Neue chemische Bausteine aus terpenoiden Abfallströmen

Terpene als Rohstoff

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Papierherstellung.

Terpene, sekundäre Inhaltsstoffe von Pflanzen, werden seit Jahrhunderten beispielsweise als ätherische Öle sowohl in der Medizin als auch für Geschmacks- und Duftstoffe verwendet. Sie sind in der Natur reichlich vorhanden. Innerhalb verschiedener industrieller Prozesse, beispielsweise bei der Herstellung von Zellulose aus Nadelbäumen, fallen Terpene als Terpentinöl in erheblicher Menge als Nebenprodukt an. Aus Pinen, dem im Tonnenmaßstab anfallenden Hauptbestandteil des Terpentinöls, wird beispielsweise Campher hergestellt.

Aus diesem Grund stellen Terpene einen idealen natürlichen Rohstoff für die Entwicklung neuer Chemikalien und Werkstoffe dar. Um die substituierten cyclischen oder bicyclischen, teilweise funktionalisierten Kohlenwasserstoffe stofflich zu verwerten, erarbeitet das Fraunhofer IGB Synthesewege für verschiedene Terpenderivate, die als Monomere zur Herstellung neuer Biopolymere eingesetzt werden können.

Der Schwerpunkt der Forschung des Fraunhofer IGB liegt in der Entwicklung von neuen katalytischen chemo-enzymatischer Prozessen zur gezielten Funktionalisierung von Terpenen, um neue Bulk- und Feinchemikalien herzustellen. Die ersten Prozesse konnten wir bereits für die Herstellung größerer Mengen hochskalieren, um Mustermengen für Applikationstests unserer Kunden zur Verfügung zu stellen. Gleichzeitig arbeiten wir daran, Lösungen für die simultane Anwendung von Chemo- und Biokatalysatoren für Eintopfreaktionen zu entwickeln.

Chemo-enzymatische Katalyse zur Oxyfunktionalisierung

Die selektive Funktionalisierung von Terpenen stellt eine große Herausforderung dar, die durch die Kombination von biotechnologischer und chemischer Katalyse gelöst werden kann. Für diese Aufgabe verwenden wir verschiedene P450-Monooxygenasen, die sowohl aus natürlichen als auch aus optimierten Enzymbibliotheken stammen. Die Enzyme erlauben eine stereo- und regiospezifische Oxyfunktionalisierung von Terpenen. Allein dadurch lassen sich Moleküle erzeugen, die bereits für unterschiedliche industrielle Anwendungsbereiche in Frage kommen. Durch die Kombination mit der chemischen Katalyse lassen sich diese Moleküle noch weiter modifizieren.

Neue enzymatische und katalytische Prozesse für die Herstellung bifunktioneller Moleküle

Die Kombination einer P450-Monooxygenase mit einer Alkoholdehydrogenase führte zu einem enzymatischen, kofaktorneutralen und sehr effizienten Herstellungsprozess des Moleküls Diketocamphen. Die weitere Reduktion dieses Diketons zu einem Diol konnten wir durch einen Ruthenium-Katalysator erfolgreich realisieren. Die Aminierung des Diketons konnte mittels eines Palladium-Katalysators durchgeführt werden.

So führte die Kombination eines natürlichen enzymatischen Systems aus Pseudomonas putida mit heterogener Katalyse zur Herstellung neuer Campher-basierter bifunktioneller Moleküle.

Ziel: Hochleistungspolyamide mit neuen Eigenschaften

Für Campher wurden die chemische Umsetzung zu einem biobasierten Lactam und weiterhin verschiedene Polymerisationswege zu einem biobasierten Polyamid erarbeitet. Anstatt reinen Campherlactams lassen sich auch Gemische mit petrochemisch basiertem ε-Caprolactam zur Polymerisation einsetzen, wobei Polyamid-6-Copolymere entstehen. Wie die rein biobasierten Kunsstoffe weisen auch die Copolymere im Vergleich zum Standardpolymer deutlich veränderten Eigenschaften auf, wie eine verbesserte Tieftemperatur-Schlagzähigkeit auf und einer deutlich amorpheren Struktur und damit größerer Transparenz.

Neben Campher stellen weitere Terpenketone wie Menthon oder dem aus Limonen zugänglichen Carvon vielversprechende Ausgangssubstanzen dar, die entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren erst zu Lactamen und weiter zu Polyamiden umgesetzt werden können.

Aufarbeitung und Analyse

Für die Analyse der neuen Verbindungen wurden sowohl GC- als auch HPLC-Methoden entwickelt und validiert, um den selektiven Nachweis der hergestellten funktionellen Gruppen zu ermöglichen. Mittels NMR-Spektroskopie konnten wir zudem die Konfiguration der Produkte bestimmen. Für die zur Analyse und Anwendungstests notwendige Reinigung der Produkte haben wir einen schnellen und einfachen Extraktionsprozess entwickelt.

 

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