entwicklung neuartiger katalysatorsysteme zur effizienten herstellung chiraler ... · 2013. 9....
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Entwicklung neuartiger
Katalysatorsysteme zur effizienten
Herstellung chiraler Verbindungen in der
Gasphasenhydrierung
Der Technischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Ingenieurwissenschaften
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Eva Öchsner
aus Erlangen
Erlangen 2010
ii
Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der Einreichung: 07.10.09
Tag der Promotion: 01.03.10
Dekan: Prof. Dr. Reinhard German
Berichterstatter: Prof. Dr. Peter Wasserscheid
Prof. Dr. Heike Dörnenburg
iii
Die vorliegende Doktorarbeit wurde unter der Anleitung von Universitätsprofessor Dr.
Peter Wasserscheid am Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik der Universität
Erlangen-Nürnberg von September 2006 bis August 2009 durchgeführt.
iv
Teile dieser Arbeit wurden bereits patentiert:
Eva Öchsner, Marco Haumann, Peter Wasserscheid,
„Hybridmaterialien zur heterogen katalysierten asymmetrischen Hydrierung im
Gaskontakt und Verfahren zur ihrer Anwendung“
(3.3.2009, DE102009011815.2).
v
Teile dieser Arbeit wurden bereits in den folgenden Fachzeitschriften veröffentlicht:
Eva Öchsner, Kathrin Junge, Matthias Beller, Peter Wasserscheid,
„Kinetic studies of asymmetric hydrogenation of methyl acetoacetate in different
solvents”
Chemie Ingenieur Technik 2008, 80, 9, 1255.
Eva Öchsner, Bastian Etzold, Kathrin Junge, Matthias Beller, Peter Wasserscheid,
„Kinetic Study of the Asymmetric Hydrogenation of Methyl acetoacetate in the
Presence of a Ruthenium Binaphthophosphepine Complex”
Advanced Synthesis & Catalysis 2009, 351, 1+2, 235-245.
Eva Öchsner, Karola Schneiders, Kathrin Junge, Matthias Beller, Peter
Wasserscheid,
„Highly Enantioselective Ru-catalyzed Asymmetric Hydrogenation of β-Keto Ester in
Ionic Liquid / Methanol Mixtures”
Applied Catalysis, A: General 2009, 364, 1-2, 8-14.
Eva Öchsner, Carolin Apfel, Marco Haumann, Peter Wasserscheid,
„Supported Ionic Liquid Phase (SILP) Catalysts for the Continuous Asymmetric
Hydrogenation in Gas Phase”
In Begutachtung.
vi
Teile dieser Arbeit wurden bereits als Tagungsbeitrag veröffentlicht:
Eva Öchsner, Marco Haumann, Kathrin Junge, Matthias Beller, Peter Wasserscheid,
„Asymmetric Catalysis using Supported Ionic Liquid Phase (SILP) Materials”
ISHHC XIII (International Symposium on Relations between Homogeneous and
Heterogeneous Catalysis), Berkeley, USA.
Poster
Eva Öchsner, Kathrin Junge, Matthias Beller, Peter Wasserscheid,
„Asymmetric hydrogenation of methylacetoacetate using different solvent systems”
Jahrestreffen Reaktionstechnik, Würzburg.
Poster
Eva Öchsner, Kathrin Junge, Matthias Beller, Peter Wasserscheid,
„Kinetic studies of asymmetric hydrogenation of methylacetoacetate in different
solvents”
ProcessNet-Jahrestagung 2009, Karlsruhe.
Poster
Eva Öchsner, Marco Haumann, Peter Wasserscheid,
„Supported Ionic Liquid Phase (SILP) katalysierte asymmetrische Hydrierung in Form
einer kontinuierlichen Gasphasenreaktion“
Jahrestreffen Deutscher Katalytiker, Weimar.
Vortrag
Peter Wasserscheid, Eva Öchsner, Bastian Etzold, Kathrin Junge, Matthias Beller,
„Kinetic studies of the asymmetric hydrogenation of methylacetoacetate“
Jahrestreffen Reaktionstechnik, Würzburg.
Poster
Eva Öchsner, Marco Haumann, Peter Wasserscheid,
„Continuous Gas Phase Asymmetric Hydrogenation using Novel Supported Ionic
Liquid Phase (SILP) Catalysts”
ISHHC XIII (International Symposium on Relations between Homogeneous and
Heterogeneous Catalysis), Stockholm, Schweden.
Poster
vii
Danksagung
An erster Stelle möchte ich mich bei meinem Doktorvater Professor Dr. Peter
Wasserscheid für die interessante, herausfordernde Themenstellung und die
hervorragende Betreuung und Unterstützung während meiner Arbeit bedanken.
Danke, dass du niemals an der erfolgreichen Umsetzung dieses Projektes gezweifelt
hast!
Frau Professor Dr. Dörnenburg und Herrn Professor Dr. Wirth danke ich herzlich für
die Übernahme des Zweitgutachtens und der Berichterstattung.
Diese Arbeit entstand im Rahmen eines BMBF-Netzwerkprojektes (Entwicklung und
Einsatz neuartiger SILP-Katalysatoren). Ich möchte mich deshalb beim
Bundesministerium für Bildung und Forschung für die Finanzierung bedanken. Für
die gute Koordination des Netzwerk-Projektes danke ich Herrn Dr. Fischer und Herrn
Dr. Szesni (Süd-Chemie AG). Weiterhin bedanke ich mich ganz herzlich für die gute
Auswahl und Bereitstellung von Liganden bei Herrn Prof. Dr. Beller, Frau Dr. Junge
(Leibniz-Institut für Katalyse e.V., Universität Rostock) und bei Herrn Dr. Kadyrov
(Evonik Industries AG). Für die Bereitstellung von Trägermaterialien und ionischen
Flüssigkeiten möchte ich mich ganz herzlich bei Herrn Prof. Dr. Schwieger, Marcelle
Fankam, Herrn Dr. Szesni und Herrn Dr. Uerdingen (Merck KGaA) bedanken. Ganz
herzlicher Dank gilt dem Arbeitskreis von Herrn Prof. Dr. Leitner und Ulrich
Hintermair (Institut für Technische Chemie und Makromolekulare Chemie, RWTH
Aachen) für die interessanten Diskussionen und die Versuchsreihe im überkritischen
Kohlenstoffdioxid. Ich möchte mich bei allen BMBF-Partnern für die sehr gute
Zusammenarbeit bedanken!
Bedanken möchte ich mich ganz herzlich bei meinen Studenten Caro, Philipp,
Thomas, Matthias und Ana-Maria, die als HiWis, Studien- und Diplomarbeitern einen
erheblichen Teil zu dieser Arbeit beigetragen haben. Die Zusammenarbeit mit Euch
hat viel Spaß gemacht!
Bei Dr. Bastian Etzold möchte ich mich herzlichst für die Unterstützung bei der
Presto Kinetics Modellierung bedanken. Andreas Bösmann danke ich sehr herzlich
viii
für die zahlreichen Diskussionen und Ideen. Helmut Gerhard und Dr. Peter Schulz
danke ich sehr herzlich für die Unterstützung bei zahlreichen Analytik-Problemen.
Für die Weitergabe der Erfahrung im Anlagenaufbau und Umgang mit dem Berty-
Reaktor danke ich Dr. Marco Haumann und Sebastian. Ich möchte mich ebenfalls
ganz herzlich bei der gesamten SILP-Arbeitsgruppe bedanken. Vielen Dank für die
guten Zusammenarbeit, die guten Tipps und die fruchtbaren Diskussionen.
Weiter möchte ich mich ganz herzlich bei den Kollegen und Freunden in den
Werkstätten bedanken. Achim, Michael, Hans-Peter, Gerhard und Helmut, ihr habt
mich sehr beim Aufbau und bei der Wartung der Laboranlagen unterstützt. Ohne
Eure Hilfe wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. Danke!
Ganz herzlich möchte ich auch meinen netten Kollegen Joni, Judith, Karo, Jens,
Markus, Caspar, Berthold, Daniel, Dany, Nathalie, Karo, Friedrich, Matthias (und
allen namentlich hier nicht erwähnten) danken für die angenehme und produktive
Atmosphäre im Arbeitskreis. Ohne Euch wäre die Arbeit im Arbeitskreis nur halb so
schön gewesen!
Besonders danken möchte ich Tobias. Du hast mir immer während meiner Arbeit
beigestanden und mich ermutigt!
Zum Schluss möchte ich mich noch herzlichst bei meinen Eltern bedanken, die mir
das alles erst ermöglicht haben.
ix
Für Tobias
und
Für meine Eltern
x
„Inmitten der Schwierigkeiten liegt die
Möglichkeit.“
Albert Einstein
INHALTSVERZEICHNIS
1
1. Einleitung.............................................................................................................. 12
2. Allgemeiner Teil.................................................................................................... 18
2.1 Definition und Grundlagen der asymmetrischen Katalyse............................... 18
2.2 Katalysatorentwicklung und technische Bedeutung (state of the art).............. 23
2.3 Aktuelle Forschungsaktivitäten in der Asymmetrischen Hydrierung von Ketonen
.............................................................................................................................. 29
2.3.1 Keto-Hydrierung in organischen Lösungsmitteln ...................................... 30
2.3.2 Immobilisierungskonzepte in der Asymmetrischen Hydrierung ................ 33
2.3.2.1 Keto-Hydrierung mit ionischen Flüssigkeiten......................................... 34
2.3.2.2 Asymmetrische Hydrierung mit festen Katalysatoren ............................ 40
2.3.2.2.1 Kovalent immobilisierte Katalysatoren................................................ 40
2.3.2.2.2 Nicht-kovalent immobilisierte Katalysatoren ....................................... 44
2.4 Zielsetzung dieser Arbeit................................................................................. 49
3. Experimenteller Teil .............................................................................................. 54
3.1 Präparative Arbeiten ....................................................................................... 54
3.1.1 In situ-Präparation des Ligand-Metall-Komplexes .................................... 54
3.1.2 Methodik zur Herstellung der SILP-Katalysatoren.................................... 54
3.2 Vorversuche in der Flüssigphase.................................................................... 55
3.2.1 Aufbau, Funktionsweise und Versuchsdurchführung................................ 55
3.3 Batch-Versuche in der Flüssigphase .............................................................. 56
3.3.1 Aufbau, Funktionsweise und Versuchsdurchführung................................ 56
3.4 Kontinuierliche Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren ......................... 58
3.4.1 Beschreibung der Hauptkomponente der Versuchsanlage ...................... 58
3.4.2 Versuchsdurchführung der Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren 61
3.4.3 Versuche zur Bestimmung des Verweilzeitverhaltens.............................. 62
4. Ergebnisse und Diskussion .................................................................................. 64
4.1 Versuchsstrategie und Konzept der Arbeit...................................................... 64
4.2 Flüssigphasen-Voruntersuchungen ................................................................ 66
4.3 Kinetische Untersuchungen in der Flüssigphase in Methanol......................... 71
4.3.1 Monodentater Phenylphosphepin-Ligand ................................................. 71
4.3.1.1 Bestimmung des Reaktionsnetzwerkes................................................. 71
4.3.1.2 Bestimmung der kinetischen Parameter................................................ 78
4.3.1.3 Einfluss der Temperatur, des Druckes und der Katalysatorkonzentration
auf die Ausbeute und Enantioselektivität in der MAA-Hydrierung ..................... 82
INHALTSVERZEICHNIS
2
4.3.2 Bidentater Thiophenphospholan-Ligand................................................... 86
4.4 Einfluss verschiedener ionischer Flüssigkeiten im Reaktionsgemisch
Methanol/IL ........................................................................................................... 91
4.4.1 Monodentater Phenylphosphepin-Ligand ................................................. 92
4.4.1.1 Imidazolium - basierte ionische Flüssigkeiten ....................................... 92
4.4.1.2 Pyridinium - basierte ionische Flüssigkeiten.......................................... 94
4.4.1.3 Ammonium - basierte ionische Flüssigkeiten ........................................ 96
4.4.1.4 Hydroxy-Ammonium - basierte ionische Flüssigkeiten .......................... 98
4.4.1.5 Rezyklierungsstudie ............................................................................ 100
4.4.2 Bidentater Thiophenphospholan-Ligand................................................. 102
4.5 Kontinuierliche Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren ....................... 105
4.5.1 Verweilzeitcharakterisierung des Berty-Reaktors ................................... 105
4.5.2 Einsatz unterschiedlicher Liganden........................................................ 107
4.5.3 Detaillierte Untersuchungen der Aktivierungsphase............................... 112
4.5.4 Untersuchung zum Deaktivierungsverhalten .......................................... 115
4.5.5 Einfluss der Reaktionstemperatur........................................................... 120
4.5.6 Einfluss der ionischen Flüssigkeit im SILP-System ................................ 123
4.5.6.1 Variation der Anionen und Kationen der ionischen Flüssigkeit ............ 123
4.5.6.2 Untersuchungen zum Einfluss der IL-Beladung .................................. 126
4.5.7 Einfluss verschiedener Trägermaterialen und der Acidität ..................... 127
4.5.8 Einfluss des H-aciden Aktivators Methanol ............................................ 130
5. Zusammenfassung und Ausblick........................................................................ 134
6. Anhang ............................................................................................................... 142
6.1. Zusätzliche experimentelle Daten ................................................................ 142
6.1.1 Kinetische Untersuchungen in der Flüssigphase.................................... 142
6.1.2 Einfluss verschiedener ionischer Flüssigkeiten im Reaktionsgemisch
Methanol / IL.................................................................................................... 150
6.1.3 Kontinuierliche Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren................. 151
6.1.3.1 Verweilzeitcharakterisierung des Berty-Reaktors ................................ 151
6.1.3.2 Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren ...................................... 153
6.1.3.3 Charakterisierung der verwendeten Trägermaterialien........................ 156
6.1.4 Chromatogramme der GC-Messungen .................................................. 157
6.1.5 Aspen Plus Simulation............................................................................ 158
6.2 Verwendete Chemikalien .............................................................................. 159
INHALTSVERZEICHNIS
3
6.3 Berechnungen............................................................................................... 160
6.4 Synthese und Charakterisierung der in dieser Arbeit hergestellten ionischen
Flüssigkeiten ....................................................................................................... 162
6.5 Analysemethoden ......................................................................................... 171
6.6 Abbildungsverzeichnis .................................................................................. 174
6.7 Tabellenverzeichnis ...................................................................................... 178
6.8 Schemaverzeichnis ....................................................................................... 180
7. Literaturverzeichnis ............................................................................................ 181
SYMBOLVERZEICHNIS
4
Symbolverzeichnis
Symbol Einheit Bedeutung
Ai - Fläche der Komponente i
Bo - Bodensteinzahl
C kJ·K-1 Wärmekapazität
ci mol·l-1 Konzentration der Komponente i
∆H0f,T kJ·mol-1 Standardbildungsenthalpie
∆RHi0 kJ·mol-1 Standardreaktionsenthalpie
∆RSi0 J·mol-1·K-1 Standardreaktionsentropie
∆Qv kJ Verbrennungswärme
E(Θ) - dimensionslose Verweilzeitverteilung
EA,i-j kJ·mol-1 Aktivierungsenergie der Reaktion i-j
ee % Enantiomerenüberschuss
HK - Halbketal
K - Ketal
Ki-j - Gleichgewichtskonstante der Reaktion i-j
k0,i-j Pa-1·s-1/s-1 Stoßfaktor der Reaktion i-j
Kx - Korrekturfaktor der Komponente x
m - Reaktionsordnung
MAA - Methylacetoacetat
MHB - Methylhydroxybutyrat
mi g Masse der Komponente i
νi - stöchiometrischer Faktor der Komponente i
ni mol Stoffmenge der Komponente i
p bar Druck
Θ - dimensionlose Verweilzeit
R 8,314 J·mol-1·K-1 allgemeine Gaskonstante
R - rechts, lat. Rectus
r rpm Rührer-, Turbinendrehzahl
Ri mol·l-1·s-1 Stoffmengenänderungsgeschwindigkeit der Komponente i
ri-j mol·l-1·s-1 Reaktionsgeschwindigkeit der Reaktion i-j
rpm min-1 Umdrehung pro Minute
SYMBOLVERZEICHNIS
5
S - Links, lat. Sinister
S/C mol·mol-1 Substrat/Katalysator-Verhältnis
σx - Standardabweichung
t s / min Zeit
T °C Temperatur
τ s / min hydrodynamische Verweilzeit
t min/h Reaktionszeit −
t s / min effektive Verweilzeit
TOF h-1 Turnover-Frequency
TON mol·mol-1 Turnover-Number
tR s / min Verweilzeit im Reaktor
Xi % Umsatz der Komponente i
Yi % Ausbeute der Komponente i
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
6
Abkürzungsverzeichnis
Abkürzung Bedeutung
[(BuO)2PO2]- Dibutylphosphat
[BMIM]+ 1-Butyl-3-methylimidazolium
[BPy]+ Butylpyridinium
[DMPIM]+ 1-Propyl-2,3-dimethylimidazolium
[EMIM]+ 1-Ethyl-3-methylimidazolium
[EMMIM]+ 1-Ethyl-2,3-dimethylimidazolium
[FAP]- Tris(perfluoroalkyl)trifluorophosphat
[MBPy]+ Methylbutylpyridinium
[NTf2]- Bis(trifluoromethylsulfonyl)imid
[OTf]- Trifluoromethansulfonat (Triflat)
[PEG]+ 1-(2-(2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy)ethyl)-3-butylimidazolium
Aspartam (L-Aspartyl-L-phenylalaninmethylester)
BINAP (1,1′-Binaphthalene-2,2′-diyl)bis(diphenylphosphin)
BIPHEP Bis(diphenylphosphin)
Bis-fluorophenyl-phosphepin [Dinaphtho[2,1-d:1',2'-f][1,3,2]dioxaphosphepin-4-amin]
CAMP Methylcyclohexyl-o-anisylphosphin
CEM Controlled Evaporation Mixer
CHIRAPHOS Bis(diphenylphosphino)butan
CSTR Kontinuierlicher, idealer Rührkessel, continuous stirred-tank reactor
COD Cyclooctadien
Deguphos (3R,4R)-N-Benzyl-3,4-bis(diphenylphosphino)pyrrolidin
DFT Dichtefunktionstheorie
DIOP O-Isopropyliden-2,3-dihydroxy-1,4-bis(diphenylphosphino)butan
DIPAMP 1,2-Ethandiylbis[(o-methoxyphenyl)phenylphosphin]
DMSO Dimethylsulfoxid
DNA Desoxyribonukleinsäure, Desoxyribonucleic acid
DPEN 1,2-Diphenyl-ethylendiamin
DSC Differential-Scanning-Kalorimetrie
DuPhos Bis(2,5-dimethylphospholano)benzen
Eniphos 1-Phenylethyl-1-phenylethyl-bis(diphenylphosphino)ethan-1,2-diamin
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
7
ES-MS Elektronenspray-Massenspektroskopie
FID Flammenionisationdetektor
GC Gaschromatographie
HPLC High Performance Liquid Chromatography
HV Hochvakuum
ICP-AES Induktive gekoppelte Plasma-Atom Emission Spektroskopie
IL Ionische Flüssigkeit
iPrOH Iso-Propanol
Josiphos 1-(Diphenyl-phosphin)-2-(1-dicyclohexyl-phosphin-ethyl)-ferrocen
L-Dopa 3,4-Dihydroxyphenylanilin
LF LiquidFlow
MCM-41 Mesoporöses Material (30-40 Angström) auf Silizium basierend
MeO-BIPHEP (6,6'-Dimethoxybiphenyl-2,2'-diyl)bis(diphenylphosphin)
MeOH Methanol
MFC MassFlowController
MonoPhos 3,5-Dioxa-4-phosphacyclohepta[2,1-a;3,4-a′]dinapthalen-4-yl)-dimethylamin
NAD(P)+ Nicotinsäureamid-Adenin-Dinukleotid-(Phosphat)
NMR Nuclear Magnetic Resonance
PAMP Methylphenyl-o-anisylphosphin
PDMS Polydimethylsiloxan
PFTR Idealer Rohrreaktor, plug flow tubular reactor
Phenylphosphepin [(S)-4-Phenyl-4,5-dihydro-3H-dinaphtho[2,1-c:1`,2`-e]phosphepin]
rds geschwindigkeitsbestimmender Schritt, rate determining step
RNA Ribonukleinsäure, Ribonucleic acid
RT Raumtemperatur
SAPC Supported Aqueous Phase Catalysis
scCO2 Überkritisches Kohlendioxid
SILP Supported Ionic Liquid Phase
SLPC Supported Liquid Phase Catalysis
SRK Soave-Redlich-Kwong
tBu-MeO-BIPHEP (6,6'-Dimethoxybiphenyl-2,2'-diyl)bis[bis(3,5-di-tert-butylphenyl)-phosphin]
TGA Thermogravimetrische Analyse
THF Tetrahydrofuran
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
8
Thiophenphospholan [3-(2,5-(2R,5R)-Dimethylphospholanyl-1)-4-di-o-tolylphosphino-2,5-dimethyl-thiophen]
tolBINAP (1,1′-Binaphthalene-2,2′-diyl)bis(ditoluyl-phosphin)
TPD Temperaturprogrammierte Desorption
VWZ Verweilzeit
Xyliphos 1-(Diphenyl-phosphin)-2-(1-dixylyl-phosphin-ethyl)-ferrocen
Xyl-MeO-BIPHEP (6,6'-Dimethoxybiphenyl-2,2'-diyl)bis[bis(3,5-dimethylphenyl)phosphin]
KURZFASSUNG
9
Kurzfassung:
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 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.
KURZFASSUNG
10
Abstract:
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 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.
EINLEITUNG
11
Kapitel 1
EINLEITUNG
EINLEITUNG
12
1. Einleitung
Molekulare Chiralität spielt eine Schlüsselrolle in Wissenschaft, Technik und in
unserem Leben.[1] Viele biologische Verbindungen (z. B. Grundgerüst der
Erbsubstanzen RNA und DNA sowie Proteine) und Funktionen im Körper (z. B.
Stoffwechselkreisläufe) hängen von molekularer Chiralität ab. Möchte der Mensch in
diese Prozesse z. B. mit pharmakologischen Wirkstoffen eingreifen, so muss er
Syntheserouten zur Herstellung chiraler Moleküle entwickeln. Dabei kann die
Herstellung von chiralen Strukturen durch Synthese eines Racemates und
Abtrennung der Enantiomere mit klassischen Trennmethoden erfolgen. Außerdem
können chirale Moleküle durch Verwendung von Bausteinen aus Naturstoffen, durch
enzymatische und mikrobielle Transformationen oder durch enantioselektive
(= asymmetrische) Synthese mittels chiraler Katalysatorkomplexe hergestellt
werden.[2] Dabei ist die asymmetrische homogene Übergangsmetallkatalyse nur eine
Möglichkeit, enantiomerenreine Verbindungen herzustellen. In den letzten Jahren
findet sie jedoch auf Grund ihrer hohen Effizienz und Flexibilität zunehmende
Anwendung in der chemischen Industrie. Ermöglicht wird dies vor allem durch die
rasante Entwicklung von sehr aktiven, chiralen Katalysatorstrukturen. Erste chirale
Übergangsmetallkomplexe für den Einsatz in einer asymmetrischen Hydrierreaktion
wurden von Horner[3] und Knowles[4] 1968 entwickelt. Im Jahre 2001 erhielt Knowles
zusammen mit Noyori[5] und Sharpless[6] den Nobelpreis für die Entwicklung chiraler
Katalysatoren. Da durch die asymmetrische Katalyse heutzutage auf Grund der
intensiven Forschung der letzten Jahrzehnte ein großes Spektrum an
enantiomerenreinen organischen Substanzen synthetisiert werden kann, findet sie in
zahlreichen Bereichen der Industrie (Pharmazie, Agrochemie,
Nahrungsmittelindustrie und Duftstoffsynthese) Einsatz. Im Jahre 2000 wurde
weltweit mit enantiomerenreinen Verbindungen ein Umsatz von 123 Milliarden US
Dollar erzielt.[1] Einige Beispiele für industrielle Prozesse, in denen die
asymmetrische Hydrierung mit homogenen Übergangsmetallkomplexen einen
Schlüsselschritt darstellt, sind die Herstellung des Herbizides Metolachlor
(> 10000 t/a), die Synthese des Zuckerersatzstoffes Aspartam (15 t/a) und die
Produktion des Wirkstoffes L-Dopa.[7]
Um die Produktion von chiralen Verbindungen noch effizienter zu gestalten, wird
weltweit auf den Gebiet der asymmetrischen Katalyse intensiv geforscht. Traditionell
EINLEITUNG
13
werden homogen katalysierte asymmetrische Hydrierungen in organischen
Lösungsmitteln durchgeführt.[4,8] Da die enantioselektive Katalyse meist teure
Edelmetalle und ebenso teure chirale Liganden verwendet, sind effektive Konzepte
zur Rückgewinnung dieser wertvollen Katalysatoren aus der Reaktionslösung sehr
erstrebenswert. In den letzten Jahrzehnten wurden viele sehr unterschiedliche
Strategien entwickelt, chirale Übergangsmetallkomplexe in der asymmetrischen
Hydrierung zu immobilisieren.[9,10,11] Eine mögliche Methode ist dabei die Flüssig-
Flüssig-Zwei-Phasen-Katalyse mit wässrigen[12], fluorierten Phasen[13], ionischen
Flüssigkeiten[13] und die Zwei-Phasen-Katalyse mit überkritischen Medien[14] wie z. B.
scCO2. Weiterhin besteht die Möglichkeit, Hydrierkatalysatoren an feste
Trägermaterialien zu verankern. Wichtige Beispiele aus der Literatur beinhalten
dabei die kovalente Verankerung von chiralen Komplexen an Polymere[15], Silika[16],
Zirkoniumphosphatträger[17] und die Immobilisierung durch dendrimerische[18] und
polymerisierte[19] Liganden. Literaturbekannte Konzepte für eine nicht kovalente
Verankerung sind die Immobilisierung auf einen aciden Träger durch
Ionenaustausch[20] und Einschluss in Membranstrukturen[21], in Poren mesoporöser
Materialen[22] (sog. „ship-in-a-bottle“-Katalysatoren) oder in Mizellen[23]. Eine weitere
Methode ist die Verankerung von homogenen Katalysatoren in Flüssigkeitsfilmen, die
ihrerseits auf poröse Trägermaterialien aufgebracht worden sind. Die Verwendung
von ionischen Flüssigkeiten als Flüssigkeitsfilm (Supported Ionic Liquid Phase
Konzept, kurz SILP) wurde erstmals von Mehnert[24] publiziert. In der Literatur
existieren drei Beispiele zur SILP-katalysierten asymmetrischen Hydrierung in der
Flüssigphase.[25,26,27] Bei Verwendung von SILP-Katalysatoren in
Flüssigphasenexperimenten werden oftmals geringe Katalysatorstabilitäten
beobachtet. Zum einen kann der IL-Film mechanisch vom Trägermaterial entfernt
oder chemisch abgewaschen werden, zum anderen kann der
Übergangsmetallkomplex in die organische Lösungsmittelphase ausbluten
(Leaching). Diese Probleme treten meist nicht auf, wenn die immobilisierten
Katalysatorsysteme in der Gasphase eingesetzt werden. In Form von
kontinuierlichen Gasphasenreaktionen wurden bereits SILP-Katalysatoren erfolgreich
für die Hydroformylierung[28], die Carbonylierung von Methanol[29], die
Hydroaminierung[30] und die Hydrierung[31] getestet. Nach dem Stand der Forschung
beschränken sich jedoch die Anwendungen von SILP-Katalysatoren in der
EINLEITUNG
14
kontinuierlichen Gasphasenreaktion bisher auf Reaktionen mit relativ einfachen
Selektivitätsproblemen.
In dieser Arbeit wird erstmals das SILP-Konzept für die asymmetrische Hydrierung,
eine Reaktion mit komplexem Selektivitätsverhalten, für ein kontinuierliches
Gasphasenverfahren untersucht (Abbildung 1).
IL FilmIL Film
poröser Trägerporöser Träger
Ru
Br
Br
L
L
Ru
Br
Br
L
L
**
O
O O
O
OOH
*
H2
H2
H2
H2
H2H2 H2
SILP
Katalysator
SILPKatalysator
IL FilmIL Film
poröser Trägerporöser Träger
Ru
Br
Br
L
L
Ru
Br
Br
L
L
**
O
O O
O
OOH
*
H2
H2
H2
H2
H2H2 H2
SILP
Katalysator
SILPKatalysator
Abbildung 1: Bildliche Darstellung eines SILP-Katalysators in der asymmetrischen, kontinuierlichen
Gasphasenhydrierung eines ββββ-Ketoesters.
Die SILP-katalysierte Hydrierung in der Gasphase bringt einerseits erhebliche
Vorteile, andererseits auch einige Herausforderungen mit sich. Zwei klare Vorteile
sind eine lösungsmittelfreie kontinuierliche Produktion von chiralen Molekülen und
die einfache Immobilisierung des teuren chiralen Katalysatorkomplexes.
Herausforderungen sind die kurzen Katalysatorkontaktzeiten in der Gasphase, die
Auswirkung der hohen Reaktionstemperaturen auf die thermo-labilen chiralen
Liganden und die niedrigen Wasserstoffpartialdrücke der kontinuierlichen
Gasphasensynthese.
Bis zum heutigen Zeitpunkt existieren keine Beispiele zur asymmetrischen
Hydrierung mit Übergangsmetallkomplexen im kontinuierlichen Gasphasenkontakt.
Das Ziel dieser Arbeit war eine Realisierung der asymmetrischen Hydrierung in Form
einer SILP-katalysierten, kontinuierlichen Gasphasenreaktion. Als
Modellhydrierreaktion wurde die für die Industrie interessante Umsetzung des relativ
leicht verdampfbaren β-Ketoesters Methylacetoacetat zu dem chiralen Alkohol
EINLEITUNG
15
Methylhydroxybutyrat untersucht (Abbildung 1). Die Arbeit untergliedert sich in
Untersuchungen in der Flüssigphase (in Methanol und in Methanol/IL-Systemen) und
den Experimenten in der Gasphase. Durch die Forschungsergebnisse dieser Arbeit
soll ein völlig neues Anwendungsgebiet für SILP-Katalysatoren erschlossen werden
und die Anwendungsgrenzen dieser Technologie ausgelotet werden.
EINLEITUNG
16
ALLGEMEINER TEIL
17
Kapitel 2
ALLGEMEINER TEIL
ALLGEMEINER TEIL
18
2. Allgemeiner Teil
Dieses Kapitel soll einen Einblick in die Grundlagen der asymmetrischen Hydrierung
und in die Motivation dieser Arbeit geben. Im ersten Abschnitt werden verschiedene
Synthesewege von enantiomerenreinen Verbindungen vorgestellt und die
Entstehung der Enantioselektivität an Hand zweier Theorien erläutert. Darauf folgt
ein Kapitel zur Entwicklung von chiralen Hydrierungskatalysatoren für den Einsatz in
industriellen, katalytischen Verfahren. Exemplarisch werden drei wichtige industrielle
Prozesse vorgestellt, bei denen die asymmetrische Hydrierung die Schlüsselreaktion
darstellt. Nach Vorstellung des Stands der Technik gibt Kapitel 2.3 einen Überblick
über die regen Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der asymmetrischen
Hydrierung von Ketonen. Schwerpunkt bildet dabei die Vorstellung von
verschiedensten Immobilisierungskonzepten im letzten Kapitel, da diese Arbeit sich
mit der Immobilisierung eines homogenen Katalystorsystems beschäftigt.
