A Szénhidrátok dehidratációja és hidrogénezése vízoldható katalizátorok jelenlétében című pályázat támogatásával elért fontosabb eredmények



Hasonló dokumentumok
A GAMMA-VALEROLAKTON ELŐÁLLÍTÁSA

Doktori értekezés tézisei. A gamma-valerolakton, és előállítása a levulinsav katalitikus transzfer hidrogénezésével

A levulinsav katalitikus transzfer hidrogénezése. Készítette: Kaposy Nándor Témavezető: Dr. Horváth István Tamás, egyetemi tanár

A GAMMA-VALEROLAKTON, ÉS ELŐÁLLÍTÁSA A LEVULINSAV KATALITIKUS TRANSZFER HIDROGÉNEZÉSÉVEL. Fábos Viktória

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 11 pont. 3. feladat Összesen: 7 pont. 4. feladat Összesen: 14 pont

ZÖLD KATALITIKUS RENDSZEREK VIZSGÁLATA ÉS ALKALMAZÁSA. Mehdi Hasan

CO 2 aktiválás - a hidrogén tárolásban

szerotonin idegi mûködésben szerpet játszó vegyület

Fluorozott ruténium tartalmú katalizátorok előállítása és alkalmazása transzfer-hidrogénezési reakciókban

Természetes vizek, keverékek mindig tartalmaznak oldott anyagokat! Írd le milyen természetes vizeket ismersz!

Osztályozó vizsgatételek. Kémia - 9. évfolyam - I. félév

1. feladat. Versenyző rajtszáma:

Szerves Kémiai Problémamegoldó Verseny

MOTORHAJTÓANYAG ADALÉKOK KÖRNYEZETI HATÁSAI ÉS MEGHATÁROZÁSI MÓDSZEREI

SZERVES KÉMIAI REAKCIÓEGYENLETEK

KARBONSAV-SZÁRMAZÉKOK

Szerves vegyipari alapanyagok cukorcirok alapú előállítása

VÍZOLDHATÓ ALKIL- ÉS DIALKIL-FOSZFINOK SZINTÉZISE

Szerves Kémiai Problémamegoldó Verseny

Curie Kémia Emlékverseny 2018/2019. Országos Döntő 7. évfolyam

BIOPLATFORM SZÁRMAZÉKOK HETEROGÉN KATALITIKUS ELŐÁLLÍTÁSA, MŰSZERES ANALITIKÁJA, KATALIZÁTOROK JELLEMZÉSE

DOKTORI ÉRTEKEZÉS MEHDI HASAN

Név: Pontszám: / 3 pont. 1. feladat Adja meg a hiányzó vegyületek szerkezeti képletét!

ALKÍMIA MA Az anyagról mai szemmel, a régiek megszállottságával.

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. A megyei forduló feladatlapja. 8. osztály. A versenyző jeligéje:... Megye:...

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 12 pont. 3. feladat Összesen: 14 pont. 4. feladat Összesen: 15 pont

FOLYÉKONY BIOÜZEMANYAGOK

KÉMIA FELVÉTELI DOLGOZAT

A 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet (29/2016. (VIII. 26.) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

BIO-MOTORHAJTÓANYAGOK JELEN ÉS A JÖVŐ

Szerves kémiai szintézismódszerek

ELŐHIDROGÉNEZETT NÖVÉNYOLAJOK IZOMERIZÁLÁSA. Krár Márton, Hancsók Jenő

IV.főcsoport. Széncsoport

Hevesy György Országos Kémiaverseny Kerületi forduló február évfolyam

A KÉMIA ÉS A KÉMIÁT ALKALMAZÓ IPARÁGAK FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉSÉNEK FONTOSABB KIHÍVÁSAI

Kémiai egyensúlyok [CH 3 COOC 2 H 5 ].[H 2 O] [CH3 COOH].[C 2 H 5 OH] K = k1/ k2 = K: egyensúlyi állandó. Tömeghatás törvénye

6. változat. 3. Jelöld meg a nem molekuláris szerkezetű anyagot! A SO 2 ; Б C 6 H 12 O 6 ; В NaBr; Г CO 2.

A kémiatanári zárószigorlat tételsora

Szerves Kémiai Problémamegoldó Verseny

Magyar tannyelvű középiskolák VII Országos Tantárgyversenye Fabinyi Rudolf - Kémiaverseny 2012 XI osztály

1. változat. 4. Jelöld meg azt az oxidot, melynek megfelelője a vas(iii)-hidroxid! A FeO; Б Fe 2 O 3 ; В OF 2 ; Г Fe 3 O 4.

