Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Kohlenhydrate sind als nachwachsende Rohstoffe im industriellen Ma\u00dfstab in hochreiner Form verf\u00fcg-bar. Ziel des vorgelegten Projekts war es, neue chemische Methoden zu identifizieren, zu optimieren und im Pilotma\u00dfstab zu realisieren, mit denen eine effiziente Umwandlung ungesch\u00fctzter Kohlenhydrate in wertvolle Feinchemikalien gelingt.<\/p>\n
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\u00e4llen 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 \u00fcberf\u00fchrt. Die ho-hen Kohlenhydratkonzentrationen der stabilen Schmelzen von 2-4 mol\/L erm\u00f6glichen es, effiziente che-mische Konversionen in f\u00fcr die Kohlenhydratchemie ganz neuen Prozessfenstern mit sehr hohen Raum\/Zeit Ausbeuten zu erforschen und zu entwickeln.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
S\u00e4mtliche 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\u00fcnschten Zielprodukten erreicht werden. <\/p>\n
F\u00fcr die Konversion von Furfurylalkohol zu 4-Hydroxy-2-cyclopentenon konnte im Laborma\u00dfstab ein kon-tinuierlicher Prozess mit guten Ausbeuten realisiert werden. Im weiteren Projektverlauf wurde die Sequenz auf eine Pilotanlage f\u00fcr einen kontinuierlichen Prozess f\u00fcr die Durchf\u00fchrung auf gr\u00f6\u00dferen Produktivit\u00e4ts-skalen \u00fcbertragen. Die Optimierung des Prozesses auf der Pilotskala war erfolgreich; es konnte wie geplant der Zugang zu einer zumindest um eine Gr\u00f6\u00dfenordnung h\u00f6heren Produktionskapazit\u00e4t im Vergleich zum Laborma\u00dfstab realisiert werden.
\nDie \u00f6kologische Bewertung dieses kontinuierlichen Verfahrens zeigt deutliche Vorteile gegen\u00fcber der klassischen Batch-Durch\u00acf\u00fch\u00acrung. Durch den Wechsel der Prozessf\u00fchrung, dem Einsatz eines anderen L\u00f6sungsmittels und einem geringeren Aufarbeitungsaufwand, der sich aus der h\u00f6heren Ausbeute des kontinuierlichen Prozesses ergibt, lassen sich deutliche Reduktionsm\u00f6glichkeiten der betrachteten Um-weltwirkungskategorien ableiten (Verringerung des Treibhauspotentials um 73%, der Ersch\u00f6pfung abioti-scher Ressourcen um 69%, des Ozonabbaupotentials um 65%, des Photochemischen Ozonbildungspo-tentials um 69%, des Versauerungspotentials um 80%, des \u00dcberd\u00fcngungspotentials um 71%, der Land-nutzung um 61%, des Humantoxizit\u00e4tspotentials um 68% sowie der Boden\u00f6kotoxizit\u00e4t (TAETP) um 85% im Vergleich zum Batch-Verfahren als Referenz). Eine kontinuierliche Reaktionsf\u00fchrung ist dem Batch-verfahren aus \u00f6kologischer Sicht somit eindeutig vorzuziehen. Trotz der verwendeten, erh\u00f6hten Reakti-onstemperatur ergaben sich auch eindeutige Vorteile aus energetischer Sicht. <\/p>\n
Die zu Projektbeginn urspr\u00fcnglich ins Auge gefasste Konversion von 4-Hydroxy-2-cyclopentenon in aro-matische Verbindungen f\u00fchrte zu keinem Ergebnis.<\/p>\n
Dar\u00fcber hinaus wurde die weitere Nutzung von 4-Hydroxy-2-cyclopentenon als Synthesebaustein, z. B. f\u00fcr pharmazeutische Wirkstoffe untersucht. Dabei wurde eine kinetische Racematspaltung \u00fcber eine Pd-katalysierte asymmetrische allylische Substitution gefunden, die einen effizien\u00acten Zugang zu optisch aktiven 4-substituierten 2-Cycolpentenonderivaten er\u00f6ffnet.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Ergebnisse des Projekts wurden auf wissenschaftlichen Tagungen durch die beteiligten Mitarbeiter vorgestellt. In die folgenden Publikationen sind Ergebnisse des Projekts eingeflossen:<\/p>\n
K. Ulbrich, P. Kreitmeier, O. Reiser, Synlett 2010, 2037-2040: \u0093Microwave- or Microreactor-Assisted Con-version of Furfuryl Alcohols into 4-Hydroxy-2-cyclopentenones\u0094.<\/p>\n
K. Ulbrich, P. Kreitmeier, T. Vilaivan. O. Reiser, J. Org. Chem. 2013, 78, 4202-4206: \u0093Enantioselective Synthesis of 4 Heterosubstituted Cyclopentenones\u0094.<\/p>\n
M. Dobmeier, J. M. Herrmann, D. Lenoir, B. K\u00f6nig, Beilstein J. Org. Chem. 2012, 8, 330-336: \u0093Reduction of benzylic alcohols and ?-hydroxycarbonyl compounds by hydriodic acid in a biphasic reaction medium\u0094.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Von den drei Forschungsans\u00e4tzen konnte die Konversion von Furfurylalkohol zu 4-Hydroxy-2-cyclo-pentenon durch den Einsatz von Mikroreaktortechnik deutlich verbessert und im Ma\u00dfstab vergr\u00f6\u00dfert werden. Diese zeigt an einem wichtigen Beispiel das Potential der Mikroreaktionstechnik f\u00fcr die chemi-sche Umwandlung von nachwachsenden Rohstoffen in Feinchemikalien. Allerdings wird auch deutlich, dass jeweils die spezifischen Umst\u00e4nde der jeweiligen Reaktion oder Stoffgruppe ber\u00fccksichtigt werden m\u00fcssen und zum erreichen optimaler Reaktionsbedingungen eine genaue Optimierung erforderlich ist.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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