2.1 Definition und Grundlagen der asymmetrischen Katalyse
Die Grundlage der asymmetrischen Katalyse ist die Existenz von Molekülen, die sich
zueinander wie Bild und Spiegelbild verhalten. Diese Tatsache wird in der Chemie
als Spiegelbildisomerie oder Chiralität (cheir (gr.) = Hand) bezeichnet. Die
unterschiedlichen Formen eines chiralen Moleküls werden Enantiomere genannt. Die
Enantiomere gehören neben den Diastereomere zur Gruppe der Stereoisomere, die
sich durch die gleiche Summenformel und Verknüpfung der Atome, jedoch die
unterschiedliche räumliche Anordnung, auszeichnen. Im Gegensatz dazu besitzt die
zweite Gruppe der Isomere – die Konstitutionsisomere – die gleiche Summenformel,
aber eine andere Gerüststruktur.[32,33]
Ein physikalischer Nachweis von Enantiomeren kann über die optische Aktivität –
unterschiedliche Drehung der Ebene des linear polarisierten Lichtes – erfolgen.
Moleküle, die das Licht nach rechts im Uhrzeigersinn drehen, werden durch den
Zusatz (+) gekennzeichnet, analog werden Moleküle, die das Licht nach links gegen
den Uhrzeigersinn drehen mit (-) bezeichnet. Alle anderen physikalischen
Eigenschaften der Enantiomere wie Schmelzpunkt, Siedepunkt und Dampfdruck sind
identisch. In ihrer biologischen und pharmakologischen Wirkung auf den Menschen
können sich Enantiomere jedoch sehr stark unterscheiden.[7]
ALLGEMEINER TEIL
19
Zur Benennung der absoluten Konfiguration des chiralen Zentrums wird das CIP
(Chan-Ingold-Prelog) – System[34] verwendet. Dabei wird die Anordnung der
verschiedenen Gruppen um das Stereozentrum mit Hilfe von Prioritätsregeln
bestimmt. Ergibt sich von dem Substituenten mit höchster Priorität bis hin zur
niedrigsten Priorität eine Drehung im Uhrzeigersinn wird der Deskriptor (R) (rectus
(lat.) = rechts) verwendet, bei der Drehung gegen den Uhrzeigersinn (S) (sinister
(lat.) = links).
Ein wichtiger Begriff in der asymmetrischen Katalyse ist der
Enantiomerenüberschuss (ee = enantiomeric excess). Er ist ein Maß für die
Enantioselektivität einer katalytischen Reaktion (Racemat: ee = 0%,
enantiomerenreines Produkt: ee = 100%).
100mmmm
[%]ee21
21 ⋅+
−= (1.1)
m1: Masse des Enantiomers im Überschuss, m2: Masse des Enantiomers im Unterschuss.
Für die Herstellung von enantiomerenreinen Verbindungen oder enantiomer
angereicherten Produkten haben sich vier Syntheserouten als wirtschaftlich
erwiesen.[2]
1) Abtrennung von Enantiomeren mit klassischen Trennmethoden
Durch Kristallisation von diastereomeren Addukten werden derzeit über
50 % der enantiomeren angereicherten Arzneimittel hergestellt.[35] Ein
weiteres Trennverfahren ist der Einsatz von chiraler HPLC (high
performance liquid chromatography) mit der „Moving Simulated Bed“ –
Technologie. Die HPLC-Technik ist limitiert auf kleinere Maßstäbe zur
Herstellung von hochwertigen Produkten (100 kg - 1 t).
Kristallisationsverfahren können in allen Größenmaßstäben eingesetzt
werden. In beiden Fällen werden große Mengen an Lösungsmittel benötigt
und große Anteile des unerwünschten Enantiomeres müssen entweder
rezykliert oder verworfen werden.[2,64]
2) Chiraler Pool
Verwendung von Bausteinen aus Naturstoffen, die chiral sind und als
einzelne Enantiomere zugänglich sind (chiral pool, z. B. Aminosäuren,
ALLGEMEINER TEIL
20
Hydroxysäuren, Kohlenhydrate).[7] Diese Vorgehensweise wird oftmals in
der Entwicklungsphase von Wirkstoffen eingesetzt, kann aber ebenso –
abhängig von der kommerziellen Verfügbarkeit des Startmaterials –
Einsatz in der Herstellung von Produkten in größerem Maßstab finden. Da
Naturprodukte sehr oft eine hohe Enantiomeren-Reinheit besitzen, ist
keine weitere Anreicherung oder Trennung mehr notwendig.[12,65]
3) Enzymatische und mikrobielle Transformationen
Dieser Syntheseweg ist meist sehr selektiv (Reinheiten von annähernd
100 %), jedoch gibt es entscheidende Nachteile. Die Entwicklung eines
effektiven Biokatalysators nimmt sehr lange Zeit in Anspruch, besonders
da meist das Startmaterial nicht exakt analog zu dem Natursubstrat ist.
Zudem müssen Produkte mit kostspieliger Trenntechnik aus sehr
verdünnten wässrigen Lösungen isoliert werden.[7]
4) Enantioselektive (= asymmetrische) Synthese mittels chiralen Auxiliare
Dabei können chirale Hilfsstoffe entweder in stöchiometrischer oder
katalytischer Menge eingesetzt werden. Die attraktivere Variante ist die
enantioselektive chemische Katalyse (oder asymmetrische Katalyse) bei
der die teuren chiralen Hilfsstoffe in katalytischen Mengen eingesetzt und
idealerweise rezykliert werden.[2,7]
Die asymmetrische homogene Übergangsmetallkatalyse ist somit nur eine von
mehreren Möglichkeiten, enantiomerenreine Verbindungen herzustellen. Sie findet
jedoch zunehmende Anwendung in der chemischen Industrie, da häufig die
Syntheseroute signifikant verkürzt und hohe Stereoselektivitäten ermöglicht werden.
Zudem werden die chiralen Auxiliare (= Liganden) oftmals rezykliert und es wird mit
hohen Substrat/Katalysator-Verhältnissen (bis zu 10.000:1) gearbeitet.[7]
Die chiralen Liganden können in der asymmetrischen Katalyse gezielt, z. B. durch
ihre räumliche Anordnung, die Enantioselektivität des zu bildenden Produkts steuern.
Daher ist das Design neuer chiraler Liganden der Fokus der Forschung auf dem
Gebiet der asymmetrischen Katalyse. Weiterhin wurden in den letzten Jahren
aufwendige theoretischen Berechnungen (z. B. DFT-Simulation[36]) und
experimentelle Messungen (z. B. Röngten-Kristallstruktur-Analyse[4]) durchgeführt,
ALLGEMEINER TEIL
21
um die Entstehung der Enantioselektivität bei der homogenen
Übergangsmetallkatalyse für verschiedenste Katalysatorkomplexe aufzuklären und
zu verstehen. Einfluss auf die bevorzugte Ausbildung eines Enantiomers haben
sowohl thermodynamische Effekte – das thermodynamisch stabilere Produkt wird
bevorzugt gebildet – als auch kinetische Effekte – die Addition von Wasserstoff
(meist rds) verläuft für Diastereomere unterschiedlich schnell auf Grund der
abschirmenden Wirkung des koordinierten Liganden.[37]
Im Folgenden werden zwei in den letzten Jahren entwickelte Theorien im Überblick
vorgestellt:
Eine Theorie zur Entstehung der Enantioselektivität ist die sog. „Quadranten-Regel“.
Die Umgebung des Übergangsmetallkomplexes wird dabei in vier Quadranten
unterteilt, die entweder relativ leer (sterisch ungehindert) oder relativ gefüllt (sterisch
gehindert) sind (Abbildung 2).[7,37] Die dunklen Bereiche in Abbildung 2 stellen die
sterisch gehinderten Bereiche dar.
M
PP
P PM
Ph
Ph
O
O
O O
Abbildung 2: Das Quadranten-Modell.
links für Chelat(=bidentater) Ligand[38], rechts für monodentaten Ligand[39].
An Hand dieses Modells wird ersichtlich, wie der Ligand die räumlich bevorzugte
Addition des Wasserstoffs beeinflusst: Die Liganden koordinieren an das Metallatom
und orientieren sich derart, dass eine chirale Anordnung geschaffen wird. Durch die
Ligandensphäre wird eine Seite stark abgeschirmt und dadurch werden die zwei
diagonalen Quadranten durch die Liganden „blockiert“. Das Edukt koordiniert an das
Metall-Atom und orientiert sich in der Art, dass die sterische Abstoßung am
geringsten ist.[4,38] Die Chiralität des Liganden überträgt sich auf diese Weise auf das
Produktmolekül.[7] Die Quadranten-Regel erklärt die Entstehung der
Enantioselektivität bei asymmetrischen Hydrierungen katalysiert durch einen
bidentaten Liganden-Katalysatorkomplexen plausibel.[4,36,40] Auf Grund der
ALLGEMEINER TEIL
22
Allgemeinheit dieses Modells und unterstützt durch erste semiempirische
Kalkulationen von Vries und Feringa[41] kann der Mechanismus des chiralen
Transfers in der asymmetrischen Hydrierung ebenso bei Einsatz von monodentaten
Liganden verwendet werden.[39]
Eine weitere Theorie für die Entstehung der Enantioselektivität in der
asymmetrischen Hydrierung wurde von Halpern[42,43] entwickelt und begründet sich
durch die Unterschiede in der Reaktivität der diastereomeren Katalysator-Substrat-
Komplexe mit Wasserstoff. Diese Erkenntnis wurde aus Untersuchungen des
Mechanismus der Hydrierung mit den Liganden DIPAMP und CHIRAPHOS mit Hilfe
der NMR-Spektroskopie abgeleitet. Die Theorie (Schema 1) beschreibt die
Koordination des Substrats und Entstehung eines aktiven Komplexes und seine
weiteren Reaktionswege in zwei verschiedenen Zyklen (major und minor).
Kat.
Sub.KatSubmaj KatSubmin
„Major Zyklus“ „Minor Zyklus“
KatProR KatProS
H2 H2
ProdRNebenprodukt
ProdSHauptprodukt
starke Bindung schwache Bindung
niedrige Reaktivität hohe Reaktivität
Schema 1: Vereinfachtes Schema der Minor-Major-Theorie.[43,44]
Die beiden Katalysator-Substrat-Komplexe liegen als Diastereoisomere vor. Das
Major-Addukt besitzt eine stärkere Bindung, da dieses thermodynamisch günstiger
ist. Bei dem Minor-Komplex liegt eine schwächere Bindung vor, da dieser
thermodynamisch ungünstiger ist. Das Minor-Addukt weist eine höhere Reaktivität
gegenüber Wasserstoff auf und da die Addition von Wasserstoff der erste irreversible
Schritt im Katalysezyklus ist, bestimmt dieser Schritt die Enantioselektivität. Das
vorherrschende Enantiomer leitet sich nach dieser Theorie daher aus dem Minor-
Komplex ab.
Nachdem in diesem Kapitel die Grundbegriffe der Chiralität und Syntheserouten zur
Herstellung enantiomerenreiner Gemische geklärt wurden, wird im folgenden
ALLGEMEINER TEIL
23
Abschnitt auf die Entwicklung von asymmetrischen Hydrierkatalysatoren und die
Bedeutung dieser in der Industrie eingegangen.
2.2 Katalysatorentwicklung und technische Bedeutung (state of the art)
Wie im vorherigen Kapitel erwähnt, spielt die homogene Übergangsmetallkatalyse
bei der Herstellung von enantiomerenreiner Verbindungen eine entscheidende Rolle.
Im Folgenden wird ein Überblick über die historische Entwicklung dieser
Katalysatorkomplexe in der asymmetrischen Hydrierung gegeben.[45,46,47,48]
Der Grundstein für die homogene Katalyse in der asymmetrischen Hydrierung wurde
im Jahre 1965 gelegt. Wilkinson entwickelte den Chlorotris(triphenylphosphin)-
rhodium Katalysator [RhCl(PPh3)3], der als nicht-asymmetrischer
Hydrierungskatalysator für Alkene eingesetzt wurde.[49] Mit diesem Katalysator
wurden zum ersten Mal vergleichbare Aktivitäten wie bei den bis dahin eingesetzten
heterogenen Hydrierkatalysatoren erreicht.
Ein Jahr später (1966) entwickelte Noyori unter Professor H. Nozaki den ersten
chiralen Kupfer-Übergangsmetallkomplex zur Katalyse einer asymmetrischen
Cyclopropanierung.[5]
Im Jahre 1968 untersuchte erstmals sowohl Horner[3] als auch Knowles[50]
(Monsanto, St. Louis, USA) erfolgreich die homogen katalysierte asymmetrische
Hydrierung von prochiralen Alkenen mittels chiral modifizierter, monodentater
Rhodiumkomplexe (Grundgerüst des Wilkinson-Katalysators kombiniert mit
asymmetrischen Phosphorliganden: RhCl(P*PhMePr)3). Die anfänglichen ee-Werte
in der Hydrierung von α-Phenylacrylsäure waren jedoch gering (Schema 2).
C
C
CH2
OH
O
CH
C
CH3
OH
O
*
RhClL3
H2
P
Pr
C6H5
CH3L=
ee=15%
Schema 2: Erster Einsatz eines chiralen Liganden in der asymmetrischen Hydrierung.[3,4,50]
ALLGEMEINER TEIL
24
Kagan berichtete 1971 erstmals von einen chiralen bidentaten Diphosphin-Liganden
(DIOP) (Abbildung 3).[51]
PPh2
PPh2
O
O
Abbildung 3: DIOP-Ligand (O-Isopropyliden-2,3-dihydroxy-1,4-bis(diphenylphosphino)butan).
Dieser Chelatligand mit dem chiralen Element im Rückgrat wurde als Rh-DIOP-
Katalysatorkomplex in der asymmetrische Hydrierung von Dehydroaminosäuren (ee
bis zu 83 %) verwendet.
In der Folgezeit entwickelte die Gruppe um Knowles bei Monsanto die industrielle
Synthese eines Medikamentes zur Behandlung der Parkinson-Krankheit (L-Dopa). In
der Rhodium katalysierten L-Dopa-Synthese wurden der von Knowles entwickelte
PAMP (Methylphenyl-o-anisylphosphin)-Ligand (ee = 58 %) und CAMP
(Methylcyclohexyl-o-anisylphosphin)-Ligand (ee = 88 %) eingesetzt. Diese
homogenen Katalysatoren zeigten zum ersten Mal hohe Selektivitäten, vergleichbar
mit Enzymen.
PP
O O
PH3C
OMe
PH3C
OMe
PAMP CAMP DIPAMP
Abbildung 4: Strukturformel des PAMP (Methylphenyl-o-anisylphosphin)-, CAMP (Methylcyclohexyl-o-anisylphosphin)- und DIPAMP (1,2-Ethandiylbis[(o-methoxyphenyl)phenylphosphin])- Liganden.
In weiteren Optimierungsansätzen wurde der PAMP-Ligand zum DIPAMP-Ligand
(Abbildung 4) dimerisiert (ee = 95 %).[4,52]
Ein großer Durchbruch kam im Jahre 1980 als Noyori den BINAP-Ligand (1,1′-
Binaphthalene-2,2′-diyl)bis(diphenylphosphin) (Abbildung 5) publizierte.
P
P
Ph
Ph
Ph
Ph
Abbildung 5: Strukturformel des BINAP-Ligand (1,1′-Binaphthalene-2,2′-diyl)bis(diphenylphosphin).
ALLGEMEINER TEIL
25
Der axial-asymmetrische Diphosphinligand konnte sowohl mit dem Übergangsmetall
Rhodium als auch mit dem – bis zu diesem Zeitpunkt in der asymmetrischen
Hydrierung nicht verwendeten – Ruthenium kombiniert werden und zeigte gute
katalytische Ergebnisse (ee = 98 %). Das neue BINAP-Ru-System weitete den
Anwendungsbereich der asymmetrischen Hydrierung durch das große Spektrum von
verschiedenen Substraten (z. B. funktionalisierte Olefine und Ketone) aus und BINAP
wurde eine Art „Universal-Ligand“ – der vielseitigste Ligand, der jemals entwickelt
wurde.[46,53,54,55,56]
In den 1990er Jahren wurde von Burk (DuPont) der DuPhos-Ligand (Diphosphin-
Familie) entwickelt. Mit diesem Ligand konnte bei der Katalyse von Aminosäuren mit
Rhodium ein ee von 99 % bis 100 % (nah an den durch Enzyme katalysierten
Reaktionen) erreicht werden.[57]
Mit der Zeit wurden mehr und mehr effiziente Diphosphor-Chelatliganden entwickelt.
Hingegen verlief die Entwicklung von Monophosphorliganden für die asymmetrische
Hydrierung deutlich langsamer. Im Jahre 2000 führten Orpen und Pringle[58],
Reetz[59], de Vries und Feringa[60] einzähnige Phosphor-Liganden mit einem 2,2´-
Binaphthyl-Kern (Abbildung 6) ein, die sehr effizient (MonoPhos: ee = 99 %[60]) in der
Rhodium katalysierten asymmetrischen Hydrierung eingesetzt werden konnten.[39,61]
O
O
P R
Abbildung 6: Beispiel eines Monophosphorliganden mit 2,2´-Binaphthyl-Kern.
Entscheidende Vorteile dieser monodentaten Ligandstrukturen im Vergleich zu den
mehrzähnigen Liganden sind die erhöhte Luft- und Hydrolysestabilität und die kurzen
Synthesewege mit billigen Ausgangskomponenten.[45,62]
Durch die erfolgreiche Katalysatorforschung auf dem Gebiet der asymmetrischen
Katalyse in den letzten Jahrzehnten wurden etliche effiziente chirale
Katalysatorsysteme für den industriellen Einsatz entwickelt. Die Anforderungen der
Industrie an enantioselektive Prozessschritte sind sehr hoch. Aus diesem Grund ist
eine sehr gute Katalysatorperformance für die technische Umsetzung wichtig.[13,47]
Der Enantiomerenüberschuss sollte für die Herstellung von Pharmazeutika, wenn
ALLGEMEINER TEIL
26
keine Aufreinigung mehr möglich ist, über 99 % liegen (untere Toleranzgrenze:
ee > 90 %). Für die Agrochemie reicht ein Enantiomerenüberschuss von über 80 %
aus. Von den Katalysatoren wird zudem eine hohe Chemoselektivität (oder Toleranz
gegenüber funktionellen Gruppen) erwartet. Zur Reduzierung der Kosten sind hohe
Katalysatorproduktivitäten notwendig. Für Hydrierreaktionen sollte die katalytische
Leistung (Turnover-Number, TON) größer 1000 für hochwertige Produkte und größer
50000 für Produkte im großen Maßstab sein. Durch eine Rezyklierung und
Wiederverwendung des Katalysators können die TON-Werte deutlich gesteigert und
Kosten eingespart werden. Die katalytische Aktivität (Turnover-Frequence, TOF) für
Hydrierungen sollte für Produkte im kleinen Maßstab im Bereich größer als 200 h-1
und für minderwertigere Produkte größer 10000 h-1 liegen.
Erfüllen die homogenen Übergangsmetallkomplexe und chiralen Ligandsysteme die
eben beschriebenen Anforderungen, so finden sie in verschiedensten
Industriebereichen Einsatz. Heutzutage werden chirale Komponenten für die
Herstellung von Pharmazeutika (z. B. L-Dopa, Naproxen, β-Lactam-Antibotika),
Lebensmittelzusatzstoffen (z. B. Vitamin E, Aspartam), Agrochemie (z. B.
Metolachlor), Geschmacks- und Duftstoffsynthese (z. B. Menthol) und für funktionale
Materialen (z. B. ferroelektrische Flüssigkristalle, biologisch abbaubare Polymere)
eingesetzt. Es handelt sich dabei meist um Prozesse, die mit „Multi-Step“-Synthesen
(drei bis zehn Syntheseschritte) in Mehrzweck-Batch-Reaktoren produziert werden,
relativ kleine Produktionsmaßstäbe besitzen (1-1000 t/a für Pharmazeutika, 500-
10000 t/a für Agrochemikalien), sich durch hohe Produktwertschöpfung und deshalb
hohe Produktionskosten auszeichnen und kurze Produktionsentwicklungszeiten
(wenige Monate - zwei Jahre) aufweisen.[47] Tabelle 1 zeigt eine Reihe wichtiger
industrieller Prozesse unter Angabe der Kapazität, des verwendeten Katalysators
und des Produktionsunternehmens.
ALLGEMEINER TEIL
27
Tabelle 1: Industriell angewandte asymmetrische Hydrierungen.[7]
Produkt Katalysator Kapazität [t/a] Verwendung Firma
Metolachlor Ir/Xyliphos > 10000 Agrochemie Novartis AG
Vitamin E Ru/BINAP 300 Lebensmittel-chemie Takasago
Carbapenem Ru/tolBINAP 120 Pharmazie Takasago
(S)-Oxafloxazin Ru/tolBINAP 50 Pharmazie Takasago
Aspartam Rh/Eniphos 15 Lebensmittel-chemie Enichem/Anic
Cilazapril Ru/BIPHEP < 1 Pharmazie Roche AG
Im Folgenden werden drei Prozesse aus den Bereichen Pharmazie (L-Dopa),
Nahrungsmittelindustrie (Aspartam) und Agrochemie (Metolachlor) vorgestellt, bei
denen die asymmetrische Hydrierung einen Schlüsselschritt darstellt.
Die Synthese von 3,4-Dihydroxyphenylanilin (kurz: L-Dopa), einem Wirkstoff zur
Behandlung der Parkinson´schen Krankheit, war die erste asymmetrische Hydrierung
mit Übergangsmetallkatalysatoren im industriellen Maßstab.[7,13,48] In den 1970er
Jahren war Knowles (Monsanto, USA) maßgeblich an der Entwicklung dieser
homogen katalysierten Synthesereaktion beteiligt. Die Reaktion (Maßstab = 1 t/a)
wurde in einer Wasser-Isopropanol-Mischung bei relativ niedriger Temperatur und
geringem Druck mit dem [Rh(DIPAMP)(dien)]+[BF4]--Komplex, der für die damalige
Zeit sehr gute Ergebnisse lieferte, durchgeführt (Schema 3).
OMe
OAc
COOH
NHAc
OMe
OAc
COOH
NHAc
Rh/dipamp25-50°C3-10 bar
ee= 95%TON=20000
TOF=1000 h-1
*OH
OH
COOH
NH2
*
Schema 3: Monsanto´s L-Dopa Prozess.
Eine Besonderheit des Monsanto Prozesses war die einfache Abtrennung des
Produktes von der Mutterlauge durch eine Filtration des Slurry-
Reaktionsgemisches.[4] Kritische Aspekte bei der Reaktion waren die Substratreinheit
und der Sauerstoff- und Peroxid-Gehalt in der Reaktionslösung. Der Monsanto
Prozess wird heute aus wirtschaftlichen Gründen nicht mehr betrieben.
Eine dem L-Dopa chemisch verwandte Verbindung ist der Süß- und
Zuckerersatzstoff Aspartam (L-Aspartyl-L-phenylalaninmethylester). Das (S,S)-
ALLGEMEINER TEIL
28
Enantiomer des Aspartams besitzt einen süßen Geschmack und wird in zuckerfreien
Lebensmitteln und Getränken verwendet.[7,13] Das Unternehmen Enichem/Anic
produzierte Aspartam im Maßstab von 15 t mit ähnlicher Prozessführung verglichen
zur L-Dopa Synthese.[63] Das verwendete Katalysatorsystem Rh-Eniphos ist
verglichen mit Rh-DIPAMP weniger selektiv, aber deutlich einfacher und billiger
herzustellen. Die Reaktionsbedingungen müssen auf Grund der geringen Stabilität
des Liganden sehr gewissenhaft kontrolliert werden. Nach der Reaktion werden
Spuren von Rhodium mit Thiol-Harz entfernt und eine anschließende Kristallisation
gewährt eine Produktreinheit von über 99 % ee. Mittlerweile hat Evonik Degussa
GmbH einen Pilotprozess mit dem Rh-Deguphos Katalysator entwickelt und erreicht
ee-Werte über 99 % (TON = 10000, TOF = 3000 h-1).[13]
Die derzeit im größten Maßstab durchgeführte industrielle Anwendung ist die Iridium-
katalysierte enantioselektive Hydrierung von (S)-Metolachlor (Abbildung 7), eine
Wirkkomponente des Herbizids Dual® (Markteinführung 1976), das vor allem im
Maisanbau verwendet wird.[64,65]
N
OCH3
Cl
O
*
Fe PPh2
PXyl2
Abbildung 7: Strukturformel von (S)-Metolachlor (links) und Xyliphos (rechts).
Metolachlor gehört zur Klasse der Acylanilide, besitzt zwei Chiraliätselemente und
existiert deshalb in vier Enantiomeren von denen aber – wie 1982 entdeckte – die
beiden S-Enantiomeren die höchste Wirksamkeit besitzen. Deshalb wurden
Forschungen angestellt, gezielt das (S)-Enantiomer mit einer geeigneten
Syntheseroute und Katalysatoren herzustellen. Blaser und seine Kollegen fanden
einen homogen-katalysierten Weg.[7] Durch die enantioselektive Hydrierung des
Imins mit einem Iridium-Ferrocenyldiphosphin(Xyliphos)-Katalysatorkomplex entsteht
in hohem ee-Überschuss das (S)-Enantiomer. Die Reaktion wird bei 80 bar und 50°C
in einem Schlaufenreaktor durchgeführt, um Massen- und Wärmetransport zu
optimieren. Es wird nach 4 h ein kompletter Umsatz mit Enantioselektivitäten von
80 % und TOF von 1,8·106 h-1 erreicht. Die Produktion (Solvias AG / Novartis AG)
läuft seit 1996 ohne große Zwischenfälle im Maßstab von > 10000 t/a.
ALLGEMEINER TEIL
29
In der heutigen Industrie konzentriert sich die Mehrheit der asymmetrischen
Hydrierprozesse auf die Umsetzung von Ketonen, besonders von α- und β-
funktionalisierten Ketonen (siehe Tabelle 2).
Tabelle 2: Anzahl der Produktionsprozesse, die auf eine asymmetrische Hydrierung basieren.[47]
Hydrierung Produktion Pilot Benchscale
> 5 t/a < 5 t/a > 50 kg < 50 kg
C=C 2 0 4 6 8
C=N 2 1 3 6 4
C=O 2 2 3 7 8
(davon α-/β-funktionalisierten C=O) 2 2 3 6 4
Zum Beispiel ist die Hydrierung eines β-Ketons mit Ru-BINAP-Systemen der
Schlüsselschritt in der Herstellung des Antibiotikums Carbapenem, durchgeführt von
Takasago (Maßstab = 50-120 t/a, ee > 97 %, TON = 1000).[13,66,67]
Nach dem Stand der Technik wird im folgenden Kapitel auf den Stand der
Wissenschaft eingegangen. Schwerpunkt wird dabei die asymmetrische Hydrierung
von Ketonen sein.
2.3 Aktuelle Forschungsaktivitäten in der Asymmetrischen Hydrierung von Ketonen
Es gibt eine Vielzahl an Forschungsgruppen, die sich mit der Übergangsmetall-
katalysierten asymmetrischen Hydrierung von prochiralen Substraten
beschäftigen.[8,68,69,70,71,72,73] Da in dieser Forschungsarbeit die Ruthenium-
katalysierte Hydrierung der Ketogruppe eines β-Ketoesters untersucht wird, wird in
den folgenden Kapiteln der Stand der Wissenschaft auf Ruthenium basierte Keto-
Hydrierungen eingegrenzt und ein Überblick der für diese Arbeit relevante
Forschungsergebnisse gegeben.
ALLGEMEINER TEIL
30
2.3.1 Keto-Hydrierung in organischen Lösungsmitteln
In der Literatur existieren vielfältige Beispiele für Arbeiten zur asymmetrischen
Hydrierung von funktionalisierten Ketonen (α-, β-, γ-Ketoester, Aminoketone,
Diketone und Phenylthioketone).[8,13,73,74,75] Asymmetrische Hydrierungen von β-
Ketoestern werden sehr erfolgreich mit chiralen Rutheniumkatalysatoren
durchgeführt. Mehrere detaillierte Reviews (z. B. Ager[76] und Akutagawa[67]) fassen
die Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet zusammen.
In der homogenen Übergangsmetallkatalyse erweist es sich meistens von Vorteil,
den detaillierten Mechanismus einer Reaktion zu kennen, um Einflussfaktoren (wie
z. B. Acidität/Basizität) im Katalysezyklus zu verstehen. Die Gruppe um Noyori
beschäftigte sich intensiv mit der Klärung des Reaktionsmechanismuses für die
asymmetrische Hydrierung von β-Ketoestern katalysiert durch Ruthenium-Komplexe
mit bidentaten Liganden. In Schema 4 ist der erstmals von Noyori postulierte
Mechanismus dargestellt.[77,78]
RuCl2(P-P)S2
PPh2
Ph2P
Ru
Cl
Cl
S
S
(P-P)RuHClS2
(P-P)RuClSn(P-P)ClHRu
R
O O
OR´
S
H+
RO
OOR´
(P-P)ClRu
RO
OOR´
H
H S
R
OH O
OR´
H2
H+, S
-HCl H2
R
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
P-P = (R)-BINAPS = Solvat oder andere schwache Liganden
Schema 4: Katalysezyklus für die (R)-BINAP-Ru-katalysierte Hydrierung von ββββ-Ketoestern nach
Noyori et al..[77,78]
ALLGEMEINER TEIL
31
Die Aktivierung des BINAP-Ru-Komplexes (1) erfolgt durch Reaktion mit Wasserstoff
unter Abspaltung von HCl. Der erste Schritt ((2)→(3)) im Katalysezyklus ist die
reversible Anlagerung des β-Ketoesters und die Ausbildung eines σ-
Chelatkomplexes (3), bei dem ein Metall-zu-Carbonyl-Hydridtransfer geometrisch
schwierig ist. Die Anlagerung des Substratkomplexes konnte bei der Hydrierung von
verschiedenen 3,3-Dimethyloxaloacetaten mittels 1H- und 31P-NMR-Spektroskopie
von Daley et al. nachgewiesen werden.[79] Der nächste Schritt ((3)→(4)) im
Katalysezyklus ist eine Protonierung des Sauerstoffes, durch die die Elektrophilie des
Kohlenstoffes gesteigert wird und eine Hydridmigration – ein entscheidender Schritt
zur Ausbildung der Enantioselektivität – ermöglicht wird. Gleichzeitig wird durch die
Protonierung die Geometrie drastisch verändert. Der σ- wird zum π-Komplex (4). Im
Folgenden wird durch Anlagerung eines Lösungsmittelmoleküls die Abspaltung des
Produkts vom Katalysatorkomplex ermöglicht ((4)→(5)). Der kationische
Katalysatorkomplex (5) spaltet wiederum Wasserstoff und regeneriert den
Ausgangskomplex (2). Der Katalysezyklus kann wiederholt starten.
Dieser Katalysezyklus wird der Klasse der inner-sphere-Hydridtransfers (direkte
Übertragung des Wasserstoffatoms von Metall zur Carbonylgruppe) zugeordnet. Im
Gegensatz dazu steht der outer-sphere-Hydridtransfer, bei welchem jeweils ein
Wasserstoff vom Metall und einen Zusatzliganden (meist eine Amingruppe)
übertragen wird. Katalytische Reaktionen, für die der inner-sphere-
Hydrierungsmechanismus postuliert wurde, benötigen oftmals hohe
Reaktionstemperaturen (50-100°C) und Wasserstoffdrücke (50 bar). Zusätzlich ist
das Katalysator-Substrat-Verhältnis gering und es werden keine Additive benötigt,
um die Reaktion aufrecht zu erhalten.[80,81] Die Aufklärung des
Reaktionsmechanismus der Hydrierung von β-Ketoestern für monodentate
Phosphorliganden ist nach heutigem Stand nicht in der Literatur beschrieben.
Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor in der Hydrierung von β-Ketoestern ist die Wahl
des Lösungsmittels. Werden alkoholische Lösungsmittel verwendet, so wird eine
Bildung von Ketal- und Halbketal-Intermediaten in der Reaktionsmischung
beobachtet. Schema 5 zeigt das von Bartek et al.[82] verwendete Reaktionsschema.
Das Netzwerk ist in einen Hydrierungsschritt und in Gleichgewichtsreaktionen zur
Halbketal- und Ketalbildung unterteilt.
ALLGEMEINER TEIL
32
O
O O
H2
O
OOH
*
Methylhydroxybutuyrat / MHB
O
OMeO OMe
O
OOMe
O
OOH
- CH3OH
Ketal
+ CH3OH
Methylacetoacetate / MAA
O
OMeO OH
Halbketal
- CH3OH
+ CH3OH- H2O
+ H2O
Int 1
Int 2
Schema 5: Formales Reaktionsschema der MAA Hydrierung und Ketalbildung mit Ru-BINAP-
Komplexe nach Bartek et al..[82]
In seiner Studie untersuchte die Gruppe Bartek den Effekt von Temperatur, Druck
und Wassergehalt auf die Ru-BINAP katalysierte Hydrierung von Methylacetoacetat
(MAA) im Lösungsmittel Methanol. Die besten TOF´s (368 h-1) und
Enantioselektivitäten (ee = 98 %) konnten in reinem, wasserfreien Methanol bei einer
Temperatur von 60°C und einem Druck von 50 bar beobachtet werden. Es wurde
gezeigt, dass der Wassergehalt einen entscheidenden Einfluss auf die Bildung des
Ketals und die Katalysatoraktivität hat. Geringe Mengen an Wasser (bis zu
5 Gew.−%) unterdrückten die Ketalbildung und steigerten leicht die
Katalysatoraktivität (TOF = 594 h-1) bei unverändertem Enantiomerenüberschuss.
Wasserkonzentrationen über 10 Gew.−% reduzierten die Aktivität (TOF = 271 h-1)
und die Selektivität (ee = 87 %) deutlich. Aprotische Lösungsmittel wie THF
unterdrückten die Ketalbildung und zudem wurden niedrigere TOF- und ee-Werte
gemessen. Erst durch Zugabe von kleinen Mengen an Methanol oder Wasser konnte
die Aktivität und Selektivität wieder gesteigert werden.
Die Gruppe um Wolfson[83] untersuchte ebenfalls den Einfluss von Lösungsmitteln
auf die Ru-BINAP katalysierte Hydrierung von Methylacetoacetat. In ihren
Untersuchungen wurden die höchsten Aktivitäten in den Lösungsmitteln Methanol
(TOF = 135 h-1, ee = 99 %), Ethanol und Isopropanol gemessen. Sehr geringe oder
gar keine Aktivität wurde z. B. in THF, Methylacetoacetat, Heptan und Wasser
beobachtet. Wolfson et al. erklärten die starke Lösungsmittelabhängigkeit durch
unterschiedliche Reaktionswege. Dabei kann ein protisches Lösungsmittel das
Hydrid am Metallzentrum ersetzen und vereinfacht dadurch die Hydridinsertation am
Substrat. Ebenfalls kann durch das protische Lösungsmittel die Abspaltung des
Produkts vom Komplex durch Protonentransfer erleichtert werden.
ALLGEMEINER TEIL
33
Weitere Arbeiten von Wolfson[84] und King[85] beschreiben die Auswirkung der Acidität
auf die Hydrierung von β-Ketoestern katalysiert durch Ru-BINAP-Systeme. Eine
steigende Aktivität (TOF: 135 → 978 h-1) wurde bei Zugabe von organischen und
anorganischen Säuren beobachtet. Die Steigerung der Aktivität nahm mit
Säurestärke und Menge an Säure zu, bis es zu einer Sättigung (8 molSäure/molKat.)
kam. Die Verbesserung wurde auf eine einfachere Protonierung der Carbonylgruppe
des Substrats und die Erleichterung der Hydridinsertation zurückgeführt.
Im folgenden Kapitel werden verschiedene Konzepte zur Immobilisierung von
Katalysatoren in der asymmetrischen Hydrierung vorgestellt. Die Verankerung und
Rezyklierung von Katalysatoren ist vor allem für einen industriellen Einsatz dieser
interessant.
2.3.2 Immobilisierungskonzepte in der Asymmetrischen Hydrierung
Im Bereich der Katalyse gehören homogene Hydrierkatalysatoren für die
asymmetrische Hydrierung auf Grund der guten Regio- und Enantioselektivitäten und
der Toleranz gegenüber funktionalen Gruppen zu den am häufigsten untersuchten
Systemen in der Immobilisierungstechnik. In der enantioselektiven Katalyse werden
meist teure und schlecht verfügbare Edelmetalle und chirale Liganden verwendet.
Die Kosten für chirale Diphosphinliganden liegen bei 100-500 $/g für Labormaßstab
und 2000-100000 $/kg für größere Maßstäbe.[13] Durch Immobilisierungskonzepte
können diese Katalysatoren einfach abgetrennt und wieder verwendet werden.
Im folgenden Kapitel wird auf die Forschungsaktivitäten im Bereich der
Immobilisierung von chiralen Hydrierkatalysatoren in Flüssig-Flüssig-Zweiphasigen
Systemen (schwerpunktmäßig im Medium ionische Flüssigkeit) und an festen
Trägermaterialen eingegangen.
ALLGEMEINER TEIL
34
2.3.2.1 Keto-Hydrierung mit ionischen Flüssigkeiten
Die Methoden zur Immobilisierung von teuren chiralen Übergangsmetallkomplexen in
der asymmetrischen Hydrierung sind, wie schon erwähnt, sowohl für die Forschung
als auch für die Industrie sehr interessant. In der Flüssig-Flüssig-Zwei-Phasen-
Katalyse können dabei wässrige[12], fluorierte Phasen[13,86,87] und im weitesten Sinn
auch überkritische Medien wie z. B. scCO2[14,88] als Immobilisierungsmedium dienen.
Eine weitere mögliche Immobilisierungsstrategie kann dabei die Verwendung von
ionischen Flüssigkeiten als Lösungsmittel, Immobilisierungsphase oder
Extraktionsmittel sein. Ionische Flüssigkeiten sind Flüssigkeiten, die nach Definition
nur aus Ionen bestehen, deren Schmelzpunkt unter 100°C liegt und die einen sehr
geringen Dampfdruck unterhalb ihrer thermischen Zersetzungstemperatur
besitzen[89]. Von großem Vorteil ist zusätzlich ihre Fähigkeit, viele organometallische
Verbindungen zu lösen.[90,91] Physikalische und chemische Eigenschaften (z. B.
Viskosität, Gaslöslichkeit und Koordinationsneigung in Komplexen) lassen sich dabei
durch geeignete Kationen- und Anionenwahl („designer solvents“) für den
Verwendungszweck optimieren. Beeinflusst durch die koordinativen Eigenschaften
des Anions und dem Grad an Reaktivität des Kations, kann die IL als inertes
Lösungsmittel („innocent“ solvent), Ligand, Co-Katalysator oder als Katalysator selbst
agieren. Damit dient das Medium ionische Flüssigkeit nicht nur zur Immobilisierung,
sondern stabilisiert teilweise den Katalysatorkomplex oder agiert als Verstärker, der
die Reaktion beschleunigt oder die Selektivität verbessert.[89,90,91,92,93]
Im Jahre 1995 berichteten Chauvin und Mitarbeiter das erste Mal von einer
enantioselektiven Hydrierung in einer ionischen Flüssigkeit (Schema 6).[94] Sie
untersuchten die Rhodium katalysierte Hydrierung von α-Acetamido-Zimtsäure
(ee = 64 %) in der Lösungsmittelmischung von [BMIM][SbF6] und iPrOH. Nach
Versuchende konnte das Produkt durch Phasentrennung leicht separiert werden und
die ionische Katalysatorphase erneut eingesetzt werden (Rh-Verlust < 0,02 %).
CO2H
NHCOMe
CO2H
NHCOMe
H2, [Rh(COD)-DIOP][PF6]
[BMIM][SbF6] / iPrOH
64% ee
Schema 6: Erste asymmetrische Hydrierung in einer ionischen Flüssigkeit: Umsetzung von αααα-Acetamido-Zimtsäure in [BMIM][SbF6] und iPrOH nach Chauvin.[94]
ALLGEMEINER TEIL
35
Einige Jahre später wurde diese asymmetrische Hydrierung erneut in den ionischen
Flüssigkeiten [BMIM][PF6] und [BMIM][BF4] von Dupont et al.[95] untersucht, um den
Einfluss der unterschiedlichen Wasserstofflöslichkeit zu testen. Die Gruppe um
Dupont fand heraus, dass Wasserstoff bei gleichem Druck (pH2 = 50 bar) in der
hydrophilen IL [BMIM][BF4] um das Vierfache löslicher ist als in der hydrophoben IL
[BMIM][PF6]. Die besseren Ergebnisse (Umsatz = 73 %, ee = 93 %) wurden daher für
[BMIM][BF4] erhalten ([BMIM][PF6]: Umsatz = 26 %, ee = 81 %). Durch eine
Druckvariation konnte zudem gezeigt werden, dass eine höhere
Wasserstofflöslichkeit die Aktivität und Enantioselektivität deutlich steigert.
Weitere Studien zur Wasserstoffverfügbarkeit in verschiedenen Lösungsmitteln
wurden durch die Gruppe um Jessop[96] durchgeführt. Er stellte fest, dass in der
asymmetrischen Hydrierung prinzipiell die Substrate in zwei Klassen unterteilt
werden können.[97,98] Komponenten der Klasse 1 benötigen einen hohen
Wasserstoffdruck, um gute Enantioselektivitäten zu erreichen, wohingegen die
Substrate der Klasse 2 niedrigen H2-Druck benötigen. Unter diesem Aspekt
untersuchte die Gruppe um Jessop den Einfluss verschiedener ionischer
Flüssigkeiten auf die Enantioselektivität von Substraten beider Klassen (Klasse 1:
Atropasäure, Klasse 2: Tiglinsäure). Für Substrate der Klasse 1 waren die ee-Werte
in reiner IL niedrig und mit dem Zusatz von Methanol etwas höher. Die höchsten
Enantioselektivitäten wurden für Reaktionen in Methanol erhalten, da durch
Herabsetzen der Viskosität der Stofftransport und die Wasserstofflöslichkeit deutlich
höher waren verglichen mit der reinen ionischen Flüssigkeit. Für Reaktionen in reiner
ionischer Flüssigkeit (pH2 = 50 bar) nahm der ee in dieser Reihenfolge zu:
[BMIM][BF4] < [EMIM][O3SCF3] < [BMIM][PF6]/[EMIM][NTf2] < [DMPIM][NTf2]. Jessop
fand bei dem Substrat der Klasse 2 für das Lösungsmittel Methanol wie erwartet
geringere Enantioselektivitäten. Die ee-Werte in reinen ionischen Flüssigkeiten
(pH2 = 5 bar) variierten von 72-95 % und stiegen abhängig vom Lösungsmittel mit
folgender Reihenfolge an: MeOH < [EMIM][O3SCF3] < [BMIM][BF4]/[MBPy][BF4]
< [BMIM][PF6]/[DMPIM][NTf2] < [EMIM][NTf2]. Da sich die Ergebnisse der Variation
der ionischen Flüssigkeit für beide Substrate nicht wesentlich unterschieden, ging
Jessop davon aus, dass nicht nur die Wasserstofflöslichkeit des Lösungsmittels eine
entscheidende Rolle spielt, sondern ebenfalls Parameter wie die Polarität,
Koordinationsfähigkeit und Hydrophobizität.[93] Nach Erkenntnissen aus den
ALLGEMEINER TEIL
36
Versuchsergebnissen dieser Arbeit kann das Substrat Methylacetoacetat der
Klasse 1 zugeordnet werden (siehe Kapitel 4.3).
Da die Immobilisierung von chiralen Hydrierkatalysatoren in ionischen Flüssigkeiten
sehr einfach und erfolgreich ist, existiert in der Literatur eine Vielzahl[90,93,99] von
asymmetrischen Hydrierreaktionen in ionischen Flüssigkeiten. Deshalb wird im
Folgenden auf die für diese Arbeit wichtige Ruthenium-katalysierte Keto-Hydrierung
genauer eingegangen.
Die Gruppe um Lin[100] untersuchte die Hydrierung von verschiedensten β-Ketoestern
in Tetrafluoroborat-, Hexafluorophosphat- und Bis(trifluoromethylsulfonyl)imid-
Schmelzen mit Ru-BINAP-Katalysatoren, die zuvor mit polarer Phosphonsäure
derivatisiert wurden (Schema 7).
PPh2
PPh2
P
P
O
O
HO
OH
HO
OH
O
O O
H2, RuLCl2
O
OOH
*
IL/MeOH
L=
Schema 7: Umsetzung von Methylacetoacetat mit derivatisierten Ru-BINAP-Katalysator nach Lin.[110]
Die Arbeit fokussiert auf den Vergleich von Enantioselektivitäten zwischen
Reaktionen in reinem Methanol und Mischungen aus IL und Methanol (1:1
Volumenverhältnis). Die Reaktion wurde bei Raumtemperatur und 103 bar
Wasserstoffdruck durchgeführt (22 h Reaktionszeit → Vollumsatz). Einige in
ionischen Flüssigkeiten und Methanol gemessenen ee-Werte waren minimal höher
(99,3 % vs. 98,9 %) verglichen zu den ee-Werte in Reaktionen in reinem Methanol.
Die Lösung aus Katalysator und IL konnte fünfmal rezykliert werden. Dabei wurde ein
starker Verlust von Aktivität und Selektivität beobachtet (siehe Tabelle 3).
ALLGEMEINER TEIL
37
Tabelle 3: Rezyklierung des RuLCl2-Komplexes in der Hydrierung von Methylacetoacetat in [BMIM][BF4]/MeOH.[110]
Zyklus Umsatz [%] ee [%]
1 >99 97,4
2 97 97,6
3 94 97,1
4 75 95,1
5 45 94,7
6 30 91,0
1Mol-% Katalysator, RT, pH2=103bar, t=22h.
Bei der Rezyklierung diente Hexan als Extraktionsmittel und die polaren Gruppen
des Katalysators als Verankerung in der ionischen Flüssigkeit. In einer weiteren
Arbeit konnten Lin et al. diese Katalysatorsysteme auch in der Hydrierung von
aromatischen Ketonen in IL/Isopropanol-Gemischen einsetzen.[101] Zusätzlich
untersuchte die Gruppe um Lin die Ru-katalysierte Hydrierung von β-Aryl-Ketoestern
mit verschiedenen an der 4,4´-Position substituierten BINAP-Liganden.[102] Gute
Ergebnisse im Lösungsmittel Methanol lieferten die Liganden mit den Substituenten
Phosphonsäure und Trimethylsilan. Sie zeigten zudem im Gemisch
[BMIM][BF4]/Methanol vergleichbare ee-Werte (z. B. für Substituent Trimethylsilan
98,9 %) zu Messungen in reinem Methanol (99,5 %) und konnten viermal rezykliert
werden, allerdings mit Verlust an Selektivität (97,3-95,1 %) und Aktivität (98-62 %).
In Anlehnung an die Studien von Lin untersuchten Lemaire et al.[103] die
asymmetrische Hydrierung von Ethylacetoacetat mit 4,4´- und 5,5´-Ammonium-
funktionalisierten Ru-BINAP-Katalysatoren (Abbildung 8) in Imidazolium-, Pyridinium-
und Phosphonium-Salzschmelzen.
Ph2P
Ph2P
Ru
Br
Br
NH3+
NH3+
Br-
Br-
Ph2P
Ph2P
Ru
Br
Br
NH3+
Br-
NH3+
Br- Abbildung 8: 4,4´- und 5,5´-Ammonium-funktionalisierten Ru-BINAP-Katalysatoren nach
Lemaire.[103]
ALLGEMEINER TEIL
38
Die Produkte wurden nach der Reaktion (50°C, 40 bar Wasserstoff, 15 h) mit Pentan
extrahiert. Alle ee-Werte gemessen in reiner ionischer Flüssigkeit waren deutlich
niedriger verglichen mit ee-Werten gemessen in Wasser (z. B. 86 % für die beste
ionische Flüssigkeit [BPy][NTf2] vs. 95 % in Wasser). Eine einmalige Rezyklierung
der Katalysator-IL-Lösung zeigte keinen Aktivitätsverlust und einen leichten Anstieg
der Selektivität (ee = 90 %).
Ein Jahr später berichteten Lam et al.[104] von der enantioselektiven Hydrierung von
α- und β-Ketoestern katalysiert durch Ru-Komplexe mit einem chiralen
Dipyridylphosphin-Liganden. Nach 20 h bei Raumtemperatur und 69 bar Wasserstoff
wurden in einer Mischung aus Methanol und [BMIM][BF4] oder [BMIM][PF6]
Vollumsatz und ee-Werte von 98-99 % erhalten. In [BMIM][PF6] konnte die
Katalysatorlösung viermal rezykliert werden mit leichtem Verlust bezüglich Umsatz
und ee (siehe Tabelle 4).
Tabelle 4: Rezyklierung des Ru-Komplexes in der Hydrierung von Methylacetoacetat in [BMIM][PF6]/MeOH.[104]
Zyklus Umsatz [%] ee [%]
1 >99 98
2 99 98
3 96 97
4 96 97
5 93 96
1Mol-% Katalysator, RT, pH2=69bar, t=20h.
Im gleichen Jahr untersuchten Wolfson et al.[105] die Ru-BINAP katalysierte
Hydrierung von Methylacetoacetat in verschiedensten Lösungsmittelkombinationen
(einphasig/zweiphasig). Die besten Ergebnisse wurden in dem kurzkettigen Alkohol
Methanol erzielt (TOF = 105 h-1, ee = 99 %). In reiner ionischer Flüssigkeit
([BMIM][BF4] und [BMIM][PF6]) konnte keine Aktivität beobachtet werden. Bei der
Versuchsreihe mit einphasiger Reaktionslösung (Mischung aus Methanol und IL)
wurden in [BMIM][PF6]/Methanol-Gemisch vergleichbare Ergebnissen zu den
Versuchen in reinem Methanol gemessen (TOF = 99 h-1, ee = 99 %). Die
zweiphasigen Lösungsmittelsysteme (organische Lösungsmittel mit [BMIM][PF6])
zeigten keine Aktivitäten in Hexan und Ether, in 2-Propanol konnte hingegen eine
ALLGEMEINER TEIL
39
geringe Aktivität beobachtet werden (TOF = 21 h-1, ee = 97 %). Da die besten
Ergebnisse in Methanol oder mit Zusatz von Methanol erzielt wurden, vermuteten
Wolfson et al., dass dieses durch den protischen Charakter am katalytischen Zyklus
partizipiert und die Wasserstofflöslichkeit in der IL erhöht.
Weitere Beispiele für die Ruthenium katalysierte asymmetrische Hydrierung von
Ketogruppen in ionischen Flüssigkeiten findet man in den Forschungsarbeiten der
Gruppen um Malhotra[106] und Li[107,108,109]. Sie untersuchten die katalytische
Reduktion von aromatischen Ketonen. Malhotra verwendete Gemische aus 1-Ethyl-
Pyridinium-Tetrafluoroborat und 1-Ethyl-Pyridinium-Trifluoroacetat mit Ethanol. Die
Gruppe um Li arbeitete mit Gemischen aus 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium Tosylat und
Wasser. Beide Gruppen beobachteten gute Aktivitäten und Selektivitäten und
konnten das Katalysatorsystem mehrmals rezyklieren.
Der Review von Trindade[9] gibt einen Überblick über weitere Arbeiten zur
enantioselektiven Hydrierung von Ketonen mit ionischen Flüssigkeiten.
Zusammenfassend fanden die Wissenschaftler, die sich mit der enantioselektiven
Hydrierung im Medium ionischen Flüssigkeiten beschäftigten, heraus, dass vor allem
in schwach koordinierenden ILs (z. B. [BMIM][BF4]) die chiralen
Übergangsmetallkomplexe sehr gute Aktivitäten und Enantioselektivitäten zeigten.
Meist wurden in Gemischen aus Methanol und ionischer Flüssigkeit (1:1
Volumenanteil) ähnliche Umsätze und Entiomerenüberschüsse gemessen verglichen
mit Versuchen in reinem Methanol. Die Immobilisierung des Katalysators in der
ionischen Flüssigkeit war meist für bis zu fünf Zyklen sehr erfolgreich, dennoch
konnte eine Abnahme der Aktivität z.T. durch Leaching des Katalysators in die
Extraktionsphase beobachtet werden.
Die Verankerung von Katalysatorsystemen in ionischen Flüssigkeiten ist ein
mögliches Immobilisierungskonzept in der homogenen Katalyse, welches neben
vielen Vorteilen auch einige Nachteile mit sich bringt. Vor allem bei schnellen
katalytischen Reaktionen kann es auf Grund von hoher Viskosität und schlechter
Gaslöslichkeiten (z. B. Wasserstoff) zur Stofftransportlimitierungen kommen. Die
Reaktion findet im Fall einer Stofftransportlimitierung nur noch an der
Phasengrenzfläche statt und deshalb bleibt ein Großteil der ionischen Flüssigkeit und
des Katalysators ungenutzt. Dadurch ist ein hoher Leistungseintrag notwendig, um
ALLGEMEINER TEIL
40
durch Rühren eine gute Dispergierung zu erreichen. Außerdem werden für einen
industriellen Einsatz dieses Konzeptes große Mengen an ionischer Flüssigkeit
benötigt, wodurch der Prozess auf Grund der meist teuren ILs an Wirtschaftlichkeit
verliert. Deshalb werden im folgenden Kapitel weitere mögliche Ansätze zur
Immobilisierung in der asymmetrischen Hydrierung vorgestellt.
2.3.2.2 Asymmetrische Hydrierung mit festen Katalysatoren
Neben der Immobilisierung von chiralen Hydrierkatalysatoren in der Flüssigphase
besteht die Möglichkeit, diese an festen Trägern zu verankern. Der
Übergangsmetallkomplex kann dabei durch kovalente oder nicht-kovalente Bindung
an ein Trägermaterial fixiert werden. Beispiele beider Verankerungsvarianten werden
in den nächsten zwei Kapiteln näher erläutert. Einen vollständigen Überblick über
Immobilisierung an festen Trägern in der asymmetrischen Katalyse geben etliche
aktuelle Reviews von z. B. Trindade[9], Heitbaum[10], Fraile[11] und Fan[110].
2.3.2.2.1 Kovalent immobilisierte Katalysatoren
Die Anbindung an verschiedene Polymergerüste ist eine mögliche
Verankerungsvariante von chiralen Metallkomplexen.
Die Gruppe um Bayston[15] verknüpfte erstmal im Jahre 1998 BINAP-Ruthenium-
Komplexe an ein Polystyrolgerüst mit Hilfe einer Amidbindung (Abbildung 9).
PPh2
PPh2
NPolystyrol
O
H
Abbildung 9: An Polystryrolgerüst verankerter BINAP-Ligand nach Bayston et al..[15]
Dieser Feststoff-Komplex wurde in Testreaktionen mit verschiedenen flüssigen
Substraten (β-Ketoester, Itakonsäure und Dehydroaminosäure) in Form von gas
(Wasserstoff) – flüssig (Substrat/Lösungsmittel) – fest (Ru-BINAP auf Polystyrol) –
Systemen eingesetzt. MAA konnte mit diesem Katalysator in einem
Tetrahydrofuran/Methanol-Gemisch in 18 h bei 10 bar Wasserstoffdruck und 70°C zu
ALLGEMEINER TEIL
41
99 % umgesetzt werden (ee = 99 %). Der Katalysator konnte nach der Reaktion
abfiltriert und erneut mit geringen Aktivitätsverlusten eingesetzt werden.
Noyori et al.[19] untersuchten ebenfalls polymergebundene BINAP/Diamin-Ru-
Katalysatoren zur enantioselektiven Hydrierung von aromatischen und α-,β-
ungesättigten Ketonen. Dabei wurden ee-Werte vergleichbar zur homogenen
Katalyse gemessen und der Katalysator konnte zehnmal erneut eingesetzt werden
(Tabelle 5). Es wurden TON´s von bis zu 33000 gemessen.
Tabelle 5: Rezyklierung eines polymer-gebundene BINAP/Diamin-Ru-Katalysators in der Hydrierung von ββββ-Jonon.[19]
Zyklus Reaktionszeit [h] Umsatz [%] ee [%]
1 15 100 84
2 20 100 84
3 24 100 83
4 25 100 83
5 26 100 83
6 30 100 83
7 45 99 84
8 47 100 85
9 25 100 86
10 78 99 86
11 72 100 87
RT, pH2=8bar, Propanol:Dimethylformamid=1:1.
Die Gruppe um Lemaire[111] berichtete von der erfolgreichen Synthese eines an
Polyvinylpyrrolidon verankerten Liganden und dessen erfolgreichem Einsatz in der
asymmetrischen Hydrierung von Acetophenon in Form einer gas-flüssig-fest-
Reaktion.
Eine weitere Methode der Heterogenisierung kann durch Verankerung an
anorganischen porösen Feststoffen erfolgen. Kesanli et al.[112] untersuchten
Ruthenium-4,4´-substituierte BINAP-Katalysatoren, die auf mesoporösen Silika
(SBA-15) über eine Etherbindung verankert waren.
ALLGEMEINER TEIL
42
PPh2
PPh2
O
X
Si
O
O
OX= H bzw.1-Cyclopentanol
Abbildung 10: Auf mesoporösen Silika immobilisierter BINAP-Komplex nach Kesanli et al..[112]
Diese konnten erfolgreich in der Hydrierung von β-Ketoester (ee = 98,6 %) in Form
von gas-flüssig-fest-Reaktionen (Lösungsmittel Methanol, RT, pH2 = 96 bar, 20 h)
über fünf Zyklen eingesetzt werden. Dabei zeigte der immobilisierte Katalysator im
fünften Zyklus einen um absolut 16 % geringeren Enantiomerenüberschuss als im
ersten Versuch. In weiteren Forschungsarbeiten von Liu et al.[16] und Indra et al.[113]
wurden auf MCM-41 (mesoporöse Material, 30-40 Angström, auf Silizium basierend)
verankerte Ruthenium-Katalysatoren in der Ketohydrierung sehr erfolgreich
untersucht.
Neben den auf Silizium basierenden porösen Trägern werden zahlreiche andere
Trägermaterialen zur Immobilisierung eingesetzt. Die Gruppe um W. Lin[17] erforschte
den Einsatz von Zirkonium-Phosphaten in der Ruthenium-katalysierten Hydrierung
von aromatischen Ketonen. Als Ligand wurde ein 4,4´-Phosphorsäure-substituiertes
BINAP-DPEN (DPEN = 1,2-Diphenyl-ethylendiamin) eingesetzt, das über die
Phosphorgruppen mit Zirkonium verlinkt wurde. Dieser Komplex zeigte sehr gute
Aktivität (Umsatz > 99 %) und Selektivität (ee-Werte > 99,2 %) und konnte siebenmal
rezykliert werden mit Rückgang der Aktivität um 25 % (Tabelle 6).
Tabelle 6: Rezyklierung eines festen Zr-Ru-Katalysators in der Hydrierung von 1-Acetonaphthon.[17]
Zyklus Umsatz [%] ee [%]
1 100 99
2 100 99
3 100 99,1
4 100 99
5 100 99
6 100 99,2
7 95 99,1
8 85 99
RT, pH2=48bar, t=20h, Feststoffbeladung 0,1Mol-%, 1Mol-% KOtBu.
ALLGEMEINER TEIL
43
Da das Konzept der Trägerung von chiralen Katalysatoren auf porösen
anorganischen Materialen in der enantioselektiven Hydrierung sehr erfolgreich ist,
gibt es zahlreiche Forschungsaktivitäten auf diesen Gebiet (z. B. AlPO4-Träger[114],
Al-MCM 41-Materialen[115] mit Pd[116]- Pt[117]- und Rh[118]-immobilisierte Komplexe).
Eine weitere Möglichkeit Katalysatorkomplexe kovalent zu immobilisieren, ist es die
chirale Ligandstruktur miteinander zu verlinken und dadurch polymerisierte
Katalysatorkomplexe zu bilden. Die Gruppe um Pu[119] berichtete erstmals von der
erfolgreichen Synthese einer poly(BINAP)-Struktur durch eine Suzukikupplung mit
einer anschließenden Reduktion der Phosphinoxygruppen durch Trichlorsilan. In der
Umsetzung von Acetophenon wurde nach 72 h bei 4 bar Wasserstoff Vollumsatz
erreicht (ee = 80 %).
Die Verknüpfung des Katalysatorkomplexes kann auch in Form eines Dendrimers
durchgeführt werden.[18] In der Rh katalysierten Hydrierung von Dimethylitaconat in
Methanol zeigten die dendrimerischen Katalysatoren (Einheiten des Josiphos-
Liganden) vergleichbare Ergebnisse (> 98 % ee) zu dem mononuklearen
Katalysatorkomplex. Polymerisierte und dendrimere Katalysatorkomplexe finden
oftmals Einsatz in Membranreaktoren, in denen sie bei geeigneter Wahl des
Membranmateriales (z. B. Nanofiltration) zurückgehalten werden können.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die kovalente Immobilisierung von
Katalysatorkomplexen in der asymmetrischen Hydrierung durchaus
erfolgsversprechend ist. Jedoch wird das Konzept dadurch eingeschränkt, dass die
Synthese dieser Katalysatoren aufwendig ist. Häufig ist der heterogenisierte
Katalysator weniger aktiv und selektiv verglichen mit seinem homogenen Analogon.
Deshalb werden im folgenden Kapitel nicht-kovalente Immobilisierungskonzept
vorgestellt, bei denen die Katalysatorstruktur unverändert bleibt.
ALLGEMEINER TEIL
44
2.3.2.2.2 Nicht-kovalent immobilisierte Katalysatoren
Die nicht-kovalente Verankerung von Übergangsmetallkomplexen beruht auf der
Physisorption durch Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen Trägermaterial und
Katalysator. Eine synthetische Modifikation der chiralen Liganden ist somit unnötig.
Da die Komplexe nur schwach gebunden sind, ist die Optimierung der
Reaktionsbedingungen und die Wahl des Lösungsmittels eine schwierige Aufgabe.[10]
Eine elegante Methode der nicht-kovalenten Verankerung, beruhend auf
elektrostatischen Wechselwirkungen, ist der Ionenaustausch zwischen einem
chiralen, kationischen Metal-Ligand-Komplex und einem aciden Träger. Hutchings[20]
beschrieb dieses Konzept in der Rhodium katalysierten Hydrierung von
Dimethylitaconat. Zur Präparation wurde der Katalysatorkomplex
[(R,R−MeDuPhos)Rh(COD)]+BF4- mit dem aciden Träger (H+)Al-MCM-41 für ein
Stunde gerührt und danach gewaschen. Es erfolgte ein direkter Ionenaustausch an
den aciden Zentren des Trägermaterials. Der so erhaltene Komplex zeigte in der
Hydrierung (1 h, 20°C) identische Ergebnisse verglichen mit dem homogen
vorliegenden Katalysator (Umsatz > 99 %, ee > 99 %). Nach acht Zyklen wurde ein
leichter Abfall des Enantiomerenüberschusses auf 95 % beobachtet.
Zusätzlich sind der Wissenschaft Konzepte zur Verankerung durch Einschluss der
Metallkomplexe in Polydimethylsiloxan-(PDMS)-Membran-Materialen bekannt.