Szénhidrogénipari technológia és katalízis

A MOL MOTORBENZINEKRŐL

1. feladat Maximális pontszám: feladat Maximális pontszám: feladat Maximális pontszám: feladat Maximális pontszám: 9

Az égés és a füstgáztisztítás kémiája

Laboratóriumi technikus laboratóriumi technikus Drog és toxikológiai

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1995 JAVÍTÁSI ÚTMUTATÓ

SZENNYVÍZKEZELÉS NAGYHATÉKONYSÁGÚ OXIDÁCIÓS ELJÁRÁSSAL

SZABADALMI IGÉNYPONTOK. képlettel rendelkezik:

Automata titrátor H 2 O 2 & NaOCl mérésre klórmentesítő technológiában. On-line H 2 O 2 & NaOCl Elemző. Méréstartomány: 0 10% H 2 O % NaOCl

1. feladat Összesen: 15 pont. 2. feladat Összesen: 10 pont

OLDÓSZEREK DUNASOL FELHASZNÁLÁSI TERÜLET. Az alacsony aromás- és kéntartalmú oldószercsalád

Minta feladatsor. Az ion neve. Az ion képlete O 4. Szulfátion O 3. Alumíniumion S 2 CHH 3 COO. Króm(III)ion

Szennyvíziszap dezintegrálási és anaerob lebontási kísérlete. II Ökoenergetika és X. Biomassza Konferencia Lipták Miklós PhD hallgató

SZŰKÍTETT RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAH /2014 nyilvántartási számú (2) akkreditált státuszhoz

Mobilitás és Környezet Konferencia

Biogáz és Biofinomító Klaszter szakmai tevékenysége. Kép!!!

ZÁRÓJELENTÉS. OAc. COOMe. N Br

Tartalmi követelmények kémia tantárgyból az érettségin K Ö Z É P S Z I N T

Curie Kémia Emlékverseny 2018/2019. Országos Döntő 8. évfolyam

Kémia OKTV I. kategória II. forduló A feladatok megoldása

1. feladat Összesen: 18 pont. 2. feladat Összesen: 9 pont

DIESEL-MOTOROK BIOMASSZA EREDETŰ MOTORHAJTÓANYAGAI

Környzetbarát eljárások BSc kurzus, A zöld kémia mérőszámai. Székely Edit

NÖVÉNYI HATÓANYAGOK KINYERÉSE SZUPERKRITIKUS EXTRAKCIÓVAL

Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás I.

szabad bázis a szerves fázisban oldódik

O k t a t á si Hivatal

Szabadalmi igénypontok

Kémiai tantárgy középszintű érettségi témakörei

Aromás vegyületek II. 4. előadás

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

RÉSZLETEZŐ OKIRAT (1) a NAH /2018 nyilvántartási számú akkreditált státuszhoz

Laboratóriumi technikus laboratóriumi technikus Drog és toxikológiai

a. 35-ös tömegszámú izotópjában 18 neutron található. b. A 3. elektronhéján két vegyértékelektront tartalmaz. c. 2 mól atomjának tömege 32 g.

Kárpát-medencei Magyar Energetikai Szakemberek XXII. Szimpóziuma (MESZ 2018) Magyarország energiafelhasználásának elemzése etanol ekvivalens alapján

Badari Andrea Cecília

Szerves kémiai szintézismódszerek

Versenyző rajtszáma: 1. feladat

7. évfolyam kémia osztályozó- és pótvizsga követelményei Témakörök: 1. Anyagok tulajdonságai és változásai (fizikai és kémiai változás) 2.

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 2000

1. feladat Összesen 10 pont. 2. feladat Összesen 10 pont

4. változat. 2. Jelöld meg azt a részecskét, amely megőrzi az anyag összes kémiai tulajdonságait! A molekula; Б atom; В gyök; Г ion.

Fenntartható biomassza termelés-biofinomításbiometán

NAGY ENERGIATARTALMÚ, KÖRNYEZETBARÁT HAGYOMÁNYOS ÉS ALTERNATÍV MOTORHAJTÓANYAGOK KUTATÁSA-FEJLESZTÉSE

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Biodízel előállítása hulladék sütőolajból

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1997

Hidrogén előállítása tejcukor folyamatos erjesztésével

Minta feladatsor. Az ion képlete. Az ion neve O 4. Foszfátion. Szulfátion CO 3. Karbonátion. Hidrogénkarbonátion O 3. Alumíniumion. Al 3+ + Szulfidion

1. feladat Összesen: 10 pont. 2. feladat Összesen: 15 pont

2014/2015. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny második forduló KÉMIA. II. KATEGÓRIA Javítási-értékelési útmutató

JELENTÉS. MPG-Cap és MPG-Boost hatásának vizsgálata 10. Üzemanyag és Kenőanyag Központ Ukrán Védelmi Minisztérium

Veszprémi Egyetem, Ásványolaj- és Széntechnológiai Tanszék

Curie Kémia Emlékverseny 10. évfolyam országos döntő 2018/2019. A feladatok megoldásához csak periódusos rendszer és zsebszámológép használható!

