Prof. Dr. Werner Kunz
- Wichtige Informationen: Am Lehrstuhl für Physikalische Chemie von Prof. Kunz liegt der Forschungsschwerpunkt auf der Lösungsmittelchemie (Konzeption, Verständnis und Anwendung von Lösungsmittelmedien) sowie auf der Formulierung von Produkten auf Grundlage der Flüssigkeits- und Kolloidchemie. Ein weiterer zentraler Aspekt ist die nachhaltige Chemie und die Entwicklung „grünerer“ Produkte und Prozesse in der Industrie. Diese Themen bilden auch die Grundlage unserer Lehre, zusätzlich zur Grundausbildung in Thermodynamik, Elektrochemie, Kinetik, Kolloidchemie und Technischer Chemie.
Aktuelles aus unserer Arbeitsgruppe
Das beste Tensid ist gar kein Tensid.
Heute werden industrielle chemische Reaktionen überwiegend in organischen Lösungsmitteln durchgeführt. Angesichts wachsender Umweltanforderungen und der Suche nach nachhaltigen Verfahren wird intensiv an Reaktionen geforscht, die in wässrigen Lösungen ablaufen können. Die geringe Löslichkeit hydrophober Edukte stellt dabei die größte Herausforderung dar. Um dieses Problem zu lösen, werden dem Wasser üblicherweise Tenside zugesetzt. Dieses Konzept wird als „mizellare Katalyse“ bezeichnet.
In einer Reihe von Veröffentlichungen in renommierten Fachzeitschriften konnte ein amerikanischer Kollege die wissenschaftliche Gemeinschaft sowie Industrieunternehmen davon überzeugen, dass Mizellen für eine optimale Reaktivität in wässrigen Systemen unverzichtbar seien. Darüber hinaus wurde behauptet, dass die Reaktionen insbesondere mit den in seiner Arbeitsgruppe entwickelten speziellen Tensiden die besten Ergebnisse liefern.
Da wir diese Schlussfolgerungen hinterfragten, haben wir einige der publizierten Reaktionen zur mizellaren Katalyse erneut untersucht – diesmal jedoch ohne Tenside. Stattdessen erfolgte der Stofftransport in einfachen Wasser-Alkohol-Gemischen. Dabei zeigte sich, dass die Reaktionen nicht nur höhere Ausbeuten lieferten, sondern auch unter milderen Bedingungen abliefen.
Der entscheidende Faktor ist somit nicht die Einschließung der Edukte in Mizellen, sondern vielmehr deren ausreichende und geeignete Löslichkeit. Auf dieser Grundlage können chemische Reaktionen von industrieller Bedeutung künftig deutlich vereinfacht werden.
Die Ergebnisse wurden im hochrangigen Fachjournal Chemical Engineering Journal (Impact Factor 16,74) veröffentlicht: https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144599 (externer Link, öffnet neues Fenster).
Preis für nachhaltige Produkte und Verfahren
Auf der diesjährigen internationalen Konferenz Formula XI in Lille, Frankreich, wurde Prof. Kunz von der französischen chemischen Gesellschaft für seine jahrzehntelangen Beiträge zur Herstellung nachhaltigerer Produkte, besonders im Bereich Kosmetik und Reinigungsmittel und zur umweltfreundlicheren Produktion von Chemikalien mit dem Pierre-Fillet-Preis geehrt. Die Auszeichnung wird alle drei Jahre für Persönlichkeiten vergeben, die sich besonders um die verbesserte Formulierung von gebrauchsfertigen Produkten verdient gemacht haben. Nach dem Steinkopff-Preis 2019 der deutschen Kolloidgesellschaft ist dies bereits der zweite Preis für nachhaltige Chemie, den Prof. Kunz erhalten hat. Neben dieser Auszeichnung durfte Prof. Kunz im Rahmen eines 60-minütigen Hauptvortrages die wesentlichen Ergebnisse seiner Arbeitsgruppe in den letzten Jahren einem internationalen Publikum vorstellen. Dabei legte er besonderen Wert auf den Aspekt der Nachhaltigkeit der entwickelten Produkte und Verfahren, wobei nicht nur wissenschaftliche Aspekte (Umwelt, Energie, Toxizität) angesprochen wurden, sondern auch Performance, Preis, Kundenakzeptanz und die soziale Komponente. Gerade dieser ganzheitliche Ansatz bei der Umsetzung von nachhaltigen Ideen liegt Prof. Kunz besonders am Herzen.
