MUST: MicroflUidik zur Bestimmung von Struktur-Reaktivitätsbeziehungen gestützt durch Thermodynamik & Kinetik

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Christoph Held
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446436621

Die Beziehung zwischen der Struktur von Chemikalien und ihrer Reaktivität (Kinetik und Thermodynamik) ist ein Forschungsgebiet, das Thermodynamik, Kinetik, organische Chemie und Chemieingenieurwesen umfasst. Dieses Forschungsgebiet wird in diesem Projekt von deutschen und französischen Spezialisten untersucht. Linearen Freien Energie-Beziehungen (LFER), einschließlich der Taft-Gleichung, ist ein leistungsstarkes Struktur-Reaktivitäts-Tool, das sterische, polare und Resonanzeffekte auf eine Reihe chemischer Reaktionen berücksichtigt. Die Taft-Gleichung zeigt, dass eine Beziehung zwischen der Struktur der Reaktanten (d.h. dem Substituenten in der Nähe des Reaktionszentrums) und ihren Reaktivitäten innerhalb einer Reaktionsreihe besteht. Aktuell wird dies auf chemische Reaktionen unter der Annahme Reaktionsunabhängiger Parameter angewendet. Allerdings wurden bislang Konzentrationen anstelle von thermodynamischen Aktivitäten verwendet, was die Gültigkeit der Beziehungen auf das für die Reaktionen verwendete Lösungsmittel limitiert. Weiterhin dürfen LFER-Konzepte nicht Transportlimitierungen unterliegen. Die Verallgemeinerung von LFER-Konzepten auf eine große Anzahl von Lösungsmitteln und sogar auf Mehrphasensysteme erfordert daher intrinsische kinetische Profile ohne Konzentrations- und Temperaturgradienten, ausgedrückt als thermodynamische Aktivitäten. Dies wird in diesem Projekt entwickelt.Die neu entwickelte Methode auf Taft-Basis wird hauptsächlich auf drei chemische Reaktionssysteme angewendet, die Lignocellulose abgeleitete Plattformmoleküle umfassen: 1) Glukose-Solvolyse zu Levulinaten (L-at) unter Verwendung verschiedener alkoholischer Lösungsmittel, 2) Veresterung von Levulinsäure zu L-at und 3) Hydrierung von Levulinsäure oder L-at zu Gamma-Valerolacton durch H2 und festen Katalysator. Für diese Systeme variieren wir die Reaktanten bzgl der Alkohole (für 1,2) und L-at (für 3). Mit (2) wird die Gültigkeit des LFER-Konzepts für die Enzymkatalyse belegt. Ziel ist es, mit der neu entwickelten Methode den -R-Substituenteneffekt im Reaktanten sowie den Lösungsmitteleffekt auf kinetische Profile zu untersuchen und vorherzusagen.Das Erreichen des Ziels erfordert unterschiedliche Forschungskompetenzen. Durch den Einsatz von Mikrofluidik-Technologien werden kinetische Experimente unter Vermeidung von Transportlmitierungen durchgeführt. Die Aktivitäten der Reaktanten und Produkte werden auf der Grundlage der experimentellen kinetischen Profile und der Zustandsgleichung "ePC-SAFT" vorhergesagt. Dies ermöglicht die Vorhersage von Reaktionseigenschaften sowie von kinetischen Konstanten auf Basis der intrinsischen Aktivität. ePC-SAFT wird weiterverwendet, um das erforderliche Phasenverhalten der Reaktionssysteme vorherzusagen; Vorhersagen werden durch Experimente validiert. Die Vereinigung beider Methoden - LFER und ePC-SAFT - wird ein bedeutendes neues Verständnis und eine neue Dimension für das Design chemischer Synthesen bedeuten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Julien Legros; Professor Dr. Sébastien Leveneur