Weniger ist mehr – die Chemie soll grün werden

Ein halbes Dutzend Atome ist erstmal nicht viel, wenn es darum geht, die Welt zu retten. Aber es lohnt sich, auf Kleinigkeiten zu achten, zum Beispiel wenn die Atome bei der Herstellung einer Substanz wie Caprolactam übrig bleiben, von der die Industrie jedes Jahr etwa zwei Millionen Tonnen produziert. Das gleiche gilt für die tausenden anderen Grund- und Feinchemikalien, die im Hintergrund die Basis der technischen Zivilisation bilden. Wegen der enormen Mengen, um die es hier geht, summiert sich jede eingesparte Kleinigkeit zu tausenden Tonnen Abfall, die man so alljährlich vermeiden kann. So gesehen zählt jedes Atom.

Das ist der Gedankengang, der seit etwa zwanzig Jahren die Chemie von Grund auf verändert. Green Chemistry heißt das Konzept, dessen zwölf Prinzipien Anastas und Warner 1989 in einem eigenen Buch zum Thema aufstellten. Seither ist chemische Synthese mehr als nur ein gewünschtes Produkt in möglichst hoher Ausbeute herzustellen. Der Prozess soll von Anfang an sicher, energiesparend und umweltfreundlich ausgelegt sein.

Wenn man bedenkt, wie mühselig es vor gar nicht allzu langer Zeit noch war, Stoffe mit komplexen Strukturen industriell zu erzeugen, ist das eine bemerkenswerte Zielvorgabe. Für die Totalsynthese von Penicillin, einer nach heutigen Maßstäben nicht mal allzu komplexen Verbindung, brauchte Sheehan in den 50er Jahren geschlagene neun Jahre. Nicht zuletzt verließ er sich dabei auf Schutzgruppen, das sind Molekülbruchstücke, die man an bestimmte Teile eines Moleküls koppelt, damit sie bei nachfolgenden Reaktionen nicht stören. Anschließend trennt man sie wieder ab, ohne dass sie zur Synthese selbst etwas beigetragen hätten.

Ein revolutionäres Konzept und bis heute im Labor unverzichtbar, aber aus Sicht der Grünen Chemie eine enorme Verschwendung. Nicht zuletzt weil jede Schutzgruppe zwei zusätzliche Reaktionsschritte erfordert: Man muss sie erst anfügen und dann wieder entfernen. Das kostet wertvolle Ressourcen: Reagenzien, Lösungsmittel und Energie, die hinterher nutzloser Abfall sind.

Die Lösung für dieses Problem sind immer selektivere Katalysatoren: Verbindungen, die eine ganz bestimmte Reaktion enorm beschleunigen und dabei möglichst andere Molekülteile in Ruhe lassen. Diese Beschleuniger für alle Arten von Reaktionen, vor allem aber für neue Bindungen zwischen Kohlenstoffatomen, die das Grundgerüst organischer Verbindungen bilden, stehen heute im Fokus der chemischen Forschung. Seit 2005 gingen drei Chemie-Nobelpreise an Katalyseforscher – tatsächlich waren im neuen Jahrtausend abgesehen von Dan Shechtmans Quasikristallen ausschließlich Katalysatoren und biologische Systeme preiswürdig. Das zeigt nicht nur, wieviel Bedeutung die Wissenschaftsgemeinde diesen Feldern beimisst, sondern was für enorme Fortschritte die Chemie hier gemacht hat.

Und damit treiben sie auch die Grüne Chemie voran. Biologische Systeme erfüllen gleich mehrere Anforderungen von Anastas und Warner: Sie kommen ohne Schwermetalle oder andere giftige Stoffe aus, sie finden in Wasser statt, dem umweltfreundlichsten aller Lösungsmittel – und dazu noch bei Raumtemperatur. Biologische Reaktionen sind außerdem noch hochspezifisch, und nicht zuletzt ist es extrem unwahrscheinlich, dass eine solche Reaktionsmischung plötzlich explodiert oder giftige Gase freisetzt.

Industrielle Symbiose: Die Prozesse der Unternehmen in einem Chemiepark (hier: Marl) sind für höhere Effizienz untereinander gekoppelt. Bild: VegaAtoo

Verfahren, die nach den Prinzipien von Green Chemistry funktionieren, sind nicht nur umweltfreundlicher und schonen Ressourcen, sie sparen auch noch sehr viel Geld. Deswegen funktioniert der Trend fast ohne gesetzliche Anreize, sieht man einmal von den Umweltvorschriften aus den 80er Jahren ab, die Abfälle und ihre Entsorgung recht teuer gemacht haben. Insofern ist es nicht verwunderlich, dass sich die Gewichte in der chemischen Synthese unaufhaltsam in Richtung Sparsamkeit verschieben. Tatsächlich basiert ein großer Teil der chemischen Produktion heute auf einem Konzept, das man als Verbund bezeichnet – eine gigantische Fabrik, in der Stoffe nicht mehr unabhängig nebeneinander hergestellt werden, sondern die Nebenprodukte und Abfälle einer Reaktion Ausgangsstoffe der jeweils nächsten Synthese sind (was allerdings auch potenziell gefährliche Abhängigkeiten erzeugt).

Aber die Grüne Chemie steht gerade erst am Anfang ihrer Entwicklung, die nicht nur die chemische Industrie, sondern die gesamte Technik für immer verändern wird. Wie man diese Entwicklung vorantreiben kann und welche Forschung man dafür braucht, werden auch in den Diskussionen auf dieser Lindauer Tagung ein wichtiges Thema sein. Für die neue Generation von Chemikerinnen und Chemikern ist das die zentrale Zukunftsaufgabe. Und ein paar Nobelpreise sind auf dem Gebiet auch noch zu holen.

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