Eine neue Strategie zur Lösung langkettiger Tenside in Wasser bei niedrigen Temperaturen
Tenside finden im Alltag vielfältige Anwendung als Reinigungsmittel und sind ein unverzichtbarer Bestandteil zahlreicher industrieller Formulierungen. Bislang war ihr Einsatz jedoch auf amphiphile Strukturen mit vergleichsweise kurzen Alkylketten (typischerweise bis C14 oder C16) beschränkt, da längerkettige Homologe unter praxisrelevanten Bedingungen nur eine geringe Wasserlöslichkeit aufweisen.
In dieser Arbeit stellen wir ein Konzept vor, das erstmals eine effektive Solubilisierung von Octadecylsulfaten und Octadecylcarboxylaten in Wasser bei Raumtemperatur ermöglicht. Durch die Synthese alkoxyliierter Cholin-Derivate – ausgehend von Cholin, einem natürlich vorkommenden und reichlich verfügbaren Molekül – haben wir eine neue Klasse von Gegenionen entwickelt, die die Ausfällung langkettiger Tenside verhindert, wie sie bei Alkalimetallionen oder unverändertem Cholin üblicherweise beobachtet wird.
Die so erhaltenen amphiphilen Systeme weisen hervorragende oberflächenaktive Eigenschaften auf, die sich in einer deutlich verbesserten Reinigungsleistung in Laborwaschtests widerspiegeln. Untersuchungen zur Zytotoxizität und biologischen Abbaubarkeit der alkoxyliierten Cholin-Derivate unterstreichen zudem ihr Potenzial für die Entwicklung nachhaltiger Tenside.
Insgesamt eröffnet unser Ansatz die Möglichkeit, bislang ungenutzte Rohstoffressourcen für maßgeschneiderte Tensidformulierungen zu erschließen – nicht nur für Reinigungsanwendungen, sondern auch für zahlreiche weitere Einsatzgebiete.
DOI: doi.org/10.1039/D2GC02460H (externer Link, öffnet neues Fenster)
Physikalisch-chemische und toxikologische Eigenschaften osmolytbasierter kationischer Tenside sowie daraus spontan gebildeter niedrigtoxischer katanionischer Vesikel
Im Kontext effizienter Wirkstofftransportsysteme bieten katanionische Vesikel zahlreiche Vorteile, darunter ihre spontane Bildung und ihre hohe Langzeitstabilität. Insbesondere die kationische Komponente solcher Vesikel weist jedoch häufig eine erhebliche Zytotoxizität auf. Daher ist die Entwicklung weniger toxischer und biokompatibler amphiphiler Verbindungen, die gleichzeitig die gewünschten Aggregationseigenschaften beibehalten, von großer Bedeutung.
In dieser Arbeit untersuchen wir die Zytotoxizität gegenüber der humanen Zelllinie HeLa sowie die biologische Abbaubarkeit verschiedener kationischer Tenside auf Basis der natürlichen Osmolyte Cholin und Ectoin. Darüber hinaus werden die Synthese, das Aggregations- und Löslichkeitsverhalten sowie die Stabilität dieser Verbindungen in wässriger Lösung beschrieben.
Zur spontanen Bildung von Vesikeln wurden ausgewählte kationische Tenside mit Cholin-Carboxylaten unterschiedlicher Kettenlänge in verschiedenen Mischungsverhältnissen kombiniert und mittels Kryo-Transmissionselektronenmikroskopie (Cryo-TEM) charakterisiert. Zusätzlich wurde die Zytotoxizität dieser neuartigen katanionischen Systeme in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen kationischen und anionischen Komponenten untersucht und mit klassischen Kombinationen aus Natriumdodecylsulfat und Dodecyltrimethylammoniumbromid verglichen.
