Lävulinsäure

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.

Strukturformel
Allgemeines
Name	Lävulinsäure
Andere Namen	Levulinsäure Laevulinsäure 4-Oxopentansäure 4-Oxovaleriansäure 3-Acetopropionsäure, β-Acetylpropionsäure, γ-Ketovaleriansäure LEVULINIC ACID (INCI)
Summenformel	C5H8O3
Kurzbeschreibung	farbloser bis gelblicher geruchloser Feststoff
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
Dichte	1,134 g·cm^−3 (25 °C)
Schmelzpunkt	27–30 °C
Siedepunkt	252 °C
Dampfdruck	0,374 Pa bei 25 °C 1 hPa bei 102 °C
Löslichkeit	sehr gut löslich in Wasser (791 g·l^−1 bei 20 °C)
Brechungsindex	1,4415 (20 °C)
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Gefahr H- und P-Sätze H: 302​‐​317​‐​318 P: 261​‐​264​‐​280​‐​301+312​‐​302+352​‐​305+351+338
Toxikologische Daten	300–2000 mg·kg^−1 (LD50, Ratte, oral) >2000 mg·kg^−1 (LD50, Kaninchen, transdermal)
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

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.

Gewinnung und Darstellung

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.

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.

Säurekatalysierter Abbau von Cellulose

Verfahrensschritte

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.

Eigenschaften

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

Verwendung

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.

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.

Plattformchemikalie

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; γ-Valerolacton)

Lävulinsäure kann als Plattformchemikalie genutzt werden 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).

Hersteller

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 t/a in Caserta, Italien.

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.

Einzelnachweise

1. Eintrag zu LEVULINIC ACID in der CosIng-Datenbank der EU-Kommission, abgerufen am 2. Juli 2020.
2. Datenblatt Lävulinsäure (PDF) bei Carl Roth, abgerufen am 9. Februar 2008.
3. Datenblatt Lävulinsäure bei Merck, abgerufen am 28. Mai 2022.
4. Datenblatt Levulinic acid, 98% bei Alfa Aesar, 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. 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. 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. 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. Gerald Ondrey: Commercial-scale production for biobased Levulinic Acid. 1. April 2015, abgerufen am 24. Mai 2022. 
16. Kajal Rupnar: Globale Lävulinsäure Marktanalyse nach Produkttyp, Anwendungen, Unternehmensprofil 2021. 24. November 2021, abgerufen am 26. Mai 2022.