Friedel-Crafts Alkylierung von Anilin -Mechanistische Betrachtungen und Untersuchungen zur Katalysatorrezyklierung für eine nachhaltige Reaktionsführung

Friedel-Crafts alkylation of aniline - mechanistic considerations and studies on catalyst recycling for a sustainable reaction

  • Die Friedel-Crafts Alkylierung ist eine der wichtigsten Reaktionen zur industriellen Herstellung substituierter Aromaten. Als Katalysatoren werden Brønsted- und Lewissaure homogene und heterogene Systeme verwendet. Die technische Friedel-Crafts Alkylierung von Anilin wird hauptsächlich in der Flüssigphase mit einem Katalysatorgemisch aus Aluminiumtrichlorid und Aluminumtrianilid durchgeführt. Bei der Produktisolation wird der Katalysator durch einen irreversiblen Hydrolyseschritt zerstört, wobei hohe Kosten bei der Aufarbeitung und der Entsorgung korrosiver und giftiger Katalysatorabfälle anfallen. Um die ökologischen und ökonomischen Probleme bei den bereits bestehenden homogenen Verfahren Die Friedel-Crafts Alkylierung ist eine der wichtigsten Reaktionen zur industriellen Herstellung substituierter Aromaten. Als Katalysatoren werden Brønsted- und Lewissaure homogene und heterogene Systeme verwendet. Die technische Friedel-Crafts Alkylierung von Anilin wird hauptsächlich in der Flüssigphase mit einem Katalysatorgemisch aus Aluminiumtrichlorid und Aluminumtrianilid durchgeführt. Bei der Produktisolation wird der Katalysator durch einen irreversiblen Hydrolyseschritt zerstört, wobei hohe Kosten bei der Aufarbeitung und der Entsorgung korrosiver und giftiger Katalysatorabfälle anfallen. Um die ökologischen und ökonomischen Probleme bei den bereits bestehenden homogenen Verfahren bei der Friedel-Crafts Alkylierung von Anilin zu umgehen, wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Verfahrenskonzepte zur Immobilisierung und Rezyklierung des Katalysators durch den Einsatz ionischer Flüssigkeiten und anorganischer Salzschmelzen eingehend untersucht. Zum besseren Verständnis der betrachteten Alkylierungsreaktion wurden weiterhin mechanistische und kinetische Untersuchungen durchgeführt, sowie Einflussfaktoren auf die Selektivität und Aktivität ermittelt. Die Rezyklierung des Katalysators konnte durch die Kristallisation einer katalytisch aktiven AlCl3-Arylamin Spezies dreimal ohne Aktivitäts- und Selektivitätsverlust reproduzierbar durchgeführt werden. Durch das hier erstmals vorgeschlagene Rezyklierungsverfahren konnte die Friedel-Crafts Alkylierung von Anilin mit Propen unter katalytischer Wirkung von Aluminiumchlorid im Vergleich zum kommerziellen homogenen Flüssigphasenprozess im Hinblick auf Aktivität und Nachhaltigkeit entscheidend optimiert werden. Bereits bestehende Alkylierungsverfahren können hierdurch profitieren, da keine wesentlichen Veränderungen im Stoffsystem durchgeführt werden müssen. Das Einsparpotential durch die teilweise Rückführung des Katalysators ergibt sich durch die Verringerung der insgesamt benötigten AlCl3-Menge und der damit verbundenen Menge an Natronlauge, die für die Hydrolyse des Aluminiumchlorids bei der Produktaufarbeitung benötigt wird. Neben den ökonomischen Vorteilen dieses Verfahrenskonzepts kann ein Großteil des Waschwassers zur Produktaufreinigung eingespart werden, in dem gelöste Reaktionsrückstände die Umwelt belasten.show moreshow less
  • Friedel-Crafts alkylations are among the most important reactions for industrial production of substituted aromatics. They are catalysed by Lewis or Brønsted acids either in heterogeneous or homogeneous phase systems. The industrial production of substituted anilines is carried out in liquid phase with a catalyst mixture of aluminiumtrichloride and aluminiumtrianilide. The process’ major drawback is the catalyst separation from the final product mixture by an irreversible hydrolysis step releasing a large amount of toxic and corrosive wastewater leading to high production costs in the downstream process. The following work will discuss in detail various concepts of recycling the acidic catalFriedel-Crafts alkylations are among the most important reactions for industrial production of substituted aromatics. They are catalysed by Lewis or Brønsted acids either in heterogeneous or homogeneous phase systems. The industrial production of substituted anilines is carried out in liquid phase with a catalyst mixture of aluminiumtrichloride and aluminiumtrianilide. The process’ major drawback is the catalyst separation from the final product mixture by an irreversible hydrolysis step releasing a large amount of toxic and corrosive wastewater leading to high production costs in the downstream process. The following work will discuss in detail various concepts of recycling the acidic catalyst used for isopropylation of anilines by application of ionic liquids and molten salts. Furthermore kinetic and mechanistic studies are conducted in order to achieve a broad comprehension of the reaction revealing influencing factors on selectivity and activity. Recycling of the catalyst system is achieved three times without change in selectivity and activity by crystallisation of an AlCl3-arylamine species. In comparison to the conventional homogeneous liquid phase alkylation process of anilines the concept described in this work for the first time ever leads to a clear improvement in activity and sustainability in AlCl3 catalysed alkylation reactions. Decreasing the total amount of catalyst and therefore the total amount of NaOH needed for hydrolysis without decreasing activity and selectivity of the alkylation reaction leads to both, a financial benefit as well as a significant reduction of environmental impact.show moreshow less

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Metadaten
Author:Viktor Ladnak
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-21547
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:2010/10/15
Release Date:2010/11/23
Tag:Katalysatorrezyklierung
catalyst recycling
SWD-Keyword:Alkylierung; Friedel-Crafts-Reaktion; Ionische Flüssigkeit; Lewis-Säure; Salzschmelze
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Chemische Verfahrenstechnik / Chemische Verfahrenstechnik
open_access (DINI-Set):open_access

$Rev: 13581 $