Nichts zu lachen – oder doch?

Lachgas gelangt etwa aus Düngemitteln, Abgasen oder Narkosemitteln in die Atmosphäre und verursacht rund sechs Prozent der globalen Erwärmung. Effiziente Methoden, Lachgas abzubauen, gibt es bisher nicht. Wie ein neuer metallfreier Katalysator helfen könnte.

Seit der Industrialisierung steigt die ausgestoßene Menge an Treibhausgasen.¹⁾ Kohlendioxid, Methan und Lachgas (N₂O) tragen dabei am meisten zur globalen Erwärmung bei. Ähnlich wie Kohlendioxid absorbiert Lachgas Rückstrahlung von der Erde im nahen Infrarotbereich zwischen 8000 und 9000 nm (CO₂ bei rund 15 000 nm). Daher hat N₂O ein hohes Erwärmungspotenzial – 273-mal größer als das von CO₂.²⁾

Zudem zersetzt sich N₂O durch Strahlung und Sauerstoff in der Stratosphäre zu Stickstoff oder Stickstoffmonoxid. Letztgenanntes katalysiert den Abbau der Ozonschicht, die die Erde vor UV-Strahlung schützt.^3,4)

Problematisch: Vom Jahr 1850 bis 2013 hat die Konzentration atmosphärischen Lachgases um zirka 21 % von 270 ppb auf 326 ppb zugenommen. Gründe sind Agrar-, Industrie-, Energie- und Abfallprozesse.^5,6) Landwirtschaftliche Brachflächen tragen beispielsweise ebenso viel zur globalen Lachgasemission bei wie Industrieprozesse, etwa das Herstellen von Adipinsäure als Lebensmittelzusatzstoff, pharmazeutischer Hilfsstoff und Ausgangsstoff für Nylon und Polyurethan. Länder mit hohem Agraranteil sind besonders starke N₂O-Emittenten. Weltweit wurden im Jahr 2023 knapp 3 Mrd. Tonnen CO₂-Äquivalente N₂O ausgestoßen.⁷⁾ 248 Mio. Tonnen emittierten die USA, 270 Mio. emittierte die Europäische Union und 411 Mio. China.

Um dem Klimawandel entgegenzuwirken, braucht es Möglichkeiten, Lachgas aus der Atmosphäre zu unschädlichen Produkten abzubauen.

Thermisch, stofflich oder katalytisch

Lachgas nichtkatalytisch abzubauen erfordert viel Energie: Bei 800 bis 1000 °C lässt sich N₂O thermisch reduzieren; mit Metalloxiden als Katalysatoren zersetzt es sich zwischen 300 und 600 °C.⁸⁾ Die aus atomökonomischer Sicht beste Methode, Lachgas in der Atmosphäre abzubauen, wäre, es stofflich zu Synthesezwecken zu nutzen. Allerdings ist das bisher nur für wenige Transformationen universell möglich, etwa für Oxidationen.⁹⁾

Einen neuen Ansatz, Lachgas in homogener Katalyse zu zersetzen, bieten Katalysatoren basierend auf Verbindungen von p-Block-Elementen, beispielsweise von Bor, Aluminium, Silicium, Stickstoff, Phosphor oder Bismut.^10,11) Diese Katalysatoren binden kleine Moleküle, etwa Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff oder eben Lachgas, und aktivieren diese so für weitere Reaktionen. Die elektronischen und geometrischen Eigenschaften dieser p-Block-Verbindungen lassen sich anpassen – durch geschickte Wahl der organischen Fragmente des Moleküls. Beispiel Phosphorverbindungen (Abbildung S. 62 oben): Die Donorfähigkeit, also die Fähigkeit, das freie Elektronenpaar des Phosphoratoms für Reaktionen bereitzustellen, lässt sich über die Substituenten steuern. So werden beispielsweise die elektronischen Eigenschaften katalytisch aktiver Metallkomplexe feinjustiert.

Mit Phosphor

P^III/P^V=O-Verbindungen können selbst als Redoxkatalysatoren dienen, etwa in Wittig-Olefinierungen von Carbonylen oder in Appel-Reaktionen, die Alkohole in Alkylhalogenide überführen.¹³⁾ Die Affinität des P-Atoms zu Sauerstoff lässt sich für Deoxygenierungen nutzen, und die oxidierte P-Spezies (P^V=O) kann anschließend wieder zur P^III-Verbindung reduziert werden. Das Oxid des Phosphetans C (Abbildung links oben) lässt sich etwa leicht mit Silanen reduzieren. Funktioniert das auch für die Lachgasreduktion? Wir haben uns das mit den phosphanbasierten Katalysatoren A und D angeschaut (Kasten links).¹⁴⁾

Triphenylphosphan (A) wird stöchiometrisch großtechnisch in der Industrie eingesetzt, beispielsweise um Vitamin A oder Olefine herzustellen. Mit N₂O reagiert es zwar bei 100 °C zu Triphenylphosphanoxid (Ph₃P=O), die Reduktion mit Phenylsilan (PhSiH₃) zur Regenerierung des Katalysators verläuft allerdings verglichen mit der Oxidation sehr langsam. Das macht die katalytische N₂O-Reduktion ineffizient. Anders sieht es mit dem Phosphetan D aus. Dieses reagiert bereits bei 40 °C mit N₂O und Phenylsilan; aus dem Lachgas entstehen ein siloxangebundenes Sauerstoffatom und molekularer Stickstoff. Das Rückgewinnen des Katalysators funktioniert auch mit Polymethylhydrosiloxan (PMHS), einem Abfallprodukt der industriellen Silikonherstellung. Allerdings ist eine Temperatur von 100 °C nötig, um die Reaktion innerhalb eines Tages abzuschließen.

