Synthese, Katalyse

Synthese und Katalyse

Die Chemie ist die Lehre der Stoffe und der Stoffumwandlungen. Ein jeglicher Stoff (Material, Protein, Biomasse, Baustoff, Wirkstoff, Energieträger, etc.) wird durch eine chemische Synthese erhalten. Im 21. Jahrhundert ist besonders die effiziente und ressourcenschonende Synthese von neuen oder bereits bekannten Stoffen in den Brennpunkt des Interesses gerückt. Dazu wird meist die Katalyse, also die Erleichterung der Bildung eines gewünschten Stoffes, durch den Zusatz einer kleinen Menge eines Katalysators, verwendet. Ansätze in diese Richtung werden gegenwärtig unter dem Stichwort „Nachhaltige Chemie“ zusammengefasst. In unserer Fakultät befassen sich viele Arbeitsgruppen mit den verschiedensten Facetten der Synthese und Katalyse. So wird die Synthese von Naturstoffen, die auch als Wirkstoffe in Medikamenten dienen können, über klassische und katalytische Verfahren untersucht. Viele seit langem bekannte Grundchemikalien werden durch an unserer Fakultät entwickelte neue katalytische Verfahren mit geringerem Energieaufwand und Ressourcenverbrauch erhalten. Eine andere Facette ist die Synthese von Hartstoffen, die an die Qualität von Diamant bei viel leichterer Verfügbarkeit herankommen und damit für die Werkzeugindustrie von Interesse sind. Die Herstellung von Polyolefin-Werkstoffen und von neuen intelligenten, selbstheilenden Kunststoffen sowie die Entwicklung/Synthese von neuen Materialien zur Speicherung von Wärme und Gasen wie z.B. Wasserstoff basiert auf innovativen Synthesemethoden und Katalyse. Auch die Synthese und Anwendung von ionischen Flüssigkeiten, einer faszinierenden neuen Materialklasse, deren Potential gerade erst erkannt wird, werden in der Fakultät untersucht. Des Weiteren werden durch systematische Synthesen neue Elektrolyte für Li-Ionen Batterien oder Membranen für Brennstoffzellen entwickelt. In vielen der oben skizzierten synthetischen Prozesse werden katalytische Verfahren eingesetzt. Ein weiterer Bereich der Synthese umfasst die umweltfreundliche Vorhersage von Syntheseergebnissen durch die Anwendung moderner computerchemischer Methoden.

Energie und Materialien

Maßgeschneiderte Materialien, Verbundmaterialien, Nanostrukturbildung und Systemintegration von Materialkomponenten spielen eine sehr zentrale Rolle in den modernen Schlüsseltechnologien – von der Energietechnik bis hin zu Biomedizin, Leichtbau und Kommunikation. Nach den Bauprinzipien des Freiburger Nobelpreisträgers Hermann Staudinger können vielseitige Makromoleküle aufgebaut werden, deren Eigenschaftsprofile über molekulare und supermolekulare Architekturen anwendungsgerecht gesteuert werden. Die Freiburger Materialforschung ist interdisziplinär aufgestellt und beinhaltet enge Kooperationen mit den Freiburger Fraunhofer Instituten und der Wirtschaft. Mit neuen anorganischen und polymeren Halbleitermaterialien (ein- und multikristallines Si, CdTe, Ge-Si-Mischkristalle, ZnO, Polythiophen und polymere Nanocomposite) wird mit Solarzellen und thermoelektrischen Elementen Elektrizität aus Licht und Abwärme gewonnen. Durch strukturgeologische und hydrogeologische Charakterisierung werden tiefengeothermisch nutzbare Gesteine erforscht. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Erforschung umweltrelevanter Wechselwirkungen zwischen Geomaterialien (Feinstaub, Erze) Hydrosphäre und Atmosphäre. Schwerpunkte bei der Energiespeicherung sind „Phase-Change-Materials“ für die Solarthermie und neue (Poly-)Elektrolyte und Multischichtsysteme für Batterien. Besonderer Schwerpunkt bei der Materialentwicklung ist die Steuerung von Funktion und Adaption von Materialien über die Chemie und Physik von synthetischen und biologischen Grenzflächen, z.B. die Selbstorganisation von funktionalisierten Nanopartikeln an polymeren Grenzflächen („Nanohybride“). Mit diesen Konzepten werden mechanische Eigenschaften, Wärmeformbeständigkeit sowie Schadenstoleranz von polymeren Werkstoffen verbessert. Gemeinsam mit der Freiburger Bionik und Mikrosystemtechnik  werden neue interaktive Materialien erforscht, welche Merkmale von Lebewesen aufweisen: (molekulare) Erkennung, Reaktions- und Lernfähigkeit, Selbstheilung und Energieautarkie. Das Spektrum dieser intelligenten Materialien („smart materials“) mit schaltbaren Eigenschaften reicht von adaptiven Kunststoffen mit bedarfsgerecht variablen Eigenschaften und Selbstreparatur, künstlichen Muskeln, neuen Trägern für die Arzneistoff-Freisetzung und intelligenten Oberflächen mit schaltbarer Adsorption bis hin zur patientengerechten Therapie und Diagnostik. Über die Interaktion mit Zellen und die Signalerkennung soll die Erkennung von Krankheiten, beschleunigtes Wirkstoff-Screening ohne Tierversuche  und die intelligente, auf die individuellen Bedürfnisse des Patienten abgestimmte Wirkstoffabgabe und Therapie möglich werden. Mit neuen Methoden für die funktionale Formgebung, z.B. neuen 3D-Druckverfahren, werden neue komplexe Materialien und Formteile gefertigt z.B. für die Geweberegenation in der Medizin.

