The Interplay of Surfactant-Free Mesoscopic Structuring and (Bio-)Catalysis in Water

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-546243
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.54624

Hofmann, Evamaria

License: Publishing license for publications excluding print on demand
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Date of publication of this fulltext: 31 Jul 2024 06:54

Details

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	31 July 2024
Referee:	Prof. Dr. Werner Kunz
Date of exam:	31 July 2023
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) > Prof. Dr. Werner Kunz
Projects (Historical):	Fonds der chemischen Industrie - Stipendium, Universität Regensburg - Stipendium im Rahmen des "Bayerischen Programms zur Realisierung der Chancengleichheit von Frauen in Forschung und Lehre"
Keywords:	Mesoscopic structuring, Surfactant-free aqueous solutions, Organic reactions, Enzyme catalysis, transition metal catalysis, photocatalysis
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	54624

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Abstract (English)

Abstract (English)

In this dissertation, the effect of mesoscopic structuring in surfactant-free microemulsions (SFMEs) on organic reactions has been investigated. The work includes the characterization of different solvent systems as well as the performance and analysis of different reaction types with relevance for industrial applications. Micellar and unstructured solutions are considered to interpret the influence of the presence of an interface on the reactions. Besides the impact of solvent structuring, the focus is on the selection of sustainable systems.
In the first chapter, the photochemical synthesis of flavors from plant material is investigated in food-grade solvent systems. It is found that the presence of an interface does not give a competitive edge but that the great extraction and solubilization power of an SFME can be advantageous. In order to gain more information on the relevance of an interface, reactions reported in aqueous micellar solutions are investigated. Hence, the second chapter considers a cascade reaction combining chemo- and biocatalysis. The successful transfer to both SFMEs and unstructured solvents demonstrates once more that the mesoscopic interface is not the crucial parameter. Rather the solubilization and stabilization of the reactant components are the key points. The same is observed in the third chapter, which deals with the replacement of a micellar solvent in a 1,4-addition reaction by binary and ternary mixtures with different extend of solvent structuring. In the fourth chapter, cross-coupling reactions are performed in water using the green additive meglumine as a solubilizer and activator. Moreover, a promising organic photocatalyst is dissolved in water by means of the additive. The fifth chapter presents the idea and initial promising experiments on the optimization of the properties of a photocatalyst by mesoscopic interfaces.
The last two chapters do not directly deal with reactions but with topics that are generally relevant for their optimization. The sixth chapter describes the detailed investigation of binary solvent mixtures, which exhibit significant solubilization power. For this purpose, COSMO-RS-based predictions are combined with scattering and dielectric relaxation spectroscopy experiments. In the seventh chapter, ternary phase diagrams are predicted by means of COSMO-RS calculations. In addition to the predictions of critical points and tie lines, a method is suggested for predicting the compositions of mesoscopic structuring.

Translation of the abstract (German)

Im Rahmen dieser Dissertation, wird der Einfluss mesoskopischer Strukturierung in Tensid-freien Mikroemulsionen (TFME) auf organische Reaktionen untersucht. Die Arbeit beinhaltet die Charakterisierung verschiedener Lösungsmittelsysteme sowie die Durchführung und Analyse verschiedener Reaktionstypen mit Relevanz für industrielle Anwendungen. Zur Interpretation des Einflusses von Grenzflächen werden auch mizellare und unstrukturierte Lösungen herangezogen. Neben dem Einfluss der Strukturierung von Lösungsmitteln liegt der Fokus auf der Wahl nachhaltiger Systeme.
Im ersten Kapitel wird die photochemische Synthese von Aromen aus Pflanzenmaterial untersucht. Es stellt sich heraus, dass eine Grenzfläche keinen entscheidenden Vorteil bringt. Dahingegen können sich die besonderen Extraktions- und Solubilisierungs-Eigenschaften von TFMEs als vorteilhaft erweisen. Um genauere Informationen über die Relevanz von Grenzflächen zu erhalten, werden Reaktionen untersucht, die bereits in mizellaren Lösungen durchgeführt wurden. Im zweiten Kapitel werden daher die Kopplung von Übergangsmetall- und Biokatalyse betrachtet. Die erfolgreiche Überführung in sowohl TFME als auch unstrukturierte Lösungen zeigt erneut, dass mesoskopische Grenzflächen nicht den entscheidenden Parameter darstellen. Vielmehr ist es eine Frage von Lösen und Stabilisieren der Reaktionskomponenten. Gleiches ist im dritten Kapitel zu beobachten, das sich mit dem Ersetzen von mizellaren Lösungen in 1,4-Additionsreaktionen durch binäre und ternäre Mischungen unterschiedlich starker Strukturierung beschäftigt. Im vierten Kapitel werden Kreuzkopplungen in Wasser durchgeführt, unter Verwendung des grünen Additivs Meglumin. Meglumin dient dabei sowohl als Lösungsvermittler als auch als Aktivator. Zudem wird ein vielversprechender organischer Photokatalysator durch das Additiv in Wasser gelöst. Das fünfte Kapitel zeigt die Idee auf, die Eigenschaften eines Photokatalysators durch mesoskopische Grenzflächen zu optimieren. Erste vielversprechende experimentelle Ergebnisse werden diskutiert. Die letzten beiden Kapitel behandeln keine Reaktionen, aber Themen, die ganz allgemein für deren Optimierung relevant sind. Das sechste Kapitel beschreibt detaillierte Untersuchungen binärer Lösungsmittelmischungen, die eine ausgeprägte Solubilisierungskraft aufweisen. Zu diesem Zweck werden Vorhersagen basierend auf dem COSMO-RS-Modell mit Lichtstreuung und dielektrischer Relaxationsspektroskopie kombiniert. Im siebten Kapitel werden ternäre Phasendiagramme mithilfe von COSMO-RS vorhergesagt. Neben der Vorhersage von kritischen Punkten und Konoden wird eine Methode zur Vorhersage der Lage von mesoskopischen Strukturen im Phasendiagramm vorgestellt.

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