MAGYAR ÉLELMISZERKÖNYV (Codex Alimentarius Hungaricus) /45 számú előírás (Hatodik kiegészítés)

Pirolízis a gyakorlatban

A ferrát-technológia klórozással szembeni előnyei a kommunális szennyvizek utókezelésekor

Sav bázis egyensúlyok vizes oldatban

RÉSZLETEZŐ OKIRAT (9) a NAH /2014 nyilvántartási számú 7 akkreditált státuszhoz

Átírás:

A Szénhidrátok dehidratációja és hidrogénezése vízoldható katalizátorok jelenlétében című pályázat támogatásával elért fontosabb eredmények Bevezetés Dr. Horváth István Tamás ELTE, TTK, Kémiai Intézet T032850, 2004-2007, 8000 eft A fenntartható fejlődésnek egyik fontos eleme, hogy olyan sebességel kell a természetes nyersanyagokat felhasználni, hogy azok mennyisége ne csökkenjen egy elfogadhatatlanul alacsony szint alá. 1 A vegyipari szerves alapanyagok és intermedierek több mint 95%-ának nyersanyaga a kőolaj. Ugyanakkor a belső égésű motorok számának rohamos növekedésével a közlekedés is egyre több olajat fogyaszt, a növekvő energiafelhasználás miatt pedig hatalmas mennyiségű kőolajat, földgázt és kőszént égetünk el erőművekben. Mivel ezek a folyamatok azt eredményezik, hogy a rendelkezésre álló fosszilis nyersanyagok el fognak fogyni, 2 a fenntartható civilizáció egyik legfontosabb technológiai kihívása a kimerülőben lévő szén-alapú nyersanyagok kiváltása. Noha a föld fotoszintézisen alapuló biomassza termelése 170000 millió tonna évente, ennek csak kevesebb mint 10%-a van hasznosítva. 3 Az újrahasznosítható források iránt növekszik az érdeklődés, ugyanis biomasszából számos iparilag fontos vegyületet lehet előállítani. 4 Fontos megjegyezni, hogy a fosszilis nyersanyagok háromdimenziósak, vagyis a lelőhely mélységében is kiterjedt, így kis helyen nagy mennyiség koncentrálódhat belőle. Az ültetvények viszont két dimenzióban terjeszkednek, így azonos mennyiségű alapanyag előállítása sokkal nagyobb területet igényel. A növényi eredetű nyersanyagok szükségszerűen időszakos jellegűek, csak az év egy bizonyos részében állnak rendelkezésre. Az ipari termelés és a szükségletek jelentkezése viszont időben folyamatos, nem lehet évszaktól és időjárástól függővé tenni az alapanyagellátást. További problémát jelent, hogy a növényi eredetű nyersanyagok jelentős része az élelmiszeripar nyersanyagai is, így ezek használata nem okozhat nehézségeket az emberek élelmezésében. 5 Kutató munkánk azokra az előkisérletek során kapott eredményekre épültek amelyek során kimutattuk, hogy a szacharóz katalitikus reduktív dehidratálásával levulinsavat (LS), hangyasavat (HCC) és γ-valerolaktont (GVL) lehet előállítani. 6 Eredeti céljaink közül érdemes megemlíteni a szacharóz alapú C 5 -oxigenátok (LS GVL 1,4-pentándiol 2- Me-THF) lépésenkénti katalitikus szintézisét, melynek végén keletkező 2-Me-THF-ből alkánokat vagy inkább bioalkánokat kivántuk katalitikus hidrogenolízissel előállítani. Mivel a szacharóz jól oldódik vízben, a dehitratálás során víz keletkezik, és az alkánok vízzel nem elegyednek jól, törekedtünk vízoldható homogén katalitikus rendszerek kifejlesztésére is. Ehhez szükséges volt bázikus vízoldható foszfinok hatékony szintézisének kidolgozására is. 1 Board on Sustainable Development, ur Common Journey, National Academy Press, Washington D. C., 1999. 2 Evans, J. Chem. in Britain 1999, 38. 3 Eggersdorfer, M.; Meijer, J.; Eckes, P. FEMS Microbiol. Rev. 1992, 103, 355. 4 Lichtenthaler, F. W. Carbohydrates as rganic Raw Materials, VCH, Weinheim, 1991. 5 Horváth, I. T.; Anastas, P. T. Chem. Rev. 2007, 107, 2169. 6 (a) Mehdi, H.; A. Bodor, A.; R. Tuba, R.; Horváth, I. T. Abstracts of Papers of the American Chemical Society, 226: U721 310-INR, Part 1, September 2003; (b) Mehdi, H.; Bodor A.; Horváth, I. T. Abstracts of Papers of the American Chemical Society, 227: 095-CELL, Part 1, March, 2004.

