Entwicklung neuartiger Katalysatorsysteme zur effizienten Herstellung chiraler Verbindungen in der Gasphasenhydrierung

Design of novel catalyst-systems for efficient production of chiral compounds in gas-phase hydrogenation

  • Die asymmetrische Hydrierung von prochiralen Ketonen mit homogenen Übergangsmetallkatalysatoren ist eine wichtige Reaktion zur Herstellung von optisch reinen Alkoholen. Chirale Alkohole werden oftmals als Bausteine in der Herstellung von Wirkstoffen und Feinchemikalien verwendet. Traditionell werden diese Prozesse in der Flüssigphase batch-weise durchgeführt. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal der erfolgreiche Einsatz eines homogenen Katalysators für die asymmetrische Hydrierung in der Gasphase mittels Supported Ionic Liquid Phase (SILP) Immobilisierungstechnologie beschrieben. Die Immobilisierung der chiralen Katalysatorkomplexe erfolgte dabei in einem Flüssigkeitsfilm an ionischer FlüssiDie asymmetrische Hydrierung von prochiralen Ketonen mit homogenen Übergangsmetallkatalysatoren ist eine wichtige Reaktion zur Herstellung von optisch reinen Alkoholen. Chirale Alkohole werden oftmals als Bausteine in der Herstellung von Wirkstoffen und Feinchemikalien verwendet. Traditionell werden diese Prozesse in der Flüssigphase batch-weise durchgeführt. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal der erfolgreiche Einsatz eines homogenen Katalysators für die asymmetrische Hydrierung in der Gasphase mittels Supported Ionic Liquid Phase (SILP) Immobilisierungstechnologie beschrieben. Die Immobilisierung der chiralen Katalysatorkomplexe erfolgte dabei in einem Flüssigkeitsfilm an ionischer Flüssigkeit (IL), der auf einem porösen Trägermaterial aufgebracht wurde. Diese SILP-Katalysatoren wurden sehr erfolgreich in der asymmetrischen Hydrierung in einer kontinuierlichen Gasphasenreaktion eingesetzt. Dieses außergewöhnliche und völlig neuartige Reaktionsverfahren vermeidet den Einsatz eines zusätzlichen Lösungsmittels, bietet eine sehr einfache Katalysator-Produkt-Abtrennung und erlaubt die relativ problemlose Immobilisierung des Katalysators ohne zusätzliche synthetische Veränderung der Ligandstruktur. Die Arbeit unterteilt sich in detaillierte Untersuchungen in der Flüssigphase in reinem Methanol und in Methanol/IL-Gemischen (alternatives Immobilisierungskonzept in der Flüssigphase) und in Experimente in der Gasphase mit SILP-Katalysatoren. Kinetische Untersuchungen in der Flüssigphase (MeOH) Zur Bestimmung des Reaktionsnetzwerkes (bestehend aus Hydrierreaktionen und Ketal- und Halbketalbildung) wurden experimentelle Daten mit berechneten Werten (Presto Kinetics®) basierend auf verschiedene Reaktionsmodelle verglichen. Die genaueste Anpassung mit einer minimalen Anzahl von unabhängigen Parametern lieferte das Reaktionsmodell mit zwei Hydrierschritten (MAA<->MHB und HK<->MHB) und den Gleichgewichtsreaktionen MAA<->HK<->K<->MAA. Weiterhin wurden alle kinetischen Parameter für einen monodentaten sowie bidentaten Liganden bestimmt. Es ergibt sich eine Reaktionsordnung von 1 bezüglich aller flüssiger Reaktanden und Wasserstoff. Die Aktivierungsenergien der Hydrierungen liegen im Bereich von 32,8 - 85,6 kJ mol^-1. Zusätzlich wurde der Einfluss von Reaktionstemperatur, Wasserstoffdruck und Katalysatorkonzentration auf die Enantioselektivität untersucht. Einfluss verschiedener ionischer Flüssigkeiten in der Flüssigphase (MeOH/IL) In diesem Teil der Arbeit wurde der Einfluss von Imidazolium-, Pyridinium-, Ammonium- und Hydroxyammonium- Schmelzen auf die asymmtrische Hydrierung in Methanol untersucht. Die kurzkettigen Ammonium- und Hydroxyammonium-Schmelzen steigerten die Aktivität des verwendeten Katalysatorkomplexes (bis zu 2,3-fach). Zudem wurde bei Verwendung der Ammonium-Schmelzen mit Hydroxyfunktionalität eine deutlich schnellere Ausbildung der aktivsten und selektivsten Spezies beobachtet. Die Enantioselektivitäten (ee= 88,6 - 91,1 %) lagen im Bereich