TY - THES A1 - Brandi, Francesco T1 - Integrated biorefinery in continuous flow systems using sustainable heterogeneous catalysts T1 - Integrierte Bioraffinerie in kontinuierlichen Fließsystemen unter Verwendung nachhaltiger heterogener Katalysatoren N2 - The negative impact of crude oil on the environment has led to a necessary transition toward alternative, renewable, and sustainable resources. In this regard, lignocellulosic biomass (LCB) is a promising renewable and sustainable alternative to crude oil for the production of fine chemicals and fuels in a so-called biorefinery process. LCB is composed of polysaccharides (cellulose and hemicellulose), as well as aromatics (lignin). The development of a sustainable and economically advantageous biorefinery depends on the complete and efficient valorization of all components. Therefore, in the new generation of biorefinery, the so-called biorefinery of type III, the LCB feedstocks are selectively deconstructed and catalytically transformed into platform chemicals. For this purpose, the development of highly stable and efficient catalysts is crucial for progress toward viability in biorefinery. Furthermore, a modern and integrated biorefinery relies on process and reactor design, toward more efficient and cost-effective methodologies that minimize waste. In this context, the usage of continuous flow systems has the potential to provide safe, sustainable, and innovative transformations with simple process integration and scalability for biorefinery schemes. This thesis addresses three main challenges for future biorefinery: catalyst synthesis, waste feedstock valorization, and usage of continuous flow technology. Firstly, a cheap, scalable, and sustainable approach is presented for the synthesis of an efficient and stable 35 wt.-% Ni catalyst on highly porous nitrogen-doped carbon support (35Ni/NDC) in pellet shape. Initially, the performance of this catalyst was evaluated for the aqueous phase hydrogenation of LCB-derived compounds such as glucose, xylose, and vanillin in continuous flow systems. The 35Ni/NDC catalyst exhibited high catalytic performances in three tested hydrogenation reactions, i.e., sorbitol, xylitol, and 2-methoxy-4-methylphenol with yields of 82 mol%, 62 mol%, and 100 mol% respectively. In addition, the 35Ni/NDC catalyst exhibited remarkable stability over a long time on stream in continuous flow (40 h). Furthermore, the 35Ni/NDC catalyst was combined with commercially available Beta zeolite in a dual–column integrated process for isosorbide production from glucose (yield 83 mol%). Finally, 35Ni/NDC was applied for the valorization of industrial waste products, namely sodium lignosulfonate (LS) and beech wood sawdust (BWS) in continuous flow systems. The LS depolymerization was conducted combining solvothermal fragmentation of water/alcohol mixtures (i.e.,methanol/water and ethanol/water) with catalytic hydrogenolysis/hydrogenation (SHF). The depolymerization was found to occur thermally in absence of catalyst with a tunable molecular weight according to temperature. Furthermore, the SHF generated an optimized cumulative yield of lignin-derived phenolic monomers of 42 mg gLS-1. Similarly, a solvothermal and reductive catalytic fragmentation (SF-RCF) of BWS was conducted using MeOH and MeTHF as a solvent. In this case, the optimized total lignin-derived phenolic monomers yield was found of 247 mg gKL-1. N2 - Die negativen Auswirkungen von Rohöl auf die Umwelt haben zu einem notwendigen Übergang zu alternativen, erneuerbaren und nachhaltigen Ressourcen geführt. In dieser Hinsicht ist lignozellulosehaltige Biomasse (LCB) eine vielversprechende erneuerbare und nachhaltige Alternative zu Erdöl für die Herstellung von Feinchemikalien und Kraftstoffen in einem sogenannten Bioraffinerie-Prozess. LCB setzt sich aus Polysacchariden (Cellulose und Hemicellulose) sowie Aromaten (Lignin) zusammen. Die Entwicklung einer nachhaltigen und wirtschaftlich vorteilhaften Bioraffinerie hängt von der vollständigen und effizienten Verwertung aller Komponenten ab. Zu diesem Zweck ist die Entwicklung hochstabiler und effizienter Katalysatoren entscheidend für den Fortschritt in Richtung Bioraffinerie-Wirtschaftlichkeit. Darüber hinaus ist eine moderne und