Katalytische Konversion von nachwachsenden Rohstoffen im Mikroreaktor (KonaRoM)

Kohlenhydrate sind als nachwachsende Rohstoffe im industriellen Maßstab in hochreiner Form verfügbar. Ziel des Projekts KonaRoM ist es, neue chemische Methoden zu identifizieren, zu optimieren und im Pilotmaßstab zu realisieren, mit denen eine effiziente Umwandlung von Kohlenhydraten in wertvolle Feinchemikalien gelingt.

Traditionell nutzt die organische Synthesechemie wenig funktionalisierte Kohlenwasserstoffe aus Erdöl, Erdgas und Kohle als Rohstoffe. Durch Raffinierung werden Reinsubstanzen oder Fraktionen ähnlicher Substanzen erhalten, die durch die Einführung funktioneller Gruppen, z.B. über radikalische Chlorierung oder Oxidationsreaktionen, großtechnisch in optimierten Verfahren in Chemiezwischenprodukte und Feinchemikalien umgewandelt werden.

Diese sind die Ausgangsmaterialien für viele Chemieprodukte, z.B. Farben, Emulgatoren oder medizinische Wirkstoffe. Zur selektiven Einführung oder Umwandlung funktioneller Gruppen stehen aus der mehr als 100jährigen Erfahrung der Synthesechemie viele Methoden zur Verfügung. Die effiziente Gewinnung von hochwertigen Feinchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen ist hingegen eine erhebliche Herausforderung für die organische Synthese. Angesichts endlicher fossiler Rohstoffquellen, wird es notwendig, auch nachwachsende Rohstoffe für die chemische Synthese zu erschließen.

Naturstoffe, wie Zucker oder Aminosäuren, besitzen im Vergleich zu fossilen Kohlenwasserstoffen viele Funktionalitäten. Ein weitgehender chemischer oder biotechnologischer Abbau der Komplexität, z.B. durch Überführung des Zuckers in Bioethanol, ist bereits zur industriellen Anwendung entwickelt.

Bei diesen Transformationen geht allerdings die für viele Syntheseanwendungen wertvolle chirale Information der Naturstoffe verloren. Die selektive, nur teilweise Defunktionalisierung, durch die wertvolle Eigenschaften der Naturstoffe erhalten bleiben, ist hingegen nur wenig untersucht. Hier fehlen Reagenzien, Katalysatoren, aber auch Syntheseverfahren, die dies in effizienter Weise leisten können. Das hier vorgestellte Projekt soll dazu beitragen, diese Lücke zu schließen.

Ziel des Vorhabens ist es, gut verfügbare Kohlenhydrate in kontinuierlichen Prozessen in wertvolle Feinchemikalien zu überführen. Dabei soll gezielt ein Teil der funktionellen Gruppen und der chiralen Information des eingesetzten Naturstoffs erhalten bleiben. Zielprodukte sind chirale Alkohole, Alkene, Aromaten oder Heterocyclen. Dabei sollen drei Reaktionstypen genutzt werden: Die thermische und die thermisch-katalytische Umwandlung, sowie die gezielte Konversion durch Reagenzien. Entscheidend ist in allen Fällen die exakte Kontrolle der zum Teil extremen Reaktionsbedingungen, was nur durch Mikroreaktionstechnik gelingen kann. Um Kohlenhydrate in einem kontinuierlichen Mikroreaktorprozess umzusetzen, werden sie in niedrig viskose Schmelzen durch Zusatz von Additiven überführt oder als hoch konzentrierte wässrige Lösung eingesetzt. Die hohen Kohlenhydratkonzentrationen ermöglichen es, effiziente chemische Konversionen in für die Kohlenhydratchemie ganz neuen Prozessfenstern mit sehr hohen Raum/Zeit Ausbeuten zu erforschen und zu entwickeln.

Unsere Vision ist die Entwicklung einer kleinen Pilotanlage, die durch katalytische chemische De- und Umfunktionalisierung gut verfügbare Kohlenhydrate in wertvolle Feinchemikalien für die organische Synthese umwandelt. Dazu sind einerseits geeignete chemische Prozesse zu optimieren, andererseits muss ein Mikroreaktorsystem entwickelt werden, in dem die kontrollierte Umwandlung gelingt.

Projektdurchführung:
Prof. Dr. Burkhard König (Projektleitung)
Prof. Dr. Oliver Reiser
Prof. Dr. Thomas Wirth (Kooperationspartner an der Universität Cardiff, Großbritannien)
Universität Regensburg
Institut für Organische Chemie
Universitätsstraße 31
93053 Regensburg
Tel. 0941/943-4575
Fax 0941/943-1717
burkhard.koenig@chemie.uni-regensburg.de
www.chemie.uni-regensburg.de

Projektpartner:
Prof. Dr. Volker Hessel
Institut für Mikrotechnik Mainz
Carl-Zeiss-Straße 18-20
55129 Mainz
Tel. 06131/990-450
Fax 06131/990-205
hessel@imm-mainz.de
www.imm-mainz.de

Dr. Olaf Stange
Ehrfeld Mikrotechnik BTS GmbH
Mikroforum Ring 1
55234 Wendelsheim
Tel. 06734/919330
Fax 06734/919305
Olaf.stange@ehrfeld.com
www.ehrfeld.com

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