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Wissenschaftler entwickeln elektroorganische Synthese für nachhaltige grüne Herstellung von Feinchemikalien

Innovativer Beitrag zur Energiewende

In dem kooperativen, vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojekt EPSYLON ist es Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Evonik Performance Materials GmbH gelungen, eine hochmoderne und innovative elektroorganische Synthese zu entwickeln. Die Forschungsergebnisse, die kürzlich in der Fachzeitschrift Science Advances vorgestellt wurden, erlauben es, die Elektrosynthese als zukunftsweisende und nachhaltige grüne Chemie für technische Anwendungen zu nutzen. Durch die entwickelte Methode kann flexibel auf das vorhandene Stromangebot reagiert werden. Darüber hinaus ist man nicht mehr von maßgeschneiderten Elektrolyseapparaturen abhängig, sondern kann eine breite Varianz von unterschiedlichen Apparaturen verwenden.

Vor über 160 Jahren entwickelte der deutsche Chemiker Hermann Kolbe die chemische Umsetzung mittels Strom. Obwohl in der chemischen Industrie elektrochemische Synthesen genutzt werden, nehmen diese bislang die Position einer Nischentechnologie ein. Ein Grund dafür war bislang, dass die Elektrolysebedingungen sehr gut kontrolliert werden müssen und ein gleichmäßiger Einsatz des Stroms essenziell war. Wegen des apparativen Aufwands blieben den meisten Chemikern die Möglichkeiten der Elektrosynthese unbekannt. In den letzten Jahren wurde nun das grüne Potenzial der Elektrochemie wiederentdeckt. Mit einfachen Mitteln kann nachhaltige und umweltfreundliche Chemie betrieben werden, vor allem bei der Nutzung von Stromüberschüssen aus regenerativen Quellen wie Windkraft oder Solarenergie.

Elektrochemie ist eine vielseitige und leistungsfähige Methode, die zur Herstellung von verschiedenen chemischen Verbindungen oder zur chemischen Veränderung von Molekülen verwendet werden kann. Vereinfacht gesagt, ersetzen Elektronen kostspielige und gefährliche Reagenzien. Unnötige Abfälle lassen sich vermeiden und die Reaktion kann jederzeit durch Unterbrechen des elektrischen Stroms angehalten werden. Ein weiterer Vorteil verglichen mit der klassischen Synthese ist, dass viele Einzelschritte elektrochemisch einfacher umzusetzen sind. In einigen Fällen kann dadurch eine Synthese um mehrere Syntheseschritte verkürzt werden. Jedoch erfordern Elektrolysen häufig ein enges Stromdichtefenster und lange Reaktionszeiten. Zusätzlich ist die Selektivität und Skalierbarkeit schwieriger oder gar nicht gegeben.

Der Schlüssel zum wissenschaftlichen Erfolg im Forschungskreis um Prof. Dr. Siegfried Waldvogel vom Institut für Organische Chemie der JGU beruht vor allem auf der Verwendung eines einzigartigen Elektrolytsystems. Die Elektrolysen zeigen eine sehr hohe Stabilität gegenüber einer Variation der Stromdichte und können somit in einem über zwei Größenordnungen breiten Stromdichtefenster betrieben werden. Gleichzeitig bleiben die Produktivität und Selektivität erhalten. Die Elektrolyse kann – je nach Stromangebot – auch in kurzer Zeit mit sehr hohem Stromeinsatz durchgeführt werden.

Veröffentlichung:
A. Wiebe, B. Riehl, S. Lips, R. Franke, S. R. Waldvogel,
Unexpected high robustness of electrochemical cross-coupling for a broad range of
current density, Science Advances  6. Oktober 2017, Vol. 3, Nr. 10, eaao3920
DOI: 10.1126/sciadv.aao3920
advances.sciencemag.org/content/3/10/eaao3920

Bildmaterial:
www.uni-mainz.de/presse/aktuell/bilder/09_orgchemie_flusselektrolyse.jpg
Forscherin beim Aufbau einer Flusselektrolyse
Foto/©: Alexander Sell, JGU

www.uni-mainz.de/presse/aktuell/bilder/09_orgchemie_screening-elektrolyseur.jpg
Bis zu acht verschiedene Versuche können gleichzeitig in diesem Screening-Elektrolyseur durchgeführt werden. In jedem der kleinen Kunststoffbecher stecken zwei Elektroden.
Foto/©: Carsten Siering, JGU

Kontakt:
Prof. Dr. Siegfried Waldvogel
Institut für Organische Chemie
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. 06131 39-26069
Fax 06131 39-26777
E-Mail: waldvogel@uni-mainz.de
www.chemie.uni-mainz.de/OC/AK-Waldvogel/

Weiterführende Links:
www.uni-mainz.de/presse/aktuell/2702_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Förderung für Mainzer Lehrprojekt im Bereich der Elektrosynthese“ (28.09.2017)

www.magazin.uni-mainz.de/8207_DEU_HTML.php – JGU MAGAZIN: „Comeback der Elektrolyse“ (16.08.2017)

www.uni-mainz.de/presse/aktuell/1532_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Abfälle der Papier- und Zellstoffindustrie liefern Ausgangsmaterial für Entwicklung neuer Redox-Flow-Batterie“ (11.05.2017)

www.uni-mainz.de/presse/72154.php – Pressemitteilung „Carl-Zeiss-Stiftung fördert 'Advanced Lab for Electrochemistry and Electroorganic Synthesis' an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz mit 850.000 Euro“ (12.08.2015)

www.uni-mainz.de/presse/60152.php – Pressemitteilung „Neues Herstellungsverfahren für gemischte Biphenole nutzt Strom und kommt erstmals ohne Reagenzien und Metalle aus“ (14.04.2014)

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