Untersuchungen zur CO2-Fixierung ammonoxidierter Lignine und deren Verwendung als Bodenverbesserungsmittel

Technische Lignine oder ligninhaltige Materialien lassen sich durch oxidative Ammonolyse (Ammonoxidation) in künstliche Huminstoffe überführen. In Gegenwart von Sauerstoff werden in wässiger ammoniakalischer Lösung hochreaktive chinoide Intermediate gebildet, die unter Einbau von Stick-stoff Ammoniumsalze, Amide, Amine und Harnstoff-Derivate bilden. Derartige N-Lignine weisen neben ihrer huminstoffähnlichen Struktur alle Vorteile eines organo-mineralischen „slow-release“-Düngemittels auf, das sich u.a. sehr gut für die Rekultivierung von degradierten Böden einsetzen ließe. Sekundäre Amine sind in der Lage CO2 in Form von 2:1 Komplexen zu binden, die sowohl als Additions- als auch als Ionenpaar-Verbindungen (dialkylammonium dialkylcarbamates, “dialcarbs”) beschrieben werden können und ein komplexes strukturdynamisches Verhalten aufweisen. Viele Dialkylammonium-dialkylcarbamate sind bei Raumtemperatur ionische Flüssigkeiten oder Salze, die bei Erhitzen reversible in ihre gasförmigen Bestandteile zerfallen und beim Abkühlen wieder zurückgebildet werden. Aufgrund ihres Gehaltes an Dialkylaminen and Dialkylamiden sind N-Lignine ebenfalls in der Lage, CO2 reversibel in Form von Carbamat-Komplexen zu binden. Verwendet man bei ihrer Herstellung über Ammonoxidation (Di)methylamin anstelle von Ammoniak, lässt sich der Gehalt an Dialkylaminen and Dialkylamiden und damit der Gehalt an CO2-Bindungsstellen stark erhöhen. Hydrochinon-, Catechol- und Benzochinonderivate sind wichtige Intermediate der natürlichen Humifizierung, wobei 2,5-Dihydroxy-[1,4]benzochinon offensichtlich eine Schlüsselrolle einnimmt. Das außergewöhnliche Reaktionsverhalten dieser Verbindung ist bisher kaum untersucht noch genutzt worden. In schwach saurem bis alkalischem Medium bildet 2,5-Dihydroxy [1,4]benzochinon ein symmetrisches, stark resonanzstabilisiertes Dianion, das an beiden unsubstituierten Ringpositionen ausgeprägte Nukleophilie aufweist und entsprechend leicht mit CO2 oder Carbonsäure-Derivaten wie Carbamaten oder Harnstoff reagieren kann. Die Carboxylierung von 2,5-Dihydroxy-[1,4]benzochinon in neutralem Medium ist eines der äußerst seltenen Beispiele für eine C-C-Bindungsknüpfung unter Beteiligung von CO2. Im Gegensatz zur temporären CO2-Fixierung durch Dialkylammonium-dialkylcarbamate ist diese Art der CO2-Fixierung permanent. Gegenstand des Forschungsvorhabens „COBAL“ ist die grundlegende Erforschung der Aktivierung von CO2 durch Reaktion mit hochreaktiven 2,5-Dihydroxy-[1,4]benzochinon-Derivaten wie sie im natürlichen Humifizierungsprozess auftreten sowie die Untersuchung einer gezielten CO2-Fixierung an speziell funktionalisierten (ammonoxidierten) Ligninen. Die geplanten Untersuchungen schließen sowohl detaillierte Studien der Reaktionsmechanismen unter Einbeziehung von Modellverbindungen und unterschiedlichen Ligninen, als auch die umfassende Charakterisierung der Reaktionsprodukte ein. Außerdem ist vorgesehen, entsprechende Produkte sowohl im Hinblick auf die Verwendung in der Landwirtschaft als auch bei der Rekultivierung degradierter Böden zu testen. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die stoffliche Veredelung von zwei in großem Maßstab verfügbaren Abfallprodukten (CO2 und Lignin) zu einem umweltfreundlichen Humusersatzstoff mit Langzeit-Düngewirkung.