integrierte Bioraffinerie auf ein Prozess- und Reaktordesign angewiesen, das auf effizientere und kostengünstigere Methoden abzielt, die den Abfall minimieren. In diesem Zusammenhang hat die Verwendung von kontinuierlichen Durchflusssystemen das Potenzial, sichere, nachhaltige und innovative Transformationen mit einfacher Prozessintegration und Skalierbarkeit für Bioraffineriesysteme zu bieten. Diese Arbeit befasst sich mit drei wesentlichen Herausforderungen für die zukünftige Bioraffinerie: Katalysatorsynthese, Valorisierung von Abfallstoffen und Einsatz von kontinuierlicher Durchflusstechnik. Zuerst wird ein kostengünstiger, skalierbarer und nachhaltiger Ansatz für die Synthese eines effizienten und stabilen 35-Gew.-%-Ni-Katalysators auf einem hochporösen, stickstoffdotierten Kohlenstoffträger (35Ni/NDC) in Pelletform vorgestellt. Zunächst wurde die Leistung dieses Katalysators für die Hydrierung von LCB-abgeleiteten Verbindungen wie Glucose, Xylose und Vanillin in kontinuierlichen Durchflusssystemen in wässriger Phase bewertet. Der 35Ni/NDC-Katalysator zeigte hohe katalytische Leistungen in drei getesteten Hydrierungsreaktionen, d. h. Sorbit, Xylit und 2-Methoxy-4-methylphenol mit Ausbeuten von 82 mol%, 62 mol% bzw. 100 mol%. Darüber hinaus zeigte der 35Ni/NDC-Katalysator eine bemerkenswerte Stabilität über eine lange Zeit im kontinuierlichen Fluss (40 h). Auβerrdem wurde der 35Ni/NDC-Katalysator mit handelsüblichem Beta-Zeolith in einem integrierten Zweisäulenprozess für die Isosorbid-Produktion aus Glukose kombiniert (Ausbeute 83 mol%). Schließlich wurde 35Ni/NDC für die Valorisierung von industriellen Abfallprodukten, nämlich Natriumlignosulfonat (LS) und Buchenholzsägemehl (BWS) in kontinuierlichen Durchflusssystemen eingesetzt. Die Depolymerisation von LS wurde durch eine Kombination von solvothermischer Fragmentierung von Wasser/Alkohol-Gemischen (d.h. MeOH/Wasser und Ethanol/Wasser) mit katalytischer Hydrogenolyse/Hydrierung (SHF) durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass die Depolymerisation thermisch in Abwesenheit des Katalysators mit einem abstimmbaren Molekulargewicht in Abhängigkeit von der Temperatur erfolgt. Außerdem wurde mit der SHF eine optimierte kumulative Monomerausbeute von 42 mg gLS-1 erzielt. In ähnlicher Weise wurde eine solvothermale und reduktiv-katalytische Fragmentierung (SF-RCF) von BWS mit MeOH und MeTHF als Lösungsmittel durchgeführt. In diesem Fall wurde eine optimierte Gesamtmonomerausbeute von 247 mg gKL-1 gefunden. KW - sustainable chemistry KW - green chemistry KW - biorefinery KW - flow chemistry KW - heterogeneous catalysis KW - Bioraffinerie KW - grüne Chemie KW - heterogene Katalyse KW - Strömungschemie KW - nachhaltige Chemie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-537660 ER - TY - JOUR A1 - Debsharma, Tapas A1 - Behrendt, Felix Nicolas A1 - Laschewsky, Andre A1 - Schlaad, Helmut T1 - Ring-opening metathesis polymerization of biomass-derived levoglucosenol JF - Angewandte Chemie : a journal of the Gesellschaft Deutscher Chemiker N2 - The readily available cellulose-derived bicyclic compound levoglucosenol was polymerized through ring-opening metathesis polymerization (ROMP) to yield polylevoglucosenol as a novel type of biomass-derived thermoplastic polyacetal, which, unlike polysaccharides, contains cyclic as well as linear segments in its main chain. High-molar-mass polyacetals with apparent weight-average molar masses of up to 100kgmol(-1) and dispersities of approximately 2 were produced despite the non-living/controlled character of the polymerization due to irreversible deactivation or termination of the catalyst/active chain ends. The resulting highly functionalized polyacetals are glassy in bulk with a glass transition temperature of around 100 degrees C. In analogy to polysaccharides, polylevoglucosenol degrades slowly in an acidic environment. KW - degradable polymers KW - metathesis KW - ring-opening polymerization KW - sustainable chemistry KW - thermoplastics Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1002/anie.201814501 SN - 1433-7851 SN - 1521-3773 VL - 58 IS - 20 SP - 6718 EP - 6721 PB - Wiley-VCH CY - Weinheim ER - TY - THES A1 - Debsharma, Tapas T1 - Cellulose derived polymers T1 - Polymere aus