Vankelecom et al.[21] berichteten von einer bifunktionalen katalytischen Membran für
die asymmetrische Hydrierung von Methylacetoacetat. Dabei wurden ein Ru-BINAP-
Komplex und p-Toluol-Sulfonsäure in einer PDMS Membranmatrix (Dicke: 0,2 mm,
Flächenbeladung Ru-BINAP: 0,054 µmol cm-2) im Elastomerennetzwerk
eingeschlossen und durch sterische und Van-der-Waals-Wechselwirkungen
verankert. Der immobilisierte Katalysator zeigte eine leicht reduzierte Aktivität
(TOF = 41,6 h-1) und Selektivität (ee = 92 %) verglichen mit seinem homogenen
Analogon. Ein Katalysatorleaching wurde nicht beobachtet.
Ebenso können chirale Komplexe in Poren mesoporöser Materialen eingeschlossen
werden (sog. „ship-in-a-bottle“-Katalysatoren). Dabei müssen die Porenöffnungen
sehr klein sein, um den Katalysatorkomplex zurück zuhalten und ein Leaching zu
verhindern. In der enantioselektiven Hydrierreaktion von Methyl-2-pentensäure mit
Rhodiumkomplexen zeigten diese eingeschlossenen Katalysatoren bessere
Selektivität (ee = 17 %) als der homogen gelöste Katalysatorkomplex (ee = 13 %).[22]
ALLGEMEINER TEIL
45
Eine weitere Möglichkeit der Immobilisierung ist der Einschluss von homogenen
Übergangsmetallkomplexen in Mizellen. Kragl et al.[23] berichteten von der einfachen
und preiswerten Präparation eines in Mizellen eingeschlossenen Rh-Komplexes.
Dieser wurde durch Vermischen einer Lösung aus Dreiblockcopolymer und Wasser
hergestellt. Anschließend wurde dieser vergrößerte Komplex in der Hydrierung von
α-Aminosäuren in einem Membranreaktor (pH2 = 1 bar, T = 25°C) eingesetzt. Der
Katalysator konnte mehrmals wieder verwendet werden ohne Aktivitäts-
(Umsatz ~ 45-48 %) und Selektivitätsverlust (ee ~ 80 %). Nur ein minimales
Katalysatorleaching wurde beobachtet.
Eine weitere sehr interessante Methode ist die Verankerung von homogenen
Katalysatoren in Flüssigkeitsfilmen, die ihrerseits auf poröse Trägermaterialien
aufgebracht sind. Der Katalysatorkomplex ist dabei homogen im Flüssigkeitsfilm
gelöst und besitzt eine hohe Mobilität in der Flüssigkeitsphase. Diese
Imprägniermethode erfordert allerdings eine äußerst geringe Löslichkeit des
flüssigen Immobilisierungsfilms in der flüssigen Reaktionsmischung. Diese Technik
wurde erstmals 1979/1980 von Simonsen[120] und Scholten[121] erwähnt und wird als
Supported Liquid Phase Catalysis (SLPC) bezeichnet. Wird zur Imprägnierung ein
wässriger Flüssigkeitsfilm verwendet, so spricht man von Supported Aqueous Phase
Catalysis[122] (SAPC).
Die Verankerung eines hydrophilen Katalysators (sulfonierter BINAP-Komplex:
[Ru(BINAP-(SO3Na)4)(benzol)Cl]Cl) auf einer ebenso hydrophilen Trägeroberfläche
(poröses Glas) in einem Wasserfilm untersuchte die Gruppe um Wan[123] in der
asymmetrische Synthese von Naproxen (Hydrierung von 2-(6´-Methoxy-2´-
naphthyl)acrylsäure, siehe Schema 8).
P
P
SO3Na
SO3Na
SO3Na
SO3Na
COOH
OMe
COOH
OMe(S)-Naproxen
[Ru(L)(Benzol)Cl]Climmobilisiert(SAPC-Konzept)
L=
H2
Schema 8: Hydrierung von 2-(6´-Methoxy-2´-naphthyl)acrylsäure mit Ru-Komplex immobilisiert durch das SAPC-Konzept (Supported Aqueous Phase Catalysis).[123]
ALLGEMEINER TEIL
46
Das geträgerte System zeigte ein Abfall der Selektivität von 96 % auf 70 %,
verglichen mit der homogenen Reaktion in reinem Methanol. Der Abfall der
Selektivität wird durch die Anwesenheit von Wasser verursacht. Verglichen mit einem
zweiphasigen Wasser/Ethylacetat-Gemisch war das geträgerte System aktiver auf
Grund der stark erhöhten Phasengrenzfläche 50-mal.
Weiterhin untersuchte die Gruppe diese Reaktion mit in Ethylenglycol-Filmen
verankerten Katalysatoren.[124] Sie erhielten für den immobilisierten Katalysator
vergleichbare ee-Werte (95,7 % bzw. homogen: 96,1%). Jedoch nahm die Aktivität
deutlich ab (homogen: 131 h-1 vs. immobilisiert: 40,7 h-1). Eine Rezyklierung des
immobilisierten Katalysators war ohne ein messbares Ru-Leaching möglich.
Da sich die SLPC-Katalysatorsysteme als sehr erfolgreich in der Katalyse erwiesen,
wurden die Forschung auf diesen Gebiet fortgesetzt. Im Jahr 2002 setzte Mehnert[24]
erstmal eine ionische Flüssigkeit als Flüssigkeitsfilm ein (Abbildung 11). Man spricht
bei diesem Konzept von Supported Ionic Liquid Phase – kurz SILP – Katalyse. Ein
entscheidender Vorteil des SILP-Konzeptes verglichen mit der Zweiphasen-Katalyse
in ionischen Flüssigkeiten sind die relativ kurzen Diffusionsstrecken der Reaktanden
im dünnen IL-Film. Zudem ist das Konzept auf Grund der geringen Mengen an
ionischer Flüssigkeit wesentlich wirtschaftlicher.[125,126,127,128,129] In Form von gas-
flüssig-fest Reaktionen wurden SILP-Katalysatorsysteme bereits in der
Hydroformylierung[24], in der Hydrierung[130], in der Heckreaktion[131], in der
Hydroaminierung[132], in der Friedel-Crafts-Alkylierung[133], in der Synthese von
aromatischen Aminen[134] und in der Dihydroxylierung von Alkenen[135] beschrieben.
SILP Material
IL FilmIL Film
Substrat Produkt
Ru
Br
Br
L
L
Ru
Br
Br
L
L
Poröser TrägerPoröser Träger
SILP Material
IL FilmIL Film
Substrat Produkt
Ru
Br
Br
L
L
Ru
Br
Br
L
L
Poröser TrägerPoröser Träger
Abbildung 11: Prinzipskizze eines SILP-Partikel mit homogen gelöstem Katalysatorkomplex.
ALLGEMEINER TEIL
47
In der asymmetrischen Hydrierung wurden erstmals SILP-Katalysatoren von Wolfson
et al.[25] in Form einer gas-flüssig-fest-Reaktion eingesetzt. Das SILP-System,
bestehend aus dem Träger Poly(diallyldimethylammoniumchlorid), der ionische
Flüssigkeit [BMIM][PF6] und Rhodium/Ruthenium-Übergangsmetallkomplexen, wurde
in der Hydrierung von 2-Cyclohexen-1-on, 1,3-Cyclooctadien und Methylacetoacetat
erfolgreich eingesetzt.
Tabelle 7: Homogene, zweiphasige und SILP-katalysierte enantioselektive Hydrierung von Methylacetoacetat mit Ru-BINAP.[25]
Eintrag Reaktion Lösungsmittel TOF [h-1
] ee [%]
1 Homogen Methanol 103 99
2 Homogen Isopropanol 74 99
3 Zweiphasig [BMIM][PF6]/Isopropanol 16 97
4 SILP Isopropanol 29 97
S/C=140, pH2=40bar, T=60°C, t=1h, homogen: 4ml Lösungsmittel, zweiphasig: 1g [BMIM][PF6], 4ml
Lösungsmittel, SILP: 0,2g Träger, 1g [BMIM][PF6], 4ml Lösungsmittel.
Das geträgerte Polymer zeigte sich in der Ru-BINAP-katalysierten Hydrierung von
Methylacetoacetat in Isopropanol (bei 60°C, 40 bar Wasserstoffdruck und 1 h
Reaktionszeit) als aktives und selektives SILP-System (Tabelle 7). Es wurde über
zwei Zyklen kein Leaching beobachtet. Bei der SILP-katalysierte Reaktion
(TOF = 29 h-1, ee = 97 %) wurden höhere Aktivitäten im Vergleich zu dem
zweiphasigen System Isopropanol/[BMIM][PF6] (TOF = 16 h-1, ee = 97 %)
beobachtet. Jedoch konnte die Leistung der homogen-katalysierten Reaktion
(TOF = 74 h-1, ee = 99 %) nicht erreicht werden.
Weitere SILP-Systeme für die asymmetrische Hydrierung in Form einer gas-flüssig-
fest-Reaktion wurden von der Gruppe um Müller[26] publiziert. Die Gruppe setzte
Acetophenon mit SILP-Katalysatoren, bestehend aus Rhodium- und Ruthenium-
BINAP-Systemen und Silikakügelchen als Trägermaterial, im Lösungsmittel Hexan
mit basischem Zusatz um. Dabei wurden Phosphonium basierte ionische
Flüssigkeiten (Triisobutyl(methyl)phosphoniumtosylat, Tributyl(methyl)phosphonium-
dibutylphosphat und Tetradecyl(trihexyl)phosphoniumdecanoat) eingesetzt. Die
Reaktionsgeschwindigkeiten der immobilisierten Katalysatoren waren vergleichbar
mit in Methanol homogen gelösten Komplexen. Es konnte jedoch eine deutliche
Steigerung des Enantiomerenüberschusses beobachtet werden (homogen gelöst:
ALLGEMEINER TEIL
48
ee = 0 % vs. immobilisiert: 30-74 %). Müller et al. begründete diese Tatsache durch
die Ausbildung von Lösungsmittelkäfigen um den Katalysator-Substrat-Komplex im
Medium ionische Flüssigkeit und daraus folgend eine räumlich bevorzugte Bindung
an das Metallzentrum.
Ein weiteres Beispiel für die SILP-katalysierte Hydrierung in Form einer gas-flüssig-
fest-Reaktion findet man in den Arbeiten von Liu und Mitarbeiter[27,136]. Bei der
beschriebenen Katalysatorpräparation wurde der Silizium basierte Träger mit der
ionischen Flüssigkeit 1-Methyl-3-(3-triethoxysilylpropyl)imidazoliumtetrafluroborat
chemisch umgesetzt und der resultierende Imidazolium-modifizierte Träger
anschließend mit einem dünnen Film an [BMIM][BF4] und dem darin gelösten
Rutheniumkomplex beschichtet. Der so erhaltene heterogenisierte Katalysator wurde
in der Hydrierung von Acetophenon im Lösungsmittel Isopropanol eingesetzt (RT,
30 bar H2, 10 h). Es wurden zu dem homogenen Katalysator vergleichbare Aktivität
und Selektivität gemessen (Umsatz > 99 %, ee = 77 %). Der SILP-Katalysator wurde
in vier hintereinander folgenden Zyklen eingesetzt und zeigte nur für das
Trägermaterial SiO2 keinen Rückgang der Reaktivität und Enantioselektivität (Tabelle
8).
Tabelle 8: Rezyklierung von SILP-Katalysatoren (unterschiedliche Träger) in der Hydrierung von Acetophenon in Isopropanol.[27]
Träger SiO2 MCM-48 MCM-41 SBA-15
Zyklus
Umsatz/ee [%]
Umsatz/ee [%]
Umsatz/ee [%]
Umsatz/ee [%]
1 >99/77 >99/78 >99/72 >99/72
2 >99/76 99/77 >99/72 >99/73
3 >99/75 96/79 97/71 >99/72
4 >99/79 92/76 90/72 84/67
5 >99/76 60/73 24/73 40/67
Acetophenon:Ru:KOH=1:0,005:0,1, RT, pH2=30bar, t=10h.
Der Einsatz von SILP-Systemen in Flüssigphasenexperimenten ist oftmals mit
starken Verlusten von Aktivität und Selektivität verbunden, da der dünne ionische
Flüssigkeitsfilm und der darin gelöste Katalysatorkomplex leicht durch physikalische
und chemische Einwirkungen vom porösen Trägermaterial gelöst werden kann. Aber
der Einsatz von SILP-Katalysatoren – ein makroskopisch festes Katalysatormaterial
– ist auf Grund der Eigenschaften der ionischen Flüssigkeiten nicht auf die
ALLGEMEINER TEIL
49
Flüssigphase begrenzt. Die hohe Thermostabilität und der sehr geringe Dampfdruck
der ionischen Flüssigkeiten ermöglichen ein Arbeiten bei hohen Temperaturen, da
sichergestellt werden kann, dass die katalytisch aktive Phase auf dem Trägermaterial
auch unter Gasphasenbedingungen nicht ausgetragen wird. Deshalb können SILP-
Katalysatoren in kontinuierlichen Gasphasenreaktionen eingesetzt werden. In den
letzten Jahren wurden SILP-Katalysator-Systeme sehr erfolgreich in
Gasphasenreaktionen eingesetzt wie z. B. der Hydroformylierung[28], der
Carbonylierung von Methanol[29], der Hydroaminierung[30] und der Hydrierung[31].
Nach dem Stand der Forschung beschränken sich jedoch die Anwendungen von
SILP-Katalysatoren in der kontinuierlichen Gasphasenreaktion bisher auf solche
Reaktionen, die mit relativ einfachen Selektivitätsproblemen einhergehen.
2.4 Zielsetzung dieser Arbeit
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von SILP-Katalysatoren für die
hochselektive, asymmetrische Hydrierung und dem Einsatz dieser Katalysatoren in
Form einer kontinuierlichen Gasphasenreaktion. Die Vorteile der Verwendung von
SILP-Katalysatoren in der asymmetrischen Katalyse sind zahlreich. Das Konzept ist
jedoch mit einigen Herausforderungen verbunden.
Großtechnisch werden – wie in Kapitel 2.2 beschrieben – asymmetrische
Hydrierreaktionen in homogener Flüssigphasenreaktion durchgeführt. Dabei kommen
in der Regel batchweise betriebene Reaktoren zum Einsatz. Nach der Reaktion
müssen die Produkte durch thermische, extraktive oder chromatographische
Verfahren vom Lösungsmittel und vom gelösten chiralen Übergangsmetallkomplex
abgetrennt werden. Diese Verfahren führen in der Regel zum Verlust oder zur
Zersetzung des Katalysators und sind zudem apparativ aufwendig und
kostenintensiv.
Der Einsatz von SILP-Katalysatoren erlaubt eine lösungsmittelfreie Produktion von
chiralen Molekülen bei gleichzeitig kontinuierlichem Syntheseverfahren. Im Vergleich
zur traditionellen Form der asymmetrischen Hydrierung ergeben sich bedeutende
Effizienz- und Kostenvorteile, da die Kosten für das Lösungsmittel und die
Aufreinigung der Produktphase wegfallen. Zudem können durch die Immobilisierung
ALLGEMEINER TEIL
50
des chiralen Katalysatorkomplexes in erheblichem Umfang Kosten eingespart
werden.
Das SILP-Immobilisierungs-Konzept zeichnet sich durch ein sehr einfaches
Imprägnierungsverfahren aus. Da keine synthetischen Veränderungen am
Katalysator- oder Ligandkomplex zur Verankerung notwendig sind, können bereits in
der Industrie eingesetzte homogene Katalysatoren im Idealfall ohne Modifikation
direkt verwendet werden.
Trotz dieser Vorteile der kontinuierlichen SILP-Gasphasenreaktion gegenüber der
batchweise durchgeführten gas-flüssig-fest-Reaktion wurden bisher noch keine
Beispiele in der Literatur zur asymmetrischen Hydrierung mit
Übergangsmetallkomplexen im kontinuierlichen Gasphasenkontakt beschrieben.
Es existieren in der Literatur nur wenige Beispiele zur asymmetrischen Hydrierung in
kontinuierlichen Verfahren in der Flüssigphase. Die Gruppen um Baiker[137],
Garland[138] und Bartók[139] untersuchten heterogene Katalysatorsysteme (Pd/Pt-
Al2O3) in der kontinuierlichen asymmetrischen Hydrierreaktion in Flüssigphase. Des
Weiteren veröffentlichten Baiker et al.[140] Ergebnisse zur kontinuierlichen heterogen-
katalysierten Umsetzung in überkritischem Ethan. Poliakoff und Mitarbeiter[141,142]
synthetisierten homogene, auf anorganischen Träger immobilisierte Rhodium-
Komplexe und setzten diese in der kontinuierlichen Hydrierung in überkritischem CO2
ein. Ferner wird in zwei Patenten[143,144] die kontinuierliche enantioselektive
Hydrierreaktion in einem Membranreaktor mittels molekulargewichtsvergrößerten,
homogen löslichen Katalysatoren in der Flüssigphase beschrieben. Die Gruppe um
Wandrey et al.[145] beschreibt die kontinuierliche Transferhydrierung von NAD+ und
NADP+ mit Rh-Katalysatoren verankert auf Polymerstrukturen in einem
Membranreaktor. Die Gruppe um Liese[146] untersuchte das gleiche
Immobilisierungskonzept und Versuchsprinzip mit Ru-Komplexen in der
kontinuierlichen Transferhydrierung von Acetophenon.
In der Literatur wird, unserem Wissen nach, nur ein Beispiel zur kontinuierlich
katalysierten, asymmetrischen Hydrierung in der Gasphase beschrieben. Es handelt
sich dabei um eine enzymkatalysierte (Alkoholdehydrogenase von Lactobacillus
brevis) Transferhydrierung von Acetophenon mit Hilfe eines Co-Faktors (NADP+).[147]
ALLGEMEINER TEIL
51
Die Übertragung einer asymmetrischen, homogenen, Übergangsmetall-katalysierten
Hydrierung auf ein kontinuierliches Gasphasenverfahren ist mit vielen
Schwierigkeiten verbunden. Probleme bereiten z. B. die Prozessparameter der
Gasphasenversuche, die sich in der Vergangenheit als unvereinbar mit den
Anforderungen der asymmetrischen Katalyse erwiesen. Denn es handelt sich bei
asymmetrischen Reaktionen im Allgemeinen um Reaktionen, die außerordentlich
hohe Ansprüche an Struktur und Eigenschaften des katalytisch aktiven Zentrums
stellen. Die räumliche Katalysatorstruktur soll dabei die Bildung eines der beiden
physiko-chemisch sehr ähnlichen Enantiomere deutlich bevorzugen. Diese
komplexen Hydrierkatalysatoren bestehen meist aus labilen chiralen Liganden, die
eine mangelnde thermische Stabilität und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber
Sauerstoff aufweisen. Zudem zeigen viele dieser Katalysatorkomplexe nur in einem
sehr eingeschränkten Temperaturbereich (RT-50°C) gute Enantioselektivitäten. Zum
Verdampfen der hochsiedenden prochiralen Substrate (170-350°C) werden aber
hohe Temperaturen benötigt. Außerdem können diese hohen Temperaturen eine
thermische Zersetzung der Reaktanden und eine unerwünschte Racemisierung der
Produkte (d.h. eine Umwandlung des Produktenantiomeren in das unerwünschte
Enantiomer unter Verlust des Enantiomerenüberschusses) begünstigen.
Des Weiteren zeigen viele enantioselektive Hydrierkatalysatoren einen starken
Einfluss des Wasserstoffdrucks auf die Aktivität und Selektivität (pH2 üblicherweise im
Bereich von 50-100 bar). Um aber möglichst niedrige Reaktionstemperaturen zu
gewährleisten ist ein niedriger Reaktionsdruck notwendig, so dass die Reaktanden
vollständig in die Gasphase überführt werden können.
Auf Grund der kontinuierlichen Fahrweise ergibt sich als weiteres Problem die kurze
Kontaktzeit zwischen Katalysator und Reaktanden (Sekunden-/Minutenbereich).
Viele publizierte Katalysatoren zur asymmetrischen Hydrierung benötigen allerdings
mehrere Stunden oder sogar Tage für messbare Umsätze.
Zusätzlich existieren in der Literatur kaum Ansätze zur Prozessoptimierung (z. B.
optimale Reaktionsbedingungen). Ebenso sind die kinetischen Vorgänge zur
Katalysatoraktivierung bzw. Katalysatordeaktivierung derzeit noch nicht erforscht.
Trotz der genannten Einschränkungen und Probleme, war das Ziel dieser Arbeit, die
asymmetrische Hydrierung in Form einer SILP-katalysierten, kontinuierlichen
Gasphasenreaktion zu realisieren. Für SILP-Katalysatoren werden folglich
ALLGEMEINER TEIL
52
Reaktionen mit komplexer Selektivitätsproblematik erschlossen. Dadurch eröffnet
sich ein völlig neues Anwendungsgebiet für diese Katalysatorklasse.
EXPERIMENTELLER TEIL
53
Kapitel 3
EXPERIMENTELLER TEIL
EXPERIMENTELLER TEIL
54
3. Experimenteller Teil
3.1 Präparative Arbeiten
3.1.1 In situ-Präparation des Ligand-Metall-Komplexes
Der Katalysatorkomplex wurde mit Hilfe der in der Literatur bekannten in situ-
Präparationsmethoden[148,149] hergestellt. Es wurde eine Mischung aus einem
Äquivalent [Bis(2-methylallyl)(1,5-cyclooctadien)ruthenium (II)] (3,8·10-5 mol) und
zwei Äquivalenten eines chiralen Liganden in einen Schlenkkolben unter
Argonatmosphäre eingewogen.
P
Ruthenium-Precursor
Ru
CH3
CH3
bidentater Thiophenphospholan-Ligand
S
P P
monodentaterPhenylphosphepin-Ligand
Abbildung 12: In dieser Arbeit verwendeter Ru-Precursor und Ligandsysteme.
Ruthenium-Precursor: Bis(2-methylallyl)(1,5-cyclooctadien)ruthenium (II),
monodentater Phenylphosphepin-Ligand: [(S)-4-Phenyl-4,5-dihydro-3H-dinaphtho-
[2,1-c:1`,2`-e]phosphepin][150],
bidentater Thiophenphospholan-Ligand: [3-(2,5-(2R,5R)-Dimethylphospholanyl-1)-4-di-o-
tolylphosphino-2,5-dimethyl-thiophen], Handelsname: catASium® X2(R)[151].
Trockenes Aceton (5 ml) und 0,33 ml (9,57·10-5 mol) einer methanolischen HBr-
Lösung (0,29 molar) wurden hinzugegeben und 30 min unter Argon gerührt. Die
Lösung wurde im Ölbad auf 30°C erwärmt und das Lösungsmittel über 60 min unter
Hochvakuum (1 mbar) entfernt. Nach dieser Präparation liegt der Katalysator als
festes, braunes Pulver vor.
3.1.2 Methodik zur Herstellung der SILP-Katalysatoren
Zur Herstellung des SILP-Systems wurde der Katalysator in 15 ml trockenem und
entgastem Methanol gelöst. Danach wurde zur Katalysatorlösung eine definierte
Menge an ionischer Flüssigkeit und inertem, unter Argon gelagertem Trägermaterial
aus der jeweils genutzten Vorbehandlungsmethode (Kalzinierung: 20h, 400°C;
Trocknung: 20h, 100°C am HV; Silanisierung: Behandlung mit Dichlorodimethylsilan)
EXPERIMENTELLER TEIL
55
zugeben. Das Gemisch wurde unter Argon für 90 min gerührt. Im Anschluss wurde
das Lösungsmittel Methanol unter Hochvakuum (1 mbar) langsam abgezogen, um
eine vollständige Imprägnierung des Trägers zu erhalten. Das hergestellte SILP-
System wurde bis zum Einsatz unter Argon gelagert.
3.2 Vorversuche in der Flüssigphase
3.2.1 Aufbau, Funktionsweise und Versuchsdurchführung
Die Vorversuche dieser Arbeit zur Lösungsmittelauswahl und das Testen des
Einflusses verschiedenster ionischer Flüssigkeiten wurden in einem 50 ml
Edelstahlautoklaven (Abbildung 13) mit Magnetrührung und Teflon®-Liner
durchgeführt.
Abbildung 13: Experimentelles Set-up zur Durchführung der Vorversuche.
Der Autoklav war mit einem externen Heizsystem, einem internen Thermoelement
(Ni-Cr-Ni), einem Manometer, einem Spülgasventil, einem Überdruckventil sowie
einem Gaseinlass- und Gasauslassventil ausgestattet. Anfangs wurde das feste
Katalysatorpulver – abhängig vom Versuch – in Methanol oder ionischer Flüssigkeit
gelöst und für eine Stunde bei Raumtemperatur gerührt, um eine homogene
katalytische Lösung zu erhalten. Unter Stickstoffatmosphäre wurde die Lösung in
den Versuchsautoklaven gefüllt und das Substrat und die Additive (z. B. Heptan,
ionische Flüssigkeit) hinzugegeben. Der Reaktor wurde anschließend verschlossen,
mit Stickstoff gespült, auf die gewünschte Reaktionstemperatur aufgeheizt und mit
EXPERIMENTELLER TEIL
56
Wasserstoff befüllt. Abschließend wurde die Reaktion durch Einschalten des
Magnetrührers gestartet. Die Analyse der Reaktionsmischung war abhängig vom
verwendeten Lösungsmittel. Reine Methanol- und Heptan-Lösungen wurden direkt
mit Hilfe eines Gaschromatographen analysiert. Bei Verwendung von ionischen
Flüssigkeiten als Lösungsmittel wurde eine Extraktion der Reaktanden mit Heptan im
Scheidetrichter durchgeführt und anschließend die Heptanphase mittels GC
analysiert. Bei einem Gemisch aus Methanol/IL wurde das Methanol mit Hilfe eines
Rotationsverdampfers entfernt, die Reaktanden mit Heptan extrahiert und die
Heptanphase mittels GC analysiert (Analysemethode siehe Kapitel 6.5).
3.3 Batch-Versuche in der Flüssigphase
3.3.1 Aufbau, Funktionsweise und Versuchsdurchführung
Alle Versuche zur Bestimmung reaktionstechnischer Größen im Lösungsmittel
Methanol und zum Testen des Einflusses von ionischen Flüssigkeiten auf die
Katalysatorkomplexe im System MeOH/IL wurden in einem 300 ml „Parr“-
Edelstahlautoklaven (Typ 316; ausgestattet mit Glasliner) durchgeführt (Abbildung
14).
Abbildung 14: Experimenteller Aufbau für Kinetik- und MeOH/IL-Versuche: (1) Gaseintragsrührer,
(2) Probennahme mit Fritte, (3) Kühlkreislauf mit Kühlwasser, (4) Thermoelement.
EXPERIMENTELLER TEIL
57
Im Reaktor befand sich ein Gaseintragsrührer für einen optimierten Stofftransport
zwischen Flüssig- und Gasphase. Zusätzlich besaß der Autoklav ein internes
Kühlungssystem (Kühlmittel = Wasser), ein Ni-Cr-Ni-Thermoelement, einen
Druckaufnehmer, ein Spülgas-, ein Probenahme-, ein Überdruck-, ein Gaseinlass-
sowie ein Gasauslassventil.
Im Folgenden wird die Versuchsdurchführung für die kinetischen Untersuchungen in
reinem Methanol beschrieben:
Vor jedem Hydrierexperiment wurde der Katalysatorkomplex in 160 ml Methanol
gelöst und die resultierende Lösung für eine Stunde gerührt. Die Katalysatorlösung
wurde anschließend in den Reaktor unter Argonatmosphäre umgefüllt und eine
bestimmte Menge an Substrat (Methylacetoacetat) inklusive internem Standard
(Bis(2-methoxyethyl)ether = Diglyme) hinzugegeben. Dann wurde der Reaktor
verschlossen und durch Spülen mit Argon Sauerstoff und Feuchtigkeit aus dem
System entfernt. Der Reaktor wurde unter leichtem Rühren (50 rpm) auf die
gewünschte Reaktionstemperatur aufgeheizt. Vor Beginn der Reaktion wurde eine
Nullprobe genommen. Danach wurde der Autoklav mit Wasserstoff befüllt und die
Reaktion durch Erhöhung der Drehzahl auf 1200 rpm gestartet. Proben aus dem
Reaktionsgemisch wurden in Intervallen durch das Tauchrohr der Probennahme
entnommen. Um Verfälschungen der Ergebnisse zu vermeiden wurde vor jeder
Probennahme das Tauchrohr komplett durchgespült. Alle Experimente wurden semi-
batch durchgeführt, da der Wasserstoffdruck während der Reaktion konstant
gehalten wurde. Die gesammelten Proben wurden mit Spritzenfiltern (PTFE-
Membran, Porengröße: 0,2 µm, Durchmesser: 13 mm) von Partikeln befreit und via
Gaschromatographie analysiert (Analysemethode siehe Kapitel 6.5).
Für die kinetischen Experimente wurde die Reaktionstemperatur im Bereich von 60 -
120°C, der Wasserstoffdruck im Bereich von 5 - 20 bar und die
Katalysatorkonzentration im Bereich von 1,19·10-4 mol/l - 7,11·10-4 mol/l variiert.
Da die Versuche im Reaktionsmedium MeOH/IL und die Kinetikuntersuchungen in
reinem Methanol in ähnlicher Weise durchgeführt wurden, werden im Folgenden nur
die abgeänderten Arbeitsschritte beschrieben:
Nach Lösung und einstündigem Rühren des Katalysatorkomplexes (3,8·10-5 mol) in
160 ml Methanol wurden eine definierte Menge an Substrat (7,6·10-3 mol MAA) und
EXPERIMENTELLER TEIL
58
ionischer Flüssigkeit (19,4·10-3 mol) hinzugefügt. Für die Analyse der Versuche mit
Imidazolium -, Ammonium - und Pyridinium - basierten ionischen Flüssigkeiten wurde
das Methanol am Rotationsverdampfer entfernt und die Reaktanden anschließend
mit Heptan aus der ionischen Lösung extrahiert. Nach Zugabe des internen
Standards Diglyme wurde die Heptanphase im Gaschromatographen analysiert. Bei
Experimenten mit Hydroxy-Ammonium - basierten ionischen Flüssigkeiten wurden
nach Zugabe des internen Standards die Proben direkt in den GC, ausgestattet mit
einer Vorsäule, injiziert (Analysemethode siehe Kapitel 6.5).
Für alle Experimente wurde die Reaktionstemperatur konstant auf 80°C und der
Wasserstoffdruck auf 10 bar gehalten.
Für die Rezyklierungsversuche wurde die Lösungsmittel- und Substratmenge auf
80 ml und 3,8 ·10-3 mol reduziert, um ein schnelleres Entfernen des Lösungsmittels
und der Reaktanden nach jedem Zyklus zu gewährleisten. Nach einer Reaktionszeit
von 18 h wurde der Versuch gestoppt und die Reaktionsmischung rezykliert. Das
Lösungsmittel und die Reaktanden wurden im Hochvakuum (1 mbar) bei 80°C für
vier Stunden entfernt. Danach wurde die ionische Flüssigkeit-Katalysator-Lösung
erneut in 80 ml Methanol gelöst und nach der Zugabe von Methylacetoacetat ein
neuer Zyklus gestartet.
3.4 Kontinuierliche Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren
3.4.1 Beschreibung der Hauptkomponente der Versuchsanlage
Die Anlage zur Durchführung der Gasphasenversuche ist für einen
Temperaturbereich von 100-140°C und einen Druckbereich von 5-18 bar ausgelegt.
In diesem Bereich ist es möglich, das prochirale, hochsiedende Substrat durch
Partialdruckerniedrigung mit Hilfe eines Trägergasstrom zu verdampfen (siehe Aspen
Plus®-Simulation in Abbildung 15).
