Holz gehört zu den häufigsten Materialien in der Natur – und macht den Großteil aller Pflanzenabfälle aus. Allerdings gibt es noch keine Methode, diesen nachwachsenden Rohstoff in Bioethanol oder Grundchemikalien für chemische Prozesse umzuwandeln. Alexey Sergeev und John Hartwig von der University of Illinois haben jetzt einen Katalysator vorgestellt, der dieses Problem löst. Die nickelhaltige Verbindung spaltet selektiv das Lignin, das die Zellulosefasern des Holzes umhüllt und das größte Hindernis bei ihrer Verwertung darstellt.

Jahr der Chemie2011
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Um Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen zu gewinnen, braucht man derzeit noch energiereiche Pflanzenteile wie die Fruchtkörper des Mais, stärkehaltige Wurzeln oder das Öl der Palme. Sie machen jedoch nur einen kleinen Teil der Pflanze aus, gehen der Nahrungsmittelproduktion verloren und müssen eigens angebaut werden – obwohl ein beträchtlicher Teil des ohnehin anfallenden Pflanzenabfalls in der Landwirtschaft selbst aus energiereichen Verbindungen besteht. Sein wichtigster Bestandteil ist die Zellulose, die aus für Bakterien leicht verdaulichen Zuckereinheiten zusammengesetzt sind.

Ihre Fasern jedoch sind mit dem widerstandsfähigen und unverdaulichen Lignin überzogen, einem Makromolekül aus aromatischen Molekülteilen, die über Etherbindungen zu einem der stabilsten Biopolymere überhaupt verknüpft sind. Chemisch am einfachsten ist es, die Etherbindungen mit Wasserstoff zu spalten, doch die bisher verwendeten Methoden brauchten dafür hohen Druck und hohe Temperaturen. Unter so rabiaten Bedingungen reagiert der Wasserstoff auch mit vielen anderen chemischen Gruppen, insbesondere mit den aromatischen Ringen.

Sergeev und Hartwig fanden nun einen Katalysator auf Nickelbasis, der schon bei 120 Grad funktioniert und dabei fast ausschließlich die Etherbindung zwischen zwei Aromaten auftrennt. Der Stoff besteht aus Nickel, das an ein Carben gekoppelt ist, eine stickstoffhaltige organische Verbindung, in der ein Kohlenstoffatom nur sechs Valenzelektronen statt der normalen acht besitzt. Diese Struktur gibt dem Komplex seine besondere Reaktivität: Er spaltet mit Wasserstoff gezielt die Etherbindung zwischen zwei aromatischen Ringen, nicht jedoch andere Strukturen, die von den bisher bekannten Methoden angegriffen werden.

Damit schlägt man zwei Fliegen mit einer Klappe – zum einen befreit man die Zellulosefasern aus ihrem Gefängnis und macht sie so konventionell verwertbar, zum anderen sind die aromatischen Bausteine des Lignins selbst wertvolle Verbindungen für die Chemische Industrie. Die milden Bedingungen der Reaktion und das billig verfügbare Übergangsmetall Nickel lassen hoffen, dass dieses Verfahren dereinst aus Holzabfällen ligninfreie Zellulose für die Ethanolgewinnung produzieren wird. (lf)