Lävulinsäure

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Strukturformel
Strukturformel von Lävulinsäure
Allgemeines
Name Lävulinsäure
Andere Namen
  • Levulinsäure
  • Laevulinsäure
  • 4-Oxopentansäure
  • 4-Oxovaleriansäure
  • 3-Acetopropionsäure,
  • β-Acetylpropionsäure,
  • γ-Ketovaleriansäure
  • LEVULINIC ACID (INCI)[1]
Summenformel C5H8O3
Kurzbeschreibung

farbloser bis gelblicher geruchloser Feststoff[2]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 123-76-2
EG-Nummer 204-649-2
ECHA-InfoCard 100.004.228
PubChem 11579
ChemSpider 11091
DrugBank DB02239
Wikidata Q903322
Eigenschaften
Molare Masse 116,11 g·mol−1
Aggregatzustand

fest[2]

Dichte

1,134 g·cm−3 (25 °C)[3]

Schmelzpunkt

27–30 °C[2]

Siedepunkt

252 °C[2]

Dampfdruck
  • 0,374 Pa bei 25 °C[2]
  • 1 hPa bei 102 °C[3]
Löslichkeit

sehr gut löslich in Wasser (791 g·l−1 bei 20 °C)[3]

Brechungsindex

1,4415 (20 °C)[4]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[3]
Gefahrensymbol Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 302​‐​317​‐​318
P: 261​‐​264​‐​280​‐​301+312​‐​302+352​‐​305+351+338[3]
Toxikologische Daten
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

Die Lävulinsäure (auch 4-Oxopentansäure, 4-Oxovaleriansäure oder LA) ist eine chemische Verbindung, die zu den γ-Ketosäuren gehört und gleichzeitig deren einfachsten Vertreter darstellt.

Lävulinsäure gilt als wichtige Plattformchemikalie in Bioraffinerien, um fossiles Öl als Rohstoff durch nachwachsende Biomasse, vorzugsweise durch Bioabfall, zu ersetzen. Das Biomassenprogramm der Energieministerium der Vereinigten Staaten betrachtet die Substanz seit 2004 als eine der 12 wichtigsten biobasierten Plattformchemikalien.[5]

Gewinnung und Darstellung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lävulinsäure kann in hoher Ausbeute aus der Hexose von Biomasse gewonnen werden. Der Prozess findet mit Glucose als Zwischenprodukt statt, die zu Fructose und dann zu Hydroxymethylfurfural isomerisieren.

Auch andere Zuckerderivate wie Levulose (= D-Fructose), Inulin oder Stärke können verwendet werden.

Außerdem kann Lävulinsäure durch Hydrolyse von Cellulose gewonnen werden.

Die Isomerisierung erfolgt durch Kochen in homogenen Katalysatoren wie konzentrierter Salzsäure oder Schwefelsäure. Forschungsarbeiten untersuchen auch Ionische Flüssigkeiten oder heterogene Katalysatoren wie saure Zeolithe. Der Syntheseweg geht über Hydroxymethylfurfural (HMF) als Zwischenprodukt. Als Nebenprodukt entsteht äquimolar Ameisensäure.[6]

Synthese von Lävulinsäure

Santos und Mitautoren (2021) stellten in einem Review, die in der Literatur bekannten Synthesewege mit eingesetztem Biomassensubstrat, Reaktionsbedingungen, Katalysatoren, Ausbeute an Lävulinsäure bezogen auf den Glucose Anteil im Substrat zusammen.[7][8]

Säurekatalysierter Abbau von Cellulose

Verfahrensschritte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Unternehmen GF Technologie wendet zur Herstellung von Lävulinsäure den Segetis-Prozess mit folgenden Verfahrensschritten an: Biomasse (Gras, Weizen, Mais-Kolben, Stroh , Holz , Cellulose , Zuckerrohr, Zuckerrübenabfälle) => Vorbehandlung, Reinigung und Zerkleinerung => Kochen im Reaktor mit konzentriertem Mineralsäurekatalysator => Abkühlung => Filtration zur Nebenprodukt Abtrennung von Lignin und Humin-Stoffen => Flüssig-flüssig Gegenstrom Extraktion mit organischem Lösungsmittel wie Furfural => Abdampfen der Ameisensäure => Lösungsmittel Abtrennung mit Rückführung und Aufkonzentrierung durch Rektifikation => Gewinnung der Lävulinsäure als Sumpfprodukt.[7][9]

Eigenschaften[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sie kommt in Form eines kristallinen weißen Feststoffs vor. Sie ist löslich in Wasser, Ethanol und in Ether.