EXPERIMENTELLER TEIL
59
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,140
80
120
160
200
240
280
320
360
T
[°C
]
xMAA/H2
[mol/mol]
1bar
10bar
20bar
30bar
60bar
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,4040
60
80
100
120
140
160
xMAA/H2
[mol/mol]
T [°
C]
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,4040
60
80
100
120
140
160
xMAA/H2
[mol/mol]
T [°
C]
Abbildung 15: Aspen Plus®-Simulation (Rechnungen basierend auf SRK (Soave-Redlich-Kwong-
Gleichung)-Modell, Aspen-Flowsheet siehe Anhang, Version 2006) der Kondensationskurve eines
MAA/H2-Gemisches bei unterschiedlichen Gesamtdrücken (1-60 bar).
links: gesamte Bereich, rechts: Auszug mit möglichem Temperaturbereich für Gasphasenversuche (grau
hinterlegt).
Die Dosierung des Trägergases Helium und des Reaktionsgases Wasserstoff erfolgt
über Mass Flow Controller des Herstellers Bronkhorst (siehe Tabelle 9). Bei der
Dosierung von Methylacetoacetat und Methanol wurden LiquidFlows des Herstellers
Bronkhorst für entsprechend kleine Dosierbereiche ausgewählt.
Tabelle 9: Dosiereinheiten (Hersteller: Bronkhorst) und Dosierbereiche für Trägergas und Reaktanden.
Dosiertes Medium Instrument//Modellnummer Dosierbereich
Helium MFC//F-201CV-200-RAD-11-V 0 - 250 Nml/min
Wasserstoff MFC//F-201CV-200-RAD-33-V 0 - 250 Nml/min
Methylacetoacetat LF//L13-RAD-11-K-10S 0 - 5 g/h
Methanol LF//L13V02-RAD-11-K-10S 0 - 9,5 g/h
MFC=MassFlowController, LF=LiquidFlow
Das Trägergas Helium dient bei den Gasphasenversuchen zur Verdampfung des
Substrats in der CEM-Einheit. Die CEM-Einheit (Controlled Evaporation Mixer,
TMax = 200°C) des Hersteller Bronkhorst besteht aus einer Prallplatte und einem
beheizten, spiralförmigen dünnen Rohr. Sie gewährleistet ein pulsationsfreies
Verdampfen des Substrats. Ein geringer Teil des Heliumträgergases wird zum
Spülen des Reaktorkopfes (zur Verhinderung des Auskondensierens von
organischen Stoffen) mit einem MFC (Brooks, Serie 5850 TR) eindosiert. Der Druck
der gesamten Anlage wird manuell mit einem Druckregelventil (Veriflo®) eingestellt.
Als Reaktor wurde ein gradientenfreier Gasphasen-Kreislaufreaktor gewählt, wie er
erstmals in der Literatur von Berty[152,153] 1974 beschrieben wurde. Dieser Reaktortyp
EXPERIMENTELLER TEIL
60
ist auf Grund der nahezu idealen Rückvermischung und des gradientenfreien
Temperatur-Konzentration-Profils über die Katalysatorschüttung (CSTR-Verhalten)
besonders für kinetische Messungen geeignet. Zudem wurde der Reaktor wegen der
durch die Rückvermischung hervorgerufenen höheren effektiven Verweilzeiten und
des einfachen Befüllens des Katalysatorkorbes unter Schutzgasbedingungen
ausgewählt. Das Reaktordesign wurde am Lehrstuhl für Chemische
Reaktionstechnik, Universität Erlangen-Nürnberg entwickelt. Der Reaktor ist aus
nichtrostenden, austenitischen Stahl 1.4571 (X6CrNiMoTi17-12-2) angefertigt und ist
für maximal 500°C, 50 bar und 10000 rpm ausgelegt. Das Gesamtvolumen des
Reaktors ohne Katalysatorkorb beträgt 250 ml; das Gasvolumen mit Katalysatorkorb
95 ml. Die Gasphasenzirkulation wird durch eine Turbine am Kopf des
Reaktorgefäßes erzeugt. Die Anlage besitzt zusätzlich einen Gegenstrom-
Kondensator, um die Reaktanden nach der Reaktion auszukondensieren, sowie
einen Autosampler zur kontinuierlichen Probennahme.
(D),(E)
(A),(B)
(G) (I)
(H)
(C)
(D),(E)
(A),(B)
(G) (I)
(H)
(C)
Abbildung 16: Foto der aufgebauten Versuchsanlage für kontinuierliche Gasphasenversuche.
Mit den Komponenten: (A),(B)=MFC für He und H2, (C)=MFC für He zum Spülen des Reaktorkopfes,
(D),(E)=Vorlagebehälter für MAA, MeOH, (G)=gradientenfreier Kreislauf-Reaktor, (H)=manueller Druckregler,
(I)=Kondensator und Autosampler.
Abbildung 16 zeigt ein Bild der in dieser Arbeit aufgebauten Versuchsanlage mit
Bezeichnung der wichtigsten Hauptkomponenten.
EXPERIMENTELLER TEIL
61
3.4.2 Versuchsdurchführung der Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren
Zu Beginn jedes Versuchs wurde der SILP-Katalysator unter Argonatmosphäre in
den Katalysatorkorb des Berty-Reaktors gefüllt und durch Glaswolle und einem
feinmaschigen Metallnetz fixiert. Anschließend wurde die Versuchsanlage (Abbildung
17) mit Helium gespült und der Katalysatorkorb in den Berty-Reaktor unter
Heliumatmosphäre eingebaut.
Abbildung 17: Fließbild der Laboranlage für kontinuierliche Gasphasenversuche.
(A)=MassFlowController H2, (B)=MassFlowController He, (C)=MassFlowController He-Spülgas, (D)=LiquidFlow
MeOH, (E)=LiquidFlow MAA, (F)=CEM (Controlled Evaporation Mixer)-Einheit, (G)=gradientenfreier Kreislauf-
Reaktor, (H)=manueller Druckregler, (I)=Kondensator und Autosampler.
Nach Schließen des Reaktors und einem Testlauf der Turbine wurde die Anlage
unter 10 bar Helium-Druck gesetzt und für 15 min auf Druckverlust geprüft. War kein
Druckverlust zu beobachten, wurde die Anlage auf die gewünschte
Reaktionstemperatur unter kontinuierlichen Fluss von Helium und Wasserstoff
aufgeheizt, der Reaktionsdruck eingestellt und die Turbine des Berty-Reaktors
gestartet. Nach Erreichen der Reaktionstemperatur wurde die Reaktion durch die
Zudosierung des Substrats MAA, welches flüssig unter Helium in einem
Druckbehälter gelagert wurde, gestartet. In der CEM-Einheit (F) wurde das flüssige
Substrat mit Hilfe eines kontinuierlichen Heliumgasstroms verdampft. Im Anschluss
EXPERIMENTELLER TEIL
62
wurde das gasförmige He/MAA-Gemisch in einer Mischereinheit (Glaswolle und
7 µm Filter) mit dem vorgeheizten Wasserstoffstrom vermischt. Das Gasgemisch
konnte entweder den Berty-Reaktor passieren oder durch einen Bypass geleitet
werden. Nach dem Reaktor wurde das Reaktionsgemisch über einen 7 µm Filter
geleitet, um eine Dekontaminierung des Druckregelventiles (H) mit festen Partikeln
zu vermeiden. Nach dem Druckregelventil wurden die Reaktanden auskondensiert
und in regelmäßigen Intervallen gesammelt (I). Die gesammelten Proben wurden mit
Heptan verdünnt und anschließend mit einem offline-GC (Varian 3900, Säule
Lipodex E) analysiert (Analysemethode siehe Kapitel 6.5).
Üblicherweise fanden die Versuche bei einem Druck von 10 bar und einer
Reaktortemperatur von 105-125°C statt. Die Turbinendrehzahl des Berty-Reaktors
wurde auf 5000 rpm eingestellt. Als Volumenströme wurden für das Trägergas
Helium 200 Nml/min, für das Reaktionsgas 75 Nml/min und für das Substrat
Methylacetoacetat 0,125-0,25 g/h gewählt.
3.4.3 Versuche zur Bestimmung des Verweilzeitverhaltens
Die Bestimmung der Verweilzeit-(VWZ)-Verteilung wurde durch eine
Stoßmarkierung-Methode mit Propan durchgeführt. Bei dieser Methode wurde
Propan am Reaktoreingang mit einer gasdichten Spritze durch ein Septum in den
Trägergasstrom Helium injiziert und am Reaktorausgang die Propan-Konzentration
mittels eines Infrarot-Gasdetektors (Binos) gemessen. Anschließend wurden die
Daten durch eine Messwandlerkarte (Meilhaus ME-1008-USB) elektronisch erfasst,
die Konzentrationsänderungen als Spannungsänderungen gespeichert und durch die
Software TracerDAQ am Rechner dargestellt.
Alle Messungen wurden zur realistischen Darstellung eines Versuchs mit gefüllten
Katalysatorkorb (1 g Trägermaterial+Glaswolle) durchgeführt. Es wurde unter
Raumtemperatur und Normaldruck drei verschiedenen Helium-
Trägergasvolumenströmen (36,7 Nml/min, 87,5 Nml/min, 200 Nml/min) vermessen.
Die Injektionsmengen an Propan betrug bei 36,7 Nml/min 0,5 µl, bei 87,5 Nml/min
0,75 µl und bei 200 Nml/min 0,25 µl. Für jede der drei Helium-
Volumenstromeinstellungen wurde die Drehzahl des Berty-Reaktors von 0 bis
9000 rpm in Intervallen von 1000 rpm variiert.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
63
Kapitel 4
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
64
4. Ergebnisse und Diskussion
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von SILP-Katalysatoren für die hochselektive,
asymmetrische Hydrierung in einer kontinuierlichen Gasphasenreaktion. Der
Ergebnisteil dieser Arbeit untergliedert sich in vier Abschnitte:
Im ersten Teil werden nach Vorstellung der Versuchsstrategie die Ergebnisse aus
den Vorversuchen in Flüssigphase vorgestellt.
Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Bestimmung des Reaktionsnetzwerkes und
der kinetischen Parameter im Lösungsmittel Methanol. Zudem wurde der Einfluss
verschiedener Reaktionsparameter auf die Enantioselektivität untersucht.
Ein weiterer Teil befasst sich mit der Untersuchung zum Einfluss von ionischen
Flüssigkeiten auf das chirale Katalysatorsystem im Lösungsmittelgemisch IL/MeOH.
Zusätzlich wird ein erfolgreiches Immobilisierungskonzept in der Flüssigphase
vorgestellt.
Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit dem Einsatz von SILP-Katalysatoren in der
kontinuierlichen Gasphasenhydrierung. Neben der Verweilzeitcharakterisierung des
Reaktors und einem Ligand-Screening wurden systematische Experimente zur
Aktivierungs- und Deaktivierungsphase durchgeführt. Zudem wurden in diesem
Kapitel die Einflüsse von Reaktionstemperatur, ionischen Flüssigkeiten,
Trägermaterialien/Acidität und des Additivs Methanol auf Aktivität und
Enantioselektivität untersucht.
4.1 Versuchsstrategie und Konzept der Arbeit
Zu Beginn dieser Arbeit stand die Wahl eines geeigneten Katalysatorsystems und
eines für die Gasphasenhydrierung geeigneten Substrats im Vordergrund. Für die
Hydrierung in der Gasphase sind Reaktionen notwendig, die bei möglichst hohen
Reaktionstemperaturen und niedrigen Wasserstoffdrücken mit kurzer Reaktionszeit
gute Aktivität und Selektivität zeigen und keine Zusätze (z. B. Basen, Säuren)
benötigen. Zusätzlich müssen die Reaktanden niedrige Verdampfungstemperaturen
aufweisen. Auf Grund dieser Anforderungen wurde die in Schema 9 dargestellte Ru-
katalysierte Hydrierreaktion von Methylacetoacetat (Sdp.MAA/MHB = 170°C/190°C)
ausgewählt.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
65
O
O O
+ H2O
OOH
Methylacetoacetat(MAA)
*
Methylhydroxybutyrat (R/S)(MHB)
RuL1...2Br2
Schema 9: Die in dieser Arbeit untersuchte asymmetrische Hydrierung von Methylacetoacetat.
Diese Reaktion konnte bereits bei höheren Reaktionstemperaturen sowohl durch
monodentate Liganden (z. B. Phenylphosphepin-Liganden[62]: T=80-100°C,
pH2=60 bar, t=1-16 h → Y = 90-99 %, ee = 80-95 %) als auch bidentate Liganden
(z. B. BINAP[154]: T> 60°C, pH2> 60 bar → ee = 98) im Lösungsmittel Methanol
katalysiert werden.
Ein weiteres wichtiges Auswahlkriterium war die technische Bedeutung der
Hydrierreaktion und ihrer Produkte. Dabei findet die asymmetrische Hydrierung von
β-Ketoestern oftmals Einsatz in der pharmazeutischen Industrie. Die Produkte –
chirale β-Hydroxyester – sind wichtige Bausteine in der Synthese einer Vielzahl von
Arzneiwirkstoffen wie z. B. Tomoxetin (ein Noradrenalin wiederaufnahme-
hemmendes Antidepressiva), Fluoxetin (ein Serotonin wiederaufnahme-hemmendes
Antidepressiva) und Pinostrobin (ein Kandidat zum Behandeln von Östrogen-
verursachten Tumoren).[102]
Für die in dieser Arbeit eingesetzten chiralen Übergangsmetallkomplexe existieren
bis zum heutigen Zeitpunkt noch keine detaillierten Untersuchungen zur
Reaktionskinetik, zum Einfluss von unterschiedlichen IL-Klassen und zur nicht-
kovalente Immobilisierung auf inerten Trägermaterialien. Aus diesem Grund wurden
zahlreiche Experimente in der Flüssigphase durchgeführt, um die spätere
Übertragung auf die SILP-katalysierte Gasphasenreaktion zu erleichtern.
Abbildung 18 zeigt die dieser Arbeit zugrunde liegende Versuchsstrategie
schematisch.
Flüssigphase (IL/Lösungsmittel)
SILP-System in Flüssigphase
SILP-System in Gasphase
Flüssigphase (ionische Flüssigkeit)
Flüssigphase (organisches Lösungsmittel)
Abbildung 18: Strategie der Versuchsplanung.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
66
Dabei dienten Flüssigphasenversuche im organischen Lösungsmittel Methanol zur
Untersuchung des Einflusses von Temperatur, Wasserstoffdruck und
Katalysatorkonzentration auf Aktivität und Selektivität und zur Bestimmung von
reaktionstechnischen Größen (z. B. Stoßfaktoren, Aktivierungsenergien). Die in der
Flüssigphase bestimmten Parameter werden später als Referenz für die in der
Gasphase ermittelten Größen dienen. Aufbauend auf diesen Versuchen wurde der
Einfluss von ionischen Flüssigkeiten in der Flüssigphase getestet. Dadurch wurde für
den SILP-Katalysator die Auswahl der ionischen Flüssigkeit eingegrenzt. In Slurry-
Versuchen mit SILP-Katalysatoren wurde der Einfluss des Trägermaterials
untersucht und zugleich auch ein möglichst einfaches Immobilisierungskonzept in der
Flüssigphase getestet. Die Ergebnisse, die aus allen Versuchsreihen gewonnen
wurden, flossen abschließend in die erfolgreiche Entwicklung von SILP-
Katalysatoren für die kontinuierliche Gasphasenreaktion mit ein.
4.2 Flüssigphasen-Voruntersuchungen
Die Voruntersuchungen in der Flüssigphase dienten dazu, die Reaktionsparameter
auf die Bedingung der Gasphasenreaktion anzupassen und den Einfluss
verschiedener Lösungsmittel mit/ohne Zusätze zu untersuchen. Zusätzlich wurde die
Immobilisierung in Flüssigphase durch Flüssig-Flüssig- und Fest-Flüssig-Systeme
getestet. Alle Voruntersuchungen wurden mit dem monodentaten Phenylphosphepin-
Liganden durchgeführt.
In der Literatur existieren keine Daten für die Hydrierreaktion von β-Ketoestern bei
niedrigen Wasserstoffpartialdrücken und hohen Reaktionstemperaturen. Damit ist
völlig unklar, ob das Ru-basierte Katalysatorsystem unter diesen Bedingungen
(erforderlich zum Verdampfen der prochiralen Reaktanden in der Gasphase)
Aktivität, Selektivität und vor allem Stabilität zeigt. Aus diesem Grund wurden zu
Beginn Versuche mit deutlich niedrigeren Wasserstoffdrücken durchgeführt (Tabelle
10).
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
67
Tabelle 10: Ausbeute, Umsatz und Enantiomerenüberschuss bei unterschiedlichen
Wasserstoffdrücken.
Eintrag p H2 [bar] Y MHB [%] X MAA [%] ee R:S [%]
1[a] 60 100 100 89,4
2[b] 10 68,4 92,0 90,4
3[c] 5 56,2 86,2 92,7
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phenylphosphepin-Ligand, 20ml
Methanol, 3,8mmol MAA, r=500rpm, TReaktion=80°C; [a] t=16h, [b] t=22h, [c] t=23h.
Bei einem Wasserstoffdruck von 60 bar wurde nach 16 h ein vollständiger Umsatz
zum Endprodukt Butyrat beobachtet (Eintrag 1). Die Experimente mit reduziertem
Druck (Einträge 2 und 3) zeigen eine klare Tendenz: Je niedriger der H2-Druck, desto
niedriger sind die Umsätze und Ausbeuten und desto höher ist der Anteil an den
Zwischenprodukten Ketal und Halbketal (detaillierte Untersuchungen zur
Ketalbildung siehe Kapitel 4.3.1). Die Enantioselektivität zeigte unabhängig vom
Druck Werte im Bereich von 90 %. Folglich ist eine Hydrierung bei niedrigen H2-
Konzentrationen bei reduziertem Umsatz aber gleichbleibender Selektivität zum
Wunschprodukt im Prinzip möglich.
Zusätzlich wurde der Einfluss der Reaktionstemperatur auf die Stabilität des
Übergangsmetallkomplexes untersucht. Tabelle 11 zeigt, dass eine Erhöhung der
Reaktionstemperatur von 80°C auf 120°C eine deutliche Steigerung der Aktivität
(Y = 68 vs. 100 %) bewirkte.
Tabelle 11: Ausbeute, Umsatz und Enantiomerenüberschuss bei unterschiedlichen
Reaktionstemperaturen.
Eintrag TReaktion [°C] Y MHB [%] X MAA [%] ee R:S [%]
1 80 68,4 92,0 90,4
2 120 100 100 91,1
3 140 92,3 96,9 89,6
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phenylphosphepin-Ligand, 20ml
Methanol, 3,8mmol MAA, r=500rpm, pH2=10bar, t=16h.
Bei weiterer Erhöhung auf 140°C wurde ein leichter Rückgang der Aktivität
beobachtet, was für eine langsame thermische Zersetzung des
Katalysatorkomplexes sprich (siehe Tabelle 11, Eintrag 3). Die Enantioselektivität lag
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
68
bei allen drei Messungen im Bereich von ~90 % und zeigte somit keine
Temperaturabhängigkeit. Auf Basis dieser Messreihe konnte ein Temperaturlimit von
120°C für die Gasphasenreaktion festgestellt werden.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass der Katalysatorkomplex auch unter
Gasphasenbedingungen (hohe Temperatur, niedriger Wasserstoffdruck)
Hydrieraktivität besitzt. Weitere Untersuchungen zum Einfluss von Druck,
Temperatur und Katalysatorkonzentration im Lösungsmittel Methanol auf die
Selektivität und Aktivität werden in detaillierten kinetischen Untersuchungen (Kapitel
4.3) fortgesetzt.
Des Weiteren wurde das Lösungsmittel Methanol durch verschiedene ionische
Flüssigkeiten ([EMIM][NTf2], [BMIM][NTf2], [EMMIM][NTf2], [HexMIM][Tris(perfluoro-
alkyl)trifluorophosphat], [BMIM][PF6], [Et(OHMe)Pr][NTf2], [Et(OHMe)Pr][EtSO3], und
[Et(OHMe)Pr][OTf]) ersetzt. In allen ionischen Flüssigkeiten war der
Übergangsmetallkomplex löslich und zeigte Aktivität. Folglich ist eine Immobilisierung
des Katalysators in einem ionischen Flüssigkeitsfilm möglich.
Die besten Ergebnisse wurden in der kurzkettigen ionischen Flüssigkeiten
[EMIM][NTf2] erzielt. Weitere Voruntersuchungen (Tabelle 12) wurden deshalb mit
dieser IL durchgeführt. Die Ergebnisse in reinem Methanol (Eintrag 1), in reiner
ionischer Flüssigkeit [EMIM][NTf2] (Eintrag 2) und einem homogenen einphasigen
Gemisch aus [EMIM][NTf2]/Methanol (Eintrag 5) zeigen deutliche Unterschiede.
Tabelle 12: Ausbeute, Umsatz und Enantiomerenüberschuss im Lösungsmittel MeOH, IL und
MeOH/IL-Gemischen bei verschiedenen Reaktionstemperaturen.
Eintrag Lösungsmittel TReaktion [°C] Y MHB [%] X MAA [%] ee R:S [%]
1[a] Methanol 80 68,4 92,0 90,4
2[b] [EMIM][NTf2] 80 9,7 9,7 43,2
3[b] [EMIM][NTf2] 120 64,4 64,4 51,7
4[b] [EMIM][NTf2] 140 99,0 99,0 25,2
5[c] [EMIM][NTf2] / Methanol 80 56,9 69,1 64,6
6[c] [EMIM][NTf2] / Methanol 120 72,9 72,9 54,8
7[c] [EMIM][NTf2] / Methanol 140 100 100 37,4
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phenylphosphepin-Ligand, 3,8mmol
MAA, r=500rpm, pH2=10bar, [a] t=22h, 20ml Methanol, [b] t=16h, 5ml (19.4mmol) [EMIM][NTf2], [c] t=16h,
2ml Methanol, 5ml (19.4mmol) [EMIM][NTf2].
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
69
Im Lösungsmittel Methanol wurden die besten Hydrieraktivitäten und
Enantioselektivitäten gemessen. In reinem [EMIM][NTf2] kam es zu einem
drastischen Rückgang der katalytischen Aktivität (Y: 68,4 % → 9,7%) und Selektivität
(ee: 90,4 % → 43,2%). Bessere katalytische Effizienz wurde im Gemisch aus
Methanol/IL (2 ml/5 ml) beobachtet, jedoch ist vor allem die Selektivität durch das
ionische Additiv stark beeinflusst. Möglicher Grund für die deutlich schlechteren
Werte bei Verwendung von [EMIM][NTf2] ist die reduzierte Wasserstoffdiffusion in
das deutlich viskosere Reaktionsmedium und die schlechtere Wasserstofflöslichkeit
in der ionischen Flüssigkeit. Zudem bilden sich bei der Hydrierung von β-Ketoestern
in alkoholischen Lösungsmitteln die Zwischenprodukte Ketal und Halbketal durch
Gleichgewichtsreaktion aus. Dies erklärt schlüssig die Differenz zwischen Ausbeute
und Umsatz bei Verwendung von Methanol als Lösungsmittel (Tabelle 12, Einträge 1
und 5). Als Folge der Halbketalbildung existiert, wie im Kapitel 4.3.1 detailliert
beschrieben wird, ein zusätzlicher Hydrierschritt vom Halbketal aus, der sich positiv
auf die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit (und damit auf die Aktivität und Selektivität)
auswirkt. Außerdem wurde analog zu den Versuchen in reinem Methanol eine
Temperaturvariation durchgeführt (Einträge 2-7). Ein Aktivitätsmaximum konnte zwar
bei 140°C beobachtet werden auf Grund der sehr viel niedrigeren Viskosität von
[EMIM][NTf2] und der verbesserten Wasserstoffdiffusion, die Enantioselektivität
zeigte aber einen starken Rückgang, was auf thermisches Zersetzen des chiralen
Liganden bei hohen Temperaturen schließen lässt.
In einer weiteren Versuchsreihe wurden zwei verschiedene
Immobilisierungsmethoden in der Flüssigphase getestet (Tabelle 13). Im ersten
Versuch wurde der Katalysatorkomplex in der ionischen Flüssigkeitsphase
immobilisiert und als organische Extraktionsphase Heptan hinzugegeben (Eintrag 1).
Dieses zweiphasige Reaktionssystem kann nach der Reaktion leicht getrennt und die
Katalysatorphase wieder verwendet werden. Leider erwies sich dieses
Immobilisierungskonzept als ungeeignet, da nur minimale Aktivitäten
(Umsatz = 2,6 %) beobachtet wurden und die Versuchsergebnisse zudem schlechter
waren, verglichen mit Versuchen in reiner ionischer Flüssigkeit. Auch Versuche mit
veränderten Mischungsverhältnissen (z. B. 3:1 und 1:1 Volumen Heptan/IL) zeigten
keine verbesserte Aktivität. Durch ICP-Analyse konnte gezeigt werden, dass der
Katalysatorkomplex aus der ionischen Flüssigkeitsphase in die organische Phase
ausgetragen wurde (nach einem Zyklus: 0,02 Gew.-%), was dieses Konzept
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
70
zusätzlich unattraktiv macht. Wie in der Literatur[103] berichtet, kann dies durch
Addition von ionischen Gruppen an den Katalysatorkomplex vermieden werden. Auf
Grund der schlechten Ergebnisse der zweiphasigen (flüssig-flüssig) Versuche wurde
dieses Immobilisierungskonzept jedoch nicht weiter verfolgt.
Tabelle 13: Ausbeute, Umsatz und Enantiomerenüberschuss im zweiphasigen System und Flüssig-
Fest-System.
Eintrag System X MAA [%] ee R:S [%]
1[a] Heptan / [EMIM][NTf2] 2,6 23,2
2[b] Heptan / SILP 2,9 40,7
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phenylphosphepin-Ligand, 3,8mmol
MAA, r=500rpm, T=80°C, pH2=10bar, t=16h, [a] 5ml IL, 80ml Heptan, [b] SILP: Ru/SiO2=0,0077 g/g, α=0,1.
In einen zweiten Versuch (Eintrag 2) wurde die Immobilisierung des Katalysators
unter Verwendung des SILP-Konzeptes in der Flüssigphase getestet. Dabei wurde
ebenfalls eine schlechtere Aktivität und Selektivität beobachtet. Mit hoher
Wahrscheinlichkeit kann dies auf das Fehlen eines alkoholischen Lösungsmittels
zurückgeführt werden. Die Verwendung von Methanol als Co-Solvens würde
allerdings ein Abwaschen des IL-Films vom Trägermaterial bewirken. Damit ist auch
dieses Immobilisierungskonzept in der Flüssigphase weniger attraktiv und es wurde
auf weitere detaillierte Untersuchungen verzichtet.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
71
4.3 Kinetische Untersuchungen in der Flüssigphase in Methanol
4.3.1 Monodentater Phenylphosphepin-Ligand
4.3.1.1 Bestimmung des Reaktionsnetzwerkes
Für asymmetrische Hydrierreaktionen existieren in der Literatur kaum detaillierte
kinetische und thermodynamische Studien. Jedoch ist es für die Optimierung einer
Reaktion notwendig, ihren Verlauf mit kinetischen und thermodynamischen
Parametern zu beschreiben. Insbesondere ist dies für Reaktionen mit komplizierten
Reaktionsnetzwerken erforderlich, wie dies bei der Hydrierung von Ketoestern in
alkoholischen Lösungsmitten der Fall ist (siehe Kapitel 2.3.1). Durch detaillierte
kinetische Untersuchungen kann das zugehörige mechanistische Modell entwickelt
werden. Für die Bestimmung des Reaktionsnetzwerkes in der Hydrierung von
Methylacetoacetat im Lösungsmittel Methanol wurde eine Vielzahl von Experimenten
bei unterschiedlichen Temperaturen und Wasserstoffdrücken durchgeführt. Die
resultierenden Konzentrations-Zeit-Kurven wurden anschließend mit den
berechneten Daten (Software Presto Kinetics, CiT GmbH, Germany, Version 7.2.1)
verglichen (siehe Abbildung A 2 - Abbildung A 8). Die Berechnungen wurden mit
unterschiedlichen kinetischen Modellen durchgeführt. Es soll ausdrücklich betont
werden, dass in den kinetischen Studien dieser Arbeit nicht der molekulare
Mechanismus der Hydrierreaktion aufgeklärt wird. Der Vergleich experimenteller
Konzentrationsverläufe mit unterschiedlichen kinetischen Modellen stützt sich nur auf
im GC detektierbare Komponenten. Kurzlebige Intermediate werden also nicht
berücksichtigt.
Für die Berechnungen mit dem Software-Tool Presto Kinetics wurden etliche
Vereinfachungen und Annahmen getroffen, die im Folgenden erläutert werden. Um
die Differentialgleichungen für die Modellierung aufzustellen, wurde die Gültigkeit der
Gleichung zur Stoffänderungsgeschwindigkeit (4.3.1) und Potenzansätze (4.3.2) für
alle Reaktionsschritte vorausgesetzt.
j
M
1jiji rR ⋅υ=∑
=
(4.3.1)
∏⋅=
i
miickr (4.3.2)
Um die Differentialgleichungen lösen zu können, wurden folgende Vereinfachungen
und Annahmen vorgenommen:
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
72
- Alle Experimente wurden mit gleicher Katalysatorkonzentration
durchgeführt. Sie wurde nicht in die Modellierung des Netzwerkes mit
einbezogen.
- Die Menge an Methanol war verglichen mit dem Substrat MAA deutlich im
Überschuss und blieb während der Reaktion quasi konstant.
- Die Konzentration von Wasser während der Reaktion war nicht bekannt.
Es wurden nur wasserfreie Komponenten verwendet, jedoch konnte das
während der Hydrierung entstehende Wasser nicht analysiert werden.
Deshalb wurden keine wasser-abhängigen Reaktionsgeschwindigkeiten
bestimmt.
- Es wurde angenommen, dass sich die Wasserstofflöslichkeit während des
Experimentes nur marginal veränderte. Daraus resultierend wurde der
Wasserstoffpartialdruck anstelle der Wasserstoffkonzentration direkt in die
Reaktionsgeschwindigkeitsgleichungen eingesetzt.
Da die Ketal- und Halbketal-Bildung stark von der Thermodynamik beeinflusst wird,
war es für eine exakte kinetische Beschreibung erforderlich, die
Gleichgewichtskonstanten zu kennen. Diese Konstanten (bestimmt gemäß
Gleichung (4.3.3)) wurden benötigt, um die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante der
Rückreaktion zu bestimmen.
∆−+
⋅
∆−=
R
S
TR
HexpK
0iR
0iR
i (4.3.3)
Im untersuchten Temperaturbereich von 60-120°C wurde angenommen, dass die
Standardreaktionsenthalpien ( ,molkJ42,75H∆,molkJ22,96H∆ 10HKKR
10KMAAR
−−
−− ⋅=⋅−=
10HKMAAR molkJ40,01H∆ −
− ⋅−= ) sowie die Standardreaktionsentropien
( 110HKMAAR
110HKKR
110KMAAR KmolJ114,4S∆,KmolJ113S∆,KmolJ57,05S∆ −−
−−−
−−−
− ⋅⋅=⋅⋅=⋅⋅−= )
konstant sind. Diese Werte wurden durch Anpassen der Gleichung (4.3.3) an die
gemessenen Gleichgewichtskonstanten berechnet. Die gemessenen
Gleichgewichtskonstanten wurden aus den Konzentrations-Zeit-Verläufen bestimmt.
