Chemie: Die Zähmung der Halogene

Das Erste steckt als Kariesschutz in jeder Zahnpasta – Fluorid. Vom Zweiten essen wir in Form von Kochsalz meist zu viel – Chlorid. Chloratome sitzen zudem unter anderem in zahllosen Kunststoffen, in Kühlflüssigkeiten und Treibgasen. Das Dritte, Brom, beruhigt oder reizt – je nachdem, ob es Bestandteil eines Medikaments oder von Tränengas ist. Und das Vierte, Jod, desinfiziert bekanntlich Wunden. Mit solch „gewöhnlichen“, alltäglichen Anwendungen der sehr reaktionsfreudigen vier Elemente der Gruppe der Halogene hat Professor Sebastian Hasenstab-Riedel allerdings wenig zu tun. Er kitzelt im Labor das Ungewöhnliche aus Fluor, Chlor, Brom und Jod heraus.

Der Chemiker arbeitet an neuartigen Halogenierungsmitteln, also Substanzen, die zum Beispiel ein Fluor- oder Chlor- atom bei einer chemischen Reaktion auf ein anderes Molekül übertragen. Und die sind sehr gefragt. „Bedenkt man, dass etwa 55 Prozent aller Produkte der chemischen Industrie irgendwann im Laufe ihrer Synthese mal ein Chloratom ,gesehen‘ haben oder es am Ende noch enthalten, lässt sich erahnen, welch gigantische Chlormengen gebraucht werden“, sagt Sebastian Hasenstab-Riedel. Etwa sieben Prozent des Strombedarfs von Nordrhein-Westfalen entfielen allein auf die Produktion von Chlorgas (Cl2), das elektrolytisch aus wässrigen Kochsalzlösungen gewonnen wird.

Doch Chlorgas ist giftig. Es wurde schon im Ersten Weltkrieg als Chemiewaffe eingesetzt. Zwar steht in beinahe jedem Schwimmbad eine Chlor-Druckgasflasche, doch Chlor zu speichern ist riskant: Immer wieder einmal kommt es zu Lecks, und Chlor tritt aus. Hasenstab-Riedel entwickelt deshalb sogenannte Polyhalogenide, welche Halogene in flüssiger oder fester Form binden. „Es sind gut dosierbare Halogenspeicher, die negativ geladene Ionen (Anionen) mit drei, neun, elf oder gar dreizehn Halogen-Atomen enthalten und diese unter bestimmten Reaktionsbedingungen wieder abgeben können.“ Gemeinsam mit einem der größten deutschen Chlor- und Kunststoffproduzenten hat Hasenstab-Riedel ein Patent auf Polychloride angemeldet.

Kristalline Polybromide wurden sein erster Coup

Nicht nur zur Herstellung von PVC, Polyurethanen und anderen Kunststoffen werden Halogene gebraucht. Auch viele Medikamente enthalten ein oder mehrere Chlor-Atome, manche Brom (etwa Anästhetika), andere Fluor und wieder andere sogar unterschiedliche Halogene in einem Molekül. Durch ein einziges Halogen-Atom kann sich die Wirkung eines Arzneistoffs verändern, beispielsweise bei einem Diabetesmedikament. „Während der unfluorierte Wirkstoff täglich eingenommen werden muss, genügt vom fluorierten eine Tablette pro Woche“, erläutert Sebastian Hasenstab-Riedel.

Angefangen hat der Chemiker, der in den neunziger Jahren zuerst eine Ausbildung als Chemielaborant bei Siemens und Degussa in Hanau absolvierte und danach in Siegen und Würzburg Chemie studierte, mit der theoretischen Berechnung von Molekülen. Auch solchen, die Halogen-Atome enthalten. Nach der Promotion untersuchte Hasenstab-Riedel an der Universität Helsinki Metallfluoride mittels Matrixisolationsspektroskopie. Diese Methode ermöglicht es, auch sehr reaktive Moleküle zu untersuchen: Zusammen mit einem absolut reaktionsträgen Edelgas wie Neon (der Matrix) werden sie auf einen bis auf minus 269 Grad Celsius abgekühlten Spiegel abgeschieden. So „fixiert“ lassen sich Struktur und Zusammensetzung der Moleküle nun mittels UV/Vis- oder Infrarotspektroskopie ermitteln. Tief in die präparative Fluorchemie stieg Hasenstab-Riedel dann während eines Forschungsaufenthaltes in Kanada ein. Nun war sein eigenes Forschungsfeld klar: Theorie, Synthese und Analyse neuartiger Halogenverbindungen. 2013 habilitierte er sich an der Universität Freiburg und trat im gleichen Jahr eine Professur an der Freien Universität Berlin an.

