NSF-DFG Echem: Elektrochemische Pyrrolidonsynthese: eine integrierte experimentelle und theoretische Untersuchung der elektrochemischen Amination von Levulinsäure (ElectroPyr)

• Antragstellerin: Professorin Dr. Regina Palkovits
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459861727

Das vorliegende Vorhaben adressiert die elektrochemische Synthese von Pyrrolidonen auf Basis von Levulinsäure, einer vielversprechenden Plattformchemikalie, die auf lignozellulosehaltiger Biomasse basiert. Pyrrolidone sind wichtige Zwischenprodukte für pharmazeutische Produkte, Lösungsmittel und Polymere. Heute erfolgt die Pyrrolidonproduktion ausgehend von Acetylen als Substrat über die Herstellung von gamma-Butyrolacton gefolgt von einer Amidierung mit Ammoniak in der Gasphase. Im Falle von Vinylpyrrolidon als Ziel für die PVP-Produktion erfolgt eine weitere Reppe-Vinylierung wieder mit Acetylen. Jüngste Studien belegen die Machbarkeit einer chemokatalytischen Amination von Levulinsäure, während eine elektrochemische Pyrrolidonsynthese über einen solchen Weg bisher nicht betrachtet wurde. Im Allgemeinen ermöglicht die Elektrochemie mildere Reaktionsbedingungen im Vergleich zur Chemokatalyse und bietet das Potenzial, erneuerbare elektrische Energie in chemische Wertschöpfungsketten zu integrieren. Bei der vorgeschlagenen Pyrrolidonsynthese kann ein hoher Wasserstoffdruck vermieden werden und potenziell wässrige Elektrolyte erleichtern die Integration entlang der Bioraffinerie-Wertschöpfungskette. Trotz des hohen Potenzials und des wachsenden Interesses von Wissenschaft und Industrie an elektrochemischen Prozessen, ist das grundlegende Verständnis elektrochemischer Transformationen begrenzt. Im Falle der chemokatalytischen Biomassevalorisierung ermöglichten gezielte theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Bildung und weiteren Transformation von Plattformmolekülen wie Levulinsäure einen deutlichen Fortschritt im Grundverständnis und dienten als starke Basis für die Gestaltung realisierbarer Bioraffineriekonzepte. Beispiele für frühere Arbeiten sind Studien der Antragsteller zur chemokatalytischen Reduktion von Levulinsäure, zur Amination von Alkoholen und zur elektrochemischen Umwandlung biogener Säuren. Dementsprechend streben wir im vorliegenden Vorhaben eine integrierte experimentelle und theoretische Untersuchung der elektrochemischen Amination von Levulinsäure an. Die Sautet-Gruppe wird sich auf First-Prinzipien-Simulationen der elektrokatalytischen Oberflächenreaktion konzentrieren, die auf ein umfassendes mechanistisches Verständnis mit Einblicken in Faktoren abzielen, die die katalytische Oberflächenreaktivität des Elektrokatalysatoren steuern. Die Palkovits-Gruppe wird die Transformation experimentell untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf dem Einfluss von Elektrokatalysatoren und Prozessparametern liegt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Philippe Sautet