Es wurde angenommen, dass das Gleichgewicht erreicht ist, wenn die Verhältnisse
zu einem Endwert konvergieren.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
73
In Tabelle 14 sind die ermittelten Gleichgewichtskonstanten für die Reaktion von
MAA zum Ketal, von Ketal zu Halbketal und von MAA zu Halbketal dargestellt. Tabelle 14: Bestimmte Gleichgewichtskonstanten für die Ketal/Halbketalbildung von MAA in
Methanol.
T [°C] K MAA-K [-] K K-HK [-] K MAA-HK [-]
60 4,2 0,2 2,0
80 2,6 0,4 0,9
90 2,1 0,6 0,6
100 1,7 0,8 0,4
120 1,2 1,7 0,2
Reaktionsbedingungen: T=60-120°C, p(H2)=5-20bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
Für den besseren Vergleich der berechneten Ergebnisse unter Verwendung
verschiedener Reaktionsmodelle wurde die Abweichung (= Residuum: bestimmt aus
der Minimierung der kleinsten Quadratfunktion durch das gedämpfte Gauss-Newton-
Verfahren) für alle getesteten Modelle bestimmt. Es wurde nach einem
Reaktionsmodell mit der besten Anpassung und der geringsten Anzahl von
unabhängigen Parametern gesucht.
Zu Beginn der Modellierung wurden Konzentrationsprofile bei unterschiedlichen
Reaktionsbedingungen miteinander verglichen. Ein typisches Konzentrationsprofil
der flüssigen Reaktanden während eines Hydrierexperimentes ist in Abbildung 19
dargestellt. Die gestrichelten Linien zeigen im Vergleich den berechneten Verlauf.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
74
0 100 200 300 400 500 6000
5
10
15
20
25
30
35
40
c
[m
ol/m
3]
t [min]
MAA R-S-MHB Halbketal Ketal Simulation
Abbildung 19: Konzentrationsverlauf von allen flüssigen Reaktanden während der Hydrierung von
MAA in Methanol.
Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
Abbildung 19 zeigt, dass in den ersten 20 Minuten die Konzentration des Eduktes
MAA stark abnimmt. Dies hängt mit der rapiden Bildung der Ketal- und
Halbketalintermediate zusammen. Während der Reaktion durchlaufen die
Konzentrationen von Ketal und Halbketal ein Maximum (tmax,Ketal = 20 min,
tmax,Halbketal = 100 min). Die Bildung des Produktes MHB nimmt nahezu linear über die
Reaktionszeit zu.
Dieser Konzentrationsverlauf stimmt auf den ersten Blick mit dem formalen und in
der Literatur[82] bekannten Reaktionsschema (Schema 5) überein. Deshalb wurde für
die erste Modellierung das in der Literatur postulierte Reaktionsschema verwendet.
Dabei wurde das Schema durch die Eliminierung von nicht-detektierbaren
Intermediaten (Int 1 und Int 2 in Schema 5) angepasst. In Modell 1 (Schema 10,
links) wurden die Hydrierung von MAA und die parallelen Gleichgewichtsreaktionen
von MAA zu K, K zu HK und MAA zu HK berücksichtigt. Das Residuum für Modell 1
wurde zu 0,296 bestimmt.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
75
O
O O
+ H2
O
OOH
*
O
OMeO OMe
O
OMeO OH
+ 2 CH3OH
- H2O
- CH3OH / + H2O
Methylacetoacetat / MAA Methylhydroxybutyrat / MHB
Ketal / K Halbketal / HK
- 2 CH3OH
+ H2O
+ CH3OH / - H2O
- CH3OH
+ CH3OH
O
O O
+ H2
O
OOH
*
O
OMeO OMe
O
OMeO OH
+ 2 CH3OH
- H2O
- CH3OH / + H2O
Methylacetoacetat / MAA Methylhydroxybutyrat / MHB
Ketal / K Halbketal / HK
- 2 CH3OH
+ H2O
+ CH3OH / - H2O
Schema 10: Reaktionsnetzwerkmodelle für die Hydrierung von MAA: Modell 1 (links) und Modell 2
(rechts).
Eine erste Variation des Reaktionsnetzwerkes war die Eliminierung der
Gleichgewichtsreaktion zwischen MAA und HK (Modell 2, Schema 10, rechts).
Interessanterweise zeigte die Variation keine Veränderung in der Anpassung der
experimentellen Daten. Es wurde das gleiche Residuum von 0,296 erhalten. Folglich
könnte dieser Reaktionsschritt aus dem Reaktionsnetzwerk herausgenommen
werden, um das Ziel einer formalistischen kinetischen Beschreibung mit einem
Minimum an Parametern zu erfüllen. Allerdings ist die direkte Ketalbildung aus MAA
ohne das Intermediat Halbketal aus molekularer Sicht nicht vorstellbar. Aus diesem
Grund und angesichts der identischen Anpassung beider Modelle wurde in weiteren
Modellen der Gleichgewichtschritt von MAA zu HK miteinbezogen.
Ein detaillierter Vergleich der experimentellen und durch Modell 1 und 2 berechneten
Daten zeigte, dass die Gleichgewichtsreaktionen sehr akkurat beschrieben wurden,
jedoch die Konzentration des Produktes MHB systematisch falsch bei hohen
Drücken und Temperaturen simuliert wurde. Daraus wird geschlossen, dass die
Hydrierungsreaktion zu MHB in Modell 1 und 2 falsch beschrieben wurde. Deswegen
wurden zwei weitere Modelle entwickelt, die keinen direkten Hydrierschritt von MAA
aus beinhalten. Es wurden dabei die Hydrierung von Ketal-Intermediat (Modell 3) und
Hydrierung von Halbketal-Intermediat (Modell 4) als Produkt-bildender Schritt
angenommen (Schema 11).
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
76
O
O O
+ H2
O
OOH
*
O
OMeO OMe
O
OMeO OH
+ 2 CH3OH
- H2O
- CH3OH / + H2O
- 2 CH3OH
+ H2O
+ CH3OH / - H2O
Methylacetoacetat / MAAMethylhydroxybutyrat / MHB
Ketal / K Halbketal / HK
- 2 CH3OH
- CH3OH
+ CH3OH
+ H2O
O
O O
+ H2
O
OOH
*
O
OMeO OMe
O
OMeO OH
+ 2 CH3OH
- H2O
- CH3OH / + H2O
- 2 CH3OH
+ H2O
+ CH3OH / - H2O
Methylacetoacetat / MAAMethylhydroxybutyrat / MHB
Ketal / K Halbketal / HK
- CH3OH- CH3OH
+ CH3OH
Schema 11: Reaktionsnetzwerkmodelle für die Hydrierung von MAA: Modell 3 (links) und Modell 4
(rechts).
Beide Modelle zeigten eine sehr hohe Abweichung von den experimentell
bestimmten Daten (Modell 3: Residuum = 0,332 / Modell 4: Residuum = 0,484).
Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit in der Literatur[83] berichteten Ergebnissen.
Danach zeigten in der asymmetrischen Hydrierung von MAA ähnliche chirale
Liganden auch in nicht-alkoholischen Lösungsmitteln (z. B. Dichlormethan) Aktivität.
Die Simulationen mit Modell 3 und 4 zeigten, dass die experimentellen
Konzentrationsprofile im Prinzip auch formal durch die Hydrierung von Ketal- und
Halbketal-Intermediaten beschrieben werden können. Die Ergebnisse wurden in
diesen Fällen aber für eine Temperatur- und Druckvariation sehr schlecht
wiedergegeben. Dies weist darauf hin, dass diese Reaktionsschritte (K-MHB und HK-
MHB) nicht komplett ignoriert werden können und weiterhin neben dem direkten
Hydrierschritt von MAA in Betracht gezogen werden sollten.
Diese Erkenntnis führte zu den Reaktionsmodellen 5 und 6 (Schema 12). Beide
Modelle beinhalten die direkte Hydrierung von MAA zu MHB. Modell 5 besitzt
zusätzlich noch einen Hydrierschritt vom Ketal-Intermediat, während Modell 6 die
Hydrierung von Halbketal berücksichtigt.
+ H2
O
O O
+ H2
O
OOH
*
O
OMeO OMe
O
OMeO OH
+ 2 CH3OH
- H2O
- CH3OH / + H2O
- 2 CH3OH
+ H2O
+ CH3OH / - H2O
Methylacetoacetat / MAAMethylhydroxybutyrat / MHB
Ketal / K Halbketal / HK
- 2 CH3OH
- CH3OH
+ CH3OH
+ H2O
O
O O+ H2
O
OOH
*
O
OMeO OMe
O
OMeO OH
+ 2 CH3OH
- H2O
- CH3OH / + H2O
- 2 CH3OH
+ H2O
+ CH3OH / - H2O
+ H2
Methylacetoacetat / MAAMethylhydroxybutyrat / MHB
Ketal / K Halbketal / HK
- CH3OH- CH3OH
+ CH3OH
Schema 12: Reaktionsnetzwerkmodelle für die Hydrierung von MAA: Modell 5 (links) und Modell 6
(rechts).
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
77
Beide Netzwerke zeigten verglichen mit Modellen 1 bis 4 eine deutliche bessere
Anpassung der experimentellen Daten. Die Abweichung vom Modell 5 betrug 0,257
und Berechnungen basierend auf Modell 6 resultierten in einem Residuum von
0,215. Ein zusätzlicher Hydrierschritt von K zu MHB (Modell 6) bewirkte keine
weitere Verbesserung.
Um den Unterschied in der Qualität der Anpassung zwischen den in der Literatur
postulierten (Modell 1) und den in dieser Arbeit getesteten, erweiterten Modellen
(Modell 3 und 6) zu verdeutlichen, wurden Paritätsdiagramme für die Reaktanden
erstellt (MAA: siehe Anhang Abbildung A 9 - Abbildung A 11; MHB siehe Abbildung
20). Alle Paritätsdiagramme basierend auf Modell 6 zeigten die beste
Übereinstimmung der experimentellen und berechneten Daten für alle Reaktanden.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
5
10
15
20
25
30
35
40
45
cM
HB(S
imu
lati
on
)
cMHB
(Experimentell)
Modell 1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
5
10
15
20
25
30
35
40
45
cM
HB(S
imu
lati
on
)
cMHB
(Experimentell)
Modell 3
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
5
10
15
20
25
30
35
40
45
cM
HB(S
imu
lati
on
)
cMHB
(Experimentell)
Modell 6
Abbildung 20: Paritätsdiagramme für MHB basierend auf Simulation mit Modell 1, 3 und 6.
Reaktionsbedingungen: T=60-120°C, p(H2)=5-20bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
Daraus lässt sich schlussfolgern, dass das in der Literatur[82] für die durch Ru-BINAP-
Komplexen katalysierte Hydrierung von MAA vorgeschlagene Reaktionsnetzwerk
von dem mit Ru-Phenylphosphepin-Komplexen und Ru-Thiophenphospholan-
Komplexen, wie später in Kapitel 4.3.2 gezeigt wird, abweicht. Das hier
vorgeschlagene Reaktionsnetzwerk Modell 6 beschreibt nicht nur die
experimentellen Ergebnisse am genauesten, sondern erklärt auch die Tatsache,
dass die Hydrierung von MAA in alkoholischen Lösungsmitteln deutlich beschleunigt
wird.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
78
4.3.1.2 Bestimmung der kinetischen Parameter
Zur Bestimmung der Qualität der Anpassung von Berechnung und Experiment
wurden für alle im vorherigen Kapitel beschriebenen sechs Modelle die kinetischen
Parameter bestimmt. In diesem Kapitel werden aus Übersichtsgründen nur die
Parameter für das Modell 6 diskutiert. Schema 13 zeigt das vereinfachte
Reaktionsnetzwerk.
O
O O
r MAA-MHB
O
OOH
*
O
OMeO OMe
O
OMeO OH
r MAA-K
r K-HK
r´ MAA-K
r´ K-HK
r HK-MHB
Methylacetoacetat / MAAMethylhydroxybutyrat / MHB
Ketal / K Halbketal / HK
r HK-MAA
r´ HK-MAA
Schema 13: Reaktionsnetzwerk (Modell 6) für die Hydrierung von MAA in Methanol.
Für die kinetische Modellierung wurden folgende Gleichungen zur
Stoffmengenänderungsgeschwindigkeit für die flüssigen Reaktanden verwendet.
MAAHKMAAHKMHBMAAKMAAKMAAMAA rr´rrr´R −−−−− +−−−= (4.3.4)
MHBHKMHBMAAMHB rrR −− += (4.3.5)
HKKHKKKMAAKMAAK rr´r´rR −−−− −+−= (4.3.6)
MAAHKMAAHKMHBHKHKKHKKHK r´rrr´rR −−−−− +−−−= (4.3.7)
Die Reaktionsgeschwindigkeiten für alle als irreversible angenommenen
Hydrierungsreaktionen wurden durch Gleichungen (4.3.8) und (4.3.9) beschrieben.
2HMAAMHBMAAMHBMAA pckr ⋅⋅= −− mit TR
E
MHBMAA,0MHBMAA
MHBMAA,A
ekk ⋅−
−−
−
⋅= (4.3.8)
2HHKMBHHKMHBKH pckr ⋅⋅= −− mit TR
E
MHBHK,0MHBHK
MHBHK,A
ekk ⋅−
−−
−
⋅= (4.3.9)
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
79
Die Reaktionsgeschwindigkeiten für die angenommenen Gleichgewichtsreaktionen
wurden gemäß Gleichungen (4.3.10) bis (4.3.15) definiert.
MAAKMAAKMAA ckr ⋅= −− mit TR
E
KMAA,0KMAA
KMAA,A
ekk ⋅−
−−
−
⋅= (4.3.10)
KKMAAKMAA c´k´r ⋅= −− mit KMAA
KMAAKMAA K
k´k
−
−− = (4.3.11)
KMBHKHKK ckr ⋅= −− mit TR
E
HKK,0HKK
HKK,A
ekk ⋅−
−−
−
⋅= (4.3.12)
HKHKKHKK c´k´r ⋅= −− mit HKK
HKKHKK K
k´k
−
−− = (4.3.13)
HKMAAHKMAAHK ckr ⋅= −− mit TR
E
MAAHK,0MAAHK
MAAHK,A
ekk ⋅−
−−
−
⋅= (4.3.14)
MAAMAAHKMAAHK c´k´r ⋅= −− mit MAAHK
MAAHKMAAHK K
k´k
−
−− = (4.3.15)
Zur Bestimmung der Reaktionsordnung von MAA, Ketal- und Halbketal-
Intermediaten wurden Experimente mit konstantem Wasserstoffdruck durchgeführt.
Dadurch bleib die Reaktionsgeschwindigkeit unbeeinflusst von der Verfügbarkeit des
Wasserstoffs. Die Reaktionsordnung aller organischen Reaktanden wurde durch die
Integralmethode bestimmt. Für alle Reaktionsordnungen der organischen flüssigen
Reaktanden (MAA, K und HK) wird der Wert 1 gefunden. Ein ähnlicher Wert wurde
auch in der Literatur für die asymmetrische Hydrierung von ungesättigten
Carbonsäuren mit Ru-BINAP-Systemen (Reaktionsordnung = 1)[155] und für die
enantioselektive Hydrierung von Tiglinsäure mit Ru-BINAP-Katalysatoren
(Reaktionsordnung = 0,881-0,929)[156] genannt.
In einer weiteren Versuchsreihe wurde die Reaktionsordnung bezüglich Wasserstoff
experimentell durch Variation des Wasserstoffdruckes zwischen 5 und 20 bar
bestimmt. Aus dieser Variation resultiert ein linearer Zusammenhang zwischen
Geschwindigkeitskonstante und Wasserstoffdruck (Abbildung 21). Daraus ergibt sich
für alle Hydrierungsschritte eine Ordnung bezüglich Wasserstoff von eins.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
80
0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 17,5 20,0 22,50,0000
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
0,0007
k MAA-MHB
k HK-MHB
k p
H2 [
s-1b
ar]
pH2
[bar]
.
Abbildung 21: Geschwindigkeitskonstanten für die Hydrierungsschritte (MAA-MHB und HK-MHB) in
Abhängigkeit zum Wasserstoffdruck.
Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=5-20bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit den Arbeiten von Ashby et al.[155] und Dong
et al.[156]. Sie fanden heraus, dass Ru-katalysierte Hydrierreaktionen bei niedrigen
Wasserstoffdrücken erster Ordnung bezüglich Wasserstoff verlaufen, da die
heterolytische Spaltung des Wasserstoffs durch den Ruthenium-Olefin-Komplex der
geschwindigkeitsbestimmende Schritt (rds) ist. Bei höheren Wasserstoffdrücken wird
jedoch die Reaktion des Rutheniumkomplexes mit dem Olefin
geschwindigkeitsbestimmend und es wird eine nullte Ordnung bezüglich Wasserstoff
beobachtet.[156]
Die Aktivierungsenergien und Stoßfaktoren wurden aus Experimenten bei
unterschiedlichen Temperaturen im Bereich von 60-120°C bestimmt. Für die
Hydrierreaktionen und die Ketal-Halbketal-Bildungsreaktionen wurden die
Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten gegen die verschiedenen
Reaktionstemperaturen in Arrheniusdiagrammen (Abbildung 22) aufgetragen.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
81
0,0025 0,0026 0,0027 0,0028 0,0029 0,0030 0,0031-26
-25
-24
-23
-22
-21
-20
-19
ln (kMAA-MHB
)
ln (kHK-MHB
)
ln k
[-]
T-1 [K
-1]
0,0025 0,0026 0,0027 0,0028 0,0029 0,0030 0,0031-15
-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4 ln (k
MAA-K)
ln (kK-HK
)
ln (kHK-MAA
)
ln k
[-]
T-1 [K
-1]
Abbildung 22: Arrheniusdiagramme für Hydrierreaktionen (links) und Ketal-Halbketal-Bildungs-
reaktionen (rechts) in der Hydrierung von MAA in Methanol.
Reaktionsbedingungen: T=60-120°C, p(H2)=5-20bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
Die Aktivierungsenergie kann dabei aus der Steigung der Geraden und die
Stoßfaktoren aus dem Schnittpunkt mit der y-Achse bestimmt werden. Tabelle 15
enthält alle so ermittelten kinetischen Parameter.
Tabelle 15: Stoßfaktoren und Aktivierungsenergien in der Hydrierung von MAA in Methanol.
Variable Wert [Einheit]
k0, MAA-MHB 6,01·100 Pa-1·s-1
k0, HK-MHB 5,15·101 Pa-1 s-1
k0, MAA-K 3,28·102 s-1
k0, K-HK 2,61·105 s-1
k0, HK-MAA 2,13·101 s-1
EA, MAA-MHB 74,8 kJ mol-1
EA, HK-MHB 85,6 kJ mol-1
EA, MAA-K 41,4 kJ mol-1
EA, K-HK 68,8 kJ mol-1
EA, HK-MAA 48,3 kJ mol-1
Die Aktivierungsenergie für die Hydrierungsreaktionen liegt dabei im Bereich von
74,8 - 85,6 kJ mol-1. Dieser Bereich stimmt mit in der Literatur publizierten Werten für
andere Hydrierungen mit Ru-Komplexen gut überein. Die Gruppe um Dong[156]
untersuchte z. B. die asymmetrische Hydrierung von Tiglinsäure katalysiert durch
Ru-BINAP- und Ru-(p-OCF3)-BINAP-Systeme und bestimmte Aktivierungsenergien
zwischen 80,1 - 82,7 kJ mol-1. Mahfud et al.[157] berechnete Aktivierungsenergien in
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
82
der Hydrierung von Hydroxyaceton mit RuCl2(PPh3)3 zu 81 ± 17 kJ mol-1. Die
Aktivierungsenergien für die Ketal- und Halbketalbildungsreaktionen liegen
verglichen mit den Hydrierungen in einem niedrigeren Bereich von 41,4 -
68,8 kJ mol−1.
Zur vollständigen kinetischen Charakterisierung wurde die Reaktionsenthalpie für die
gesamte Reaktion von MAA zu MHB bestimmt. Dafür wurden die
Verbrennungswärme von MAA und MHB in einem Kalorimeter gemessen (siehe
Kapitel 6.5). Anschließend wurden die Bildungsenthalpien von MAA (-657,7 kJ mol-1)
und MHB (-721,3 kJ mol-1) aus der Verbrennungsenthalpie bestimmt. Die
Bildungsenthalpie von Wasserstoff (-0,379 kJ mol-1) wurde aus der Literatur
entnommen.[158] Die Reaktionsenthalpie kann letztendlich aus den
Bildungsenthalpien jedes einzelnen Reaktanden gemäß Formel (4.3.16) bestimmt
werden.
i0
T,fi
i0
T,R )H(H ∆⋅ν=∆ ∑ (4.3.16)
Die Reaktionsenthalpie der gesamten Hydrierreaktion beträgt demnach
−63,2 kJ mol−1. Es handelt sich daher um eine mäßig exotherme Reaktion.
4.3.1.3 Einfluss der Temperatur, des Druckes und der Katalysatorkonzentration auf die Ausbeute und Enantioselektivität in der MAA-Hydrierung
Der Einfluss der Reaktionstemperatur auf die Ausbeute und Enantioselektivität wurde
im Temperaturbereich von 60°C-120°C untersucht. Abbildung 23 zeigt den
Ausbeute- und ee-Verlauf in dem untersuchten Temperaturbereich.
0 20 40 60 80 100 120 1400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
YM
HB [
%]
t [min]
60°C 80°C 90°C 100°C 120°C
0 20 40 60 80 100 120 1400
1060
65
70
75
80
85
90
95
100
60°C 80°C 90°C 100°C 120°C
ee
R:S
[%
]
t [min]
Abbildung 23: Einfluss der Reaktionstemperatur auf Ausbeute und Enantioselektivität in der
Hydrierung von MAA in Methanol. (eeDurchschnitt: 60°C: 81,3%, 80°C: 85,6%, 90°C: 89,7%, 100°C:
93,0%, 120°C 95,0%).
Reaktionsbedingungen: T=60-120°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
83
Wie erwartet, zeigt die Variation der Reaktionstemperatur einen deutlichen Einfluss
auf die Aktivität des Katalysators. Mit zunehmender Temperatur konnte ein steilerer
Anstieg der Ausbeute und höhere Werte für die Ausbeute nach 130 min (60°C: 4,9 %
vs. 120°C: 87,4 %) beobachtet werden. Ein deutlicher Sprung der Aktivität konnte
zwischen 90°C und 100°C festgestellt werden. Die Ursache hierfür ist noch zu klären.
Überraschenderweise ist die Enantioselektivität stark abhängig von der
Reaktionstemperatur. Höhere Reaktionstemperaturen resultierten in signifikant
höheren Enantiomerenüberschuss (eeDurchschnitt: 81,3 % bei 60°C vs. 95,0 % bei
120°C). Im Temperaturbereich von 60°C bis 100°C wurde zu Beginn der Reaktion
ein deutlicher Anstieg des ee´s beobachtet. Nach dieser Aktivierungsphase blieb er
auf einem konstant hohem Niveau. Dieser Verlauf wurde allerdings nicht bei einer
Reaktionstemperatur von 120°C beobachtet. Hier zeigte der ee von Anfang an einen
konstanten Wert über die gesamte Reaktionszeit. Eine mögliche Erklärung für die
ansteigenden ee-Werte im frühen Stadium der Reaktion ist die langsame Bildung der
selektivsten Katalysatorspezies. In der Literatur[150] wurden die schwankenden ee´s
bei Verwendung eines Ru-Phenylphosphepin-Komplexes durch die Ausbildung der
selektivsten Katalysatorspezies erst nach der Zugabe des Substrats erklärt. Aus den
in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnissen kann der Schluss gezogen werden, dass
dieser Bildungsprozess bei 120°C deutlich schneller ist und deshalb bei dieser
Temperatur ein nahezu konstanter ee-Wert von 95 % über die gesamte
Reaktionszeit beobachtet wird.
Eine weitere mögliche Erklärung der verbesserten ee-Werte bei höheren
Temperaturen kann direkt aus den kinetischen Untersuchungen abgeleitet werden.
Wie in Tabelle 14 gezeigt, wird durch eine höhere Reaktionstemperatur das
Gleichgewicht zwischen MAA und den Ketal- und Halbketal-Intermediaten deutlich
beeinflusst. Eine höhere Reaktionstemperatur resultiert in einer höheren
Konzentration an Ketal und Halbketal und begünstigt somit die Hydrierung des
Halbketals. Ebenso wird die Halbketal-Hydrierung bei höheren Temperaturen durch
höhere Aktivierungsenergien (EA = 85,6 kJ mol-1) verglichen zu der Hydrierung von
MAA (EA = 74,8 kJ mol-1) bevorzugt. Auf Grund dieser beiden Tatsachen wird
angenommen, dass die bei höheren Temperaturen bevorzugte Halbketal-Hydrierung
die Ausbildung von höheren Enantioselektivitäten im Vergleich zur direkten
Hydrierung von MAA bewirkt.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
84
Weiterhin wurde der Einfluss des Wasserstoffdruckes im Bereich von 5-20 bar auf
Aktivität und Selektivität untersucht (Abbildung 24). Dabei wurde analog zur
Temperaturvariation ein deutlicher Anstieg der Ausbeute bei höheren
Wasserstoffdrücken beobachtet (nach 130 min: 5 bar: Y = 7,9 % vs. 20 bar:
Y = 31,4 %).
0 20 40 60 80 100 120 1400
5
10
15
20
25
30
35
40
t [min]
YM
HB [
%]
5 bar 10 bar 20 bar
0 20 40 60 80 100 120 14070
75
80
85
90
95
100
ee [
%]
t [min]
5 bar 10 bar 20 bar
Abbildung 24: Einfluss des Wasserstoffdruckes auf Ausbeute und Enantioselektivität in der
Hydrierung von MAA in Methanol. (eeDurchschnitt: 5bar:80,8%, 10bar:83,6%, 20bar:89,8%).
Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=5-20bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
Die Enantioselektivität wird folglich durch höhere Wasserstoffdrücke gesteigert.
Damit kann das Substrat Methylacetoacetat der Klasse 1 nach Jessop[96] zugeordnet
werden. Wie bei höheren Temperaturen wurde auch mit steigendem Druck ein
schnellerer Anstieg der ee-Werte beobachtet. Während bei 20 bar ein konstanter ee-
Wert von 92 % nach 40 min erreicht wurde, stieg der ee bei den Versuchen bei 5 und
10 bar über die Reaktionszeit von 130 min stetig an (5 bar: ee = 88,1 %, 10 bar:
ee = 90,9 %). Ähnliche Ergebnisse wurden in der Literatur von Combes et al.[159]
berichtet. In der Ru-BINAP-katalysierten Hydrierung von 2-(6-Methoxy-2-
naphthyl)propionsäure in Methanol wurden sinkende Enantioselektivitäten mit
geringeren Drücken im Druckbereich unter 30 bar beobachtet.
Zum Abschluss der kinetischen Experimente wurde der Einfluss der
Katalysatorkonzentration auf Aktivität und Selektivität getestet. Es wurden dafür zwei
Versuchsreihen bei 80°C (siehe Anhang Abbildung A 12 und Abbildung A 13) und
120°C (Abbildung 25) durchgeführt. Exemplarisch wird hier nur auf die Versuchsreihe
bei 120°C eingegangen.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
85
0 50 100 150 2000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Y M
HB [
%]
t [min]
S/C=400 S/C=200 S/C=100 S/C=67
0 25 50 75 100 125 150 175 20086
88
90
92
94
96
98
100
ee
R:S
[%]
t [min]
S/C=400 S/C=200 S/C=100 S/C=67
Abbildung 25: Einfluss der Katalysatorkonzentration auf Ausbeute und Enantioselektivität in der
Hydrierung von MAA in Methanol. (eeDurchschnitt: S/C=400: 92,0%, S/C=200: 95,0%, S/C=100:
96,1%, S/C=67: 96,1%).
Reaktionsbedingungen: T=120°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm.
Es wurden Versuche mit einer Katalysatorkonzentration von 1,19·10−4 mol/l
(S/C = 400), 2,37·10−4 mol/l (S/C = 200), 4,74·10−4 mol/l (S/C = 100) und
7,11·10−4 mol/l (S/C = 67) durchgeführt. Dabei wurde mit steigender
Katalysatorkonzentration im Bereich von S/C = 100-400 die erwartete Steigerung der
Ausbeute beobachtet. Die Verläufe der Ausbeuten für S/C = 67 und 100
unterscheiden sich jedoch kaum. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass bei diesen
relativ hohen Katalysatorkonzentrationen die Reaktion nicht mehr im kinetischen
Regime abläuft und eine Stofftransportlimitierung zum Katalysatorkomplex hin
vorliegt. Die optimale Katalysatorkonzentration sollte aus diesem Grund unter
4,74·10−4 mol/l liegen, da sonst der Katalysatorkomplex nicht optimal ausgenutzt
wird.
Die Enantioselektivität zeigte bei fast allen Katalysatorkonzentrationen einen
konstanten Verlauf. Nur bei S/C = 400 wurde ein Abfall ab 90 min beobachtet. Die
höchsten durchschnittlichen ee-Werte (96,1 %) wurden bei S/C = 67 und 100
gemessen, die niedrigsten bei S/C = 400 (92 %). Wie bei der Ausbeute wurde bei
sehr hohen Konzentrationen ein nahezu identischer Verlauf beobachtet.
Nachdem in diesem Kapitel sehr detailliert der monodentate Phenylphosphepin-
Ligand untersucht wurde, wird im folgenden Kapitel kurz auf die kinetischen
Experimente mit dem bidentaten Thiophenphospholan-Ligand eingegangen, da
dieser in den späteren Gasphasenexperimenten bevorzugt zum Einsatz kommt.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
86
4.3.2 Bidentater Thiophenphospholan-Ligand
Neben dem monodentaten Phenylphosphepin-Ligand wurde in dieser Arbeit auch
der bidentate Thiophenphospholan-Ligand kinetisch untersucht. Abbildung 26 zeigt
den direkten Vergleich der Aktivität und Enantioselektivität der beiden
unterschiedlichen Liganden.
0 100 200 300 400 500 6000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Y M
HB [
%]
t [min]
Thiophenphospholan (L/Ru = 2:1)
Thiophenphospholan (L/Ru = 1:1)
Phenylphosphepin (L/Ru = 2:1)
0 25 50 75 100 12570
75
80
85
90
95
100
Thiophenphospholan (L/Ru = 2:1)
Thiophenphospholan (L/Ru = 1:1)
Phenylphosphepin (L/Ru = 2:1)
ee
R:S
[%
]
t [min]
Abbildung 26: Vergleich der Liganden Phenylphosphepin und Thiophenphospholan in der Hydrierung
von MAA in Methanol.
Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
Der Thiophenphospholan-Ligand ist bei den Untersuchungen unter identischen
Bedingungen stets deutlich aktiver. Es wurde eine Ausbeute von 94,0 % nach einer
Reaktionszeit von 130 min beobachtet, wohingegen der monodentate Ligand nach
120 min erst eine Ausbeute von 11,9 % zeigte. Sogar nach der vierfach längeren
Reaktionszeit von 540 min wurde mit dem Phenylphosphepin-Ligand nur eine
Ausbeute von 32,9 % erreicht.
Wird das Enantioselektivitätsverhalten beider Liganden verglichen, so ergibt sich
auch hier eine klare Tendenz: Der bidentate Ligand erreichte schon nach wenigen
Minuten einen hohen ee-Wert von 98,8 % (Abbildung 26). Die Aktivierungsphase –
beobachtet bei Messung mit dem monodentaten Liganden (maximaler ee-
Wert = 92,1 %) – fiel gänzlich weg. Somit handelt es sich bei dem Ru-
Thiophenphospholan-System um den deutlich aktiveren und selektiveren
Katalysator.
