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Chemie

Beitragsreihe Chemie

Prof. Dr. Henning Hopf

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Zukünftige Zielsetzungen der Chemie

Bedeutende Entwicklungen auf dem Gebiet der Chemie - und angrenzender Gebiete - werden regelmäßig mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Welche Leistungen hier belohnt wurden, kann man bequem über das Internet erfahren (Link: nobelprize.org).

Chemie
Zukünftige Zielsetzungen der Chemie
Studium und Berufsfelder
Die dort aufgeführten Texte sind allgemein verständlich geschrieben und ermöglichen eine rasche Orientierung. Interessant ist es hier zu sehen, wie sich in neuerer Zeit die Grenzen zu den Nachbarwissenschaften immer weiter auflösen, besonders zur Biologie und Biochemie. Dass Chemienobelpreise für Leistungen auf einem ausschließlich chemisch definierten Arbeitsgebiet verliehen werden, wird immer seltener.



Sparsamer Umgang mit Energie



Die erste zu erfüllende Forderung an eine “Chemie der Zukunft“ ist die des sparsamen Umgangs mit Energie und Materie. Gerade Chemiker, als die für stoffliche Transformationen entscheidenden Wissenschaftler, müssen ein Gefühl der Verantwortung gegenüber Energie und Materie entwickeln. Bedarfs- und Verbrauchsdrosselung muss die Devise sein, die gleichwohl mit einem für die nächsten Jahrzehnte unverzichtbaren wirtschaftlichen Wachstum in Einklang gebracht werden muss. Bei der Entwicklung von Produkten und Synthesen muss nicht nur an die Herstellung neuer Strukturen gedacht werden, sondern auch an ihre Rückführung in einen Zustand, der die Wiederverwendung ermöglicht (Recycling). Das klassische, lineare Wachstumsdenken, ist durch cyclisches Denken und Planungen zu ersetzen. Die Vorbilder hiefür finden sich in den Stoffkreisläufen der Natur.



Effizienzsteigerung



Natürliche Prozesse sind auch das Vorbild für die zweite Forderung: Effizienzsteigerung der von uns Menschen ersonnenen chemischen Transformationen. Die im Laufe der Jahrmillionen entstandenen natürlichen Stoffumwandlungen, sind überwiegend katalytischer Natur, sie laufen in Wasser unter Normalbedingungen (Atmosphärendruck, Umgebungstemperatur) hocheffizient und hochselektiv ab, das heißt von unendlich vielen für komplexe Stoffe bei gegebener Atomzahl möglichen Realisierungsmöglichkeiten wird eine einzige, mit exakt festgelegter Verteilung der “Bausteine“ im dreidimensionalen Raum verwirklicht. Hiervon ist die “synthetische Chemie“ weit entfernt - verständlich, wenn man daran denkt, in welchen Zeiträumen “natürliche“ und “künstliche“ Umwandlungsprozesse entstanden sind. Zukünftige chemische Transformationen werden sich durch hohe Ausbeuten, hohe Selektivität, Vermeidung von Nebenprodukten, Minimierung des Ressourcenverbrauchs etc. auszeichnen. Ja, die Suche nach derartigen (neuen) Syntheseprozessen wird - wie eh und je in der Chemie - auch in Zukunft eine zentrale Aufgabe dieser Wissenschaft sein müssen.



Wechsel der Rohstoffbasis



Die dritte wichtige Forderung betrifft die eines Wechsels der Rohstoffbasis. Genaugenommen gilt dieses überwiegend für die industrielle Organische Chemie. Ein derartiger Wechsel ist diesem mengenmäßig so wichtigen Gebiet der industriellen Produktion schon einmal gelungen, nämlich während der 1950er Jahre, als die Kohle als wichtigstes Basismaterial durch das Erdöl ersetzt wurde. Der nunmehr anstehende Wechsel betrifft den Übergang von den fossilen Ausgangsmaterialien (Kohle, Erdöl, Erdgas) zu nachwachsenden Rohstoffen, zur Biomasse. Für die industrielle Organische Chemie der Zukunft ist die Forderung zu erheben, dass sie all das, was sie bisher aus Erdöl oder Erdgas produziert hat, Ausgangsstoffe, die in “menschlichen“ Zeitdimensionen, sind sie einmal verbraucht, unersetzbar sind, aus stetig von der Natur durch die Photosynthese regenerierten Stoffen herstellen muss: Holz, Stroh, Pflanzenöle usw. Wie das Beispiel Biodiesel zeigt, ist eine derartige Transformation im Energiebereich realisierbar. Entscheidend wird aber sein, ob es auch gelingt, die zahllosen anderen Produkte der chemischen Industrie - von den Lacken zu den Medikamenten - aus nachwachsenden Rohstoffen herzustellen. Es ist übrigens wahrscheinlich, dass man die klassischen technischen Verfahren zumindest teilweise in diese nachhaltige Chemie wird integrieren können, genauso wie das Autobahnsystem nicht obsolet wird, wenn einmal kein Benzin mehr zur Verfügung steht.



Synthetische Materialien



Auch wenn die Umstellung auf nachwachsende Rohstoffe als alternativlos erscheint, kann das kein Verzicht auf “synthetische“ Materialien bedeuten. Ganz im Gegenteil. Trotz des Vorbilds, das die natürlichen Prozesse in vielen Fällen sein müssen, ist ein Zurück zur Natur nicht möglich und auch nicht wünschenswert. Ein gewisses Maß an Artefaktbildung - und dazu zählen auch synthetisch hergestellte Stoffe - ist zwingend erforderlich, wenn man den Kräften der Natur nicht hilflos und mit allen Folgen ausgeliefert sein will. Entscheidend ist immer das Verhältnis von Kooperation zu Konkurrenz mit und zur Natur, das jeweils, den gesellschaftlichen Rahmenbedingungen entsprechend, neu eingestellt werden muss. Damit 8 Milliarden Menschen in einem Verhältnis zur Natur leben können, das diese nicht zerstört, ist die Verwendung künstlicher, d.h. nicht von der Natur zur Verfügung gestellter Materialien unverzichtbar. Sei es zur Energieerzeugung, -weiterleitung und -speicherung, sei es zur Bekämpfung stets neu entstehender gesundheitlicher Bedrohungen, um nur zwei Beispiele zu nennen. Fortschritt bedeutet eben auch ein stetes sich Entfernen von “natürlichen“, vorgefundenen Bedingungen.



Konkrete Aufgaben



Zu den konkreten Aufgaben zukünftigen Chemieforschung zählt ganz vorrangig, die direkte Einführung funktioneller Gruppen in organische Moleküle, die zunächst nicht funktionalisiert/substituiert sind. Dieses Forschungsgebiet läuft unter der Bezeichnung “C,H-Aktivierung“, was bedeutet, das man in die gesättigten Kohlenwasserstoffe, die man aus dem Erdöl gewinnt (und vielleicht in Zukunft aus Biomasse), direkt wertvolle funktionelle Gruppen einführt, wie zum Beispiel OH-Gruppen, oder Carbonylfunktionen etc. Dieses ist eine formidable Aufgabe, wenn man bedenkt, wie viele Möglichkeiten es gibt, in einem einfachen Alkan aus zum Beispiel 10 C-Atomen gezielt Gruppen wie die OH-Funktion einzuführen.


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22.09.2010


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Prof. Dr. Henning Hopf

Henning Hopf ist Professor für organische Chemie an der Technischen Universität Braunschweig

Institut für organische Chemie, TU Braunschweig

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