der ee-Werte für Methanol. Damit ist es möglich, durch Zugabe von ionischen Flüssigkeiten die Aktivität und Enantioselektivität der Ru-katalysierten MAA-Hydrierung durch Ausbildung von verschiedenen katalytischen Spezies zu steuern. Die Verwendung dieser Schmelzen in einer Rezyklierungsreihe erwies sich als sehr erfolgreich (nur leichter Aktivitäts- und Selektivitätsabfall über drei Zyklen) und eröffnet einen sehr effizienten und attraktiven Weg zum Recycling des chiralen Katalysators und der Salzschmelze. Kontinuierliche Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren Zu Beginn der Untersuchungen in der Gasphase (nach Planung und Aufbau der verwendeten Versuchsanlage) wurde eine Verweilzeitcharakterisierung des Bertyreaktors und ein Ligand-Screening (bester Ligand: Thiophenphospholan: ee = 82 - 87 %) durchgeführt. In weiteren systematischen Experimenten wurde die Aktivierungs- und Deaktivierungsphase untersucht. Die Erniedrigung der Reaktionstemperatur (125°C -> 105°C) führte zu einer längeren stabilen Aktivität (30 h vs. 15 h), höhere Enantioselektivitäten (eeMax: 88 % vs. 80 %) und einen geringeren Abfall der Selektivität über 160 h. Es wird eine langsamere Zersetzung des chiralen Liganden bei niedrigeren Reaktionstemperaturen vermutet. Zusätzlich konnte in dieser Arbeit ein großer Einfluss des ionischen Flüssigkeitsfilms (beste geteste IL: [EMIM][NTf2]) und porösen Trägermaterials (Aktivitätssteigerung und Stabilisierung der ee-Werte durch acide Träger) beobachtet werden. Die zusätzliche Dosierung von gasförmigem Methanol resultierte in einer signifikanten Aktivitätssteigerung. Mögliche Ursache kann die koordinierende Wirkung von Methanol oder eine vereinfachte Protonierung der Katalysatorvorstufe und des Substrats sein. Auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit können in naher Zukunft effiziente und intensivierte asymmetrische Hydrierungsprozesse mittels SILP-Immobilisierungs-Technologie erwartet werden.show moreshow less
  • The asymmetric hydrogenation of prochiral ketones using homogeneous transition metal catalysts is an important reaction to produce optically pure alcohols, which are widely applied as building blocks in the production of pharmaceuticals and fine chemicals. Traditionally, the processes are carried out in liquid phase (batch-mode). This work presents for the first time the successful application of an immobilised homogeneous catalyst in the gas phase asymmetric hydrogenation using the Supported Ionic Liquid Phase (SILP) immobilisation technique. Thereby the chiral catalyst complex is immobilised in a thin film of ionic liquid (IL) immersed on a porous support. These SILP-catalysts were used veThe asymmetric hydrogenation of prochiral ketones using homogeneous transition metal catalysts is an important reaction to produce optically pure alcohols, which are widely applied as building blocks in the production of pharmaceuticals and fine chemicals. Traditionally, the processes are carried out in liquid phase (batch-mode). This work presents for the first time the successful application of an immobilised homogeneous catalyst in the gas phase asymmetric hydrogenation using the Supported Ionic Liquid Phase (SILP) immobilisation technique. Thereby the chiral catalyst complex is immobilised in a thin film of ionic liquid (IL) immersed on a porous support. These SILP-catalysts were used very successfully in a continuous gas phase asymmetric hydrogenation. This exceptional and novel reaction concept avoids any use of additional solvent, offers a very simple catalyst/product separation step and allows transfer of well known catalytic systems without additional synthetic effort for catalyst or ligand immobilization. In this work detailed investigations in liquid phase in pure methanol and in mixtures of methanol/IL (alternative immobilisation concept in liquid phase) and experiments in gas phase using SILP-catalysts are presented. Kinetic investigations in