Sustainable Production of Aromatics by Catalytic Aldol Condensation of Biomass-Derived Ketones

Achieving carbon neutrality and establishing a circular bioeconomy are major challenges of our time. Currently, polymers are predominantly derived from fossil resources. However, increasing demands for their sustainable production require the exploration of alternative pathways based on renewable biomass. For many monomers, aromatics are key precursors, but the large-scale production from biomass remains limited. Catalytic self-aldol condensation of biomass-derived alkyl methyl ketones over solid acid catalysts to aromatics is a promising, less explored pathway. The one-step reaction requires neither hydrogen nor precious metal catalysts. In this study, the aromatization of the model compound acetone was initially investigated under solvent-free batch and continuous flow conditions over commercially available catalysts. The goal was to identify acid catalysts with superior stability and activity and to elucidate structure-activity relationships. The most active catalyst under batch conditions proved to be unstable in the continuous flow reactor. Conversely, larger pore silica-alumina catalysts were observed to provide stable aromatization activity under flow conditions. Very high stability (> 50 h time-on-stream) combined with significant activity was found for the amorphous silica-alumina Siralox 30. The catalyst was also suitable for the aromatization of 2-butanone. Increased space-time-yield and energy-efficient product separation are feasible through solvent-free reaction conditions. Overcoming the challenges associated with catalyst deactivation represents a significant step toward the potential scale-up of the alkyl methyl ketone route and contributes to the transition to a fossil-free, renewable chemical industry.

Klimaneutralität und der Aufbau einer biomassebasierten Kreislaufwirtschaft gehören zu den bedeutendsten Herausforderungen unserer Zeit. Polymere werden bisher überwiegend aus fossilen Rohstoffen gewonnen, aber steigende Forderungen nach einer nachhaltigen Produktion machen die Erforschung alternativer Herstellungsrouten auf Basis nachwachsender Biomasse notwendig. Für viele Monomere stellen Aromaten wichtige Vorstufen dar, welche jedoch bisher nur in begrenztem Umfang aus Biomasse hergestellt werden können. Ein vielversprechender, bislang wenig erforschter Ansatz für die Herstellung von Aromaten ist die Selbstaldolkondensation von biomassebasierten Alkylmethylketonen über feste Säurekatalysatoren. Diese einstufige Reaktion erfordert weder zusätzlichen Wasserstoff noch Edelmetallkatalysatoren. In dieser Studie wurde zunächst die Aromatisierung der Modellsubstanz Aceton unter lösemittelfreien Bedingungen in einem Batch- und kontinuierlichen Festbettreaktor über kommerziell erhältliche Katalysatoren untersucht. Ziel war es, Säurekatalysatoren mit hervorragender Stabilität und Aktivität zu identifizieren und Struktur-Aktivitäts-Beziehungen aufzuklären. Der aktivste Katalysator unter Batchbedingungen war jedoch nicht im kontinuierlichen Rohrreaktor stabil. Dahingegen wurde unter kontinuierlichen Bedingungen eine stabile Aromatenbildung von größerporigen Alumosilikat-Katalysatoren beobachtet. Eine sehr hohe Stabilität (Standzeit >50 h) und angemessene Aktivität zeigte das amorphe Alumosilikat Siralox 30. Dieses eignete sich auch für die Aromatisierung von 2-Butanon. Erhöhte Raumzeitausbeuten sowie eine energieeffiziente Produkttrennung sind aufgrund der lösungsmittelfreien Reaktionsbedingungen möglich. Die Überwindung der mit der Katalysatordeaktivierung verbundenen Herausforderungen stellt einen wichtigen Beitrag im Hinblick auf eine mögliche Prozessskalierung sowie auf dem Weg zu einer erneuerbaren fossilfreien Chemieindustrie dar.