Knock on Wood

Im Zuge des kollektiv gewachsenen Umweltbewusstseins wird der Ruf der Gesellschaft nach dem Einsatz alternativer Kunststoffe zunehmend lauter. „Alternativ“ meint die Verknüpfung der werkstoffspezifischen Eigenschaften mit Nachhaltigkeitsaspekten: Kunststoffe sollen ihren funktionalen Zweck erfüllen, aus natürlichen, für die Ernährung irrelevanten nachwachsenden Rohstoffen hergestellt sein, sich am Ende ihres Lebenszyklus rückstandslos und schadstofffrei beseitigen oder aber ohne Qualitätsverlust in neue Produkte umwandeln lassen. Diesen Zielen versucht sich die Industrie mit wissenschaftlicher Unterstützung anzunähern. Ob sie sich in toto erreichen lassen, bleibt abzuwarten. Jedoch werden Anstrengungen in die richtige Richtung unternommen. Erste Erfolge nähren die Hoffnung, künftig konventionelle, vornehmlich aus Erdöl gewonnene Kunststoffe mehr und mehr durch leistungsstarke, vollwertige, auf regenerativ erzeugter Biomasse basierende Kunststoffe ersetzen zu können. Die entscheidende Frage in diesem Kontext ist: Woraus sollen die Monomere, die Grundbausteine aller Kunststoffe (Polymere), hergestellt werden? Welche Biomasse erfüllt die Anforderung, in hinreichender Art und Menge verfügbar zu sein? Und lassen sich daraus tatsächlich Kunststoffe mit den gewünschten Materialeigenschaften herstellen? Die zahlreichen Ansätze, fossile Energieträger als Kohlenstoffquelle zu ersetzen, über die nicht zuletzt k-online.de insbesondere in den Rubriken „Thema des Monats“ und „Apropos K“ bereits in vielfältiger Weise berichtet hat, bereichern nun zwei Wissenschaftler aus Deutschland und den USA um eine weitere vielversprechende Idee. Ihre Forschungsarbeiten führen die Kunststoffindustrie buchstäblich auf den Holzweg – und es scheint, als wäre das nicht der schlechteste Weg.

Es soll Leute geben, für die ist Weihnachten die schönste Zeit des Jahres. Manche Christmas-Junkies demonstrieren ihre Freude nicht zuletzt dadurch, dass sie das typischste Accessoire dieser Zeit, den Christbaum, frühestmöglich in die gute Stube holen und oft erst Ende Januar, Anfang Februar wieder aus dem Haus werfen – sofern sie keinen Tannenbaum aus Kunststoff verwenden, den sie im Keller oder auf dem Dachboden zwischenparken, sondern eben ein echtes Gewächs. Apropos: Können Sie sich vorstellen, dass zwischen dem Original, also der im Wald geschlagenen Tanne, und seinem Pendant aus Kunststoff ein verwandtschaftliches Verhältnis besteht? Jedenfalls könnte das in absehbarer Zeit der Fall sein, legen die Arbeiten von Prof. Dr. Till Opatz vom Institut für Organische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität (JGU) in Mainz/Deutschland und Prof. em. PhD Anthony J. Arduengo III. vom Department of Chemistry and Biochemistry der University of Alabama/USA nahe.

Jahr für Jahr werden laut Statistischem Bundesamt allein in Deutschland rund 30 Millionen Tannenbäume verkauft. Sie erfüllen ihren weihnachtlichen Zweck und landen anschließend am Straßenrand. Die städtischen oder kommunalen Abfallentsorger gabeln sie auf und führen sie ihrer endgültigen Bestimmung zu: Die gebrauchte Tanne landet entweder in der Kompostieranlage oder als Brennstoff im Heizkraftwerk oder in der Müllverbrennung. Dass sich an dieser gängigen Art der Christbaumverwertung künftig etwas ändern könnte, nämlich hinsichtlich der Herstellung von Kunststoffen sowie anderen chemischen Erzeugnissen, liegt nicht per se auf der Hand, könnte aber so kommen, wenn sich die Ideen und Ansätze von Till Opatz und Anthony J. Arduengo III. für eine nachhaltigere Chemie durchsetzen. Aus Sicht der Forscher bietet Holz hierfür gute Ansätze und die sogenannte Xylochemie (altgr. „xylon“ bedeutet „Holz“) ebnet den Syntheseweg dorthin.