liquid phase (MeOH) For the determination of the reaction network (consisting of hydrogenation reactions and formation of ketal/hemiketal) data from kinetic experiments were compared to calculated data (Presto Kinetics®) based on different possible reaction networks. The reaction model with two hydrogenation steps (MAA<->MHB and HK<->MHB) and the equilibrium reactions of MAA<->HK<->K<->MAA gave the best fit using the lowest number of independent parameters. For this network all kinetic parameters were determined using a monodentate and bidentate ligand. Reaction orders of all organic reactants and hydrogen were found to be 1. The activation energy of the hydrogenation reactions were in the range of 32.8 - 85.6 kJ mol^-1. Additionally, the influence of reaction temperature, hydrogen pressure and catalyst concentration on the enantiomeric excess of the reaction was studied. Influence of different ionic liquids in liquid phase (MeOH/IL) In this part of the work the influence of imidazolium-, pyridinium-, ammonium- and hydroxyammonium-salts on the asymmetric hydrogenation in methanol was investigated. The short-chain ammonium- and hydroxyalkylammonium-salts increased the catalytic activity of the applied complex (2.3-times). Additionally, by using the ammonium-salts with hydroxylic functionalities a faster formation of the most active and most selective species was observed. The enantioselectivities (ee= 88.6 - 91.1 %) were found to be in the same range as for pure methanol. Therefore it is possible to influence the activity and enantioselectivity of the Ru-catalyzed MAA-hydrogenation by the formation of different catalytic species in the presence of different ionic liquid additives. The use of these ionic liquid additives in recycling experiments was very successful (only slight decrease in activity and selectivity over three cycles) and opened a very simple and efficient way for the recycling of the chiral, ionic catalyst solution. Continuous gas phase experiments using SILP-catalysts At the beginning of the experiments in gas phase (after the experimental rig was designed and built up) a residence time characterisation of the berty-reactor and a ligand-screening (best ligand: Thiophenphospholan: ee = 82 - 87 %) was carried out. In further systematic experiments the activation- and deactivation phase were investigated. Lower reaction temperatures (125°C -> 105°C) resulted in longer stable activities (30 h vs. 15 h), higher enantioselectivities (eeMax: 88 % vs. 80 %) and lower decrease of the selectivity over a TOS of 160 h. These results can be explained by a slower decomposition of the chiral ligand at lower reaction temperatures. Additionally, a major influence of the ionic liquid film (best tested IL: [EMIM][NTf2]) and the porous supports (increase in activity and stabilisation of the ee-values using acid supports) was observed. By adding gaseous methanol the activity can be significantly increased. A possible reason for this phenomenon could be the coordinating effect of methanol or the simplified protonation of the catalyst precursor and substrate. As a result of this work much more efficient and highly intensified asymmetric hydrogenation processes can be expected in the near future.show moreshow less

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Metadaten
Author:Eva Öchsner
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-17553
Advisor:Peter Wasserscheid
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2010
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2010/03/01
Release Date:2010/05/07
Tag:Asymmetrische Hydrierung; Prozessintensivierung; SILP-(Supported Ionic Liquid Phase)-Katalyse
SILP-(Supported Ionic Liquid Phase)-Catalysis; asymmetric hydrogenation; catalysis; gas phase reaction; immobilisation; ionic liquid
SWD-Keyword:Gasphasenreaktion; Immobilisierung; Ionische Flüssigkeit; Katalyse; Reaktionstechnik
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $