zum Beispiel im Lebensmittelbereich oder für Kosmetika, getestet.

Choline carboxylate surfactants: biocompatible and highly soluble in water

Bildergalerie zur Photokatalyse

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