Zudem ist noch anzumerken, dass ein zweifacher Überschuss an bidentatem Ligand
im Vergleich zu L/Ru = 1:1 zu höherer Aktivität und höheren ee-Werten führte. Aus
diesem Grund wurden alle folgenden Untersuchungen mit zweifachem
Ligandüberschuss durchgeführt.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
87
Wie für den monodentaten Ru-Phenylphosphepin-Katalysatorkomplex in Kapitel
4.3.1 beschrieben, wurden auch für den bidentaten Ru-Thiophenphospholan-
Katalysatorkomplex das Reaktionsnetzwerk und die kinetischen Parameter bestimmt.
Außerdem wurde der Einfluss der Reaktionstemperatur und Wasserstoffdruckes auf
die Aktivität und Selektivität getestet. Da die Vorgehensweise in Kapitel 4.3.1 schon
ausführlich diskutiert wurde, wird im Folgenden nur eine kurze Zusammenfassung
der Ergebnisse gegeben. Alle Gleichungen, Werte für Gleichgewichtskonstante,
Entropie, Enthalpie und Annahmen (siehe Kapitel 4.3.1) wurden für den Vergleich
der berechneten und der experimentellen Daten des bidentaten Ligand-
Katalysatorkomplexes in gleicher Weise verwendet.
Bei Experimenten im höheren Temperaturbereich (80-120°C) wurde eine sehr
schnelle katalytische Umsetzung bei Verwendung des Ru-Thiophenphospholan-
Komplexes beobachtet. Um eine exaktere Modellierung zu gewährleisten, wurde aus
diesem Grund die Reaktionstemperatur deutlich herabgesetzt (50-80°C). Dennoch
blieb es weiterhin schwierig die experimentellen Verläufe des sehr aktiven Systems
genau zu erfassen, um sie mit den berechneten Werten zu vergleichen. Dies wirkte
sich in höheren Residuen verglichen zu dem monodentaten Phenylphosphepin-
Liganden aus. Exemplarisch werden im Folgenden die Ergebnisse der Modellierung
basierend auf den drei angepassten Modellen erläutert. Es wurde wiederum mit dem
in der Literatur[82] vorgestellten Reaktionsnetzwerk (Modell 1, Schema 10, links)
gestartet. Bei niedrigen Temperaturen wichen vor allem die experimentellen Daten
für das Produkt MHB von den berechneten stark ab, wohingegen bei hohen
Temperaturen die Konzentration für MAA schlecht berechnet wurde. Die Abweichung
von Modell 1 betrug 24,3. Die Rechnungen basierend auf den Modellen 2-5 (Schema
10, Schema 11) zeigten sehr schlechte Anpassung der experimentellen Daten (z. B.:
Modell 5, Residuum = 43,5). Anderes war dies bei Verwendung von Modell 6
(Schema 12). Es wurde eine gute Anpassung der Konzentration von MHB und MAA
über den gesamten Messbereich beobachtet. Das Residuum für Simulation mit
Modell 6 lag bei 23,4. Die bessere Anpassung kann durch das Paritätsdiagramm
vom MHB und MAA noch verdeutlicht werden (Abbildung 27).
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
88
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
5
10
15
20
25
30
35
40
45
cM
AA
/MH
B(S
imu
lati
on
)
cMAA/MHB
(Experimentell)
Modell 1
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
5
10
15
20
25
30
35
40
45
cM
AA
/MH
B(S
imu
lati
on
)
cMAA/MHB
(Experimentell)
Modell 5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
5
10
15
20
25
30
35
40
45
cM
AA
/MH
B(S
imu
lati
on
)
cMAA/MHB
(Experimentell)
Modell 6
Abbildung 27: Paritätsdiagramme für MAA/MHB basierend auf Simulation mit Modell 1, 5 und 6.
Reaktionsbedingungen: T=50-80°C, p(H2)=5-20bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
Die Reaktionsordnungen aller flüssigen Reaktanden (MAA, K und HK) wird zu eins
bestimmt. Die Hydrierreaktion von MAA zu MHB verläuft bezüglich Wasserstoff erster
Ordnung. Für die Reaktion von HK zu MHB wurde rein rechnerisch eine Ordnung
von null gefunden. Hier wurde ein Fehler in der Anpassung der Daten auf Grund der
sehr niedrigen Konzentrationen an HK und der sehr hohen Aktivität des Katalysators
vermutet. Tabelle 16 zeigt alle ermittelten Stoßfaktoren und Aktivierungsenergien.
Tabelle 16: Stoßfaktoren und Aktivierungsenergien in der Hydrierung von MAA in Methanol.
Variable Wert [Einheit]
k0, MAA-MHB 4,62·103 Pa-1·s-1
k0, HK-MHB 7,06·102 Pa-1 s-1
k0, MAA-K 4,56·101 s-1
k0, K-HK 4,81·100 s-1
k0, HK-MAA 7,44·101 s-1
EA, MAA-MHB 76,3 kJ mol-1
EA, HK-MHB 32,8 kJ mol-1
EA, MAA-K 28,4 kJ mol-1
EA, K-HK 27,4 kJ mol-1
EA, HK-MAA 38,8 kJ mol-1
Die Aktivierungsenergie der direkten Hydrierung von MAA liegt bei 76,3 kJ mol-1.
Dies stimmte sehr gut mit der für den Phenylphosphepin-Ligand (74,8 kJ mol-1)
gemessenen überein. Erstaunlicherweise wurde für die Hydrierung von HK eine
wesentlich niedrigere Aktivierungsenergie von 32,8 kJ mol-1 bestimmt. Die
Aktivierungsenergien für die Bildung der Intermediate liegen im Bereich von 27,4 -
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
89
38,8 kJ mol−1 und sind im Vergleich zum monodentaten Liganden (41,4 -
68,8 kJ mol−1) etwas niedriger. Im Vergleich zu den Ketal- und
Halbketalbildungsreaktionen werden für beide Hydrierschritte hohe Stoßfaktoren
beobachtet.
Darüber hinaus wurde der Einfluss der Reaktionstemperatur auf Aktivität und
Selektivität im Temperaturbereich von 50-80°C untersucht (Abbildung 28).
0 20 40 60 80 100 120 1400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
50°C 60°C 70°C 80°C
YM
HB [
%]
t [min]
0 20 40 60 80 100 120 14080
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
50°C 60°C 70°C 80°C
ee
R:S
[%
]
t [min]
Abbildung 28: Einfluss der Reaktionstemperatur auf Ausbeute und Enantioselektivität in der
Hydrierung von MAA in Methanol. (eeDurchschnitt: 50°C:97,9%, 60°C:98,0%, 70°C/80°C:98,5%).
Reaktionsbedingungen: T=50-80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
Erwartungsgemäß wurde die Ausbeute an MHB durch höhere
Reaktionstemperaturen deutlich begünstigt (nach 130 min 50°C: Y = 63,5 % vs.
80°C: Y = 94,1 %). Die Enantioselektivität bei niedrigen Temperaturen zeigte zu
Beginn (0-40 min) einen steigenden Verlauf, danach erreichte sie ein stabiles Niveau
vergleichbar mit den ee-Werten bei höheren Temperaturen. Der steigende Verlauf ist
bei höheren Temperaturen nicht zu beobachten. In den ersten Minuten wurde sofort
ein sehr hoher ee-Wert erreicht (eeDurchschnitt bei 80°C = 98,5 %).
Den Einfluss unterschiedlicher Wasserstoffdrücke (5-20 bar) zeigt Abbildung 29.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
90
0 20 40 60 80 100 120 1400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
5 bar 10 bar 20 bar
YM
HB [
%]
t [min]
0 20 40 60 80 100 120 140606580
85
90
95
100
5 bar 10 bar 20 bar
ee
R:S
[%
]
t [min]
Abbildung 29: Einfluss des Wasserstoffdruckes auf Ausbeute und Enantioselektivität in der
Hydrierung von MAA in Methanol. (eeDurchschnitt: 5bar:95,2%, 10bar:97,8%, 20bar:98,4%).
Reaktionsbedingungen: T=60°C, p(H2)=5-20bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l.
Es wurde ein deutlicher Aktivitätsanstieg mit steigendem Wasserstoffdruck (vor allem
für 5 und 10 bar) beobachtet. Die Enantioselektivitätsverläufe bei unterschiedlichen
Wasserstoffdrücken verlaufen ähnlich verglichen mit den Verläufen der
Temperaturvariation. Auch hier wurde bei niedrigen Wasserstoffdrücken (5 bar,
10 bar) zu Beginn der Reaktion eine Zunahme der Enantioselektivität beobachtet. Ab
einer Reaktionszeit von 50 min wurden stabile ee-Werte (eeDurchschnitt = 95,2%)
gemessen. Bei hohem Wasserstoffdruck (20 bar) wurden gleich zu Beginn der
Reaktion stabile und hohe ee-Werte beobachtet (eeDurchschnitt = 98,4%).
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
91
4.4 Einfluss verschiedener ionischer Flüssigkeiten im Reaktionsgemisch Methanol/IL
In diesem Kapitel werden die Untersuchungen im einphasigen Lösungsmittelgemisch
Methanol / ionische Flüssigkeit für den monodentaten Liganden Phenylphosphepin
und den bidentaten Liganden Thiophenphospholan detailliert beschrieben. Es wurde
Lösungsmittelgemische aus Methanol und IL gewählt, da ohne Anwesenheit eines
Alkohols in der asymmetrischen Hydrierung von β-Ketoestern schlechte katalytische
Aktivität und Selektivität beobachtet wurde (siehe Kapitel 4.2). In den Experimenten
sollten vor allem der Einfluss der ionischen Additive auf die Aktivität, Selektivität und
Stabilität des Katalysatorkomplexes untersucht werden. Wichtig ist dabei, darauf
hinzuweisen, dass bei allen folgenden Versuchen die ionische Flüssigkeit in sehr
geringen Mengen verwendet wurde (ca. 5 ml IL auf 160 ml MeOH). Ziel der
Untersuchungen war es, Additive zu finden, die keinen Einfluss haben oder
aktivierende Wirkung auf die Hydrierreaktion zeigen. Des Weiteren lag der Fokus der
Untersuchungen in der Immobilisierung des Katalysatorkomplexes und in der
erfolgreichen Rezyklierung ohne Verlust an Aktivität und Enantioselektivität.
Abbildung 30 zeigt die Strukturformeln aller in diesem Kapitel verwendeten Kationen
und Anionen.
N N
N N
N N
N
N Oc
Oc
Oc
N
OH
N
S
S
C
C FF
F
FF
F
OO
OO S O
O
O
S O
O
O
C
F
F
F
NOH
NOH
H
H
H
NOHHO
[EMIM]+
[BMIM]+
[EMMIM]+
[(EtOH)2Me2N]+
[Me4N]+
[Et(OHMe)Pr]+
[EtOHN]+[Oct3MeN]+
[EtOHMe3N]+
[NTf2]-
[OTf]-
[EtSO3]-
Abbildung 30: Strukturformeln der verwendeten Kat- und Anionen.
[EMIM]+: Ethylmethylimidazolium, [BMIM]+: Butylmethylimidazolium,
[EMMIM]+: Diethylmethylimidazolium, [Et(OHMe)Pr]+: Ethylhydroxymethylpyridinium,
[Me4N]+: Tetramethylammonium, [Oct3MeN]+: Trioctylmethylammonium,
[EtOHMe3N]+: Hydroxyethyltrimethylammonium, [EtOHN]+: Hydroxyethylammonium,
[(EtOH)2Me2N]+: Dihydroxyethyldimethylammonium,
[NTf2]-: Bis(trifluoromethylsulfonyl)imid, [EtSO3]
-: Ethylsulfat,
[OTf]-: Trifluoromethansulfonat.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
92
4.4.1 Monodentater Phenylphosphepin-Ligand
4.4.1.1 Imidazolium - basierte ionische Flüssigkeiten
In einer ersten Versuchsreihe wurde der Einfluss von Imidazolium - basierten
ionischen Flüssigkeiten untersucht. Als Kationen wurden ein kurzkettiges [EMIM]+,
ein längerkettiges [BMIM]+ und ein zwei geschütztes [EMMIM]+ getestet. In der
Literatur[13,160] wird das Anion [NTf2]- in Kombination mit einem inerten Kation für viele
Reaktionen als „innocent solvent“ in der Übergangsmetallkatalyse beschrieben. Für
eine erste Versuchsreihe wurde aus diesen Grund für alle Imidazolium-Schmelzen
das schwach koordinierende Anion [NTf2]- gewählt.
Abbildung 31 und Abbildung 32 zeigen die Ausbeute und Enantioselektivität in der
Hydrierung von MAA in Imidazoliumsalz/Methanol-Mischungen verglichen mit der
Hydrierung in reinem Methanol.
0 100 200 300 400 5000
5
10
15
20
25
30
35
Y M
HB
[%]
t [min]
MeOH [EMIM][NTf
2]+MeOH
[BMIM][NTf2]+MeOH
[EMMIM][NTf2]+MeOH
Abbildung 31: Ausbeute-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen Hydrierung von MAA mit
einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Imidazolium-Salz/Methanol-Mischung.
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phosphepin-Ligand, 7,6mmol MAA,
19,4mmol IL (~5ml IL), 160ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
93
0 100 200 300 400 50030
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
MeOH [EMIM][NTf
2]+MeOH
[BMIM][NTf2]+MeOH
[EMMIM][NTf2]+MeOH
t [min]
ee
R:S
[%
]
Abbildung 32: Enantimerenüberschuss-Zeit-Verlauf in der asymmetrischen Hydrierung von MAA mit
einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Imidazolium-Salz/Methanol-Mischung.
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phosphepin-Ligand, 7,6mmol MAA,
19,4mmol IL (~5ml IL), 160ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C.
Es ist deutlich zu erkennen, dass in allen Experimenten mit Zugabe von
Imidazolium - basierten ionischen Flüssigkeiten eine niedrigere Aktivität gemessen
wurde verglichen mit reinem Methanol (nach 480 min: YMeOH = 31,1%,
Y[EMIM][NTf2]/MeOH = 22,7 %, Y[BMIM][NTf2]/MeOH = 13,3 % und Y[EMMIM][NTf2]/MeOH = 5,2 %).
Außerdem wurde eine geringere Selektivität beobachtet (Mittelwert: eeMeOH = 89,6 %,
ee[EMIM][NTf2]/MeOH = 79,1 %, ee[BMIM][NTf2]/MeOH = 70,3 % und ee[EMMIM][NTf2]/MeOH=
55,2 %). Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die Imidazoliumsalze für
diese Art von Reaktion nicht als inertes Lösungsmittel wirken. Früheren Studien von
Dyson und Mitarbeitern[161] zufolge kann das Imidazoliumsalz einen entscheidenden
Einfluss auf die Ausbildung der aktivsten Katalysatorspezies haben. Im
Aktivierungsschritt des Präkatalysators wird ein Bromidligand am Ruthenium-
Zentrum durch ein Wasserstoffatom, wie in Arbeiten von Noyori et al.[78,77] postuliert,
ersetzt. Dyson et al. beobachteten bei Arbeiten mit einem kationischen p-Cymol-
Ruthenium(II) Komplex, dass diese Komplexe eine verlangsamte Dissoziation des
Chloridanions vom Ru-Komplex in der Gegenwart von Imidazoliumsalzen zeigten.
Diese Beobachtungen begründete er mit der niedrigeren Solvationsenthalpie der
Halogenide im Imidazoliumsalz. In einer ähnlichen Art und Weise kann die
langsamere oder unvollständige Ausbildung der aktiven Katalysatorspezies in der
Gegenwart von Imidazoliumsalzen ein möglicher Grund der niedrigeren Ausbeuten
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
94
und Enantioselektivitäten sein (verlangsamte Dissoziation des Bromids vom Ru im
hier vorliegenden Fall).
Werden die Imidazoliumsalze miteinander verglichen, so wurden die besten
Ergebnisse sowohl in Ausbeute und Enantioselektivität mit [EMIM][NTf2] erreicht. Die
niedrigste Aktivität und Selektivität wurde in der Mischung mit der zweigeschützten IL
[EMMIM][NTf2] beobachtet. Daraus kann gefolgert werden, dass das acide C2-H des
Imidazoliums eine wichtige Rolle für die katalytische Performance des Systems
spielt. Ein möglicher Grund kann der positive Einfluss der aciden Gruppe auf den
Reaktionsmechanismus des chiralen Ru-Komplexes, wie in Kapitel 2.3.1 erwähnt,
sein. Es ist denkbar, dass das Proton des Imidazoliums (am C2) die Dissoziation des
Bromids unterstützt und somit die Ausbildung der aktiven Spezies beschleunigt.
Ferner wird in der Literatur[162] von einer Koordinierung des Imidazoliumkations an
den Übergangsmetallkomplex während der Katalysatoraktivierung berichtet. Diese
Koordinierung verbunden mit der Entstehung von N-heterozyklischen
Carbenliganden wurde unter milden Bedingungen für verschiedene
Übergangsmetalle (z. B. Ir, Rh) beobachtet und hat eine unterschiedliche Aktivität
des katalytischen Komplexes zur Folge. Die Bildung eines Carbenkomplexes ist bei
Einsatz der in der 2. Position am Imidazoliumring geschützten [EMMIM][NTf2]-
Schmelze nicht möglich. Allerdings scheint in dieser Studie eine Aktivitätssteigerung
des Katalysatorkomplexes durch Carbenbildung eher unwahrscheinlich, da
Carbenkomplexe im Überschuss den Katalysatorkomplex deaktivieren würden.
4.4.1.2 Pyridinium - basierte ionische Flüssigkeiten
In einer weiteren Versuchsreihe wurden Pyridinium - basierte Kationen mit einer
zusätzlichen Hydroxygruppe in der Seitenkette ([Et(OHMe)Pr]+) kombiniert mit drei
unterschiedlichen Anionen ([NTf2]-/[OTf]-/[EtSO3]
-) untersucht. Abbildung 33 und
Abbildung 34 zeigen die Ergebnisse dieser Versuchsreihe.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
95
0 100 200 300 400 500 6000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
MeOH [Et(OHMe)Pr] [NTf2] + MeOH [Et(OHMe)Pr] [OTf] + MeOH [Et(OHMe)Pr] [EtSO
3] + MeOH
Y M
HB [
%]
t [min]
Abbildung 33: Ausbeute-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen Hydrierung von MAA mit
einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Pyridinium-Salz/Methanol-Mischung.
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phosphepin-Ligand, 7,6mmol MAA,
19,4mmol IL (~5ml IL), 160ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C.
0 100 200 300 400 500 6000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
MeOH [Et(OHMe)Pr] [NTf2] + MeOH [Et(OHMe)Pr] [OTf] + MeOH [Et(OHMe)Pr] [EtSO
3] + MeOH
ee
R:S
[%
]
t [min]
Abbildung 34: Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf in der asymmetrischen Hydrierung von MAA
mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Pyridinium-Salz/Methanol-Mischung.
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phosphepin-Ligand, 7,6mmol MAA,
19,4mmol IL (~5ml IL), 160ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C.
Bei diesen Untersuchungen wurde ein positiver Effekt durch die zusätzlichen
Hydroxygruppen der ionischen Flüssigkeiten erwartet. Jedoch wurde bei
Verwendung der Hydroxy-Pyridinium - basierten ionischen Flüssigkeit ein starker
Verlust an Aktivität beobachtet (Y480min in MeOH: 31,1 %, in z. B.
MeOH/[Et(OHMe)Pr][EtSO3]: 4,8 %). Korrespondierend zu dieser schlechten Aktivität
wurden zudem relativ niedrige und schwankende ee-Werte im IL/MeOH-Gemisch
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
96
gemessen (Mittelwert: eeMeOH = 89,6 %, eeMeOH/[Et(OHMe)Pr][EtSO3] = 77,1 %,
eeMeOH/[Et(OHMe)Pr][OTf] = 31,0 % und eeMeOH/[Et(OHMe)Pr][NTf2] = 25,3 %). Demnach wird in
der MAA-Hydrierung katalysiert mit Ru-Phenylphosphepin-Komplexen durch Zugabe
von Pyridinium - basierten Kationen die Aktivität und Selektivität deutlich reduziert.
4.4.1.3 Ammonium - basierte ionische Flüssigkeiten
Die nächste Gruppe an ionischen Flüssigkeiten, die in der Hydrierung von
Methylacetoacetat getestet wurden, waren Tetraalkyl-Ammonium - basierten IL´s.
Dafür wurden zwei in ihrer Kettenlänge und damit in ihrem Löslichkeitsverhalten
unterschiedliche Vertreter dieser Klasse ausgewählt
([Tetramethylammonium][NTf2]=[Me4N][NTf2] und [Trioctylmethylammonium][NTf2]=
[Oct3MeN][NTf2]). Detaillierte Ausbeute- und Enantioselektivität-Zeit-Verläufe sind in
Abbildung 35 und Abbildung 36 dargestellt.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
MeOH
[Oct3MeN][NTf
2] + MeOH
[Me4N][NTf
2] + MeOH
Y H
MB [
%]
t [min]
Abbildung 35: Ausbeute-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen Hydrierung von MAA mit
einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Tetraalkylammonium-Salz/Methanol-
Mischung.
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phosphepin-Ligand, 7,6mmol MAA,
19,4mmol IL (~5ml IL), 160ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
97
0 100 200 300 400 5000
10
20
75
80
85
90
95
100
MeOH
[Oct3MeN][NTf
2] + MeOH
[Me4N][NTf
2] + MeOH
ee
R:S
[%
]
t [min]
Abbildung 36: Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen Hydrierung
von MAA mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Tetraalkylammonium-
Salz/Methanol-Mischung.
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phosphepin-Ligand, 7,6mmol MAA,
19,4mmol IL (~5ml IL), 160ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C.
Wie in Abbildung 35 klar zu erkennen ist, wurde durch Zugabe von
[Trioctylmethylammonium][NTf2] die Aktivität des katalytischen Systems reduziert und
nur sehr niedrige Ausbeuten gemessen. Im Gegensatz dazu konnte durch Zugabe
von [Tetramethylammonium][NTf2] die Aktivität gesteigert werden. Ab einer
Reaktionszeit von 150 min wurde eine höhere Ausbeute verglichen mit der Reaktion
in reinem Methanol beobachtet. Ein möglicher Grund hierfür ist, dass sich in
Abhängigkeit des Kations der ionischen Flüssigkeit in situ verschiedene katalytisch
aktive Ru-Spezies unterschiedlich schnell ausbilden. Verglichen mit der Ausbeute in
reinem Methanol wurde anfangs mit dem Additiv [Tetramethylammonium][NTf2] eine
niedrigere Aktivität durch verzögerte Ausbildung der aktiven Spezies beobachtet,
sobald sich diese jedoch gebildet hatte, wurde eine wesentlich höhere
Hydrieraktivität (nach 480 min: YMeOH = 31,1 %, YMeOH/[Me4N][NTf2] = 40,5 %) gemessen.
Hinweise für einen aktivitätssteigernden Effekt von Ammonium-Salz-Additiven gehen
auch aus Arbeiten von Xie et al.[163] und Hartmann et al.[164] hervor. In den Studien
wurde ein geschwindigkeitsverbessernder Effekt durch Zugabe von kleinen, sterisch
ungehinderten Kationen in der Ru-katalysierten Hydrierung von Ketonen in
basischen Medien beobachtet.
In Analogie zur Aktivität stehen die Verläufe der Enantioselektivitäten (Abbildung 36).
Durch Zugabe von [Tetramethylammonium][NTf2] zur Reaktionsmischung wurde
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
98
nach ca. 150 min ein ee-Wert im Bereich der ee-Werte in reinem Methanol
gemessen (Mittelwert: eeMeOH = 89,6 %; eeMeOH/[Me4N][NTf2] = 89,5 %).
Interessanterweise korrespondiert diese Aktivierungszeit mit der bei der Ausbeute
beobachteten und stärkt deshalb das Argument der notwendigen Katalysatorbildung
im System (Präformationszeit). Anders war dies bei Verwendung des Additivs
[Trioctylmethylammonium][NTf2]. Die gemessenen Enantioselektivitäten bewegen
sich im niedrigen Bereich von 8-15 %.
Mit dieser Messreihe konnte gezeigt werden, dass die Möglichkeit besteht durch
Zugabe von ionischen Flüssigkeiten die Aktivität und Enantioselektivität des Ru-
Komplexes in der asymmetrischen Hydrierung zu verbessern. Grund hierfür ist
vermutlich die Ausbildung von verschiedenen katalytischen Spezies. Die Aktivität
konnte durch Zugabe kurzkettiger Ammonium-NTf2-Schmelzen im Vergleich zu
Methanol bei gleichbleibender Enantioselektivität um das 1,3-fache gesteigert
werden.
4.4.1.4 Hydroxy-Ammonium - basierte ionische Flüssigkeiten
Auf Basis der guten experimentellen Ergebnisse mit Ammonium - basierten
ionischen Flüssigkeiten wurden weitere Versuche mit kurzkettigen Ammonium-
Kationen mit einer zusätzlichen Alkoholfunktionalität durchgeführt. Intention war eine
Verkürzung der Aktivierungsphase durch einen positiven Effekt der zusätzlichen
Hydroxygruppe und die Steigerung der Aktivität durch das kleine Kation. Es wurden
drei verschiedene Ammoniumkationen eingesetzt und mit Ergebnissen in reinem
Methanol verglichen (Abbildung 37 und Abbildung 38). Dabei wurden zwei Kationen
unterschiedlicher Größe jeweils mit einer OH-Gruppe in der Seitenkette
([Hydroxyethyltrimethylammonium][NTf2]=[(EtOH)Me3N][NTf2], [Hydroxylethyl-
ammonium][NTf2]=[(EtOH)N][NTf2]) und ein Kation mit zwei Hydroxygruppen
([Di(hydroxyethyl)dimethylammonium][NTf2]=[(EtOH)2Me2N][NTf2]) getestet. Die
Charakterisierung und Synthesevorschrift für die eingesetzte neue Schmelze
[Di(hydroxyethyl)dimethylammonium][NTf2] befindet sich im Anhang (Kapitel 6.4).
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
99
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
MeOH [EtOH)Me
3N][NTf
2] + MeOH
[(EtOH)2Me
2N][NTf
2] + MeOH
[(EtOH)N][NTf2] + MeOH
Y M
HB [
%]
t [min]
Abbildung 37: Ausbeute-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen Hydrierung von MAA mit
einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Hydroxyalkylammonium-Salz/Methanol-
Mischung.
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phosphepin-Ligand, 7,6mmol MAA,
19,4mmol IL (~5ml IL), 160ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 50070
75
80
85
90
95
100
MeOH [EtOH)Me
3N][NTf
2] + MeOH
[(EtOH)2Me
2N][NTf
2] + MeOH
[(EtOH)N][NTf2] + MeOH
ee
R:S
[%
]
t [min]
Abbildung 38: Enantioselektivität-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen Hydrierung von MAA
mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Hydroxyalkylammonium-Salz/Methanol-
Mischung.
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phosphepin-Ligand, 7,6mmol MAA,
19,4mmol IL (~5ml IL), 160ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C.
Wie erwartet zeigten alle ionischen Additive eine deutliche Steigerung der
katalytischen Aktivität und eine sofortige Aktivierung des Katalysatorsystems. Nach
480 min wurde bei Verwendung von [Hydroxyethyltrimethylammonium][NTf2] eine
Steigerung der Ausbeute um das 1,7-fache (auf 52,9 %) im Vergleich zu reinem
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
100
Methanol (31,1 %) beobachtet. Durch Erhöhung der Anzahl der Hydroxygruppen
([Di(hydroxyethyl)dimethylammonium][NTf2]) oder durch Verkleinern des Kations
([Hydroxylethylammonium][NTf2]) konnte die Ausbeute verglichen mit reinem
Methanol sogar um das 2,3-fache (72,9 %) gesteigert werden.
Bemerkenswerterweise liegen die Enantioselektivitäten aller Experimente mit Zusatz
von Hydroxyammoniumsalzen (Mittelwert: eeMeOH/[EtOHMe3N][NTf2] = 88,6 %,
eeMeOH/[EtOHN][NTf2]/[(EtOH)2Me2][NTf2] = 91,1) im Bereich der ee-Werte für Methanol
(Mittelwert: eeMeOH = 89,6 %). Im Gegensatz zu den Ergebnissen mit dem Zusatz an
[Tetramethylammonium][NTf2] (siehe Kapitel 4.4.1.3) wurde bei den Ammonium-
Schmelzen mit Hydroxyfunktionalität eine deutlich schnellere Ausbildung der
aktivsten und selektivsten Spezies beobachtet. Während in
[Tetramethylammonium][NTf2]/MeOH der ee-Wert von 84,9 % erst nach 120 min
erreicht wurde, zeigten die Hydroxyalkylammonium-Salze schon ab der ersten
Probennahme bei 30 bzw. 60 min sehr gute Enantioselektivitäten. Im Fall von
[Di(hydroxyethyl)dimethylammonium][NTf2] wurde bereits nach 30 min ein ee von
87,3 % gemessen (in reinem Methanol nur 81,3 %).
Dies zeigt, dass durch Zugabe von bestimmten ionischen Flüssigkeiten (kurzkettige
Hydroxy-Ammonium-NTf2-Salze) gezielt die Ausbildung der aktivsten und
selektivsten Spezies beschleunigt werden kann. Zudem stellen die Ammonium-Salze
eine relativ preiswerte Klasse ionischer Flüssigkeiten dar.
4.4.1.5 Rezyklierungsstudie
Nachdem in bisherigen Experimenten mehrere ionische Additive gefunden wurden,
die eine asymmetrische Hydrierung von MAA in Methanol entweder wenig
beeinflussen oder sogar begünstigen, wurde in dieser Versuchsreihe der Einsatz
dieser ionischen Flüssigkeiten als Immobilisierungsmedium für den
Katalysatorkomplex getestet. Ziel der Untersuchung war es, mit Hilfe einer ionischen
Flüssigkeit den chiralen Ru-Katalysator möglichst effizient zurück zu gewinnen und in
einen neuen Zyklus einzusetzen. Die Rezyklierungsstudie wurde mit den drei
ionischen Flüssigkeiten [EMIM][NTf2], [Hydroxyethyltrimethylammonium][NTf2] und
[Di(hydroxyethyl)dimethylammonium][NTf2] durchgeführt. Nach jedem Zyklus wurde
die ionische Flüssigkeit-Katalysator-Lösung durch eine Hochvakuum-Behandlung
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
101
(1 mbar, 80°C, 4 h) von Lösungsmittel und Reaktanden abgetrennt und im nächsten
Zyklus erneut eingesetzt.
Tabelle 17: Asymmetrische Hydrierung von MAA, Rezyklierungsexperimente mit [EMIM][NTf2],
[EtOHMe3N][NTf2] und [(EtOH)2Me2N][NTf2].
Eintrag Zyklus
Ionische Flüssigkeit
Ausbeute [%]
Umsatz [%]
ee R:S [%]
1 1 Keine 100 100 92,4
2 2 Keine 35,8 85,6 85,3
3 1 [EMIM][NTf2] 36,7 100 75,6
4 2 [EMIM][NTf2] 15,7 96,7 65,2
5 3 [EMIM][NTf2] 4,2 89,7 46,1
6 1 [EtOHMe3N][NTf2] 98,2 100 95,2
7 2 [EtOHMe3N][NTf2] 99,9 100 92,6
8 3 [EtOHMe3N][NTf2] 77,7 80,8 90,6
9 4 [EtOHMe3N][NTf2] 57,6 63,3 87,1
10 1 [(EtOH)2Me2N][NTf2] 99,5 100 93,0
11 2 [(EtOH)2Me2N][NTf2] 99,3 99,7 92,6
12 3 [(EtOH)2Me2N][NTf2] 93,2 94,2 91,3
13 4 [(EtOH)2Me2N][NTf2] 73,3 76,8 89,9
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phosphepin-Ligand, 3,8mmol MAA,
19,4mmol IL (~5ml IL), 80ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C, t=18h.
