Gasförmige Alkane wie Propan, Isobutan und Methan werden regelmäßig zur Energiegewinnung verbrannt. Diese relativ billigen und reichlich vorhandenen Moleküle können auch zur Herstellung komplexer Moleküle für Medikamente oder chemische Produkte in der Landwirtschaft verwendet werden. Die derzeitigen großtechnischen Prozesse finden unter harten Reaktionsbedingungen statt, deren Aufrechterhaltung schwierig und kostspielig sein kann und die gleichzeitig zu einem erheblichen Abfallaufkommen führen. Diese Prozesse finden bei hohen Temperaturen und unter hohem Druck statt und können auch große Mengen an Schadstoffen produzieren. Auch im speziellen Fall von Methan verhindern die hohen Temperaturen, die für die Aktivierung erforderlich sind, die Verwendung der entstehenden Produkte in Medikamenten, da die organischen Moleküle einfach zerfallen.
Ein Forschungsteam unter der Leitung von Timothy Noël von der TU Eindhoven, in Zusammenarbeit mit Forschern der ShanghaiTech University, der Universität von Pavia und Vapourtec Ltd. ein neues Verfahren zur Aktivierung von Alkanen mit Licht bei Raumtemperatur und niedrigerem Druck entwickelt.
Wichtiger Durchbruch
«Dies ist ein bedeutender Durchbruch für die Umwandlung von Alkanen in nützliche Bausteine für Medikamente und Materialien für andere Industrien», sagt Noël. «Unser Ansatz ermöglicht die sofortige Verwendung von Alkanen für komplexere Moleküle ohne viele unerwünschte Nebenprodukte, während gleichzeitig die Umweltverschmutzung verringert und der Aktivierungsprozess vereinfacht wird.»
Um diesen neuen Prozess zu realisieren, hatten die Forscher mit zwei Problemen zu kämpfen. Erstens benötigten sie eine Methode, mit der sich C-H-Bindungen mit einer Bindungsdissoziationsenergie (BDE) zwischen 96,5 und 105 kcal mol-1 leicht trennen oder brechen lassen. Die C-H-Bindungen in Methan sind am schwierigsten zu brechen. Zweitens erfordert die Handhabung von gasförmigen Alkanen maßgeschneiderte Technologien, die die Alkane in einer sorgfältig überwachten Reaktionsumgebung in engen Kontakt mit einem Katalysator bringen können. Die Forscher lösten diese beiden Probleme, indem sie die Alkane mit UV-Licht (etwa 365 nm) in Gegenwart eines geeigneten Katalysators bei Raumtemperatur anregten.
«Der verwendete Katalysator ist Dekatwolframat. Wenn er beleuchtet wird, wird der Katalysator hochenergetisch und hat dann genügend Energie, um C-H-Bindungen aufzuspalten. Wir stellen fest, dass dies bei Methan, Ethan, Propan und Isobutan funktioniert», sagt Noël. Er fügt hinzu: «Unser neuer Ansatz ist schneller als herkömmliche Ansätze, und wir sind gespannt, wie er sich entwickelt. In dieser Studie wurden Mikroreaktoren eingesetzt, da sie eine bessere Kontrolle über die Reaktionsbedingungen, einen besseren Einschluss der gasförmigen Rohstoffe und eine leichtere Beleuchtung des Katalysators ermöglichen. In Zukunft werden wir Reaktoren in Betracht ziehen, die höhere Produktionskapazitäten ermöglichen». Diese neue Methode ebnet den Weg für die billigere Herstellung einiger Medikamente, da die Kosten für die Aktivierung der Gase für ihre Herstellung niedriger wären.