Vielversprechend

Blick auf die thermische N₂O-Reduktion und die heterogen-katalysierte mit Metalloxiden: Hier sind Temperaturen zwischen 800 und 1000 beziehungsweise 300 und 600 °C nötig. 40 und sogar 100 °C sind verglichen damit also mild, der Energieverbrauch ist niedriger. Die Reduktion von Lachgas katalysiert durch Phosphetan ist daher ein weiterer Ansatz, um N₂O zu zersetzen, wenngleich die Atomökonomie durch die Silane als terminales, stöchiometrisches Reduktionsmittel herabgesetzt ist. Weil der Katalysator recycelt wird, lässt er sich außerdem immer wieder verwenden. Vom Treibhausgas N₂O bleibt lediglich Stickstoff übrig. Dieser könnte weiter umgewandelt und als Düngemittel in der Landwirtschaft genutzt werden.

Im Detail: Reaktionsmechanismus

Der Phosphetan-katalysierte Lachgasabbau verläuft über den nukleophilen Angriff des Phosphans an den N-Terminus des N₂O (Abbildung unten), denn eine Grenzstruktur des N₂O ist partiell positiv geladen am N- und partiell negativ am O-Atom. Das Phosphan-N₂O-Addukt kann sich in zwei unterschiedlichen Geometrien anordnen, cis-INT1 und trans-INT1. Im Übergangszustand baut sich eine Ladung am P-Atom auf. Das cis-Addukt ist deswegen besser stabilisiert. Es reagiert in einem intramolekularen O-Atom-Transfer zum Phosphanoxid D[O], gleichzeitig spaltet sich N₂ ab.Phosphan-katalysierte N₂O-Reduktion mit Phenylsilan als stöchiometrisches Reduktionsmittel.

Recycling des Phosphanoxids zum Phosphan schließt den katalytischen Kreislauf: Das Phosphanoxid reagiert mit Phenylsilan über das Intermediat INT2 zum Phosphan.

Eine Erklärung für die unterschiedlichen Reaktivitäten von Triphenylphosphan (A) und des Phosphetans D liefern computergestützte Simulationen. Zum einen ist die Bildung des Phosphan-N₂O-Addukts bei A weniger bevorzugt als bei D, denn bei A ist die Austauschenergie um etwa 3 kcal · mol^–1 niedriger. Zum anderen ist die N₂O-Reduktion mit A vergleichsweise ungünstig: Der intramolekulare Sauerstoffatomtransfer vom Addukt, einhergehend mit der N₂-Freisetzung, benötigt für A Energie, um den Katalysator zu deformieren.

Der Autor

Jan Paradies hat den Beitrag verfasst. Seit 2014 ist er Professor in Paderborn mit Fokus auf metallfreie Katalyse, insbesondere mit Hauptgruppenelementen. Er studierte Chemie in Münster und Edinburgh, forschte nach seiner Promotion am Massachusetts Institute of Technology und habilitierte sich 2014 am Karlsruhe Institute of Technology.

• ¹ P. M. Förster, C. J. Smith, T. Walsh et al., Earth Syst. Sci. Data 2023, 15, 2295–2327
• ² D. A. Lashof, D. R. Ahuja, Nature 1990, 344, 529–531
• ³ R. Müller, Ambio 2021, 50, 35–39
• ⁴ A. R. Ravishankara, J. S. Daniel, R. W. Portmann, Science 2009, 326, 123–125
• ⁵ H. Tian, R. Xu, J. G. Canadell et al., Nature 2020, 586, 248–256
• ⁶ E. A. Davidson, D. Kanter, Environ. Res. Lett. 2014, 9, 105012
• ⁷ Our World in Data: t1p.de/7rg10 (archiviert am 9.9.2025)
• ⁸ X. Wu, J. Du, Y. Gao et al., Chem. Soc. Rev. 2024, 53, 8379–8423
• ⁹ K. Severin, Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 6375–6386
• ¹⁰ D. W. Stephan, Chem 2020, 6, 1520–1526
• ¹¹ D. W. Stephan, G. Erker, Chem. Sci. 2014, 5, 2625–2641
• ¹² M. A. Wünsche, P. Mehlmann, T. Witteler et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11857–11860
• ¹³ J. M. Lipshultz, G. Li, A. T. Radosevich, J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 1699–1721
• ¹⁴ R. Zhou, V. Medvari, T. Werner, J. Paradies, J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 37879–37884

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