 |
Investigation of catalytic transformations in biomass-based solvents
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
129508 |
| Type |
KH |
| Principal investigator |
Mika, László Tamás |
| Title in Hungarian |
Katalitikus reakciók vizsgálata biomassza alapú oldószerekben |
| Title in English |
Investigation of catalytic transformations in biomass-based solvents |
| Keywords in Hungarian |
zöld kémia, alternatív oldószerek, homogén katalízis |
| Keywords in English |
green chemistry, catalysis, green solvents |
| Discipline |
| Technology of Organic Chemistry and Pharmaceutical Technology (Council of Physical Sciences) | 95 % | | Inorganic Chemistry (Council of Physical Sciences) | 5 % | | Ortelius classification: Organometallic Chemistry |
|
| Panel |
Chemistry 2 |
| Department or equivalent |
Department of Chemical and Environmental Process Engineering (Budapest University of Technology and Economics) |
| Participants |
Havasi, Dávid
Kmecz, Ildikó
Stelén, Gábor
Tukacs, József Márk
|
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2021-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
19.996 |
| FTE (full time equivalent) |
4.63 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatási pályázat célja megújuló forrásokból és hulladékokból nyerhető 4-valerolakton és az ebből előállítható ionos folyadékok alternatív oldószerként történő alkalmazásának további vizsgálata.
Az oldószerek a kémiai átalakítások fontos segédanyagai, melyek a molekulák azonos fázisban tartásával elősegítik a reakciók hatékony végbemenetelét, könnyítik a keverést, szabályozzák a hőmérsékletet, stb. A vegyiparnak köszönhetően az EU-ban évente kb. 7 millió tonna illékony szerves vegyület kerül a környezetbe, melyhez az oldószerhasználat is jelentősen hozzájárul. A hagyományos oldószerek gyakran toxikusak, alacsony forrás- és lobbanásponttal rendelkeznek. Helyettesítésükre, az utóbbi évek intenzív kutatómunkájának eredményeként több olyan alternatív oldószert javasoltak, melyek bevezetése hozzájárulhat a jól ismert és iparilag fontos reakciók környezetbarát kivitelezéshez. Az oldószerek sorából kiemelendőek a biomasszából előállított 4-valerolakton, mint nem toxikus molekula és a belőle szintetizálható ionos folyadékok. Korábbi eredményeink alapján célunk ezen közegek alternatív oldószerként való alkalmazásának további vizsgálata a következő szintetikus szempontból fontos katalitikus reakciókon keresztül: C-C kötés kialakítására alkalmas Pd-katalizált karbonilezési, valamint Pd- és Cu-katalizált keresztkapcsolási reakciók (Heck, Sonogashira, Hiyama, Ullmann) és a gyógyszeripar szempontjából kiemelt jelentőségű vegyületcsoport, a funkcionalizált szteroidok előállítása. Munkánk kiterjed a reakciókörülmények optimálására, kinetikai vizsgálatokra és in situ spektroszkópiás analízisre, amely segítségével a reakciók mechanizmusa molekuláris szinten vizsgálható.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kutatómunkánk során igazolni kívánjuk, hogy több, szintetikus szempontból is kiemelkedő fontosságú kémiai átalakítás megvalósítható olyan alternatív, nem toxikus, kis tenzióval rendelkező oldószerekben, amelyek megújuló alapanyagokból, mi több, hulladékokból is előállíthatók. Korábbi eredményeink igazolták, hogy a felsorolt feltételeknek megfelelő 4-valerolakton kiváló oldószere lehet a homogén katalitikus átalakításoknak pl. hidroformilezés, hidrogénezés és aminokarbonilezés. Ezek alapján vizsgálatainkat további fontos reakciók tanulmányozására kívánjuk kiterjeszteni, melyek napjainkban gyakran toxikus és környezetkárosító, magas forrás- és lobbanáspontú oldószerekben mennek végbe. Abban az esetben, ha 4-valerolakton, ill. a ebből előállítható ionos folyadékok oldószerként való bevezetésével kiválthatjuk a hagyományos fosszilis-alapú oldószereket anélkül, hogy a katalitikus rendszerek aktivitása és szelektivitása jelentősen változna, egy olyan biztonságosabb eljárást tudunk javasolni és létrehozni, amely egy adott vegyület környezetbarát módon történő előállítását teszi lehetővé. Ez különösen fontos a gyógyszeriparban, ahol az oldószermaradványok mennyisége mindig kulcskérdés. A reakciók kinetikai vizsgálata a méretnövelés szempontjából is fontos. In situ spektroszkópiai vizsgálatok segítségével pedig molekuláris szinten vizsgálható, hogy az oldószercserének van-e hatása a reakció mechanizmusára.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A fosszilis alapú, gyakran toxikus hagyományos oldószerek környezetbarát, nem toxikus, sőt megújuló forrásból származó alternatívával történő helyettesítése hozzájárulhat fontos homogén katalitikus kémiai átalakítások környezeti szempontból is biztonságosabbá tételéhez. Korábbi eredményeink igazolták, hogy a lignocellulózból előállítható valerolakton, ill. továbbalakításával létrehozható ionos folyadékok alkalmasak lehetnek pl. hidroformilezési vagy hidrogénezési reakciók kivitelezésére. Abban az esetben, ha a molekulát olyan új szintézistechnikákban is tudjuk alkalmazni, amelyek során kisebb mennyiségű, de nagyobb hozzáadott értékű ún. finomkémiai intermediereket és/vagy végtermékeket állítanak elő, csökkenthető a gyakran toxikus fosszilis alapú oldószerhasználat. Ez különös tekintettel fontos lehet a gyógyszeriparban, ahol a toxikus oldószerek maradványai súlyos egészségkárosodáshoz vezethetnek. A kutatócsoport nemzetközi szinten is élen jár valerolakton homogén katalitikus reakciókba való bevezetésében. Munkánk során a vegyület alkalmazhatóságát a kutatási tervben ismertetett reakcióra kívánjuk bizonyítani.