Aromatische Carbonsäuren sind sehr wichtige Produkte der chemischen Industrie, die in Kunststoffen, Herbiziden oder in der Medizin eingesetzt werden. Salicylsäure ("Aspirin") ist eines der bekanntesten Beispiele. Weit weniger bekannt ist jedoch, dass Salicylsäure mit Kohlendioxid (CO2) als Ausgangsstoff hergestellt wird. Formal wird das CO2-Molekül in die C-H-Bindung des aromatischen Stoffes Phenol eingefügt, um das Produkt in einem als Kolbe-Schmitt-Reaktion bekannten Prozess zu erzeugen. Ein Forscherteam um Walter Leitner und Kollegen an der RWTH Aachen hat nun eine neuartige katalytische Reaktion entwickelt, die es ermöglicht, dieses Syntheseprinzip auf eine breite Palette anderer aromatischer Substrate anzuwenden, darunter auch Ausgangsstoffe aus Biomasse (Science Advances 2023, 9(5), DOI: 10.1126/sciadv.adf29).
Die Suche nach einem Katalysator, der diesen neuen Weg eröffnet, war ein langer Weg. Walter Leitner und sein Kollege Markus Hölscher hatten bereits vor einigen Jahren einen hypothetischen katalytischen Mechanismus für die molekulare Umwandlung vorgeschlagen, aber die Suche nach einem neuartigen Katalysator für eine noch nie dagewesene Reaktion durch Versuch und Irrtum schien wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Deshalb wählten sie einen anderen Ansatz. Dr. Hölscher, ein Experte für computergestützte Chemie, analysierte die Machbarkeit des Vorschlags systematisch mit Berechnungen, und die Gültigkeit der Daten wurde Schritt für Schritt experimentell überprüft. Schließlich konnte eine vielversprechende Leitstruktur identifiziert werden und Gregor Kemper - damals Doktorand in Aachen, heute Postdoc am MPI CEC - nahm die Herausforderung an, den vorhergesagten Kandidaten zu synthetisieren. Der Katalysator ist eine molekulare Koordinationsverbindung mit Palladium als Metallzentrum, das von einem speziell entwickelten Liganden umgeben ist, der aus den Berechnungen abgeleitet wurde. Und tatsächlich erwiesen sich die Vorhersagen als zutreffend: Der Komplex war in der Lage, die C-H-Bindung zu aktivieren, das CO2 in die entstehende Palladium-Kohlenstoff-Bindung einzufügen und die Carbonsäure freizusetzen, um die aktive Spezies zu regenerieren. Mehr als 100 solcher katalytischer Umsetzungen waren in günstigen Fällen möglich, und das synthetische Potenzial der neuen Reaktion konnte für eine Reihe interessanter Ziele demonstriert werden, darunter Veratrinsäure, ein wichtiges Zwischenprodukt der pharmazeutischen Industrie, das aus Biomasse gewonnene Veratrol und CO2 als Rohmaterial.
Die neue Reaktion eröffnet sehr attraktive Wege zu wichtigen Produkten unter Verwendung von Kohlendioxid aus Abfallströmen oder sogar aus der Atmosphäre zusammen mit biobasierten Rohstoffen. Während die katalytische Effizienz noch weiter verbessert werden muss, um eine industrielle Produktion zu ermöglichen, zeigt die De-novo-Entwicklung eines Katalysators, mit dem eine noch nie dagewesene Reaktion mit CO2 erreicht werden kann, die Leistungsfähigkeit des "Katalysator-Designs" unter Verwendung von Berechnungsmethoden. Getreu dem Max-Planck-Motto "Erkenntnis muss vor Anwendung gehen" erscheinen weitere Forschungen in dieser Richtung nun sehr vielversprechend!