Till Opatz und Anthony J. Arduengo III. kamen vor einigen Jahren auf einer Fachtagung ins Gespräch über nachhaltige Chemie. Opatz kümmerte sich seinerzeit mit seiner Arbeitsgruppe um die Synthese von Naturstoffen und Medikamentenwirkstoffen. Als ehemaliger industrieller Chemiker interessierten Arduengo chemische Bausteine, kleinere Moleküle und deren Reaktivität. Beide Wissenschaftler erkannten rasch, dass diese Felder sich durch die Nutzung nachwachsender Rochstoffe hervorragend ergänzen und modernisieren lassen würden und zwar mit der konkreten Umsetzung des von der Staatengemeinschaft 1992 in Rio gefassten Entschlusses, vermehrt Biomasse sowohl als Energieträger als auch als Rohstoff für die chemische Produktion zu verwenden. Opatz und Arduengo teilten auch damals schon ähnliche Ansichten über das Potenzial der Biomasse Holz. In Holz erblickten beide einen geeigneten Kandidaten, Erdöl als die industriell bislang wichtigste Quelle für Kohlenstoffverbindungen abzulösen, die essenziell für die Herstellung von Medikamentenwirkstoffen, Farbstoffen, Klebstoffen, Treibstoffen und nicht zuletzt Kunststoffen sind. Weil bei den beiden Wissenschaftlern auch zwischenmenschlich „die Chemie“ sehr gut funktionierte, beschlossen Opatz und Arduengo, gemeinsam auf diesem Sektor zu forschen.

Der Blick auf die naturwissenschaftlichen Fakten gibt den beiden Wissenschaftlern recht in Bezug auf ihre Einschätzung von Holz als Kohlenstofflieferant, nicht zuletzt weil Erdöl in geologischen Zeiträumen aus einer solchen Biomasse unter erhöhten Temperaturen und Drücken gebildet wird. Allerdings wurden dabei aus den vielen verschiedenen organischen Verbindungen wie Kohlenhydraten, Proteinen und Lipiden durch sukzessive Defunktionalisierung (Kerogenese) Kohlenwasserstoffe, denen ihre einstige molekulare Eigenschaften abhandengekommen ist. „Bei der Nutzung von Erdöl als Grundstoff für die industrielle Chemie werden die verloren gegangenen Funktionalitäten nicht selten mit beträchtlichem Aufwand wieder eingeführt“, sagt Professor Opatz. Die unmittelbare Nutzung von Biomasse als Rohstoff für die chemische Produktion oder als alternativer Energieträger könne den Umweg über die Kerogenese überflüssig machen, sei bislang faktisch jedoch kaum verbreitet.

Mit anderen Worten: Bevor Erdöl zu dem wurde, was es heute ist, war es einstmals Biomasse – lebendes organisches Gewebe, das im Laufe der Zeit unter den gegebenen Umwelteinflüssen chemisch modifiziert und auf molekularer Ebene umgebaut wurde. Von der molekularen Vielfalt, geprägt durch die Anbindung funktioneller Gruppen an Kohlenstoffgerüste, blieben lediglich Kohlenwasserstoffverbindungen übrig, die von der Petrochemie zwar gut verarbeitet, für die weitere Verwendung in den verschiedenen industriellen Bereichen aber wieder aufwändig mit funktionellen Gruppen ausgestattet werden müssen.

Aus Sicht von Opatz und Arduengo braucht es diesen Umweg nicht, und zwar dann nicht, wenn man sich von der Petrochemie ab- und der Xylo- respektive Holzchemie zuwendet. Professor Opatz: „50 Prozent der Trockenmasse von Holz besteht aus Kohlenstoff (C), bei 43 Prozent handelt es sich um Sauerstoff (O), weitere sechs Prozent sind Wasserstoff (H). Etwa ein Prozent machen Stickstoff und Kalium sowie Schwefel und Phosphor aus, andernfalls würde Holz völlig rückstandsfrei verbrennen.“ Die Hälfte der Holzmasse mache Cellulose aus, die insbesondere für die Papierherstellung wichtig ist, im Zuge der digitalen Revolution allerdings mehr und mehr als Ressource für anderweitige Verwendungen zur Verfügung stehen könnte. Durch Hydrolyse etwa lasse sich Cellulose in Glucose umwandeln, diese wiederum stellt im Grunde eine oligomere Form von Formaldehyd dar, einem der wichtigsten Grund- und Ausgangsstoffe der chemischen Industrie.