Verwendung der Lävulinsäure[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lävulinsäure ist als Konservierungsmittel pflanzlichen Ursprungs eine natürliche Alternative zu synthetischem Konservierungsstoff. Es wird in der Kosmetik verwendet, um zu verhindern, dass Mikroorganismen in das Endprodukt gelangen und um eine Mikroben feindliche Umgebung im Produkt zu schaffen. Es wird verwendet, um den pH-Wert zu regulieren. Es hat antiseptische Eigenschaften.[10]

Lävulinsäure ist ein Zusatzstoff, der in Zigaretten verwendet wird, um die Freisetzung von Nicotin im Rauch zu erhöhen und die Bindung von Nicotin an neuronale Rezeptoren zu verbessern.[11]

Plattformchemikalie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Plattformchemikalien aus Lävulinsäure (im Uhrzeigersinn beginnend Mitte oben:
Methyltetrahydrofuran; Acrylsäure; δ-Amino-Lävulinsäure; Diphenolsäure (DPA); 4-Oxo-2-pentensäure; Lävulinsäureester; 1,4-Pentandiol; β-Anglicalacton; Furfural)

Lävulinsäure kann als Plattformchemikalie genutzt werden[8][12][13] und ist damit potentieller Vorläufer (Präkursor) verschiedener Substanzen wie:

Furan (Lösungsmittel), Tetrahydrofuran, Furfural (Treibstoff), α-Angelicalacton (Riech- und Duftstoff), γ-Valerolacton (GVL) (Treibstoff-, Brennstoffadditiv), Methyltetrahydrofuran (MeTHF) (Lösungsmittel), 2-Butanon, Natiumlevulinat (Kosmetika), Lävulinsäureester (Lösungsmittel), Acrylsäure (Polymerharz), Acetylacrylsäure, Acetylacetat, 1-Pentanol (Lösungsmittel), Pentan (Kältemittel in Kühlschränken), 1,4-Butandiol (Weichmacher), 1,4-Pentandiol (Polyurethan-Komponente (Plattformchemikalie für Kunstfasern, Kunststoffe)), 1,4-Pentadien (Plattformchemikalie), Pentansäure (Bioplastik aus Polyhydroxyvaleriansäure), Pentanol (Desinfektionsmittel), Nonanon (Aromastoff), Adipinsäure (Polyurethan-Kunststoffe, Nylon), Bernsteinsäure (Geschmacksverstärker), Sebacinsäure (Präkursor für Polyamide), delta-Aminolevulinsäure (DALA) (Herbizid und Pestizid) (Weiße Hautkrebstherapie), Amino-Levulinsäure-Ketal (Weichmacher), N-Alkylpyrrolidone (Lösungsmittel), Diphenolsäure (DPA, 4,4-Bis(4-hydroxyphenyl)valeriansäure) (Ersatz für Bisphenol A), 5-Bromlävulinsäure (Arzneimittel).[8][14]

Lävulinsäure-Derivate[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Derivate der Lävulinsäure werden verwendet als: Agrochemikalie, Biokraftstoff, Geruchsstoff und Parfüm, Harz für Coating, Kosmetik & Körperpflege, Kraftstoffadditive, Lebensmittelaroma, Lösungsmittel, Medizinprodukt, Pharmazeutika, Polymer & Kunststoff und als Weichmacher.

Natrium-Lävulinat[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Natriumlevulinat, wird in organischen und naturkosmetischen Zusammensetzungen zur Parfümierung, Hautpflege und pH-Regulierung verwendet. Es stabilisiert Formulierungen und Emulsionen. Es verleiht den Kosmetika Eigengeruch und beugt Faltenbildung der Haut vor.[13]

Lävulinsäureester (LA-Ester)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lävulinsäurederivate können eine nachhaltige Alternative zu petrochemischen Lösungsmitteln sein und die steigende Nachfrage nach grünen Lösungsmitteln hat Lävulinate in den Blickpunkt der chemischen Industrie gebracht. Levulinsäureester werden heute als fruchtige Nischenaroma- und Duftstoffe verkauft.[13] In der Industrie- oder Haushaltsreinigung dienen Levulinate zur Entfettung und/oder der Fleckenentfernung. Sie sind effizient zur Entfernung von Farbe, Tinte oder Klebstoff. Mit ihnen können stabile bis konzentrierte Formulierungen ohne Trübung erhalten werden.[13]

Lävulinsäureethylester[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lävulinsäureethylester (Ethyl-Lävulinat) wird in großem Umfang in der Kosmetik als Duftstoff und in Parfüms verwendet.[13] Es ist zudemein potentieller Biokraftstoff auf Cellulosebasis.[13][15]

Lävulinsäurebutylester[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lävulinsäurebutylester (Butyl-Lävulinat) ist als biobasiertes Coating-Lösungsmittel in einer Vielzahl von wässrigen Beschichtungen in Lack- und Beschichtungsformulierungen geeignet. Für Beschichtungen liefern sowohl die Ester als auch die Ketale eine außergewöhnliche Leistung als Koaleszenzmittel oder Co-Lösungsmittel.[13]

Levulinsäureketal[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Kosmetik werden Wirkstoffe in Formulierungen eingebracht. Um die Flexibilitet der kosmetischen Formulierung zu erweitern, kann Levulinsäureketal als Formulierungshilfsmittel zum Auflösen einer Vielzahl von Wirkstoffen verwendet werden. Bei feuchtigkeitsspendenden Formulierungen ermöglicht die Einarbeitung von Wasser in wasserfreie Systeme, dass sie eine hohe Wasserbeladung aufweisen.