Eredmények A kimerülőben lévő fosszilis nyersanyagokat érdemes lenne kiváltani egy ún. fenntartható folyadékkal, amelynek fizikai és kémiai tuljdonságai alkalmassá teszik arra, hogy nagy volumenben tárolják és szállítsák, és felhasználható legyen mind energia, mind szénalapú termelésére. Az ideális fenntartható folyadék növényi eredetű alapanyagokból termelhető, könnyen és biztonságosan lehet nagy mennyiségben tárolni és szállítani, alacsony az olvadáspontja (hogy használható legyen hideg időben), magas a forrásés lobbanáspontja (hogy használható legyen meleg időben és alacsony maradjon az emisszíó), jellemző és könnyen felismerhető illata vagy szaga van (hogy szivárgását könnyen lehessen észlelni), nem vagy kissé toxikus, oldható vízben (a természetes lebomlás miatt), vizzel és oxigénnel lehetőleg ne lépjen könnyen reakcióba. Fontos szempont, hogy kémiailag ne legyen több vegyület keveréke, mert egy adott vegyület koncentrációjának mérése, ellenőrzése és szabályozása sokkal könnyebb feladat mint vegyületek keverékének. A különböző lehetséges folyadékok közül a GVL fizikai és kémiai tulajdonságai talán a legmegfelelőbbek a fenntarthatóság különböző szempontjait figyelembe véve: 7,8 Metanol Etanol MTBE a ETBE b GVL c 2-Me-THF d Mólsúly (g/mol) 32.04 46.07 88.15 102.17 100.12 86.13 Szén (w%) 37.5 52.2 66.1 70.53 60 69.7 Hidrogén (w%) 12.6 13.1 13.7 13.81 8 11.6 xigén (w%) 49.9 34.7 18.2 15.7 32 18.7 Forráspont ( o C) 65 78 55 72-73 207-208 78 Fagyáspont ( o C) -98-114 -109-94 -31-136 Sűrűség ( o C) 0.7910 0.8 0.74 0.742 1.05 0.86 Lobbanáspont ( o C) 16.1 14-33 -19 96-11 LD 50, orális-patkány (mg/kg) 5628 7060 4800 5000 8800 N/A a Metil-tercierbutil-éter; b Etil-tercierbutil-éter; c γ-valerolakton; d 2-Metil-tetrahidrofurán Fontos megjegyezni, hogy a GVL előfordul gyümölcsökben, kellemes az illata és gyakran alkalmazzák adalékként az élelmiszeriparban. 9 Vizsgáltuk a GVL gőznyomását különböző hőmérsékleteken, valamint összehasonlítottuk az irodalomban talált és mások által vizsgált oxigenátok illetve oldószerek gőznyomásértékeivel is. Ennek eredményeként elmondható, hogy a GVL tenziója jóval alacsonyabb az iparban gyakran alkalmazott oldószerek, valamint a benzinként vagy benzinadalékként egyre inkább a figyelem középpontjába kerülő etanol, metil-terc-butil éter (MTBE) és etil-terc-butil éter (ETBE) gőznyomásánál: 8 160 MTBE Metanol 140 ETBE Etanol 120 GVL Gőznyomás (kpa) 100 80 60 40 20 0 25 35 45 55 65 75 85 Hőmérséklet ( C) 7 I. T. Horváth, 10th Annual Green Chemistry & Engineering Conference, Washington, DC, July 26-30, 2006. 8 Horváth, I. T.; Mehdi, H.; Fábos, V.; Boda, L.; Mika, L. T. Green Chem. 2008, 10, 238. 9 49 th Report of the Joint FA/WH Expert Committee on Food Additives, Rome, June 17-26, 1997, WH Technical Report Series, No. 884, Geneva, Switzerland. 2