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A vegyipar tevékenységének következtében az EU-ban évente kb. 7 millió tonna illékony szerves vegyület kerül ki a környezetünkbe. Ennek jelentős hányadát, amelybe komoly mennyiségű szerves oldószer tartozik, fosszilis eredetű, toxikus vegyületek teszik ki. Felhasználásuk csökkentése nemcsak környezetvédelmi, hanem gazdasági kérdés is. A biomassza átalakítást célzó kutatások olyan alapmolekulák megjelöléséhez vezettek, amelyek átvehetik a fosszilis eredetű anyagok vegyiparban betöltött szerepét. Ilyen vegyület a 4-valerolakton, amely mind biomasszából, mind pedig biomassza eredetű hulladékokból előállítható. Az élelmiszeripar évtizedek óta alkalmazza adalékanyagként, így használatával kapcsolatban toxicitási probléma fel sem merül. Célunk a 4-valerolakton mint környezetbarát anyag oldószerként történő alkalmazhatóságának vizsgálata olyan modellreakciók segítségével, amelyek iparban is nagy jelentőséggel bírnak. Bevezetésével az adott átalakítás környezeti szempontból is jelentős alternatívája alakítható ki, amely különösen fontos pl. a gyógyszeripar szempontjából, ahol az oldószermaradékok minimalizálása kulcsfontosságú.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Our main objective is to further demonstrate that 4-valerolactone (GVL) and its ionic liquids derivatives could be applied as component of environmentally benign and renewable reaction media for catalysis by selected homogeneous catalytic transformations.
The solvents are intrinsic part of many chemical reactions and the “solvent friendly chemical thinking” has evolved due to many advantages in laboratory operations including the simple regulation of temperatures, dissolution of solids to get molecules in a common phase, facilitation of mixing, etc. Due to the industrial activity more than 7 Mt of volatile organic compounds including organic solvents were released into the environment annually in EU. Therefore, the replacement of conventional organic solvents with greener ones having low vapour pressure, low or no toxicity, low flammability and limited negative impacts on the environment is a key part in the development of greener and cleaner chemical technologies. We have shown that GVL could be considered as a non-toxic reaction media for catalysis. Thus, we propose that GVL and its ionic liquid derivatives can be applied as solvent for additional industrially important chemical transformations i.e. Pd-catalyed carbonylation reactions Pd- and Cu-catalyzed cross-coupling reactions (Heck, Sonogashira, Hiyama, and Ullmann) as well as synthesis of a series of functionalized steroids representing key reactions in pharmaceutical industry. Our proposed research activity will focus on the optimization of reaction conditions, kinetic measurements and in situ spectroscopy as well.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our simple idea is to replace the conventional fossil-based organic solvent that usually have high vapour pressure, toxicity, flammability, ability to form peroxide e.g. 2-methyltetrahydrofurane, with a renewable green solvent, which can be obtained from biomass-based waste streams. The replacement of conventional organic solvents with greener ones having low vapour pressure, low or no toxicity, low flammability and limited negative impacts on the environment is a crucial part in the development of greener and cleaner chemical technologies. It has been recently demonstrated that 4-valerolactone could be considered as a non-toxic reaction media for both homogeneous and heterogeneous catalysis. Thus, we proposed that 4-valerolactone and its ionic liquid derivatives could be applied as reaction media in industrially important homogeneous transformation including carbonylation and cross-coupling reactions, and synthesis of functionalized steroids. The latters are key compounds in pharmaceutical industry, where solvent residues and traces are always crucial and could lead to serious health issues. The kinetic measurements could help engineers to calculate scale up as well as in situ spectroscopy provides molecular level information of reaction.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
By replacement of the conventional fossil-based organic solvents with a green alternative, the environmental and economical impact of the chemical industry utilizing solvents can be significantly decreased. If we extend the the applicability of 4-valerolactone and its ionic liquid derivatives as green reaction media in industrially important chemical transformation such as carbonylation and cross-coupling reactions etc. its application could be more popular for the green synthetic and catalytic reactions. As results of our research the environmentally threatening volatile organic solvents could be replaced without significant decrease of well-designed transition metal catalyst systems’ activity
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Currently, fossil resources provide more than 95% of our energy needs and feedstock of chemical technology. The gradual replacement of fossil resources of chemical industry including solvents with renewable ones is one of the most pressing challenge of mankind. Since biomass is one of the most abundant carbon resources and globally available on the Earth, it could be an ideal replacement to produce carbon based chemicals. The expanded research for biomass conversion has led to the identification of several platform molecules e.g. levulinic acid and 4-valerolactone which could either replace the currently used fossil-based resources or serve as renewable feedstock for their production. Gamma-valerolactone occurs naturally in fruits, is biodegradable and non-toxic and it has been widely used by the food industry. Accordingly, we propose that this simple molecule and its ionic liquid derivatives can be used as a solvent in chemical reactions to replace the conventional organic ones having high toxicity, flammability and other negative impacts on the environment making greener alternatives for industrially important synthetic procedures.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