Formulierungen mit Levulinat-Ketale erhöhen die Ethanol-Löslichkeit. Indem sie die Fettigkeit natürlicher Formulierungen reduzieren, ermöglichen sie ein trockenes, seidiges Hautgefühl. Die Formulierungen behalten die Klarheit bei.[13][16]

Glycerin-Levulinat-Ketal (GLK)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zur Herstellung von viskoelastischem Polyurethan-Schaum ermöglichen Polyole auf der Basis von Levulinat-Ketalen einen reduzierten Isocyanat-/Katalysator Restgehalt. Die Ketalfunktion ermöglicht die Feinabstimmung der Glasübergangstemperatur.[13]

γ-Valerolacton[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Levulinsäure ist in neuerer Zeit als weiteres Plattformmolekül aus Biomasse zum wichtigsten Ausgangsmaterial für γ-Valerolacton (GVL) geworden. Dazu wird Levulinsäure hydriert. γ-Valerolacton könnte zukünftig als Monomer für Polyester, als „grünes“ Lösungsmittel, sowie als biogener Brennstoff und biogener Kraftstoff Verwendung finden.[13]

Methyltetrahydrofuran (MTHF)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Levulinsäure ist auch ein Ausgangsstoff für die industrielle Produktion von 2-Methyltetrahydrofuran. Durch Zyklisierung und Hydrierung von Levulinsäure kann der cyclische Ether 2-Methyltetrahydrofuran (MTF) als Lösungsmittelaltenative zum Tetrahydrofuran gewonnen werden.[15]

Diphenolsäure (DPA)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Diphenolsäure (Bis(4-hydroxyphenyl)pentansäure) kann durch die Kondensationsreaktion von Phenol mit Levulinsäure in Gegenwart von Salzsäure hergestellt werden. Diphenolsäure (DPA) ist ein vielversprechender potenzieller Ersatz für Bisphenol A (BPA). Bei der Herstellung von Epoxidharzen verbessert es als kovalent gebundener Weichmacher die Vernetzung.[13]

5-Aminolävulinsäure[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Immer strengere Umweltschutzvorschriften deuten darauf hin, dass die Mengen herkömmlicher Pestizid-Chemikalien deutlich zurückgehen werden. Delta Aminolevulinsäure (DALA) ist ein geeigneter Ersatz für traditionelle Herbizide und Pestizide. Das biologisch abbaubaren Herbizid wird auf Rasen und bestimmten Getreidekulturen eingesetzt.[13]

Als Arzneimittel wird 5-Aminolevulinsäure als Photosensibilisator, in der Photodynamischer Therapie (PDT) bei der lokalen Behandlung von aktinischen Keratosen mittels eingesetzt, welche Vorstufen zum Hautkrebs darstellen.[13][17]

5-Aminolävulinsäure ist als Gliolan zur Fotodiagnostik (FD) zugelassen.[13]

Porphyrine[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Biochemie ist 5-Aminolevulinsäure, ein Derivat der Levulinsäure, ein Zwischenprodukt der Porphyrinebiosynthese. Porphyrine sind organisch-chemische Farbstoffe, die aus vier Pyrrol-Ringen (Tetrapyrrol) bestehen.[13]

Hersteller[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

GFBiochemicals Green Future S.r.l. (Milan, Italien) übernahm 2015 den Segetis Inc. Prozess und begann mit der kommerziellen Produktion von Lävulinsäure aus Biomasse im Produktionsmaßstab von 2.000 MT/a in Caserta, Italien.[18]