A GVL megújuló energia- és nyersanyagforrásként való használhatóságának eldöntésekor figyelembe kell venni a GVL vizes közegben történő spontán átalakulásának lehetőségét is. A gyűrű felnyílása ugyanis 4-hidroxi-valeriánsavat eredményezhet, amely korróziós problémákat okozhat fém eszközökben történő szállítás és tárolás közben. A GVL vizes közegben történő reaktivításának vizsgálatára 18 -izotóppal jelzett vízzel végeztünk kísérleteket különböző hőmérsékleteken. GC-MS egyértelműen kimutatta, hogy a GVL ötös gyűrűje szobahőmérsékleten, semleges vizes közegben még három hónap alatt sem nyílik fel. Egy hónapig 60 C-on tartva szintén nem tapasztalható izotóp beépülés, mely alapján a gyűrű felnyílása kizárható. Kimutattuk viszont, hogy mind savas, mind lúgos közegben megtörténik a gyűrű felnyílása. Ezen kísérletek során nem csak egy, hanem a hőmérséklettől és időtől függően, két 18 -izotóp beépülését is tapasztaltuk. Bizonyítottuk tehát, hogy a GVL csak savas vagy lúgos közegben nyílik fel, így tiszta vagy vizes GVL hosszabb idejű tárolása és szállítása során nem keletkezik olyan karbonsav funkciós csoportot tartalmazó vegyület amely korrózíót okozhat. A GVL üzemanyagként vagy üzemanyagadalékként való használhatóságát tekintve és balesetvédelmi szempontból is fontos kérdés lehet peroxidosodása. 10 A peroxidszámot elsősorban üzemanyagok jellemzésére használják, ugyanis néhány nem várt baleset történt a peroxidosodás következtében. Az üzemanyagok peroxidszámának vizsgálatát jodometriás titrálással végzik. 11 A GVL peroxidszámának ugyanezen módszerrel történő vizsgálata során, egy hónap szobahőmérsékleten, zárt edényben történő tárolása folyamán peroxidosodást nem tapasztaltunk. 12 A GVL mellett számos más oxigenát peroxid képződését vizsgáltuk, melyek közül különösen a THF és a 2-Me-THF használatát veszélyezteti a gyors (pár napos) peroxid képződés: 2500,0 2000,0 THF, sötétben THF, világosban MeTHF, sötétben MeTHF, világosban GVL MTBE Peroxidszám (ppm) 1500,0 1000,0 500,0 0,0 0 100 200 300 400 500 600 Idő (h) A GVL benzinadalékként való használhatóságát a ML Rt. TKD DS technológia- és Projektfejlesztés Analitika vizsgálta. A használt alapbenzin (AN-95) adalékolatlan, 95-ös oktánszámú motorbenzin volt, mely keverőkomponensekből úgy lett előállítva, hogy oxigéntartalmú komponenseket biztosan ne tartalmazott. A keverőkomponensek aránya és a becsült paraméterek: 10 Clark, D. C. Chemical Health & Safety, 2001, 12-22. 11 ASTM_D_3703_99. 12 Fábos, V.; Koczó, G.; Mehdi, H.; Boda, L.; Hováth, I. T. Energy & Env. Sci., előkészületben. 3

ESZ-95 % RN MN Alkilát 32,3 97,8 94 Reformát 35,47 102 90,3 ic5 11,65 92,3 84,1 ic6 20,58 82,5 81,8 100 95,5 89,0 A három minta 10 V/V % bio-etbe-t, bio-eth-t és tisztított GVL-t tartalmazott: MSZ EN 228 AN-95 AN-95 AN-95 AN-95 benzin +10% ETBE + 10% EtH + 10% GVL Sűrűség (15 o C-on) kg/m 3 720-775 733,3 734,4 737,8 765,8 Kéntartalom mg/l max. 50 <1 1,3 <1 <1 Nitrogéntartalom mg/l <1 1,4 <1 <1 xidációs stabilitás min min. 360 K K K K Fúvatás utáni gyantatart., 1,9 1,4 1,6 1,9 mg/100ml Tényl. gyantatart. n-heptános max. 5 0,5 0,8 0,8 0,8 mosás után mg/100ml Korrózió rézlemezen 1. osztály 1A 1A 1A 1A Peroxidszám (mg/kg) 1,75 1.70 1,40 1,72 Gőznyomás (DVPE) kpa 45-60(nyár) 54,6 54,5 65,1 56,6 60-90(tél) Gőznyomás (ASVP) kpa 63,0 61,0 71,0 62,2 Elpárologtatott mennyiség 100 C-ig, V/V% 46-71 52,3 57,3 57,3 46,2 Elpárologtatott mennyiség 150 o C-ig, V/V% min.75 90,0 90,7 90,7 80,0 Végforráspont, o C max. 210 181,9 182,9 181,6 202,2 Desztillációs maradék, V/V% max. 2 1,0 1,1 1,0 0,9 Motor oktánszám 87 89 89 89 Kísérleti oktánszám 98 99 100 100 A 95-ös oktánszámú motorbenzinhez 10 v/v% GVL-t keverve megállapítható, hogy a GVL tulajdonságai és hatása összemérhető a bioetanollal. A GVL vizes oldatból való elválasztásával kapcsolatban kimutattuk, hogy a GVL nem képez azeotrop elegyet vízzel, így vízmentes GVL előállítása valószínüleg kevesebb energiát igényel mind az abszolut bioetanol előállítása, mely egy fontos szempont a fenntarthatóság szempontjából. víz/gvl etanol/víz 4

