Gezielte chemische Transformation in Ligninen zur Herstellung molekularer Schale-Kern-funktionalisierter-Ligninkolloide für die selektive Metallionenbindung.

• Antragsteller: Professor Dr. Hans Gerhard Börner
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 494591814

Ziel des vorliegenden Antrages ist die Untersuchung einer präzisen Zweischrittreaktion für die zielgerichtete Aktivierung wichtiger, aromatischer Kernstrukturen im komplexen Strukturnetzwerk des Lignins. Die Reaktion soll zur Darstellung von Schale-stabilisierten und Kern-funktionalisierten Lignin-Kolloiden etabliert werden, sodass Schale-Kern-Lignin-Stoffbibliotheken aufgebaut werden können, die für die spezifische Schwermetallionenbindung aus komplexen Ionengemischen untersucht werden.Lignine, als nachwachsende Ressource, bieten enormes Potential für nachhaltige Stoff- und Materiallösungen, denn die Rohstoffe stehen als „Abfallprodukt“ aus der Zellstoffherstellung preiswert zur Verfügung. Die Nutzung von Lignin verspricht vielfältige Möglichkeiten. Allerdings fordern moderne Materialanwendungen meist chemische Derivatisierungen des Lignins, wobei sich aus der inhomogenen Struktur und starken „batch-to-batch“-Schwankungen Einschränkungen ergeben. Im Gegensatz zu häufig zur Lignin-Derivatisierung eingesetzten, recht unselektiven Reaktionen, die zum Teil drastische Reaktionsbedingungen benötigen, untersucht das Vorhaben die Möglichkeiten einer Zweischrittreaktion zur selektiven Manipulation der 4-Hydroxy-3-methoxybenzol-(G)-Typ- und p-Hydroxyphenyl-(H)-Typ-Strukturelemente des Lignins. Die G- und H-Typ-Aromaten sollen über 2-Iodoxybenzoesäure (IBX) metallfrei zu ortho-Chinonen oxidiert werden. Diese können als Michael-Akzeptoren schnell und sauber mit verschiedenen Thiolen zu Thiol-Katecholen umgesetzt werden. Die zu etablierende Chemie bietet die Möglichkeit der Einbringung funktionaler Thiole wie z.B. Cys-haltige Di- und Tripeptide aber auch thiolendfunktionale Polymere, wie mPEG-SH, Cys-Peptid-PEG-Konjugate oder PNIPAm-SH. Unter Ausnutzung der Diffusionslimitierung im Ligninnetzwerk sollen Schale-Kern-Lignine aufgebaut werden. Dabei soll der funktionale Lignin-Kern auf die spezifische Bindung von Schwermetallionen angepasst und die kolloidale Stabilität unabhängig vom Lignin-Kern über die Schale eingestellt werden. Die IBX-Aktivierung von Lignin mit nachgelagerter Chinon/Thiol-Michael-Addition führt nicht nur zum Erhalt der für Ionenbindung wichtigen phenolischen OH-Gruppen, sondern vielmehr generiert Thiol-Katechole als Derivate des potenten 1,2-Dihydroxybenzol-Chelatliganden, welcher zusätzlich über den Thiolsubstituenten funktionalisiert bzw. feinjustiert werden kann.Das Vorhaben untersucht das Potential der präzisen chemischen Aktivierung von Lignin für den Aufbau von Ligninkolloiden und setzt diese ein, um Grundlagenverständnis zur spezifischen Komplexierung von Schwermetallionen aus komplexeren Ionengemischen zu erarbeiten. Die Untersuchung der Metallionenbindung führt über den Aufbau systematischer Stoffbibliotheken von Schale-Kern-Ligninen, sodass Effekte der Polymerschale, des Lignin-Kerns und der dort implementierten Funktionalitäten bis hin zur Integration von Peptiddomänen für die spezifische Ionenbindung zugänglich werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen