Katalyse mit erneuerbaren Rohstoffen & Plattformchemikalien

Dr. Sandra Hinze

Die Themengruppe wurde zu Beginn des Jahres 2014 ins Leben gerufen und wird durch Dr. Sandra Hinze in enger Zusammenarbeit mit Prof. Johannes G. de Vries geleitet. Aktuell forschen 10 WissenschaftlerInnen aus 7 Nationen bei uns, davon 2 PostDocs, 5 Doktoranden, 1 Master Student und 1 Techniker.

Infrastruktur, Prozesse und Produkte der Chemischen Industrie sind wesentlich durch fossile Rohstoffe, wie z.B. Erdöl, geprägt. Die begrenzte Verfügbarkeit fossiler Ressourcen erfordert allerdings ein Umdenken, wodurch die Umsetzung erneuerbarer Rohstoffe zu Basis- und Feinchemikalien außerordentlich an Bedeutung gewonnen hat. Ein vielversprechender Ansatz ist die katalytische Umsetzung nicht-essbarer Biomasse, wie Zellulose, Lignin oder Lignozellulose, da diese in eine Vielzahl von Plattformchemikalien umgewandelt werden können, u.a. Ethanol, Crotylalkohol oder Levulinsäure. Wir wollen diese Plattformchemikalien hauptsächlich mittels homogener Katalyse in hochwertige Chemikalien und Polymerbausteine umsetzen. Die folgenden Beispiele geben dabei einen Eindruck unserer Herangehensweise und Expertise. 1

Aus Holz gemacht

In den letzten beiden Jahren haben wir begonnen in 2 europaweiten Projekten zu forschen, die öffentlich durch das EU Horizon 2020 Programm gefördert werden (GreenSolRes 720695 & HUGS 675325). In beiden Projekten geht es um die Entwicklung und Anwendung von Prozessen im Zusammenhang mit der Herstellung von Polymeren aus erneuerbaren Rohstoffen. Die Forschung erfolgt in enger Zusammenarbeit mit industriellen Partnern. Damit wird gewährleistet, dass aktuelle gesellschaftliche und industrielle Fragestellungen Beachtung finden.

Das Projekt HUGS beruht zum Beispiel auf der Produktion von Kunststoffflaschen, die zu 100% aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden. Dieser Prozess wurde vom Industriepartner Avantium entwickelt. Avantium produziert 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) das wiederum monomerer Baustein des PEF (Polyethylenfuranat) ist, dem Material für die Flaschen. Wir erforschen die Wertschöpfung eines Nebenproduktes des Herstellungsprozesses, der Levulinsäure. Eines unserer Ziele ist die Umsetzung von Levulinsäurederivaten in Methylvinylketon, das u.a. in der Synthese von Vitaminen eingesetzt wird (Abbildung 1).

Edel, aber bezahlbar

Als ein zweites Beispiel sei die selektive Ruthenium katalysierte Hydrierung von Aldehyden und Ketonen zu den entsprechenden Alkoholen genannt. Die Untersuchungen erfolgten in Zusammenarbeit mit DSM und verfolgten ein klares Ziel: die Entwicklung eines günstigen, aktiven und stabilen homogenen Katalysators für diese Reaktion. Aktive Katalysatoren basierend auf günstigen Nichtedelmetallen, wie Eisen, sind hierfür bekannt, erfordern aber komplexe Liganden mit anspruchsvoller Synthese. Wir haben einen Ru-Komplex basierend auf sogenannten NNS-Liganden entwickelt. Besonderheit der Liganden ist die unkomplizierte 2-stufige Synthese ausgehend von erschwinglichen Chemikalien. Der Komplex erwies sich als äußerst aktiv für eine Vielzahl von Substraten (TON >200.000), darunter die auf erneuerbaren Rohstoffen basierende Plattformchemikalie HMF (Abbildung 2). Das Katalysatorsystem weist darüber hinaus eine außerordentliche Selektivität der Hydrierung von Carbonylgruppen in Gegenwart von C-C-Doppelbindungen auf.2

References:

  1. For an overview of the use of homogeneous catalysis in the conversion of renewables and platform chemicals, see: P.J. Deuss, K. Barta, J. G. de Vries, Cat. Sci. Technol., 2014, 4, 1174-1196.
  2. P. Puylaert, R. van Heck, Y. Fan, M. Beller, J. Medlock, W. Bonrath, L. Lefort, S. Hinze, J.G. de Vries, 2016, EP16169508.5, EP16169509.3; P. Puylaert et al., 2017, submitted to Chem. Eur. J.