A C 6 -szénhidrátokat tartalmazó biomassza hatékony gamma-valerolaktonná való alakítása során a GVL hozam több, egymást követő reakciótól függ, amelyeket optimalizálni kell a versenyképes termelés kifejlesztéséhez. Mivel az élelmiszer alapanyagok átalakítása veszélyeztetheti az eljárás fenntarthatóságát, csak nem ehető szénhidrátokat tartalmazó biomassza (pl. lignocellulóz vagy kitin) átalakítását érdemes vizsgálni. Igy az első reakció a C 6 -szénhidrátból álló polimer(ek)ből a monomer(ek) hidrolízissel történő előállítása, mely(ek)ből dehitratálással 5-hidroximetilfurfural (HMF) képződik. A HMF hidrolízisével levulinsav és hangyasav keverékét lehet előállítani. Végül a levulinsav redukciójában képződő 4-hidroxivaleriánsav vízvesztéssel járó gyűrűzáródása vezethet a GVL kialakulásához. C 6- szénhidrátok - H 2 HH 2 C HMF CH H 2 H 2 H Levulinsav + HCH - H 2 H H 4-hidroxivaleriánsav A dehidratálást és a hidrolízist is lehet savval katalizálni, ezért az eddigiek során legtöbbször alkalmazott kénsav helyett kiprobáltuk a sósavat, illetve néhány szilárdsavat. 13,14 Sósavat használva azt tapasztaltuk, hogy reduktív körülmények között a szacharóz szorbitollá és mannitollá alakult. Ezért a továbbiakban a sósavval való dehidratálást és a redukciót elkülönítve végeztük. A dehidratálás után a reakciólegyet ugyanabban a reaktorban, a levulinsav kinyerése nélkül, hidrogén nyomás alá helyeztük. Míg a kénsavval végzett kísérleteknél 40-43%-os volt a levulinsav és a GVL összhozama, sósav esetében 52-57%-ot sikerült elérni. Heterogén katalizátorok alkalmazásával lehetőség nyílhat a katalizátor könnyű újrahasznosítására. Szilárdsavak közül Nb 2, Al-MCM-41, H 3 PW 12 40 H 2, és Nafion- NR50 katalitikus hatékonyságát vizsgáltuk. Ezek közül a legjobbnak a H 3 PW 12 40 xh 2 és Nafion-NR50 bizonyult, de ezek esetén is alacsony, körübelül 30-40%-os volt a levulinsav hozama. 14 A levulinsav gamma-valerolaktonná való redukciója jól ismert, jó hozammal végbemenő reakció. Az irodalomban azonban nincs példa arra, hogy homogén katalitikus körülmények között transzfer hidrogénezéssel sikerült volna levulinsavat gammavalerolaktonná hidrogénezni. A transzfer hidrogénezés jelentősége abban áll, hogy a gáz halmazállapotú hidrogén helyett más hidrogéndonor molekulák szolgálnak hidrogénforrásként. Ilyen hidrogéndonor lehet a hangyasav vagy annak nátrium sója. A hangysav a szacharóz (vagy más C 6 -szénhidrát polimer) dehidratálásakor keletkező levulinsav társterméke. Így a transzfer hidrogénezéssel elvi lehetőség nyílik arra, hogy a szénhidrátból származó levulinsavat a szintén szénhidrátból képződő hangyasavval hidrogénezzük. Elösször a {(η 6 -Me 6 C 6 )Ru(bpy)H 2 }{S 4 } 2- katalizátor jelenlétében sikerült homogén transzfer hidrogénezéssel levulinsavat hangyasavval gamma-valerolaktonná alakítani, de a hozam csak 50% volt. Az irodalom körültekintő elemzése után választottuk ki a Shvo-katalizátort, {[2,5-13 Mehdi, H.; Tuba, R.; Mika, L. T.; Bodor, A.; Torkos, K.; Horváth, I. T. Renewable Resources and Renewable Energy: A Global Challenge, Graziani, M.; Fornasiero, P. (szerk.) C.R.C. Press, Boca Raton, 55-60, 2006 14 Mehdi, H.; Fábos, V.; Tuba, R.; Bodor, A.; Mika, L. T. Horváth, I. T. Top. Catal. 2008, 48, 49-54. GVL 5

