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Abstract

Infolge der sinkenden Erdölreserven gewinnt die effiziente Nutzung nachwachsender Rohstoffe zunehmend an Bedeutung. Cellulose als der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwände bietet sich als interessante Alternative zu Rohöl an.
Durch Hydrolytische Hydrierung und Hydrogenolyse kann Cellulose effizient in Zuckeralkohole (C_4-6-Alkoholen) sowie weitere C_1-3-Alkohole als potentielle Basischemikalien der chemischen Industrie umgesetzt werden. Der Einsatz von verdünnter Schwefelsäure in Kombination mit geträgerten Rutheniumkatalysatoren erlaubt die selektive Umsetzung von Cellulose in C_5-6-Alkohole bei 160 °C. Interessanterweise kann dieser Ansatz problemlos von reiner Cellulose auf echte Biomasse wie z.B. Stroh und Fichtenholz übertragen werden. Dabei können die Cellulose- und Hemicelluloseanteile dieser Rohstoffe fast vollständig umgesetzt werden. Neben Mineralsäuren zeigen sich die wolframbasierten Heteropolysäuren in Kombination mit geträgerten Rutheniumkatalysatoren für die Celluloseumsetzung als besonders geeignet. Bei diesen Reaktionen wurde Cellulose trotz der deutlich geringeren Säurekonzentration im Vergleich zu Schwefelsäure nicht nur vollständig umgesetzt, sondern auch selektiv zu Zuckeralkoholen überführt. Trotz dieser vielversprechenden Ergebnisse wurden weitere Untersuchungen mit festen Säurekatalysatoren durchgeführt, um Probleme bei Katalysatorwiedergewinnung nachhaltig zu lösen. Die ersten Erfolge konnten durch Cäsiumsalze der Heteropolysäuren sowie geträgerten Heteropolysäuren erzielt werden. Allerdings blieb für diese Materialien die Katalysatorstabilität eine große Herausforderung.
Neben Rutheniumkatalysatoren zeigen die kostengünstigen Kupferkatalysatoren hohe Aktivität in der Celluloseumsetzung. Die Reaktionen mit CuO/ZnO/Al₂O₃ bei 245 °C erlauben direkte und selektive Umsetzung von Cellulose in C_1-3-Alkohole. Die Untersuchungen zur Aufklärung des Reaktionsnetzwerkes ergaben, dass die Bildung von diesen kurzkettigen Alkoholen durch Retro-Aldol- und anschließende Hydrierungsreaktionen erfolgte.
Insgesamt erscheint die hydrolytische Hydrierung bzw. die Hydrogenolyse von Cellulose vielversprechend für die direkte Nutzung lignocellulosehaltiger Rohstoffe und stellt damit einen interessanten Ansatz für zukünftige Bioraffinerie-Konzepte dar.