Organische Chemie

Synthese von Naturstoffderivaten

Die organische Synthese ist seit jeher eine wesentliche Querschnittstechnologie, um Naturstoffe nutzbar zu machen. Durch die stetig wachsende Verfügbarkeit von biobasierten Rohstoffströmen kann diese veränderte Rohstoffbasis durch etablierte Chemie dazu genutzt werden, auch neue Syntheseprodukte für verschiedene Märkte zugänglich zu machen. Wir unterstützen Partner im Rahmen von Studien zur Machbarkeit bis hin zur Syntheseentwicklung im Labormaßstab.

Bausteine für neue biobasierte Thermoplaste

Ein Fokus im Bereich »Organische Chemie« ist die Modifikation von Naturstoffen. Darunter fällt beispielsweise die Funktionalisierung von Terpenen zur Synthese von Monomeren für neue Biopolymere.

Ein erfolgreich entwickeltes Beispiel hierfür ist die Herstellung von Lactamen aus 3-Caren. Dabei ist es uns gelungen, selektiv zwei verschiedene Lactame herzustellen, von denen eines zu einem teilkristallinen, das andere zu einem amorphen Polyamid umgesetzt werden kann.

Ein weiteres Beispiel ist die kombinierte bio- und chemokatalytische Umsetzung von Campher zu Diolen und Diaminen, die zu Polyamiden und Polyestern umgesetzt werden können (doi.org/10.1002/cctc.201300344). Eine naheliegende Modifikation von Terpenen ist die Epoxidierung, die sowohl enzymatisch als auch chemisch intensiv untersucht wurde. Entsprechend konnten wir die Reaktionsbedingungen so optimieren, dass auch die Epoxidierung von Terpenderivaten möglich wird, die unter sauren Bedingungen zu Umlagerungsreaktionen tendieren.

Bausteine für Epoxidharze

Neben der Modifikation von Terpenen zur Herstellung von Polyamiden und Polyestern arbeiten wir an der Synthese eines Präpolymers als Ausgangsstoff zur Produktion hochwertiger quervernetzter Epoxidharze auf Basis von Limonen.

Modifizierte Biopolymere

Ergänzend zur Synthese von Bausteinen für die Polymerisation ist die Modifikation von Polysacchariden ein weiteres wichtiges Thema im Innovationsfeld. Im Projekt ChitoMat wird an der Entwicklung von thermoplastisch verarbeitbaren Chitinderivaten geforscht. Auf diese Weise können wir durch die Konvergenz aus klassischer Synthese und biobasierten Rohstoffen aus chitinhaltigen Abfallstoffen neuartige Biopolymere für die additive Fertigung zugänglich machen.

Scale-up

Nach der Ausarbeitung der Reaktionen im Labor steht ein automatisierter Reaktor (LabMax der Firma Mettler-Toledo) mit einem Reaktionsvolumen von 4 Litern und ein 100-Liter-Pilotkessel am Fraunhofer CBP zur sukzessiven Skalierung bis zum Pilotmaßstab zur Verfügung.

• Literatur- und Patentstudien, z. B. zur
  
  • Synthese von Feinchemikalien
  • Entfernung von Verunreinigungen in chemischen Produkten
  • Verfügbarkeit und Eignung von Biokunststoffen zur Verpackung von Lebensmitteln
• Evaluierung des optimalen Synthesewegs zu Zielprodukten
• Synthese biobasierter Alternativen zu fossilen Verbindungen
• Reaktionsoptimierung mittels statistischer Versuchsplanung
• Skalierung von Reaktionen bis in den 4-Liter-Maßstab

Stockmann, P. N., Van Opdenbosch, D., Poethig, A., Pastötter, M., Lessig, S., Raab, J., Woelbing, M., Falcke, C., Winnacker, M,, Zollfrank, C., Strittmatter, H., Sieber, V. Biobased chiral semi-crystalline or amorphous high-performance polyamides and their scalable stereoselective synthesis. Nature Communciations, 2020, 11(1), 1-12, https://doi.org/10.1038/s41467-020-14361-6.

Stockmann P. N., Pastötter, D. L., Wölbing, M., Falcke, C., Winnacker, M., Strittmatter, H., Sieber, V. New Bio-Polyamides from Terpenes: α-Pinene and (+)-3-Carene as Valuable Resources for Lactam Production. Macromolecular Rapid Communications, 2019, 40 (11), 1800903, https://doi.org/10.1002/marc.201800903.

Ranganathan, S., Tebbe, J., Wiemann, L.O., Sieber, V. Optimization of the lipase mediated epoxidation of monoterpenes using the design of experiment – Taguchi method. Process Biochemistry, 2016. 10: p. 1479-1485, https://doi.org/10.1016/j.procbio.2016.07.005.

Hofer, M., Strittmatter, H., Sieber, V. Biocatalytic Synthesis of a Diketobornane as a Building Block for Bifunctional Camphor Derivatives. ChemCatChem, 2013, 5(11): p. 3351-3357, https://doi.org/10.1002/cctc.201300344.

Wiemann, L.O., Faltl, C., Sieber, V. Lipase-mediated Epoxidation of the Cyclic Monoterpene Limonene to Limonene Oxide and Limonene Dioxide. Zeitschrift für Naturforschung, 2012, 67b, 1056-1060, https://doi.org/10.5560/znb.2012-0167.

Reiter, J., Strittmatter, H., Wiemann, L.O., Schieder, D., Sieber, V. Enzymatic cleavage of lignin β-O-4 aryl ether bonds via net internal hydrogen transfer. Green Chemistry, 2013, 15(5): p. 1373-1381, https://doi.org/10.1039/C3GC40295A.