Ph 2-3,4-(p-MePh) 2 (η 5 -C 4 C)] 2 H}Ru 2 (C) 4 (μ-h), mely képes aldehideket és ketonokat is redukálni. A Shvo-katalizátor jelenlétében a levulinsav hangyasavval történő transzferhidrogénezése 100%-os hozammal, melléktermék képződése nélkül vezet a GVL képződéséhez. 15,16 A különböző reaktánsok és a katalizátor arányának, valamint a reakció körülményeinek változtatásával további kísérleteket végzünk annak érdekében, hogy minél rövidebb idő alatt, minél kevesebb katalizátor felhasználásával állítsunk elő GVL-t, s kifejlesszünk egy akár ipari méretekben is megvalósítható technológiát. Figyelmünket ezután a GVL továbbalakítására fordítottuk. 13,14 Ugyan az irodalomban ismert néhány lakton homogén katalitikus redukciója, a GVL hidrogénezését eddig csak rézkromit illetve más króm-tartalmú heterogén katalizátorok segítségével sikerült elfogadtható hozammal véghez vinni. A ruténium-trisz(acetil-acetonát), Ru(acac) 3, tributilfoszfin, PBu 3, és az ammónium-hexa-fluorofoszfát, NH 4 PF 6, tartalmazó katalizátorrendszert alkalmazva sikerült 2-metil-tetrahidrofuránt (2Me-THF) 72%-os hozammal előállítani GVL-ből. Mivel a levulinsav könnyen hidrogénezhető γ-valerolaktonná, ezért megkíséreltük a levulinsav 2-metil-tetrahidrofuránná való átalakítását is. A Ru(acac) 3 / PBu 3 / NH 4 PF 6 rendszer alkalmazásakor a levulinsav teljesen átalakult 2-metil-tetrahidrofuránná. Kimutattuk, hogy a ruténium-trisz(acetil-acetonát), Ru(acac) 3, tributilfoszfin, PBu 3, és az NH 4 PF 6, katalizátor-rendszer legjobban a P/Ru=13 aránynál alkalmazható a levulinsav gamma-valerolaktonná való átalakításához. Ebben a reakcióban nem lehetett köztes intermediert kimutatni in situ IR és NMR segítségével. A tributilfoszfin egyik szerepe ezekben a reakciókban az, hogy a ruténiumhoz koordinálódva azt oldott állapotban tartsa az aránylag magas hőmérséklet ellenére is. Mivel a szénhidrátok vízben jól oldódnak szükségünk volt olyan vizoldható foszfinokra, amelyek a katalizátort a vizes oldatban tartják, így növelve a katalizátor hatékonyságát. A vízoldható foszfinok további jelentősége az lehet, hogy a vízben rosszul oldódó ben (2-metiltetrahidrofurán, alkánok) rosszul vagy nem oldódnak, így a katalizátor ezen terméktől könnyen elválasztható és újrahaszonosítható. Célunk volt, hogy olyan vízoldható foszfinokat alkalmazzunk amelyek nem aromás, hanem alifás csoportokat tartalmaznak, hiszen ezek alkalmasabbnak tűntek a biomassza, a levulinsav, vagy akár a GVL hidrogénezésére. Az irodalomban leirt 17 nátrium-2-(diciklohexil-foszfino)-etánszulfonát előállítására tett ismétlő kísérleteink sikertelenek voltak, ezért az egyébként is alacsony hozamot ígérő eljárás helyett kidolgoztunk egy új módszert, 18,19 amely nemcsak egyszerübb, de olcsóbb is. Ezzel az új eljárással előállítottunk két új, vízoldható foszfint a nátrium-2-(di-ciklopentil-foszfino)- etánszulfonátot és a nátrium-2-(di-ciklohexil-foszfino)-etánszulfonátot. LiAlH 4 BrCH 2 CH 2 S 3 Na NaH 2 QMgCl + PCl 3 Q 2 PCl Q 2 PH [Q 2 PH(CH 2 CH 2 S 3 Na)]Br Q 2 PCH 2 CH 2 S 3 Na P S 3 Na P S 3 Na 15 Horváth, I. T.; Fábos, V.; Mehdi, H.; Kaposy, N. A levulinsav szelektív transzfer-hidrogénezése, Előzetes szabadalmi bejelentés, 2008. május 5. 16 Fábos, V.; Mehdi, H.; Kaposy, N.; Hováth, I. T. közlemény előkészületben. 17 Mohr, B.; Lynn, D. M.; Grubbs, R. H. rganometallics, 1996, 15, 4317. 18 rha, L. Vízoldható foszfánok szintézise, Diplomamunka, 2007. 19 rha, L.; Mika, L. T.; Horváth, I. T. közlemény előkészületben. 6