Enzyme und Wirkstoffe

Enzyme sind die ‚Arbeitspferde’ der Zelle. Sie katalysieren die chemischen Reaktionen, die Leben erst ermöglichen. Um zu verstehen, welche Reaktionen ein Enzym unter bestimmten Bedingungen zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Zelle ausführt, muss seine räumliche Struktur bekannt sein, ebenso wie die seiner Kofaktoren, kleinen organischen oder anorganischen Molekülen. Mit Hilfe spektroskopischer und kinetischer Methoden kann eine bestimmte Reaktion untersucht und verstanden werden. Durch molekularbiologische Techniken können Eigenschaften der Proteine gezielt verändert werden, um zum einen postulierte Reaktionsmechanismen zu überprüfen, zum anderen aber auch, um neue, gewünschte Reaktivitäten zu erzeugen. Die Wechselwirkung mit anderen Enzymen, mit dem Erbgut der Zelle, der DNA, oder mit der biologischen Membran, die jede Zelle umgibt, kann enzymatische Reaktivitäten verändern, bzw. an- und ausschalten. Diese transienten Interaktionen werden heutzutage mit molekularbiologischen und physikochemischen Techniken beschrieben. Eine weitere Möglichkeit, die Aktivität von Enzymen zu steuern oder zu modulieren, ist der Einsatz von Wirkstoffen. Die Entwicklung von neuen Wirkstoffen in einem überschaubaren Zeitrahmen ist eine der dringlichsten Aufgaben der Pharmazeutischen und der Medizinischen Chemie. In den letzten Jahren hat ein Paradigmenwechsel in der Wirkstoffforschung stattgefunden. Zum rationalen target- und strukturbasierten Design als eine Grundlage zur Herstellung von Wirkstoffen hat sich in den letzten Jahren wieder verstärkt die Nutzung von biogenen Stoffen als Leitstrukturen gestellt. Die Nutzung biogener Wirkstoffe, die Kenntnis ihrer molekularen Wirkmechanismen und die Suche nach neuen therapeutischen Zielproteinen erhöht die Entdeckung neuer Wirkstoffe. Moderne molekular- und zellbiologische Methoden und theoretische Ansätze aus der Bioinformatik finden bei der Suche und Evaluation von Zielstrukturen ebenso Anwendung wie genetische Tiermodelle. Die Forschung an Enzymen und Wirkstoffen ist ein eng miteinander verknüpfter und wesentlicher Schwerpunkt innerhalb unserer Fakultät unter der Beteiligung verschiedener Fächer.