Plattformchemikalie mit Potenzial Erneuerbare Chemie: Lävulinsäure als biobasierte Plattformchemikalie

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Leibniz-Institut für Katalyse e.V.

Die Vielfältigkeit der Chemie erlaubt es, viele der auf Erdöl basierenden Stoffe aus erneuerbaren Rohstoffen herzustellen. Doch viele der Verfahren stecken noch in den Kinderschuhen. Lävulinsäure hat ihren Durchbruch als Plattformchemikalie indes bereits geschafft. Mit ihrer Hilfe kann z.B. aus Holz Kunststoff werden.

Rund 95% der Chemikalien, die in unserem tagtäglichen Leben eine Rolle spielen, werden derzeit aus fossilen Rohstoffen wie Erdgas und Erdöl gewonnen. Der Zeitpunkt, an dem diese Rohstoffe versiegen werden, wird immer wieder debattiert. Fakt ist, dass durch die Natur ihrer Entstehung die Reservoirs fossiler Rohstoffe endlich sind. Außerdem setzt die Verwendung dieser Rohstoffe CO₂ frei, das bis dahin seit Millionen von Jahren in der Erde gespeichert war.

Daher sollten zunehmend mehr Rohstoffe aus erneuerbaren Quellen integriert werden. Leider ist der Bedarf an Benzin, Kerosin und Diesel bei weitem höher als die Menge, die durch Biomasse gewonnen werden könnte. Erneuerbare Ressourcen können jedoch der Herstellung von biobasierten Plattformchemikalien dienen, die für die Produktion von Konsumgütern wie Kunststoffen, Medikamenten, Reinigungsmitteln oder Klebstoffen genutzt werden.

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Plattformchemikalien sind chemische Verbindungen, die mit recht einfachen Verfahren und kostengünstigen Katalysatoren (z.B. Schwefelsäure) aus Biomasse gewonnen werden und anschließend unkompliziert in eine große Vielfalt weiterer Derivate umgesetzt werden können. Ein sehr gutes Beispiel hierfür ist Lävulinsäure. Diese Verbindung wurde bereits vor 180 Jahren von dem niederländischen Chemiker Gerardus Mulder entdeckt, als dieser Fructose in der Gegenwart von Salzsäure erhitzte. Die damals übliche Bezeichnung Lävulose für Fructose führte zum Namen Lävulinsäure.

Der Durchbruch für Lävulinsäure als Plattformchemikalie kam allerdings erst später, als erkannt wurde, dass zur Herstellung nicht nur Fructose, sondern auch die im Holz enthaltene Lignocellulose verwendet werden kann. Lignocellulose sorgt in den Zellwänden von Bäumen für die Festigkeit. Daneben ist die Herstellung auch aus Furfural möglich, das momentan größtenteils schon aus Maispindeln gewonnen wird. Darüber hinaus fällt es als teilweise unerwünschtes Nebenprodukt in der Papierherstellung an (s. Abb. 1).

Von Papierherstellung und Holz zu Kunststoffen

Auch am Leibniz-Institut für Katalyse (LIKAT), das sich der Forschung an chemischen Verfahren widmet, die Umwelt, Klima und Ressourcen entlasten sollen, wird an Verfahren auf Basis nachwachsender Rohstoffe geforscht. Neben der Rückführung von anthropogenem CO₂ wird auch die Herstellung biobasierter Kunststoffe zunehmend untersucht. Ein bedeutendes Beispiel für Kunststoffe ist Nylon, das zur Faser versponnen in Kleidung, den Borsten von Zahnbürsten und Teppichen eingesetzt wird.

Die Vorstufen für Nylon und Perlon, Adipinsäure oder Caprolactam, können aus Lävulinsäure hergestellt werden. Im ersten Schritt reagiert Lävulinsäure mit Wasserstoff zu einem zyklischen Molekül, das als γ-Valerolacton (GVL) bezeichnet wird. Wird dieser Stoff in Gegenwart von Katalysatoren verdampft, spaltet sich Wasser ab. Dadurch ändert sich die Art und Weise, wie die restlichen im Molekül verbleibenden Atome verknüpft sind. Die ent­standenen Verbindungen werden als Pentensäureester bezeichnet (s. Abb. 2 A-C). Theoretisch müssten jetzt lediglich noch Kohlenmonoxid und Methanol zugesetzt werden. Hierbei ergeben sich aber drei Möglichkeiten der Anordnung, was diesen Schritt zur kritischsten Stufe in der Syntheseroute macht. Da diese drei Intermediate sehr ähnliche Eigenschaften aufweisen, ist ihre Trennung voneinander sehr auf­wändig.

Überraschenderweise wurde kürzlich entdeckt, dass eine Trennung durch die Anwendung zweier unterschiedlicher Katalysatoren möglich wird. Das Gemisch kann mittels eines Rhodium- und eines Palladium-Katalysators in eine Vorstufe zu Caprolactam umgesetzt werden und separat zu Adipinsäure-Estern. Der Grund dafür ist vereinfacht gesagt, dass der Rhodium-Katalysator lediglich die Reaktion von Pentensäureester A mit Kohlenmonoxid beschleunigt. Das erhaltene Produkt kann auf diese Weise einfach aus der Reaktionslösung abgetrennt werden. Die verbliebenen Verbindungen B und C hingegen können nun mithilfe des Palladium-Katalysators zu einer Vorstufe der Adipinsäure umgesetzt werden.

Neben der Herstellung von Nylon bietet sich Lävulinsäure jedoch auch als potenzieller Rohstoff für die Herstellung von transparenten Beschichtungen an. Wenn Lävulinsäure beispielsweise in Gegenwart von Phosphorsäure destilliert wird, bildet sich Angelicalacton. Dieser Stoff wird aufgrund seines angenehmen Geruchs nach Kokosnuss vielfach in Duftstoffen und Kosmetika eingesetzt. Das Molekül lässt sich in einer Diels-Alder-Reaktion in ein geeignetes Monomer für Beschichtungen umsetzen. Diese Reaktion ist besonders ressourcenschonend, da alle in den Ausgangsstoffen vorhandenen Atome in das Endprodukt eingebaut werden. Zusätzlich sind die erhaltenen Polymerfilme wesentlich polarer als ein Vergleichsprodukt auf Erdölbasis, was neue Anwendungen ermöglicht (s. Abb. 3).

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