DOI: doi.org/10.1016/j.molliq.2022.119549 (externer Link, öffnet neues Fenster)
Nanoskopische Mikroheterogenitäten oder Pseudophasentrennungen in nichtkonventionellen Flüssigkeiten
Dieser Artikel behandelt neue Konzepte in makroskopisch einphasigen kolloidalen Systemen, in denen die Entropie eine wesentliche treibende Kraft für sehr schwache Wechselwirkungen und die Ausbildung von Strukturen darstellt. Zunächst zeigen wir, wie mikrokemulsionsähnliche Strukturen mithilfe von Hydrotropen erzeugt werden können. Diese Aggregate weisen eine weniger definierte Struktur und eine kürzere Lebensdauer als klassische Mizellen auf, stellen jedoch potenziell nutzbare Mikroheterogenitäten mit inneren Grenzflächen dar.
Der andere Grenzfall starker Wechselwirkungen tritt auf, wenn kationische und anionische Tenside in äquimolaren Verhältnissen gemischt werden. Es ist bekannt, dass die Löslichkeit von Tensiden durch die Einführung von Ethylenoxidgruppen erhöht werden kann. Diese Strategie wird auf sogenannte „Katanionics“ angewendet, um die Ausfällung der Tenside zu verhindern.
Schließlich betrachten wir die Tatsache, dass Ethylenoxidgruppen die Größe der hydrophilen Kopfgruppen von Carboxylaten vergrößern, sodass geometrische Einschränkungen selbst in Abwesenheit von Wasser eine direkte sphärische Struktur erzwingen. Dadurch werden „wasserfreie direkte Mikroemulsionen“, die ausschließlich aus geladenen Tensiden und Öl bestehen, als mögliches Konzept denkbar.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.cocis.2021.101535 (externer Link, öffnet neues Fenster)
Entwicklung eines vollständig mit Wasser verdünnbaren Minzkonzentrats auf Basis einer lebensmittelzugelassenen Mikroemulsion
Mentha spicata L. verschwindet im Winter. Das Fehlen frischer Minze während der kalten Jahreszeit kann die Zubereitung von Minztee einschränken. Eine Quelle für den frischen Geschmack, die auch über den Winter gelagert werden kann, ist ätherisches Minzöl. Da das Öl jedoch nicht wasserlöslich ist, wurde eine lebensmittelgeeignete, wasserlösliche Mikroemulsion des ätherischen Öls untersucht, wobei verschiedene Tenside, insbesondere Tween® 60, betrachtet wurden.
Die Herausforderung bestand darin, ein äußerst hydrophobes ätherisches Öl in einer homogenen, stabilen, transparenten und spontan entstehenden Lösung ausschließlich aus essbaren Zusatzstoffen zu lösen, ohne den ursprünglichen frischen Geschmack der Minze zu verfälschen. Unter Nutzung der Wasser- und Öl-Pseudophasen der Mikroemulsionen konnten hydrophile Süßstoffe und hydrophobe Farbstoffe integriert werden, um Minzblattaufgüsse sowohl geschmacklich als auch optisch nachzuahmen.
Die resultierende Formulierung war ein Konzentrat, das zu etwa 90 % aus „grünen“ Bestandteilen bestand und mit Wasser oder Tee verdünnt werden konnte, um ein Getränk mit angenehm minzigem Geschmack zu erhalten.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.131230 (externer Link, öffnet neues Fenster)
Ionische Flüssigkeiten basierend auf dem Konzept der Schmelzpunkterniedrigung durch Ethoxylierung
Die meisten der häufig verwendeten ionischen Flüssigkeiten (ILs) enthalten voluminöse organische Kationen in Kombination mit geeigneten Anionen. Mit unserem COMPLET-Konzept (Concept of Melting Point Lowering due to Ethoxylation) verfolgen wir einen anderen Ansatz. Wir verwenden einfache, wenig toxische, kostengünstige und kommerziell verfügbare Anionen des Typs Cx(EO)yCH₂COO⁻, um praktisch beliebige einfache Metallionen – unabhängig von ihrer Ladung – zu verflüssigen.