Die andere Hälfte der Trockenmasse des Holzes bestehe zu etwa gleichen Anteilen aus Lignin und Hemicellulosen. Bei den Hemicellulosen handelt es sich um einen Sammelbegriff für in Pflanzen vorkommende Polysaccharide, also Mehrfachzucker, die sich durch eine entsprechende biochemische und verfahrenstechnische Behandlung zu wichtigen Ausgangsrohstoffen für die Herstellung von Lösungsmitteln und Nylon weiterverarbeiten lassen. Bei den Ligninen wiederum handelt es sich um feste Biopolymere, die in die pflanzliche Zellwand eingelagert sind und die typische Verholzung bewirken; die Trockenmasse verholzter Pflanzen besteht zu 20 bis 30 Prozent aus Ligninen. Sie zählen neben der Cellulose und dem Chitin zu den häufigsten organischen Verbindungen auf unserem Planeten. Man schätzt die von Mutter Natur hervorgebrachte Gesamtmenge an Lignin auf rund 20 Milliarden Tonnen pro Jahr. Ein schier unfassbarer Wert, insbesondere aus der Perspektive, dass sich Lignine ganz wesentlich für die Herstellung von Biopolymeren eignen. (Von Lignin handelt der zweite Teil unserer Serie „Knock on Wood“.)

Die Xylochemie, wie sie Wissenschaftler wie Opatz und Arduengo verstehen, hat bereits mehrfach unter Beweis gestellt, in der Lage zu sein, aus Holz, das im Gegensatz zu Erdöl regenerativ und nachhaltig zu erzeugen und klimaneutral ist, Ausgangsstoffe für die Herstellung von Medikamentenwirkstoffen, Farbstoffen oder auch Kunststoffen zu liefern. Sie bietet sich als attraktive Alternative zu unserer derzeitigen chemischen Infrastruktur an, die nach wie vor im Wesentlichen auf Erdöl und Erdgas fußt, Ressourcen, die über Jahrmillionen unter Bedingungen entstanden sind, welche kaum im technischen Maßstab nachvollziehbar sind, schreiben Opatz, Arduengo und Mitarbeiter in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“. Die Wissenschaftler führen weiter aus, dass Erdöl und Erdgas aus unterirdischen Lagerstätten gefördert würden und ihr Verbrauch ein Ungleichgewicht im Kohlendioxidkreislauf unseres Ökosystems verursache. Es sei daher geboten „eine alternative, nachhaltige chemische Infrastruktur zu entwickeln, die nicht auf finiten (begrenzt vorhandenen) Ressourcen beruht, ökologische Ungleichgewichte vermeidet und dennoch kostengünstig ist“. In diesem Kontext komme der Verwendung von Biomasse sowohl als Energieträger als auch als Rohstoff für die chemische Produktion eine wachsende Bedeutung zu. Die Umsetzung der 1992 in Rio von der Völkergemeinschaft festgeschriebenen Prinzipien zur Umsetzung des Nachhaltigkeitsansatzes „erfordert die Lösung verschiedener Fragestellungen“, schreiben Opatz, Arduengo et al. Erstens müssten nachwachsende Rohstoffe als Quelle für chemische Bausteine und Reagenzien erschlossen werden. Zweitens gelte es, die natürlich vorkommende Funktionalität im chemischen Sinne, also mit Blick auf die funktionellen Gruppen, Chiralität, Heteroatome usw., weitestgehend zu erhalten und zu nutzen. Drittens gehe es darum, Katalysatoren und Reagenzien zu entwerfen, die das strukturchemische Potenzial von Biomasse in Gänze ausschöpften. „Viertens und letztens sollten chemische Umwandlung, Solvenzien und Synthesen so gewählt und gestaltet werden“, bringen es die Autoren auf den Punkt, „dass sie eher in einem kontinuierlich geführten Prozess (Flow-Verfahren) hergestellt werden können.“ Die Wissenschaftler sind sich bewusst, dass die vier von ihnen formulierten Aufgaben auf dem Weg zu einer nachhaltigen chemischen Infrastruktur eine große Herausforderung darstellen. Unter Berücksichtigung der nur noch begrenzt vorhandenen Erdöl- und Erdgasvorkommen sowie des anthropogenen Klimawandels und dessen Folgen für die Menschheit, sei es jetzt an der Zeit, neue, nachhaltige Wege zu beschreiten. Die Xylochemie bietet laut Opatz und Arduengo hierfür einen guten Ansatz und Ausgangspunkt.