AUTHORS
Jonas Spang, Francesco Mascia, Wolfgang Kroutil
Wenn Chemikerinnen und Chemiker heute eine Carbonsäure herstellen wollen, erscheint der Weg oft einfach: Man nimmt den entsprechenden Alkohol oxidiert diesen und fertig ist die Säure.
In der Praxis ist genau diese scheinbar einfache Oxidation von primären Alkoholen zu Carbonsäuren aber einer der problematischsten Schritte in der organischen Synthese, vor allem im großen Maßstab.
Warum Carbonsäuren so wichtig sind
Carbonsäuren kommen in Hunderten von Arzneimitteln vor, etwa in Schmerzmitteln, Cholesterinsenkern oder Antibiotika. Trotzdem werden sie in der Industrie häufig nicht direkt aus Alkoholen gewonnen, sondern über Umwege wie die Hydrolyse von Estern oder Nitrilen, weil klassische Oxidationsmethoden oft gefährlich, wenig selektiv oder extrem abfallintensiv sind.
Im JACS‑Au‑Artikel „Evolution of Methods for the Oxidation of Primary Alcohols to Carboxylic Acids: From Metal Oxides to Biocatalysis“ fassen die acib Forscher Jonas Spang, Francesco Mascia und Wolfgang Kroutil von der Universität Graz systematisch zusammen, wie sich diese Schlüsselreaktion in den letzten Jahrzehnten von giftigen Metalloxid‑Reagenzien hin zu modernen katalytischen und biokatalytischen Verfahren entwickelt hat.
Sie ordnen die Methoden nach dem jeweils verwendeten Oxidationsmittel – von Chromoxiden bis molekularer Sauerstoff – und zeigen, wie sich damit Selektivität, Nachhaltigkeit und Praktikabilität verbessern lassen.
Früher: Viel Chrom, viel Mangan, viel Abfall
Klassische Oxidationen nutzen große Mengen an Schwermetall‑Oxiden wie das Kaliumpermanganat oder giftige Chromoxide, etwa in der berühmten Jones‑Oxidation. Diese Reagenzien sind stark oxidierend, funktionieren synthetisch oft robust, erzeugen aber große Mengen toxischen Metallschlamm – aus Green‑Chemistry‑Sicht ein „No‑Go“ mit schlechten E‑Faktoren und hohen Entsorgungskosten.
Nachhaltigere Wege
Als Reaktion auf diese Probleme wurden katalytische Systeme entwickelt, die nachhaltige Oxidationsmittel nutzen, etwa molekularen Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid.
Ein weiterer Schritt Richtung Nachhaltigkeit sind elektrochemische Methoden, bei denen der Strom selbst als Oxidationsäquivalent dient. Elektrochemische Systeme oxidieren Alkohole in wässriger Lösung und erzeugen als Nebenprodukt nur Wasserstoffgas – allerdings ist die Skalierung oft an elektrochemische Zellgeometrie und Massentransport gekoppelt.
Ebenfalls vielversprechend sind „acceptorless dehydrogenation“‑Methoden, bei denen Katalysatoren Wasserstoff aus dem Alkohol freisetzen und Carboxylate bilden, ohne einen externen Oxidationsstoff – technisch attraktiv, aber meist noch mit hohen Temperaturen und teuren Edelmetallen verbunden.
Und dann kommen die Enzyme ins Spiel
Der zweite große Teil des Artikels widmet sich biokatalytischen Strategien: Enzyme wie Alkohol‑ und Aldehyd‑Dehydrogenasen, FAD‑Oxidasen, Häm‑Enzyme oder Kupfer‑Radikaloxidasen katalysieren dieselbe Reaktion unter milden Bedingungen in Wasser.
Besonders attraktiv sind Enzyme für selektive Oxidationen, indem sie die Oxidation des Substrats im aktiven Zentrum so kontrollieren, dass Nebenreaktionen vermieden werden. Außerdem sind Enzyme „von Natur aus trainiert“, simple Oxidationsmittel wie molekularen Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid zu nutzen, wobei häufig nur Wasser als „Abfall“ anfällt.
Was Biokatalyse hier besonders macht
Enzyme bieten im Vergleich zur klassischen Chemie einige klare Vorteile:
- Sie sind hoch selektiv und minimieren Nebenprodukte.
- Sie werden biotechnologisch aus erneuerbaren Rohstoffen hergestellt und sind biologisch abbaubar.
- Erzeugen weniger Abfall.
- Arbeiten unter milden Bedingungen.
Gleichzeitig sind typische Schwächen – geringere Substratbeladungen, begrenzte Stabilität, manchmal enge Substratspezifität –, die sich aber durch Enzym‑ und Prozessengineering adressieren lassen.
Ziel der acib Forschenden ist es, konventionelle, oft mehrstufige und abfallintensive Synthesewege durch kürzere, robustere und „grünere“ Enzymkaskaden zu ersetzen, die sich in industrielle Prozesse integrieren lassen.
Was heißt das konkret für Industrie‑Prozesse?
Für Unternehmen bedeutet die dort beschriebene „Evolution“ der Oxidationschemie mehrere Optionen:
- Kurzfristig: bestehende chemische Oxidationen durch effizientere katalytische Verfahren (z.B. TEMPO/O2‑Systeme oder Flow‑Katalyse) ersetzen und so Abfall und Energiebedarf senken.
- Mittelfristig: Biokatalyse in Teilprozessen testen, etwa ADH/ALDH‑Kaskaden für ausgewählte Alkohole oder Laccase‑/TEMPO‑Systeme für biobasierte Plattformchemikalien wie 2,5‑Furandicarbonsäure.
- Langfristig: ganze Syntheserouten so umplanen, dass Biokatalyse im Zentrum steht und Alkohole als strategische Einstiegsbausteine genutzt werden.
acib als Partner auf dem Weg zur „Enzymfabrik“
Für genau diese Schritte bietet acib Firmen Kooperationsprojekte an – von der Enzymentdeckung und ‑entwicklung über die Prozessoptimierung bis zur Integration in kontinuierliche Reaktorkonzepte.
Die im JACS‑Au‑Artikel skizzierte Entwicklung von Metalloxiden zu Biokatalysatoren ist damit nicht nur eine akademische Erfolgsgeschichte, sondern beschreibt genau den Weg, den acib gemeinsam mit Industriepartnern in Richtung nachhaltiger Chemie geht.
Picture by acib