Cellulose BT - synthesis of functional and degradable polymers from cellulose N2 - Plastics, such as polyethylene, polypropylene, and polyethylene terephthalate are part of our everyday lives in the form of packaging, household goods, electrical insulation, etc. These polymers are non-degradable and create many environmental problems and public health concerns. Additionally, these polymers are produced from finite fossils resources. With the continuous utilization of these limited resources, it is important to look towards renewable sources along with biodegradation of the produced polymers, ideally. Although many bio-based polymers are known, such as polylactic acid, polybutylene succinate adipate or polybutylene succinate, none have yet shown the promise of replacing conventional polymers like polyethylene, polypropylene and polyethylene terephthalate. Cellulose is one of the most abundant renewable resources produced in nature. It can be transformed into various small molecules, such as sugars, furans, and levoglucosenone. The aim of this research is to use the cellulose derived molecules for the synthesis of polymers. Acid-treated cellulose was subjected to thermal pyrolysis to obtain levoglucosenone, which was reduced to levoglucosenol. Levoglucosenol was polymerized, for the first time, by ring-opening metathesis polymerization (ROMP) yielding high molar mass polymers of up to ~150 kg/mol. The poly(levoglucosenol) is thermally stable up to ~220 ℃, amorphous, and is exhibiting a relatively high glass transition temperature of ~100 ℃. The poly(levoglucosenol) can be converted to a transparent film, resembling common plastic, and was found to degrade in a moist acidic environment. This means that poly(levoglucosenol) may find its use as an alternative to conventional plastic, for instance, polystyrene. Levoglucosenol was also converted into levoglucosenyl methyl ether, which was polymerized by cationic ring-opening metathesis polymerization (CROP). Polymers were obtained with molar masses up to ~36 kg/mol. These polymers are thermally stable up to ~220 ℃ and are semi-crystalline thermoplastics, having a glass transition temperature of ~35 ℃ and melting transition of 70-100 ℃. Additionally, the polymers underwent cross-linking, hydrogenation and thiol-ene click chemistry. N2 - Kunststoffe wie Polyethylen, Polypropylen und Polyethylenterephthalat sind ein großer Bestandteil unseres Alltags und finden Verwendung unter anderem als Verpackungsmaterialien, Haushaltswaren und Elektroisolierungen. Diese Polymere werden aus fossilen Ressourcen hergestellt, sind nicht abbaubar und verursachen nicht nur viele Umweltprobleme sondern können auch zu Gesundheitsschäden führen. Aufgrund dessen muss die Verwendung von erneuerbaren Ressourcen geachtet werden, wobei die hergestellten Polymere im Idealfall komplett biologisch abbaubar sind. Obwohl viele biobasierte Polymere, wie Polymilchsäure, Polybutylensuccinatadipat oder Polybutylensuccinat, bekannt sind, hat noch keines das Potential gezeigt, herkömmliche Polymere zu ersetzen. Cellulose ist einer der am häufigsten in der Natur produzierten nachwachsenden Rohstoffe und kann in verschiedene kleine organische Moleküle wie Zucker (Saccharide), Furan und auch Levoglucosenon umgewandelt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Verwendung von Levoglucosenon als Monomer für die Synthese von Polymeren. Säurebehandelte Cellulose wurde einer thermischen Pyrolyse unterzogen, um Levoglucosenon zu erhalten, das dann weiter zu Levoglucosenol reduziert wurde. Das Levoglucosenol wurde zum ersten Mal erfolgreich über eine Ringöffnungsmetathese-Polymerisation (ROMP) polymerisiert. Die Molmassen der hergestellten Polymere erreichten Werte von bis zu ~150 kg/mol. Die thermische Analyse von Poly(levoglucosenol) zeigt, dass es bis zu einer Temperatur von ~220 ℃ stabil ist, eine Glasübergangstemperatur bei ~100 ℃ hat und ein amorphes Polymer ist. Weiterhin kann das Poly(levoglucosenol) in feuchter saurer Umgebung in kurzer Zeit abgebaut werden. Aufgrund dieser Eigenschaften kann Poly(levoglucosenol) als Alternative zu konventionellem Kunststoff, wie z.B. Polystyrol, eingesetzt werden kann. Levoglucosenol wurde weiter in Levoglucosenylmethylether umgewandelt. Levoglucosenylmethylether kann mit kationischer Ringöffnungs-Polymerisation (CROP) polymerisiert werden. Es wurden Polymere mit Molmassen von bis zu ~36 kg/mol hergestellt. Die Polymere weisen eine thermische Stabilität bis zu einer Temperatur von ~220 °C auf. Es handelt sich bei den hergestellten Poly(levoglucosenylmethylethern) um teilkristalline Thermoplaste, deren Glasüberganstemperatur bei ~35 °C und der Schmelzbereich bei 70-100 °C liegt. Die Doppelbindungen des Levoglucosenylmethylethers wurden genutzt um das Polymer zu vernetzen und zu funktionalisieren. KW - biomass valorization KW - levoglucosenol KW - ring-opening polymerization KW - degradable polymer KW - sustainable chemistry KW - Biomasseverwertung KW - Levoglucosenol KW - ringöffnende Polymerisation KW - abbaubares Polymer KW - nachhaltige Chemie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441312 ER - TY - THES A1 - Steeples, Elliot T1 - Amino acid-derived imidazolium salts: platform molecules for N-Heterocyclic carbene metal complexes and organosilica materials T1 - Imidazolium-Salze aus Aminosäure: Bausteine für N-Heterozyklische-Carben Metallkomplexe und Organosilicamaterialien N2 - In the interest of producing functional catalysts from sustainable building-blocks, 1, 3-dicarboxylate imidazolium salts derived from amino acids were successfully modified to be suitable as N-Heterocyclic carbene (NHC) ligands within metal complexes. Complexes of Ag(I), Pd(II), and Ir(I) were successfully produced using known procedures using ligands derived from glycine, alanine, β-alanine and phenylalanine. The complexes were characterized in solid state using X-Ray crystallography, which allowed for the steric and electronic comparison of these ligands to well-known NHC ligands within analogous metal complexes. The palladium complexes were tested as catalysts for aqueous-phase Suzuki-Miyaura cross-coupling. Water-solubility could be induced via ester hydrolysis of the N-bound groups in the presence of base. The mono-NHC–Pd complexes were seen to be highly active in the coupling of aryl bromides with phenylboronic acid; the active catalyst of which was determined to be mostly Pd(0) nanoparticles. Kinetic studies determined that reaction proceeds quickly in the coupling of bromoacetophenone, for both pre-hydrolyzed and in-situ hydrolysis catalyst dissolution. The catalyst could also be recycled for an extra run by simply re-using the aqueous layer. The imidazolium salts were also used to produce organosilica hybrid materials. This was attempted via two methods: by post-grafting onto a commercial organosilica, and co-condensation of the corresponding organosilane. The co-condensation technique harbours potential for the production of solid-support catalysts. N2 - Um Katalysatoren aus nachhaltigen Chemikalien herzustellen, wurden 1,3-Dicarbonsäure-Imidazolium-Salze, welche aus Aminosäuren synthetisiert wurden als N-heterozyklische-Carben-Liganden (NHC) in Metallkomplexen modifiziert. Liganden aus Glycin, Alanin, β-Alanin und Phenylalanin wurden wiederum genutzt, um Metallkomplexe aus Silber(I), Palladium(II) und Iridium(I) darzustellen. Alle Komplexverbindungen wurden mit Röntgenkristallographie charakterisiert. Die Palladiumkomplexe wurden als Katalysatoren in der Suzuki-Miyaura Reaktion eingesetzt. Durch zusätzliche Hydrolyse der Ester-Gruppen konnte eine gute Wasserlöslichkeit erreicht werden. Die hohe Aktivität der Mono-NHC–Palladium-Komplexe konnte bei der Kupplung von Arylbromiden mit Phenylboronsäuren aufgezeigt werden. Die aktive Spezies wurde hauptsächlich Pd(0) Nanopartikeln zugeschrieben. Nach erfolgreichem Recycling konnte der Katalysator noch einmal wiederverwendet werden. Die Imidazolium-Salze wurden ebenfalls herangezogen, um Organosilicamaterialien zu synthetisieren. Die Herstellung wurde durch zwei Methoden erreicht. Zum einen durch nachträgliches Aufbringen auf kommerzielle Siliziummaterialien, sowie durch Co-Kondensation auf das entsprechende Organosilan. Diese Co-Kondensation birgt Potential zur Herstellung von festen Trägerkatalysatoren. KW - synthesis KW - Synthese KW - sustainable chemistry KW - nachhaltige Chemie KW - organometallics KW - Metallorganischen KW - water KW - Wasser Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101861 ER -