Mivel ezek a nagyon bázikus foszfinok savas közegben foszfónium sókat képeznek, a továbbiakban megpróbáltuk a bázicitást meta helyzetben szulfonált fenil csoportok bevitelével csökkenteni. Igy sikerült megvalósítani alkil-di-(m-s 3 Na-fenil)- és dialkil-(m-s 3 Na-fenil)- foszfinok (alkil = metil, butil, ciklopentil) nagy hozamú szintézisét megvalósítani. 20 A 2-metil-tetrahidrofurán hidrogénezését sikeresen oldottuk meg trifluormetánszulfonsavban platina katalizátorok {Pt(acac) 2 vagy Cl 2 Pt(2,2 -bipyrimidine)} jelenlétében - GC és GC-MS mérések kimutatták, hogy a trifluor-metánszulfonsavas fázistól elváló színtelen termékelegy főként izo-butánt és izo-pentánt tartalmaz. Összefoglalva megallapítható, hogy kutató munkánk során sikerült bizonyítanunk, hogy a megfelelő katalizátor rendszer kiválasztásával lehetséges a biomassza átalakítása különböző C 5 -oxigánátokká és végül alkánok elegyévé. Ez kombinálva a GVL előnyös fizikai és kémiai tulajdonságaival, megnyílt az út a GVL-gazdaság kifejlesztésére. Szerves C 2 + H 2 Természet Szénhidrát H 2 H Széntartalmú HCH C 2 H 2 H 2 Vegyipar Alkánok H 2 H 2 H 2 H H H 2 Szerves Szerves Szerves A GVL fizikai és kémiai tuljadonságai különösen alkalmassá teszik arra is, hogy gyújtó folyadékként vagy gyújtó folyadék adalékként alkalmazzuk. 21 A GVL gyújtó folyadékként való sikeres használatát a Biolen Kft. (8200 Veszprém, Erdész u.12) által forgalmazott, a kereskedelemben "Faszén brikett" néven kapható faszén meggyújtásával igazoltuk. A GVL-t még nyílt gyufalánggal is nehéz meggyújtani - nem elég a lángot a folyadék felszíne fölött található GVL gözökbe helyezni, hanem közvetlenül, a folyadék felületéhez kell érinteni. Amikor a faszénre GVL-t öntöttünk, akkor a gyufalánggal kb. 5-10 másordperc alatt lehetett a feszenet meggyújtani, és körübelül 1 perc után a láng kialudt és a faszén izott tovább. Fontos megjegyezni, hogy a faszént közvetlenül gyufával nem lehetett meggyújtani. Még jobb eredményt értünk el 95% GVL és 5% EtH keverékével - a gyufalánggal kb. 2 másordperc alatt lehetett a feszenet meggyújtani. 20 Mika, L. T.; rha, L.; Farkas, N.; Horváth, I. T. rganometallics, közlésre beküldve 21 Horváth, I. T.; Fábos, V.; Mika, L. T. Gamma-valerolakton gyújtó folyadékként vagy gyújtó folyadék adalékként való alkalmazása, Előzetes szabadalmi bejelentés, 2008. május 5. 7

Gamma-valerolaktonnal kapcsolatos népszerűsítő cikkek: Chemical Sciences, 2008, 5, C17 (Janet Crombie) Science, 2008, 319, 1309 (PDS) vg.hu 2008. április 22. metro.hu 2008. április 21. Hírextra 2008. április 21. HVG.hu 2008. április 21. Zalai Hírlap 2008. április 22. Népszabadság, 2008. május 3. (Hétvége, 8. oldal) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Gamma-valerolaktonnal kapcsolatos ELTE Tudományos Sajtóklub Új korszak: új vegyipar. A gyümölcsökben is megtalálható anyag, a gamma-valerolakton valóban átveheti a kőolaj szerepét? 2008. április 17. (http://www.elte.hu/file/sajtoklub_080417_sajtoanyag.doc) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Gamma-valerolaktonnal kapcsolatos interjúk: MTV Híradó 2008. április 16. Klub Rádió 2008. április 17 MR1 2008. április 18. Kossuth Rádió beszélgetés Gimes Júliával (2008. május) Tudásmédia beszélgetés Vörös Eszterrel (2008. május) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Hozzájárulok, hogy a T032850 TKA nyilvántartási számú kutatás eredményei alapján készült zárójelentésemet, az TKA Bizottság nyilvánosságra hozza, illetve a tudományos közösség számára ismert, elérhető archívumban archiválja. Dátum: 2008. május 30. Dr. Horváth István Tamás 8