Im einfachsten Fall kann das Kation Natrium oder Lithium sein; die Synthese ionischer Flüssigkeiten ist jedoch auch mit höherwertigen Kationen wie Übergangsmetallen oder Seltenerdmetallen möglich. Anionen mit längeren Alkylketten zeigen oberflächenaktive Eigenschaften und bilden oberflächenaktive ionische Flüssigkeiten (SAILs), die bei Raumtemperatur Eigenschaften ionischer und nichtionischer Tenside miteinander verbinden. Sie weisen bereits im reinen Zustand, also in Abwesenheit von Wasser oder anderen zugesetzten Lösungsmitteln, eine ausgeprägte Strukturierung auf.
Dieser Ansatz eröffnet neue Anwendungsbereiche, die weit über die klassischen realen oder hypothetischen Einsatzmöglichkeiten herkömmlicher ionischer Flüssigkeiten hinausgehen. Mögliche Anwendungen umfassen die Trennung von Seltenerdmetallen, den Einsatz als vielseitige Medien für die Metallkatalyse sowie die Synthese völlig neuer Materialien (beispielsweise analog zu metallorganischen Gerüstverbindungen, sogenannten Metal-Organic Frameworks, MOFs).
DOI: https://doi.org/10.3390/molecules26134034 (externer Link, öffnet neues Fenster)
Vielversprechendes „grünes“ Lösungsmittel, gewinnbar aus Holz und Gräsern
Das Molekül „γ-Valerolacton (GVL)“ kann problemlos aus cellulosereicher Biomasse hergestellt werden und könnte in einer Vielzahl kommerzieller Produkte eingesetzt werden, wobei es gleichzeitig das Potenzial besitzt, auch in großtechnischen chemischen Prozessen Anwendung zu finden. Darüber hinaus weist es eine sehr geringe Toxizität gegenüber aquatischen Organismen auf und ist gut biologisch abbaubar.
Diese Ergebnisse wurden kürzlich vom Lehrstuhl von Prof. Kunz in Zusammenarbeit mit Forschenden der TU Dresden in der führenden Fachzeitschrift für nachhaltige Chemie, Green Chemistry, veröffentlicht. Der Artikel erschien auf dem Titelbild der entsprechenden Ausgabe und wurde sowohl in die Sammlung „2021 Hot Green Chemistry Articles“ als auch in die Rubrik „Green Chemistry Editor’s Choice“ aufgenommen.
In dem Artikel wurde gezeigt, dass die Ökotoxizität von GVL gegenüber aquatischen Pflanzen, Bakterien, Wirbellosen sowie einer Wirbeltierzelllinie sehr gering ist. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass das Lacton innerhalb eines Monats vollständig biologisch abgebaut wird.
Weiterhin wurden die Lösungsmitteleigenschaften von GVL mithilfe der Hansen-Löslichkeitsparameter, COSMO-RS-Berechnungen und vorhandener Literaturdaten zu GVL modelliert, um mögliche Anwendungen dieses „grünen Lösungsmittels“ zu bewerten. Dabei zeigte sich, dass GVL ein vielversprechender Ersatz für verschiedene hochpolare, aprotische Lösungsmittel wie die reproduktionstoxischen Verbindungen N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) und Dimethylformamid (DMF) darstellen kann.
GVL wurde als nachhaltiges und weniger toxisches Lösungsmittel mit großem Potenzial für die Herstellung bestimmter Polymere oder pharmazeutischer Wirkstoffe, als Reinigungsmittel in verschiedenen Lack- und Beschichtungsformulierungen sowie als Lösungsvermittler in Kosmetika, Pharmazeutika oder Agrochemikalien eingestuft.
Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse arbeitet der Lehrstuhl von Prof. Kunz derzeit mit einem Industrieunternehmen am Aufbau einer Pilotanlage mit einer Kapazität von 2.000 Tonnen pro Jahr. Bei steigender Nachfrage könnte die Produktion anschließend auf mehrere Tausend Tonnen pro Jahr ausgeweitet werden.
Chemische Photokatalyse geht baden
Licht, Wasser und Seife reichen aus, um stabile chemische Bindungen zwischen Kohlenstoff und Chloratomen zu spalten und für Reaktionen zu aktiveren. Das haben Regensburger Chemiker herausgefunden. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Catalysis publiziert.