Die wichtigsten Hersteller von Läulinsäure sind: Anhui Herman Impex Co Ltd, Avantium, Biofine International Inc., CSPC Pharmaceutical Group, DuPont, GF Biochemicals GmbH, Great Chemicals Co. Ltd., Guannan East Chemical, Haihang Industry Co. Ltd., Hebei Yanuo, Hefei TNJ Chemical Industry Co. Ltd., Heroy Chemical Industry Co. Ltd, Langfang Falke, LangFang Hawk, Langfang Triple Well Chemicals Co. Ltd, Maroon Group, Penta Manufacturing Company, Simagchem Corporation, Synerzine Inc, Zhonglan Industry Co. Ltd, Zibo Changlin Chemical, Zibo Shuangyu.[19]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Eintrag zu LEVULINIC ACID in der CosIng-Datenbank der EU-Kommission, abgerufen am 2. Juli 2020.
  2. a b c d e Datenblatt Lävulinsäure (PDF) bei Carl Roth, abgerufen am 9. Februar 2008.
  3. a b c d e f g Datenblatt Lävulinsäure bei Merck, abgerufen am 28. Mai 2022.
  4. Datenblatt Levulinic acid, 98% bei AlfaAesar, abgerufen am 28. Mai 2022 (PDF) (JavaScript erforderlich).
  5. T. Werpy, G. Petersen: Top Value Added Chemicals from Biomass Volume I—Results of Screening for Potential, Candidates from Sugars and Synthesis Gas. (pdf) In: Results of Screening for Potential Candidates from Sugars and Synthesis Gas; Department of Energy: Washington, DC, USA. August 2004, S. 1–76, abgerufen am 24. Mai 2022 (englisch, review).
  6. Raspolli Galletti, A. M., Antonetti, C., De Luise, V., Licursi, D., Nassi o Di Nasso, N.: Levulinic acid production from waste biomass. (pdf) In: Bioresources 7 (2). 2012, S. 1824–1835, abgerufen am 24. Mai 2022 (englisch, review).
  7. a b Lucas A. dos Santos, Gabrielle das V. Fraga, Danilo Aguinar Pontes, Leila M. A. Campos, Luiz A. M. Pontes, Leonardo S. G. Teixeira: Alternatives for the production of Levulinic acid obtained from biomass. In: Química Nova. 2021, doi:10.21577/0100-4042.20170773.
  8. a b c Jan C. Van der Waal, Ed de Jong: Avantium Chemicals: The high potential for the Levulinic product tree. In: Industrial Biorenewables. April 2016, S. 97–120, doi:10.1002/9781118843796 (researchgate.net [abgerufen am 24. Mai 2022]).
  9. GF-Biochemicals: Bringing levulinic acid derivates to the market through technology innovation. Abgerufen am 24. Mai 2022 (englisch).
  10. Renew Kosmetik Germany: Lävulinsäure. Abgerufen am 24. Mai 2022.
  11. Lois Keithly, Geoffrey Ferris Wayne, Doris Cullen, Gregory Connolly: Industry research on the use and effects of levulinic acid: A case study in cigarette additives. In: Nicotine & Tobacco Research. Band 7, Nr. 5, 1. Oktober 2005, S. 761–771, doi:10.1080/14622200500259820, PMID 16191747.
  12. Joseph J. Bozell, Gene R. Petersen: Technology development for the production of biobased products from biorefinery carbohydrates—the US Department of Energy’s “Top 10” revisited. In: Green Chemistry. Band 12, Nr. 4, Januar 2010, doi:10.1039/b922014c.
  13. a b c d e f g h i j k l m n o GF Biochemicals: Levulinic acid and its derivates are recognised, versatile molecules to meet today’s demand for sustainability. Abgerufen am 24. Mai 2022 (englisch).
  14. Michela Signoretto, Somayeh Taghavi, Elena Ghedini, Federica Menegazzo: Catalytic Production of Levulinic Acid (LA) from Actual Biomass. In: molecules. Band 2019 24(15), 30. Juni 2019, S. 2760, doi:10.3390/molecules24152760 (mdpi.com [abgerufen am 27. Mai 2022] Review).
  15. a b Swarnalatha Mailaram, Pankaj Kumar, Alekhya Kunamalla, Palkesh Saklecha, Sunil K.Maity: Biomass, biorefinery, and biofuels. In: Academic press (Hrsg.): Sustainable Fuel Technologies Handbook. 1. Januar 2021, S. 51–87, doi:10.1016/B978-0-12-822989-7.00003-2 (sciencedirect.com [abgerufen am 7. Mai 2022]).
  16. nxlevvel: Butyl Levulinate and Propanediol Ketal product features. Abgerufen am 24. Mai 2022.
  17. E Jonathan, MD Blume, R Allan, MD Oseroff: Aminolevulinic Acid Photodynamic Therapy for Skin Cancers. In: Dermatologic Clinics. Band 25. Elsevier, 2007, S. 5–14, doi:10.1016/j.det.2006.09.005.
  18. Gerald Ondrey: Commercial-scale production for biobased Levulinic Acid. 1. April 2015, abgerufen am 24. Mai 2022.
  19. Kajal Rupnar: Globale Lävulinsäure Marktanalyse nach Produkttyp, Anwendungen, Unternehmensprofil 2021. 24. November 2021, abgerufen am 26. Mai 2022.