Kristalline Polybromide wurden sein erster Coup. „Polyjodide kannte man bereits, aber mit Brom und Chlor gab's nichts Vergleichbares.“ Inzwischen hat das Team eine breite Palette von Polybromiden synthetisiert. Vorteile dieser Verbindungen: Die Bromatome sind nun chemisch fester gebunden und leichter zu handhaben als elementares Brom (Br2). Außerdem leiten sie exzellent elektrischen Strom, sind deshalb auch als Energiespeicher von Interesse. Gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen in Freiburg und dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeiten Hasenstab-Riedel und sein Team nun an sehr langlebigen Redox-Flow-Batterien, auch Flüssig- oder Nasszellenbatterien genannt.

Ein Forschungsziel ist, das Treibhausgas SF6 zu ersetzen

Dann ging es an Polyfluoride. Sie existieren nur bei minus 275 Grad Celsius und sind deshalb mehr von akademischem Interesse. Fehlten noch die dringend benötigten Polychloride. „Da haben wir erst seit zwei Jahren den Dreh raus“, sagt Hasenstab-Riedel. „Wir erhalten so eine Art ,flüssiges Chlor’ und sogar feste Substanzen, die nun, anstelle von Chlorgas, für Chlorierungsreaktionen eingesetzt werden können.“

Neben Halogenspeichermolekülen konzentriert sich Sebastian Hasenstab-Riedel auf Substanzen, die als Isoliergas bei Hochenergieschaltanlagen eingesetzt werden können. „Bisher wird dafür Schwefelhexaflourid (SF6) verwendet. Es isoliert gut, verhindert die Entstehung von Lichtbögen beziehungsweise löscht sie rasch – aber leider ist es ein sehr starkes Treibhausgas.“ SF6 sei diesbezüglich 23 500 Mal schädlicher als CO2. „Wir forschen an Alternativen, die deutlich umweltverträglicher sind“, sagt der Wissenschaftler. Was nicht einfach ist, denn gesucht wird quasi die eierlegende Wollmilchsau: Es muss ein Gas sein, das auch bei tiefen Temperaturen wie etwa in Sibirien nicht kondensiert. Es darf sich weder verbrauchen noch zersetzen, soll ungiftig sein und unter keinen Umständen die Metallkomponenten in den Schaltkästen angreifen. „Wir haben einiges ausprobiert und sind auf einem guten Weg, einen Ersatzstoff für SF6 zu finden.“ Hasenstab-Riedel deutet nur an, um welche Molekülart es sich handelt, denn die Konkurrenz schläft nicht. Gemeinsam mit einem SF6-Hersteller hält er inzwischen sieben Patente zu Stoffklassen und neuen Synthesemethoden für SF6-Ersatzstoffe. „Sollte es gelingen, einen deutlich besseren Ersatzstoff zu entwickeln, wäre das ein großer Gewinn für den Klimaschutz.“

Neben Forschung und Lehre initiierte der Chemiker zusammen mit seinem Kollegen Professor Thomas Braun von der Humboldt-Universität zu Berlin den neuen Sonderforschungsbereich „Fluor- Spezifische Wechselwirkungen: Grundlagen und Anwendungen“. Auch warb er erfolgreich eine millionenschwere Förderung des Europäischen Forschungsrates (ERC) ein (siehe Artikel unten).

Sebastian Hasenstab-Riedel hat gut zu tun. Aber er lässt es sich dennoch nicht nehmen, regelmäßig bei der Langen Nacht der Wissenschaften den Hörsaal der Anorganischen Chemie im Chemiegebäude an der Fabeckstraße zum Kochen zu bringen. Wenn es hier knallt, blubbert, zischt und blitzt, zeigt er allen, was experimentelle Forschung sein kann: neben viel Arbeit auch ein großes Vergnügen.

Catarina Pietschmann