Projekt 26920/01

Katalytische Konversion von nachwachsenden Rohstoffen im Mikroreaktor (KonaRoM)

Projektträger

Universit√§t Regensburg Lehrstuhl f√ľr Organische Chemie
Universitätsstr. 31
93053 Regensburg
Telefon: +49 9 41 9 43 45 76

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Kohlenhydrate sind als nachwachsende Rohstoffe im industriellen Ma√üstab in hochreiner Form verf√ľg-bar. Ziel des vorgelegten Projekts war es, neue chemische Methoden zu identifizieren, zu optimieren und im Pilotma√üstab zu realisieren, mit denen eine effiziente Umwandlung ungesch√ľtzter Kohlenhydrate in wertvolle Feinchemikalien gelingt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs sollten drei Reaktionstypen genutzt werden: Die thermische und die thermisch-katalytische Umwand-lung, sowie die gezielte Konversion durch Reagenzien. Entscheidend ist in allen F√§llen die exakte Kon-trolle der zum Teil extremen Reaktionsbedingungen, was nur durch Mikroreaktionstechnik gelingen kann. Um Kohlenhydrate in einem kontinuierlichen Mikroreaktorprozess umzusetzen, werden sie in niedrig vis-kose Schmelzen durch Zusatz von Additiven, wie Harnstoff und anorganischen Salzen √ľberf√ľhrt. Die ho-hen Kohlenhydratkonzentrationen der stabilen Schmelzen von 2-4 mol/L erm√∂glichen es, effiziente che-mische Konversionen in f√ľr die Kohlenhydratchemie ganz neuen Prozessfenstern mit sehr hohen Raum/Zeit Ausbeuten zu erforschen und zu entwickeln.


Ergebnisse und Diskussion

S√§mtliche Untersuchungen und Vorversuche zur thermischen und die thermisch-katalytischen Umwand-lung von Schmelzmischungen aus Kohlenhydraten mit Zusatzkomponenten verliefen erfolglos. Es kam entweder zur raschen und unkontrollierten Zersetzung der eingesetzten Kohlenhydrate, oder aber es konnten nur sehr niedrige Ausbeuten an den gew√ľnschten Zielprodukten erreicht werden.

F√ľr die Konversion von Furfurylalkohol zu 4-Hydroxy-2-cyclopentenon konnte im Laborma√üstab ein kon-tinuierlicher Prozess mit guten Ausbeuten realisiert werden. Im weiteren Projektverlauf wurde die Sequenz auf eine Pilotanlage f√ľr einen kontinuierlichen Prozess f√ľr die Durchf√ľhrung auf gr√∂√üeren Produktivit√§ts-skalen √ľbertragen. Die Optimierung des Prozesses auf der Pilotskala war erfolgreich; es konnte wie geplant der Zugang zu einer zumindest um eine Gr√∂√üenordnung h√∂heren Produktionskapazit√§t im Vergleich zum Laborma√üstab realisiert werden.
Die √∂kologische Bewertung dieses kontinuierlichen Verfahrens zeigt deutliche Vorteile gegen√ľber der klassischen Batch-Durch¬¨f√ľh¬¨rung. Durch den Wechsel der Prozessf√ľhrung, dem Einsatz eines anderen L√∂sungsmittels und einem geringeren Aufarbeitungsaufwand, der sich aus der h√∂heren Ausbeute des kontinuierlichen Prozesses ergibt, lassen sich deutliche Reduktionsm√∂glichkeiten der betrachteten Um-weltwirkungskategorien ableiten (Verringerung des Treibhauspotentials um 73%, der Ersch√∂pfung abioti-scher Ressourcen um 69%, des Ozonabbaupotentials um 65%, des Photochemischen Ozonbildungspo-tentials um 69%, des Versauerungspotentials um 80%, des √úberd√ľngungspotentials um 71%, der Land-nutzung um 61%, des Humantoxizit√§tspotentials um 68% sowie der Boden√∂kotoxizit√§t (TAETP) um 85% im Vergleich zum Batch-Verfahren als Referenz). Eine kontinuierliche Reaktionsf√ľhrung ist dem Batch-verfahren aus √∂kologischer Sicht somit eindeutig vorzuziehen. Trotz der verwendeten, erh√∂hten Reakti-onstemperatur ergaben sich auch eindeutige Vorteile aus energetischer Sicht.

Die zu Projektbeginn urspr√ľnglich ins Auge gefasste Konversion von 4-Hydroxy-2-cyclopentenon in aro-matische Verbindungen f√ľhrte zu keinem Ergebnis.

Dar√ľber hinaus wurde die weitere Nutzung von 4-Hydroxy-2-cyclopentenon als Synthesebaustein, z. B. f√ľr pharmazeutische Wirkstoffe untersucht. Dabei wurde eine kinetische Racematspaltung √ľber eine Pd-katalysierte asymmetrische allylische Substitution gefunden, die einen effizien¬¨ten Zugang zu optisch aktiven 4-substituierten 2-Cycolpentenonderivaten er√∂ffnet.



√Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation

Die Ergebnisse des Projekts wurden auf wissenschaftlichen Tagungen durch die beteiligten Mitarbeiter vorgestellt. In die folgenden Publikationen sind Ergebnisse des Projekts eingeflossen:

K. Ulbrich, P. Kreitmeier, O. Reiser, Synlett 2010, 2037-2040: ¬ďMicrowave- or Microreactor-Assisted Con-version of Furfuryl Alcohols into 4-Hydroxy-2-cyclopentenones¬Ē.

K. Ulbrich, P. Kreitmeier, T. Vilaivan. O. Reiser, J. Org. Chem. 2013, 78, 4202-4206: ¬ďEnantioselective Synthesis of 4 Heterosubstituted Cyclopentenones¬Ē.

M. Dobmeier, J. M. Herrmann, D. Lenoir, B. K√∂nig, Beilstein J. Org. Chem. 2012, 8, 330-336: ¬ďReduction of benzylic alcohols and ?-hydroxycarbonyl compounds by hydriodic acid in a biphasic reaction medium¬Ē.



Fazit

Von den drei Forschungsans√§tzen konnte die Konversion von Furfurylalkohol zu 4-Hydroxy-2-cyclo-pentenon durch den Einsatz von Mikroreaktortechnik deutlich verbessert und im Ma√üstab vergr√∂√üert werden. Diese zeigt an einem wichtigen Beispiel das Potential der Mikroreaktionstechnik f√ľr die chemi-sche Umwandlung von nachwachsenden Rohstoffen in Feinchemikalien. Allerdings wird auch deutlich, dass jeweils die spezifischen Umst√§nde der jeweiligen Reaktion oder Stoffgruppe ber√ľcksichtigt werden m√ľssen und zum erreichen optimaler Reaktionsbedingungen eine genaue Optimierung erforderlich ist.

√úbersicht

Fördersumme

277.460,00 ‚ā¨

Förderzeitraum

01.04.2009 - 16.05.2014

Internet

www.uni-regensburg.de

Bundesland

Bayern

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik