Wissenschaftlern ist es gelungen, Kohlenmonoxid (CO) direkt in komplexe Kohlenhydrate - die Grundbausteine des Lebens - in einem wässrigen Medium und in einem einzigen experimentellen Reaktor umzuwandeln. Diese in der Zeitschrift Chemical Science veröffentlichten Ergebnisse eröffnen einen völlig neuen Weg, um hochwertige Moleküle herzustellen, ohne auf Biomasse oder Enzyme zurückzugreifen.
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Kohlenhydrate (oder Zucker) werden heute hauptsächlich aus pflanzlichen Ressourcen über komplexe biologische Verfahren gewonnen. Sie sind essentielle Grundbausteine für viele industrielle und pharmazeutische Prozesse. Im Kontext des Übergangs zu Alternativen zu fossilen Ressourcen schlagen Teams des Pariser Instituts für Molekularchemie (CNRS/Sorbonne Université) und des Labors für Koordinationschemie (CNRS, Universität Toulouse) eine neue Methode vor, um Kohlenmonoxid (CO) direkt in komplexe Kohlenhydrate in Wasser umzuwandeln, ohne Biomasse oder Enzyme zu verwenden.
Bisher ermöglichten die meisten Verfahren zur Umwandlung von CO, das selbst durch Reduktion von CO₂ gewonnen werden kann, nur die Herstellung einfacher Verbindungen - Methanol, kurzkettige Kohlenwasserstoffe oder leichte Alkohole. Die Bildung komplexer sauerstoffhaltiger Moleküle wie Kohlenhydrate blieb ohne Enzyme oder biologische Systeme unerreichbar.
Dank eines zweistufigen Verfahrens, das in einem einzigen Reaktor zusammengeführt wurde, führten die Wissenschaftler zunächst eine elektrochemische Reduktion durch, um CO in Gegenwart eines Kobalt-Katalysators in Formaldehyd umzuwandeln. Anschließend polymerisierten sie dieses kleine organische Molekül durch eine Reaktion namens "Formose", um Zucker mit 5 oder 6 Kohlenstoffatomen wie Ribose oder Glucose zu bilden, ähnlich denen, die in lebenden Organismen vorkommen.
Diese beiden Kaskadenreaktionen erforderten eine sorgfältige Abstimmung der experimentellen Bedingungen: pH-Wert, Temperatur, Art des Elektrolyten und der verwendeten Katalysatoren. Dieser vollständig in wässrigem Medium durchgeführte Ansatz beruht auf der Synergie zwischen zwei molekularen Katalysatoren, einem metallorganischen (Kobaltkomplex) und einem organischen (Carben).
Indem es gelang, Formaldehyd auf kontrollierte Weise zu synthetisieren und dann seine selektive Umwandlung in Zucker auszulösen, hat das Team eine chemische Barriere überwunden, die man für schwer überwindbar hielt: die Synthese von mehrfach sauerstoffhaltigen Molekülen aus einem einfachen, reichlich vorhandenen Gas wie CO, ohne den Umweg über Photosynthese oder Enzyme.
Langfristig könnten diese in der Zeitschrift Chemical Science veröffentlichten Ergebnisse die Herstellung chemischer Zwischenprodukte oder Vorläufer von Biomaterialien aus recyceltem Kohlenstoff ermöglichen und so zum Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft und einer dekarbonisierten Wirtschaft beitragen.