Polyamide sind in vielen verschiedenen Produkten enthalten, beispielsweise in Seilen zum Bergsteigen, Fallschirmen aus Nylon und Materialien für den 3D-Druck. Als chemische Bausteine für diese Polyamide werden Dicarbonsäuren verwendet. Allerdings stellt ihre Herstellung bisher eine Herausforderung dar, da aktuelle Methoden zur Herstellung von Dicarbonsäuren aus gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffen häufig mehrere Schritte sowie den Einsatz von Schwermetallen und starken Säuren erfordern und der damit verbundene Energieverbrauch und die Kosten hoch sind.
Darüber hinaus werden bei diesem Prozess häufig Stickoxide (NOx) freigesetzt, die zu den problematischsten Treibhausgasen für das Klima zählen. Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und Evonik haben kürzlich einen umweltfreundlichen Weg zur Herstellung von (Di-)Carbonsäuren entwickelt. Sie berichten darüber in einem kürzlich veröffentlichten Artikel Naturkommunikation.
Die Elektrochemie bietet neue Möglichkeiten
„Unsere Technik ist das erste Verfahren überhaupt, bei dem die Bausteine für Polyamide aus petrochemischen Verbindungen und sogar ungesättigten Fettsäuren relativ sparsam hergestellt werden“, sagte Professor Siegfried Waldvogel, Sprecher der SusInnoScience – Nachhaltige Chemie als Schlüssel zur Innovation bei Ressourcen -effiziente Wissenschaft im Anthropozän – Forschungsschwerpunkt an der Universität Mainz.
Bei der neuen Technik handelt es sich um ein elektrochemisches Verfahren, bei dem Kohlenwasserstoffe mit Doppel- oder Dreifachbindungen in eine mit einem Lösungsmittel gefüllte Elektrolysezelle überführt werden. Anschließend wird Sauerstoff zugeführt, wobei der Prozess umso effizienter ist, je höher die Sauerstoffkonzentration ist.
„Das wirklich Faszinierende an unserem Verfahren ist, dass der elektrochemische Eingriff sowohl an der Anode als auch an der Kathode erforderlich ist“, erklärt Waldvogel. Während an der Anode oxidative Radikale entstehen, wird der Sauerstoff an der Gegenelektrode zu Superoxidanionen reduziert. Die Radikale und die Superoxidanionen kommen in der Lösung zusammen und reagieren unter Bildung des gewünschten Produkts, der Carbonsäure. Die Forscher haben den Prozess sowohl in Standard- als auch in Durchflusselektrolysezellen erfolgreich wiederholt.
Der Prozess erfordert nur Sauerstoff, Strom und Kohlenwasserstoffverbindungen
Diese neue Technik hat viele Vorteile: Schwermetalle und starke Säuren sind nicht mehr notwendig und es entstehen keine Stickoxide. Als Ausgangsstoffe werden lediglich Sauerstoff, Elektrizität und Kohlenwasserstoffe mit Doppelbindungen benötigt. Da keine Nebenprodukte entstehen und das Lösungsmittel zurückgewonnen und recycelt werden kann, ist das Verfahren sehr kostengünstig.
„Es handelt sich um ein innovatives und weniger schädliches Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuren, das einen wertvollen Beitrag für jene Hersteller liefert, die die klimaschädlichen Prozesse durch einen grünen Ansatz ersetzen möchten“, so Waldvogel abschließend. Das Forschungsteam arbeitet derzeit an einer Skalierung des Laborprozesses, um ihn für den kommerziellen Einsatz nutzbar zu machen.
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Joachim Nikl et al., Elektrochemische Oxofunktionalisierung zyklischer Alkane und Alkene unter Verwendung von Nitrat und Sauerstoff, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-40259-0