Nachhaltige, einstufige, metallfreie Mentholsynthese
Wegen seines einzigartig frischen Geschmacks und Geruchs ist Menthol die weltweit wohl beliebteste organische Verbindung, die als Zusatz in Alltagsprodukten wie Zahnpasta, Duschgel oder kühlender Salbe verwendet wird. Es wird entweder aus natürlichen Rohstoffen wie Pfefferminzöl gewonnen oder häufiger noch, um der hohen Nachfrage gerecht zu werden, synthetisch hergestellt. Die am weitesten verbreitete Herstellung – unter Anwendung der sogenannten BASF-Methode – beruht auf einer Reihe chemischer Reaktionen, durch welche Grundchemikalien in Menthol umgewandelt werden. Das Verfahren umfasst die Umsetzung in einer späten Stufe von Citronellal zu Isopulegol, welches dann in Menthol umgewandelt wird. Das Verfahren ist zwar hocheffizient, doch auch sehr kostenintensiv. Häufig werden in den Hauptschritten wie der Umsetzung von Isopulegol zu Menthol Schwermetallkatalysatoren eingesetzt. Dies kann zu Produktkontamination und Umweltschäden führen. Das vom Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt NEUTRAMENTH baut auf der Zufallsentdeckung des Projekts VINCAT auf: Das VINCAT-Forschungsteam fand heraus, dass aromatische Verbindungen, sogenannte Terpene, wie Citronellal in nur einem Schritt in Stoffe wie Menthol umgewandelt werden können, ohne dass dabei giftige Schwermetallkatalysatoren benötigt werden. Ziel von NEUTRAMENTH war es, das Verfahren weiter zu optimieren, seine technische Machbarkeit und Rentabilität zu demonstrieren sowie weitere Marktanalysen durchzuführen. „Wir konnten nicht nur die einstufige, direkte Umsetzung von Citronellal zu Menthol demonstrieren, sondern stießen auch auf einige unerwartete Ergebnisse, mit denen wir unseren Schwerpunkt auf weitere nützliche Terpene erweitern können“, erklärt Projektleiter Nuno Maulide von der Universität Wien, dem Projektträger.
Lösung des „Mentholproblems“ und darüber hinaus
Im Rahmen des laufenden Projekts ERC VINCAT entdeckte die Maulide-Gruppe eine bahnbrechende Kohlenstoff-Kohlenstoff-Reaktion, durch die chemische Bindungen entstehen, welche für die einstufige Herstellung von Menthol aus Citronellal notwendig sind – und das ohne den Einsatz von Metallkatalysatoren. Diese Arbeit wird von der sogenannten „Redoxneutralität“ gestützt, die Oxidations- und Reduktionsreaktionen im gleichen Schritt verbindet. Bei diesem Verfahren können Moleküle unter Verwendung eines anderen Teils desselben Moleküls oxidiert und so externe Reaktionen, durch die abfallintensive Nebenprodukte entstehen, vermieden werden. Dabei handelt es sich meist um metallbasierte Nebenprodukte. „Es klingt einfach, doch es handelt sich um ein neu entstehendes Feld der organischen Chemie“, erklärt Maulide. Im Laufe des Projekts konnte das Team zeigen, dass mithilfe dieses Verfahrens in nur einem Schritt Menthol aus Citronellal im Labormaßstab (Gramm-Maßstab) mit nennenswerter, wenn auch noch nicht optimaler Selektivität erfolgreich hergestellt werden kann. Von entscheidender Bedeutung ist auch, dass die Arbeit nachgelagerte Möglichkeiten eröffnet hat, für den Fall dass das Verfahren modifiziert und auf neue Klassen nützlicher Terpene angewendet wird. „Die Nutzung dieser Technologie für die Herstellung anderer Terpene und sogar neuartiger Stoffe, die Terpenen wie Menthol ähnlich sind, aber strukturelle Modifikationen aufweisen, könnte ein unglaubliches Potenzial bergen“, sagt Maulide.
Neustart einer Branche
Menthol ist ein beliebter medizinischer Inhaltsstoff für Salben, Hustenbonbons und Inhalierstifte sowie Geschmacks- oder Duftstoff in Lebensmitteln, Likören, Kosmetika und Parfümen. In der Zahnmedizin kommt er häufig als topischer antibakterieller Wirkstoff zum Einsatz und ist nachweislich gegen verschiedene Stämme von Streptokokken und Laktobazillen wirksam. Die natürliche Gewinnung von Menthol kann die weit verbreitete Nachfrage schon seit Jahrzehnten nicht mehr decken. Es bedarf also synthetischer Alternativen. „Die Anwendung unseres modifizierten chemischen Verfahrens wäre für die Branche, die sich seit Jahrzehnten kaum verändert hat, bahnbrechend!“, so Maulide. Um die Arbeit voranzubringen, wird das Team erweiterte Experimente durchführen und so verifizieren, ob die Ergebnisse auch dann erreicht werden, wenn die chemischen Umwandlungen in größerem Maßstab ablaufen. Dies ist entscheidend, wenn das Verfahren eine zukunftsfähige Alternative für die derzeitigen Verfahren werden soll.
Schlüsselbegriffe
NEUTRAMENTH, Menthol, Minze, Geschmack, Duft, Redoxreaktion, Schwermetallkatalysator, Citronellal, Isopulegol, synthetische Chemie, Terpene