Neues Additivverfahren ermöglicht die Herstellung besserer und umweltfreundlicherer Chemikalien von hohem Wert

Mit einem Verfahren, das natürliche Enzyme und Licht kombiniert, hat das Team der University of Illinois Urbana-Champaign eine umweltfreundliche Methode entwickelt, um Fluor, einen wichtigen Zusatzstoff, präzise in Chemikalien, so genannte Olefine, einzumischen – Kohlenwasserstoffe, die in einer Vielzahl von Produkten verwendet werden, von Reinigungsmitteln über Kraftstoffe bis hin zu Medikamenten. Diese Methode bietet eine effiziente neue Strategie für die Herstellung hochwertiger Chemikalien mit potenziellen Anwendungen in der Agrochemie, bei Arzneimitteln, erneuerbaren Kraftstoffen und mehr.

Als Zusatzstoff kann Fluor dazu beitragen, dass Agrochemikalien und Medikamente besser wirken und länger halten. Seine geringe Größe, seine elektronischen Eigenschaften und seine Fähigkeit, sich leicht in Fetten und Ölen aufzulösen, haben einen großen Einfluss auf die Funktion organischer Moleküle, indem sie deren Absorption, metabolische Stabilität und Proteininteraktionen verbessern. Das Hinzufügen von Fluor ist jedoch schwierig und erfordert in der Regel komplexe chemische Prozesse, die nicht immer umweltfreundlich sind.

Große Lücke in der Molekularchemie geschlossen

Die Wissenschaftler:innen in dieser Studie verwendeten ein „Photoenzym“ – ein umfunktioniertes Enzym, das unter Licht arbeitet -, um Fluor in diese Chemikalien einzubringen. Durch den Einsatz von Licht und Photoenzymen konnten sie das Fluor präzise an die Olefine binden und genau steuern, wo und wie es hinzugefügt wird. Da diese Methode nicht nur umweltfreundlich, sondern auch sehr spezifisch ist, ermöglicht sie eine effizientere Herstellung nützlicher neuer Verbindungen, die zuvor nur schwer zu realisieren waren.

Mit diesem Ansatz wird eine große Lücke in der Molekularchemie geschlossen, da die bisherigen Methoden zum Hinzufügen von Fluor begrenzt und ineffizient waren. Es eröffnet auch neue Möglichkeiten für die Herstellung besserer Arzneimittel und landwirtschaftlicher Produkte, da fluorierte Verbindungen oft wirksamer, stabiler und länger haltbar sind als ihre nicht fluorierten Gegenstücke. Das bedeutet, dass Düngemittel und Herbizide die Pflanzen wirksamer schützen könnten, und Medikamente könnten wirksamer sein oder weniger Nebenwirkungen haben.

Veranstaltungstipp: Biobasierte Rohstoffe

In den letzten Jahren ist verstärkt von Lackrohstoffen zu hören, die auf pflanzlichen Rohstoffen basieren und immer neue Anwendungsfelder erschließen. Es gibt inzwischen einen ersten Autolack, der biobasierte Rohstoffe enthält. Von fossilen auf biobasierte Rohstoffe umzusteigen, birgt aber einige Herausforderungen, die gemeistert werden wollen. So müssen erst einmal die richtigen Rohstoffe identifiziert werden – sei es Maisstärke, Palmöl oder bestenfalls sogar sekundäre Pflanzenabfälle -, die nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion stehen. Auch ist die Chemie der biobasierten Alternativen mitunter anders als bei klassischen fossilen Rohstoffen. Erhalten Sie in unserem FARBE UND LACK Seminar „Biobasierte Rohstoffe“ am 27. November 2024 Antworten auf die Fragen: Welche Rohstoffe können ganz oder teilweise mit biobasierten Alternativen ersetzt werden, ohne eine konkrete Marktübersicht zu geben? Wie kam man überhaupt auf welche Pflanzen? Wie werden die Rohstoffe hergestellt und heißt biobasiert auch umweltfreundlich?

„Dieser Durchbruch stellt einen bedeutenden Wandel in der Art und Weise dar, wie wir an die Synthese von fluorierten Verbindungen herangehen, die für zahlreiche Anwendungen von der Medizin bis zur Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung sind“, so Zhao. „Indem wir uns die Kraft von lichtaktivierten Enzymen zunutze machen, haben wir eine Methode entwickelt, die die Effizienz dieser Synthesen verbessert und mit der ökologischen Nachhaltigkeit in Einklang steht. Diese Arbeit könnte den Weg für neue, umweltfreundlichere Technologien in der chemischen Produktion ebnen, was nicht nur ein Gewinn für die Wissenschaft, sondern für die Gesellschaft insgesamt ist.

Die Forschungsarbeiten fördern die Bioenergie-Mission von CABBI durch die Entwicklung innovativer Methoden der Biokatalyse, die die Produktion von biobasierten Chemikalien verbessern können, d. h. von Chemikalien, die aus erneuerbaren Ressourcen wie Pflanzen oder Mikroorganismen und nicht aus Erdöl gewonnen werden. Die Entwicklung effizienterer und umweltfreundlicherer biochemischer Prozesse steht im Einklang mit dem Ziel von CABBI, nachhaltige Bioenergielösungen zu schaffen, die die Umweltbelastung minimieren und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern.

Umweltverträglichere Eigenschaften

Das Projekt trägt auch zur allgemeinen Aufgabe des US-Energieministeriums (DOE) bei, Fortschritte bei Bioenergie und Bioprodukten voranzutreiben. Die in dieser Studie entwickelten Methoden können zu nachhaltigeren industriellen Prozessen führen, die weniger energieintensiv sind und weniger chemische Abfälle und Verschmutzung verursachen, was die Ziele des DOE zur Förderung sauberer Energietechnologien unterstützt. Die Fähigkeit zur effizienten Herstellung hochwertiger fluorierter Verbindungen könnte zu Verbesserungen in verschiedenen Bereichen führen, darunter erneuerbare Energiequellen und Bioprodukte, die wirtschaftliches Wachstum und ökologische Nachhaltigkeit fördern.

„Unsere Forschung eröffnet faszinierende Möglichkeiten für die Zukunft der pharmazeutischen und agrochemischen Entwicklung“, so Li. „Durch die Integration von Fluor in organische Moleküle mittels eines photoenzymatischen Prozesses verbessern wir nicht nur die vorteilhaften Eigenschaften dieser Verbindungen, sondern tun dies auch auf eine umweltverträglichere Weise. Es ist aufregend, über die möglichen Anwendungen unserer Arbeit nachzudenken, um wirksamere und nachhaltigere Produkte für den täglichen Gebrauch zu schaffen.

Die CABBI-Forschenden Yujie Yuan, Wesley Harrison und Zhengyi Zhang von ChBE und IGB in Illinois waren Koautor:innen dieser Studie. Die Studie, die in Science, Vol. 385, Issue 6707, pp. 416-421, 2024, veröffentlicht wurde, wurde von CABBI Conversion Theme Leader Huimin Zhao, Professor für Chemical and Biomolecular Engineering (BSD leader/CGD/MMG) und Direktor des NSF Molecule Maker Lab Institute in Illinois, und Hauptautorin Maolin Li, eine Postdoctoral Research Associate bei CABBI, ChBE und IGB, geleitet.

Quelle: Universität von Illinois Urbana-Champaign