Angewandte Chemie: Sonnenlicht-getriebene Kohlenstoffdioxid-Fixierung

  • Licht und Luft: Sonnenlicht-getriebene Kohlenstoffdioxid-FixierungLicht und Luft: Sonnenlicht-getriebene Kohlenstoffdioxid-Fixierung

Die Angewandte Chemie berichtet über Sonnenlicht-getriebene Kohlenstoffdioxid-Fixierung. Eine stärkere Nutzung von erneuerbaren Energiequellen, allen voran Sonnenlicht, und eine möglichst CO2-neutrale industrielle Produktion sind aus bekannten Gründen erstrebenswert. Beide Wünsche ließen sich simultan erfüllen, wenn sich CO2 als Rohstoff in einem durch Sonnenenergie angetriebenen System nutzen ließe. Japanische Wissenschaftler stellen jetzt einen Ansatz für ein solches Verfahren vor, das auf einem ähnlichen Prinzip wie die natürliche Photosynthese beruht.

CO2 als Energiequelle

Die Verwendung von Kohlenstoffdioxid als Kohlenstoffquelle könnte eine attraktive Option sein, um den Verbrauch fossiler Rohstoffe zu reduzieren und gleichzeitig die CO2-Bilanz von chemischen Produkten zu verbessern. Das größte Hindernis auf dem Weg dahin ist die hohe Stabilität des Kohlendioxid-Moleküls. Eine der Möglichkeiten, diese Hürde zu nehmen, sind sehr energiereiche Moleküle als Reaktionspartner für CO2. Grüne Pflanzen machen mit ihrer Photosynthese vor, wie so etwas geht.

Der photosynthetische Prozess setzt sich aus zwei Teilschritten zusammen, den Lichtreaktionen und den Dunkelreaktionen. Während der Lichtreaktionen fängt das Photosynthesesystem Photonen ein und speichert deren Energie in Form von energiereichen chemischen Verbindungen, die anschließend genutzt werden, um die Dunkelreaktionen anzutreiben, bei denen CO2 als Kohlenstoffquelle für die Synthese komplexer Zuckermoleküle genutzt wird.

Die Sonne macht's

Nach dem gleichen Prinzip haben die Forscher um Masahiro Murakami von der Universität Kyoto ihr Verfahren konzipiert. Auch hier besteht der erste Schritt aus einer lichtgetriebenen Reaktion. Der Ausgangsstoff, ein α-Methylaminoketon, kann durch Einwirkung von UV-Licht in eine sehr energiereiche Verbindung umgewandelt werden.

Das funktioniert aber auch sehr gut mit Sonnenlicht, wie die Forscher herausfanden. In einer innermolekularen Umlagerung mit Ringschluss entsteht ein Molekül, das einen Vierring aus drei Kohlenstoffatomen und einem Stickstoffatom enthält. Ein solcher Ring steht unter hoher Spannung und ist entsprechend reaktiv. Diese Lichtreaktion wurde mit einer „Dunkelreaktion" gekoppelt: In Anwesenheit einer Base fängt die erhaltene hochenergetische Verbindung im folgenden lichtunabhängigen Schritt ein CO2-Molekül ein. Dabei entsteht ein zyklischer aminosubstituierter Kohlensäurediester, der als Zwischenprodukt für chemische Synthesen nützlich sein könnte.

Das Bestechende an diesem Reaktionsschema: Die Methode ist denkbar einfach. Diffuses Sonnenlicht an wolkigen Tagen reicht aus, um sie anzutreiben. Der zweite Schritt kann im selben Reaktionsgefäß durch simples Zugeben der Base und Erwärmen auf 60 °C in Gang gesetzt werden. Die Ausbeute liegt bei 83 %. Zudem ist das Verfahren sehr variabel, viele verschiedene α-Methylaminoketone können als Ausgangsstoff eingesetzt werden.


Originalpublikation:
Ishida N. et al.: Solar-Driven Incorporation of Carbon Dioxide into α-Amino Ketones, Angewandte Chemie International Edition 51, 11750-11752 (2012)

http://www.kyoto-u.ac.jp/en

 

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