Zu Beginn der Rezyklierungsexperimente wurde ein Referenzversuch in reinem
Methanol ohne zusätzliche ionische Flüssigkeit durchgeführt (Tabelle 17, Einträge 1-
2). Der Katalysator wurde nicht in einer ionischen Flüssigphase immobilisiert,
sondern während des Rezyklierungsschritts solange getrocknet, bis ein festes Pulver
entstand. Dieses wurde wiederum für einen neuen Zyklus in Methanol homogen
gelöst. Beobachtet wurde in dieser Versuchsreihe nach nur einem Zyklus ein
drastischer Abfall der Aktivität (Y = 100 %→35,8 %) und Rückgang der Selektivität
(ee = 92,4 %→85,3 %). Eine Rezyklierung in reinem Methanol erscheint daher wenig
vielversprechend. In einer zweiten Versuchsreihe wurde [EMIM][NTf2] in einem
Rezyklierungsversuch eingesetzt (Tabelle 17, Einträge 3-5). Allerdings zeigte das
System mit [EMIM][NTf2] schon im ersten Zyklus erwartungsgemäß eine niedrige
Ausbeute von 36,7 % und einen mäßigen ee-Wert von 75,6 % (Eintrag 3). Nach
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
102
zweifachen Rezyklieren wurde der Versuch gestoppt, da die Ausbeute auf 4,2 %
absank und die Enantioselektivität auf 46,1 % zurückging (Eintrag 5).
Wie erwartet, erwiesen sich Systeme mit Hydroxyalkylammonium-
bis(trifluoromethylsulfonyl)imid-Salzen als Additiv in der Rezyklierung als deutlich
geeigneter (Tabelle 17, Einträge 6-9 und 10-13). Die Ergebnisse im ersten Zyklus
waren leicht besser (eeMeOH = 92,4 % vs. ee[Hydroxyalkylammonium][NTF2]/MeOH = 93-95,2 %)
als die Ergebnissen in reiner methanolischer Reaktionslösung. Im Gegensatz zu
reinem Methanol zeigten die Lösungen mit Hydroxyalkylammonium-Salzen keinen
bzw. einen sehr geringen Abfall der Ausbeute (Y[(EtOH)2Me2N][NTf2] = 99,5 %→99,3 %)
und Enantioselektivität (ee[(EtOH)2Me2N][NTf2] = 93 %→92,6 %) im zweiten Zyklus. Die
ionische Flüssigkeit-Katalysator-Lösung wurde insgesamt dreimal rezykliert mit
einem leichten Aktivitätsverlust jedoch einem Enantiomerenüberschuss der stets
über 85 % in allen Rezyklierungsexperimenten blieb. Der Aktivitäts- und
Selektivitätsverlust kann dabei auf die Rezyklierungsprozedur zurückgeführt werden.
Bei dieser wurde die Reaktionslösung vom Autoklaven in einen Schlenkkolben
zurückgeführt, um eine Vakuumbehandlung zu ermöglichen. Dabei geriet die
Katalysatorlösung unvermeidlich für einige Sekunden in Kontakt mit Luft und eine
teilweise Oxidation des Katalysatorkomplexes ist wahrscheinlich. Zudem wurde der
Katalysatorkomplex beim Entfernen der flüchtigen Reaktanden im
Evakuierungsprozess relativ harten Bedingungen (z. B. hohe Temperatur)
ausgesetzt. Der Rückgang der katalytischen Aktivität und Selektivität kann daher
vermutlich durch eine Rezyklierung unter milderen Bedingungen oder durch ein
abgeschlossenes Rezyklierungsverfahren reduziert werden.
Zusammenfassend konnte durch die Rezyklierungsversuche gezeigt werden, dass in
der asymmetrischen Hydrierung von β-Ketoestern eine effiziente und wirtschaftliche
Rezyklierung des chiralen Ru-Phenylphosphepin-Komplexes mit geringen Mengen
an relativ preiswerten Hydroxyalkylammonium-bis(trifluoromethlysulfonyl)imid
Additiven in der Flüssigphase möglich ist.
4.4.2 Bidentater Thiophenphospholan-Ligand
Es wurde im Folgenden versucht, die „positiven“ Salzeffekte auf das System mit dem
bidentaten Thiophenphospholan-Liganden zu übertragen. Exemplarisch wurden die
Versuche mit einem Vertreter der Imidazolium - basierten ionischen Flüssigkeiten
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
103
([EMIM][NTf2]) und der Hydroxy-Ammonium - basierten ionischen Flüssigkeiten
([EtOHMe3N][NTf2]) durchgeführt (Abbildung 39).
0 100 200 300 400 5000
20
40
60
80
100
Y M
HB
[%]
t [min]
MeOH [EMIM][NTf
2] + MeOH
[EtOHMe3N][NTf
2] + MeOH
0 100 200 300 400 500
76
78
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
MeOH [EMIM][NTf
2] + MeOH
[EtOHMe3N][NTf
2] + MeOH
ee
R:S
[%
]
t [min]
Abbildung 39: Ausbeute-Enantioselektivität-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen
Hydrierung von MAA mit einem Ru-Thiophenphospholan-Komplex in Methanol und IL/Methanol-
Mischung.
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Thiophenphospholan-Ligand, 7,6mmol
MAA, 19,4mmol IL (~5ml IL), 160ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C.
Anders als bei den Untersuchungen mit dem Ru-Phenylphosphepin-Komplex wurde
eine deutliche Reduzierung der katalytischen Aktivität beim Einsatz von Imidazolium-
und Hydroxyalkylammonium - basierten Schmelzen beobachtet. Jedoch ist
anzumerken, dass der Ru-Thiophenphospholan-Komplex nach dem Rückgang der
Aktivität in ionischen Flüssigkeiten noch immer eine höhere Ausbeute nach 420 min
(YMeOH/[EtOHMe3N][NTf2] = 84,0 %) besitzt als der Ru-Phenylphosphepin-Komplex nach
Steigerung der Aktivität durch ionische Additive (YMeOH/[EtOHMe3N][NTf2] = 53,0 %).
Ähnliche Tendenzen sind auch in der Enantioselektivität zu beobachten. Durch
Zugabe von [EMIM][NTf2] (eeMittelwert = 90,2 %) und [Hydroxyethyltrimethylammonium]
[NTf2] (eeMittelwert = 87,4 %) wurde der ee im Vergleich zur reinen methanolischen
Lösung (eeMittelwert = 98,5 %) deutlich reduziert. Damit lagen die ee-Werte für den Ru-
Phenylphosphepin-Komplex (eeMittelwert = 88,6 %) und den Ru-Thiophenphospholan-
Komplex nach Zugabe von [Hydroxyethyltrimethylammonium][NTf2] im gleichen
Bereich.
In einem weiteren Experiment wurde die Aktivität des bidentaten
Thiophenphospholan-Komplexes in reiner ionischer Flüssigkeit ohne Zusatz von
Methanol getestet. Es wurden zu den kontinuierlichen Gasphasenversuchen
vergleichbare Versuchsparameter (T=120°C, pH2=10bar) gewählt. Die Ergebnisse
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
104
(Tabelle 18) dienten als Referenz zwischen homogener Katalyse in der Flüssigphase
und SILP-Katalyse in der Gasphase.
Tabelle 18: Asymmetrische Hydrierung von MAA, bidentater Thiophenphospholan-Ligand in reiner IL
[EMIM][NTf2].
Eintrag
Ausbeute [%]
Umsatz [%]
ee R:S [%]
1 100 100 93,9
Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Thiophenphospholan-Ligand, 3,8mmol
MAA, 19,4mmol [EMIM][NTf2] (~5ml), r=500rpm, pH2=10bar, T=120°C, t=16h.
Dabei zeigte der Ru-Thiophenphospholan-Komplex sehr gute katalytische
Ergebnisse im Reaktionsmedium [EMIM][NTf2] (XThiophenphospholan = 100 % vs.
XPhenylphosphepin = 64,4 %). Überraschenderweise wurde eine hohe Enantioselektivität
verglichen mit Ergebnissen des monodentaten Phenylphosphepin-Liganden
beobachtet (eeThiophenphospholan = 93,9 % vs. eePhenylphosphepin = 51,7 %).
Abschließend lässt sich feststellen, dass der bei dem Ru-Phenylphosphepin-
Komplex beobachtete Aktivierungseffekt durch die Zugabe von
[Hydroxyalkylammonium][NTf2]-Schmelzen nicht bei dem Ru-Thiophenphospholan-
Komplex beobachtet wurde. Damit lassen sich die in der Katalyse mit dem
monodentaten Liganden erhaltenen Ergebnisse in Methanol/IL-Mischung nicht
zwangsläufig auf ein bidentates System übertragen. Eine erneute Optimierung des
ionischen Zusatzes für das zweizähnige Ligandsystem wäre an dieser Stelle also
notwendig gewesen. Die Optimierung konnte jedoch aus Zeitgründen in dieser Arbeit
nicht mehr erfolgen.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
105
4.5 Kontinuierliche Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren
4.5.1 Verweilzeitcharakterisierung des Berty-Reaktors
Vor den eigentlichen Gasphasenversuchen wurde das Verweilzeitverhalten des
Reaktors (sog. Berty-Reaktor, detaillierte Beschreibung Kapitel 3.4) mit der
Stoßmarkierungs-Methode charakterisiert. Dabei wurden das
Rückvermischungsverhalten und die effektiven Verweilzeiten bei verschiedenen
Turbinendrehzahlen bestimmt (Formeln und Berechnungen siehe Kapitel 6.3). Es
wurde hierfür bei drei unterschiedlichen Gesamtvolumenströmen, die einen relativ
großen Einsatzbereich abdecken, die Verweilzeitverteilung gemessen. Aus diesem
Grund ist eine spätere Übertragung oder Abschätzung der effektiven Verweilzeit auf
Versuche mit unterschiedlichen Volumenströmen möglich. Untersucht wurden
Volumenströme von 36,7 Nml/min (entspricht dem Gesamtvolumenstrom der
Gasphasenversuche bei 125°C und 10 bar), von 87,5 Nml/min und 200 Nml/min.
Abbildung 40 zeigt die Ergebnisse der Messungen für einen Volumenstrom von
200 Nml/min.
0 1 2 3 4 5 6 7 80,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 rpm 1000 rpm 3000 rpm 5000 rpm 7000 rpm
F( θθ θθ
) [-
]
θ θ θ θ [-]
0 2000 4000 6000 8000 100000
1
2
3
4
5
6
7
8
Bo
-Za
hl
[-]
Turbinendrehzahl [rpm]
Abbildung 40: Dimensionslose Verweilzeitsummenkurve F(θ) und Bo-Zahlen bei verschiedenen
Turbinendrehzahlen für VHe=200 Nml/min.
Bei ausgeschalteter Turbine (0 rpm) wurde eine Verweilzeitsummenkurve ähnlich der
des Strömungsrohres (PFTR) beobachtet. Die Kurve entspricht allerdings nicht exakt
der Kurve eines idealen Rohrreaktors, da durch die Einbauten im Berty-Reaktor
(z. B. Katalysatorkorb) und der abgewinkelten Strömungsführung selbst ohne
erzwungene Gasumwälzung der Volumenstrom umgelenkt wird und eine gewisse
Rückvermischung stattfindet. Durch Erhöhung der Turbinendrehzahl wurde eine
deutlich stärkere Rückvermischung beobachtet (Abbildung 40, links). Ab einer
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
106
Drehzahl von 5000 rpm liegt ein weitgehend rückvermischtes System vor, ähnlich
wie in einem realen kontinuierlichen Rührkesselreaktor. Bei höheren Drehzahlen
wurde einen früheren Anstieg der Verweilzeitsummenkurve und ein späteres
Erreichen von F(θ)=1 (entspricht dem vollständigen Austrag aller Tracermoleküle)
beobachtet. Bei allen Versuchen zur Bestimmung der Verweilzeitsummenkurve
wurde eine anfängliche Totzeit beobachtet, die mit steigender Drehzahl und folglich
steigender Rückvermischung sink. In der Theorie existiert keine Totzeit bei einem
idealen CSTR-Verhalten, da eine sofortige komplette Rückvermischung im Reaktor
stattfindet.
Die Bodenstein-Zahlen (Quotient aus Konvektion und axialer Dispersion) in
Abhängigkeit der Turbinendrehzahl bestätigten zudem die Ergebnisse der
Verweilzeitsummenkurven. Die Bo-Zahlen sinken deutlich mit steigender Drehzahl
(0 rpm: Bo = 6,47 → 7000 rpm: Bo = 0,66) und kennzeichnen dadurch eine bessere
Rückvermischung (Abbildung 40, rechts). In der Theorie ergibt sich für ein ideal
rückvermischtes, gradientenfreies CSTR-Verhalten Bo → 0. Ab einer Drehzahl von
8000 rpm wurde ein leichter Anstieg der Bo-Werte (Bo = 0,67) beobachtet.
Idealerweise müssten bei immer höheren Drehzahlen die Bo-Werte gegen 0
konvergieren. Das Abweichen vom idealen CSTR-Verhalten (Totzeiten,
Bodensteinzahlen) wird durch Kurzschlussströmungen bei höheren
Turbinendrehzahlen und dem begrenzten Umwälzvermögen der Turbine
hervorgerufen.
Die Verläufe der Verweilzeitsummenkurven und Bo-Zahlen in Abhängigkeit der
Turbinendrehzahl für die Volumenströme von 36,7 Nml/min und 87,5 Nml/min
befinden sich im Anhang (Abbildung A 17 - Abbildung A 20) dieser Arbeit. Sie zeigten
gleiche Tendenzen und folglich ein gleiches Verweilzeitverhalten. Bei den
niedrigeren Volumenströmen wurden etwas geringere Totzeiten und ebenfalls sehr
niedrige Bodensteinzahlen (Bo < 2) beobachtet.
Zusätzlich wurden die effektiven Verweilzeiten in Abhängigkeit der Turbinendrehzahl
(Tabelle 19) bei den unterschiedlichen Volumenströmen bestimmt.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
107
Tabelle 19: Effektive Verweilzeiten bei unterschiedlichen Turbinendrehzahlen und Volumenströme.
Turbinendrehzahl
[min-1
] eff. VWZ [s] // 37,5 [Nml/min]
eff. VWZ [s] // 87,5 [Nml/min]
eff. VWZ [s] // 200 [Nml/min]
0 237,72 57,32 15,5
1000 245,98 56,45 17,8
2000 253,88 56,12 20,4
3000 263,52 64,6 23,2
4000 271,45 65,6 26,1
5000 277,34 67 29
6000 281,15 68,4 31,6
7000 283,18 69,8 33,9
8000 283,99 70,9 35,7
9000 284,34 71,8 37,2
Hydrodynamische Verweilzeiten (VWZ am Katalysator): τ=2,35s (36,7Nml/min), τ=0,99s (87,5Nml/min) und
τ=0,43s (200Nml/min),
Reaktorverweilzeiten (VWZ im Reaktor): tR=155,3s (36,7Nml/min), tR=65,1s (87,5Nml/min) und tR=28,5s
(200Nml/min).
Allgemein lässt sich für alle drei Volumenströme ableiten, dass eine höhere
Turbinendrehzahl einen Anstieg der effektiven Verweilzeit bewirkt. Dieser Anstieg ist
vor allem im Bereich von 0-5000 rpm am steilsten. Bei höheren Turbinendrehzahlen
flacht dieser Anstieg etwas ab, da die Turbine ihre maximale Saugleistung erreicht.
Für weitere Versuche wurde eine Drehzahl von 5000 rpm gewählt, um einerseits eine
ausreichend große effektive Verweilzeit (277 s) zu erhalten und andererseits einen
ruhigen, verschleißarmen Betrieb der Turbine zu gewährleisten.
4.5.2 Einsatz unterschiedlicher Liganden
Zu Beginn der Experimente wurden mehrere chirale Ru-Komplexe in der SILP-
katalysierten Gasphasenhydrierung getestet. Dies hatte zum Ziel, für weitere
Versuche den bestmöglichen Katalysator zu finden. Außerdem sollte gezeigt werden,
dass das Konzept der enantioselektiven SILP-Gasphasenhydrierung auch auf
andere Ligandsysteme übertragbar ist. Es wurden dabei mehrere monodentate
(Abbildung 41) und bidentate (Abbildung 42) Ligandsysteme ausgewählt. Teilweise
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
108
wurden Literatur-bekannte Liganden, die zudem in industriellen Prozessen eingesetzt
werden, getestet.
PO
OP NMe2
F
F
Bis-fluorophenyl-phosphepinPhenylphosphepin
Abbildung 41: Strukturformeln der in der Gasphase eingesetzten monodentaten Liganden.
Phenylphosphepin=[(S)-4-phenyl-4,5-dihydro-3H-dinaphtho[2,1-c:1`,2`-e]phosphepin][150],
Bis-fluorophenyl-phosphepin=[Dinaphtho[2,1-d:1',2'-f][1,3,2]dioxaphosphepin-4-amin][165].
S
P P
PH3CO
P
P
t-Bu
t-Bu
t-Bu t-Bu
H3CO
P
t-Bu
t-Bu
t-Bu t-Bu
PPh2
PPh2
H3CO H3CO
MeO PPh2
PPh2MeO
(R)-BINAP
Thiophenphospholan
(S)-MeO-BIPHEP
(S)-Xyl-MeO-BIPHEP (S)-tBu-MeO-BIPHEP
Abbildung 42: Strukturformel der in der Gasphase eingesetzten bidentaten Liganden.
(R)-BINAP=(R)-(+)-(1,1′-Binaphthalene-2,2′-diyl)bis(diphenylphosphin),
Thiophenphospholan=[3-(2,5-(2R,5R)-dimethylphospholanyl-1)-4-di-o-tolylphosphino-2,5-dimethyl-thiophen],
Handelsname: catASium® X2(R)[151],
(S)-MeO-BIPHEP=(S)-(-)-(6,6'-Dimethoxybiphenyl-2,2'-diyl)bis(diphenylphosphin),
(S)-Xyl-MeO-BIPHEP=(S)-(6,6'-Dimethoxybiphenyl-2,2'-diyl)bis[bis(3,5-dimethylphenyl)phosphin],
(S)-tBu-MeO-BIPHEP=(S)-(6,6'-Dimethoxybiphenyl-2,2'-diyl)bis[bis(3,5-di-tert-butylphenyl)phosphin].
Ein erster Versuch in der Gasphase wurde mit dem monodentaten
Phenylphosphepin-Liganden durchgeführt, da dieses Ligandsystem durch die
Vorarbeiten dieser Arbeit (Kapitel 4.3 und 4.4) in Methanol sehr gut erforscht war.
Das SILP-System, hergestellt mit der ionischen Flüssigkeit [EMIM][NTf2] (α = 0,8,
Ru/IL = 0,0329 mol/mol, 3,2 Mol-% Ru, Ru/SiO2 = 0,0038 g/g, 0,38 Gew.- % Ru),
zeigte in der Gasphase über 30 h keine Aktivität. Da besonders die Mischungen aus
Hydroxyammoniumsalzen/Methanol in Flüssigphasenversuchen sehr erfolgreich
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
109
waren, wurde im Anschluss ein SILP-Katalysator mit einem IL-Film von
[Hydroxyethyltrimethylammonium][NTf2] hergestellt und in der Gasphase eingesetzt.
Das System zeigte in der Gasphase eine niedrige Aktivität (XMax = 0,46 %). Die ee-
Werte konnten jedoch auf Grund der niedrigen Umsätze nicht bestimmt werden.
Im Anschluss wurde der monodentate Ligand Bis-fluorophenyl-phosphepin, der
schon in der Ir-katalysierten Hydrierung von α-Aminosäurederivaten eingesetzt
(ee = 95 %)[165] wurde, getestet. In der Ru-katalysierten, kontinuierlichen
Gasphasenhydrierung von Methylacetoacetat hingegen wurde ein geringer
maximaler Umsatz von 2,1 % und ein maximaler ee-Wert von 51 % beobachtet
(Referenzwert in Flüssigphase: 80°C, 60 bar H2, 16 h → Y = 37 %, ee = 6 %).
Auf Grund der schlechten Umsätze der monodentaten Ligandsysteme in der
Gasphase wurden in weiteren Untersuchungen verschiedene bidentate Liganden
getestet. Zunächst wurden zwei in der Literatur und Forschung sehr bekannte und oft
verwendete Systeme – (R)-BINAP und (S)-MeO-BIPHEP – eingesetzt. Zusätzlich
wurden noch zwei Derivate des (S)-MeO-BIPHEP (tBu- und Xyl-MeO-BIPHEP) und
ein von Evonik Degussa GmbH entwickeltes Thiophenphospholan-System aus der
kommerziell erwerblichen CatASium-Reihe für die SILP-Herstellung verwendet.
Alle bidentaten Ligandsysteme zeigten in der lösungsmittelfreien
Gasphasenhydrierung Aktivitäten. Allerdings konnten bei Verwendung des tBu-MeO-
BIPHEP-Liganden nur sehr geringe Aktivität (XMax = 0,43 %) und Stabilität
beobachtet werden (Abbildung 43).
0 5 10 15 20 25 300
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
tBu-MeO-BIPHEP Xyl-MeO-BIPHEP
XM
AA
[%]
t [h]
0 5 10 15 20 25 30 35 400
10
20
30
40
50
60
tBu-MeO-BIPHEP Xyl-MeO-BIPHEP
ee
S:R
[%
]
t [h]
Abbildung 43: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA
in der Gasphase unter Einsatz des tBu-MeO-BIPHEP- und Xyl-MeO-BIPHEP-Liganden.
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/IL=0,0329mol/mol (3,2Mol-% Ru), Ru/SiO2=
0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, τ=2,35s, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
110
Der Xyl-MeO-BIPHEP-Ligand zeigte gleich zu Beginn der Reaktion vergleichsweise
hohe Umsätze (11,4 %), der Abfall der Aktivität war jedoch sehr rasch (nach 7 h,
X = 3,3 %). Die ee-Werte waren im Bereich von 30 %.
Abbildung 44 zeigt die Ergebnisse für die drei aktivsten und selektivsten der
getesteten Ligandsysteme (Thiophenphospholan, BINAP und MeO-BIPHEP) in der
Gasphasenhydrierung von Methylacetoacetat. Es ist zu beachten, dass alle
Versuche ohne Zusatz von Methanol durchgeführt wurden.
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
35
Thiophenphospholan BINAP MeO-BIPHEP
XM
AA
[%]
t [h]
0 10 20 30 40 50 600
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Thiophenphospholan BINAP MeO-BIPHEP
ee [
%]
t [h]
Abbildung 44: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA
in der Gasphase unter Einsatz des Thiophenphospholan-, BINAP- und MeO-BIPHEP-Liganden.
(Thiophenphospholan: TON=292, TOFMax=10,6h-1; BINAP: TON=304, TOFMax=14,1h-1; MeO-BIPHEP:
TON=312, TOFMax=11,8h-1).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/IL=0,0329mol/mol (3,2Mol-% Ru), Ru/SiO2=
0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, τ=2,35s, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA.
Im Folgenden wird zuerst auf die Umsatz-ee-Verläufe des MeO-BIPHEP-
Ligandsystems eingegangen. Es wurde zu Beginn des Versuchs ein langsamer
Anstieg des Umsatzes (Aktivierungsphase) beobachtet. Nach 17 h Versuchsdauer
wurde ein stabiles Umsatzniveau von ca. 17 % erreicht. Über 12 h konnte ein stabiler
Umsatz und anschließend ein langsamer kontinuierlicher Umsatzrückgang
gemessen werden (Abbildung 44, links). Die Enantioselektivität erreichte nach vier
Stunden ihr Maximum mit ee = 55,6 %. Danach folgte eine Abnahme des
Enantiomerenüberschusses. Im Bereich der maximalen Aktivität blieb der ee nahezu
konstant (ee = 34 %). Mit fallendem Umsatz in der Deaktivierungsphase sank
gleichermaßen die Selektivität (Abbildung 44, rechts). Ein Vergleich der Literatur-
bekannten Batch-Ergebnisse (40°C, 1 bar H2, 72 h, MeOH → Y = 100 %,
ee = 97 %)[166] mit den Ergebnissen der Gasphasenversuche ist eigentlich in Bezug
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
111
auf Umsatz (und damit auch Selektivität) auf Grund der völlig unterschiedlichen
Verweilzeiten (72 h im Gegensatz zu 2,35 s in der Gasphasenhydrierung) und
Substratmengen schwierig. Werden die ee-Werte dennoch verglichen, so wird ein
deutlicher Rückgang der Enantioselektivität in der lösungsmittelfreien
Gasphasenreaktion beobachtet verglichen zu Flüssigphasenversuchen in Methanol.
Das in der asymmetrischen Hydrierung von Ketogruppen am meisten untersuchte
und am häufigsten eingesetzte Ligandsystem ist der von Noyori entwickelte BINAP-
Ligand. Die Anwendung dieses Liganden wurde bereits in zahlreichen
Literaturquellen dokumentiert (siehe Kapitel 2.3: Hydrierung von Methylacetoacetat in
Methanol[83] → TOF = 135,3 h-1, ee = 99 %, in Methanol/IL-Mischungen[105]
→ TOF = 99 h-1, ee = 99 % und bei der Flüssigphasenhydrierung mit SILP-System
in Isopropanol[25] → TOF = 29 h-1, ee = 97 %). Ein Vergleich der Werte der
Flüssigphasenversuche mit den Werten der Gasphasenversuche ist demnach von
großem Interesse.
In der kontinuierlichen Gasphasenhydrierung (Abbildung 44) wurde nach einer
Aktivierungsphase von 7 h ein Umsatzniveau von ca. 21-22 % (TOFMax = 14,1 h-1)
erreicht. Der Umsatz fiel verglichen mit den anderen Ligandsystemen schnell wieder
ab (ca. 7 h stabil). Die TOF-Werte liegen deutlich unter den in der Literatur
bestimmten. Die Enantioselektivtät zeigte nur zu Beginn erhöhte Werte
(eeMax = 33,2 %), fiel danach deutlich ab und resultierte am Ende des Versuchs in
einem racemischen Produktgemisch. Da die TOF- und ee-Werte in der Gasphase
deutlich unter denen aus der Literatur in der Flüssigphase liegen, besitzt der
Katalysator offensichtlich nur mit zusätzlichem Lösungsmittel gute katalytische
Eigenschaften. Dies macht allerdings seinen Einsatz in der lösungsmittelfreien
Gasphasenreaktion uninteressant.
Abschließend wurde der bereits in der Flüssigphase in dieser Arbeit getestete
bidentate Thiophenphospholan-Komplex in der Gasphase eingesetzt. Er zeigte
sowohl in der asymmetrischen Hydrierung von Methylacetoacetat in Methanol[151]
(ee = 98 %) als auch in reiner ionischer Flüssigkeit ohne Zusatz von Methanol bei
hohen Temperaturen und niedrigen Drücken (ee = 93,9 %, siehe Tabelle 18) sehr
gute katalytische Ergebnisse.
Der zeitliche Verlauf des Umsatzes in der Gasphase bei Einsatz des
Thiophenphospholan-Komplexes (Abbildung 44) ähnelt dem Verlauf des MeO-
BIPHEP-Liganden. Allerdings wurde eine etwas längere Aktivierungsphase von 24 h
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
112
beobachtet. Die stabile Phase (X~16,5 %) dauerte 10 h an. Der Ligand zeigte im
Vergleich zu MeO-BIPHEP und BINAP die niedrigste Aktivität (siehe auch
TON/TOFMax). Die in den Gasphasenversuchen gemessene Enantioselektivitäten
(ee = 82-87 %, stabile Phase) sind im Vergleich zu MeO-BIPHEP und BINAP jedoch
beachtlich. Der ee nimmt im Vergleich zur Flüssigphase nur um 11 % gegenüber
Methanol und um 7 % gegenüber [EMIM][NTf2] ab. Zudem wurde nur eine leichte
Abnahme des ee über die 60 h Versuchsdauer beobachtet.
Zusammenfassend zeigte der bidentate Thiophenphospholan-Ligand in der SILP-
katalysierten Gasphasenhydrierung ohne zusätzliches Lösungsmittel zwar nicht die
höchsten Aktivität, aber eindeutig die besten Enantioselektiväten unter
Gasphasenbedingungen. Alle anderen Liganden zeigten deutlich niedrigere ee-
Werte in der Gasphase verglichen zu Literaturwerten in der Flüssigphase. Dies ist
z. B. durch die für homogene Katalysatoren ungewöhnlichen Versuchsbedingungen
(hohe Temperatur, niedriger H2-Druck, kurze Katalysatorkontaktzeit) zu begründen.
Zusätzlich muss in Betracht gezogen werden, dass ein (möglicherweise aktivierend
wirkenden) Lösungsmittel fehlte und die Katalysator-IL-Träger-Wechselwirkungen
oder schlechte Gaslöslichkeiten Einfluß nehmen.
Eine Aussage über mögliche Ergebnisse der Liganden in Gasphasenversuchen mit
Zusatz von verdampftem Methanol können durch diese Versuchsreihe nicht getroffen
werden. Diese Versuche müssen in Zukunft noch durchgeführt werden. So ist es
nach momentanem Wissensstand sehr wahrscheinlich, dass die meisten
Ligandsysteme in Anwesenheit von Methanol in der Gasphase deutlich bessere
Aktivitäten zeigen.
4.5.3 Detaillierte Untersuchungen der Aktivierungsphase
Bei allen Versuchen mit SILP-Systemen in der kontinuierlichen
Gasphasenhydrierung wurde zu Beginn der Versuche eine Aktivierungsphase des
Katalysators beobachtet. Diese Aktivierungsphase ist durch stetige Zunahme der
Aktivitiät (Umsatz) und der Selektivität gekennzeichnet. Im Folgenden soll diese
Induktionsperiode durch Vorbehandlung des Katalysators untersucht und optimiert
werden.
Ein erster Schritt war die Behandlung des SILP-Katalysators mit Wasserstoff. Das
SILP-System wurde hierfür vor dem Versuch 16 h mit Wasserstoff unter erhöhter
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
113
Temperatur (125°C) gespült. Nach der Vorbehandlung konnte eine deutliche
Reduzierung der Induktionsperiode und einen steileren Anstieg des Umsatzes
verglichen mit unbehandelten SILP-Systemen beobachtet werden. Die Zeit bis zur
stabilen Phase konnte dabei um sieben Stunden von 27 h auf 20 h verkürzt werden
(Abbildung 45).
0 10 20 30 40 50 60 700
5
10
15
20
25
30
35
40
keine VorbehandlungVorbehandlung (16h H
2 )
XM
AA
[%
]
t [h]
Abbildung 45: Umsatz-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA in
der Gasphase mit Wasserstoff-Vorbehandlung (keine Vorbehandlung: TON=292, TOFMax=10,6h-1; mit
Vorbehandlung: TON=303, TOFMax=11,0h-1).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/IL=0,0329mol/mol (3,2Mol-% Ru), Ru/SiO2=
0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, τ=2,35s, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA.
Dieser Aktivierungsprozess kann durch den von Noyori[77] postulierten
Reaktionsmechanismus der Ketohydrierung mit Ru-Komplexen erklärt werden, bei
dem der Katalysatorkomplex erst durch Dissoziation eines Bromids vom
Präkatalysatorkomplex und Koordinierung eines Protons an das Metallzentrum in
den Katalysezyklus als aktiver Katalysator eintritt. Es ist anzunehmen, dass gerade
der Schritt der Protonierung im SILP-System unter niedrigen
Wasserstoffkonzentrationen (Partialdruck H2 = 2,7 bar, pGesamt = 10 bar) deutlich
langsamer verläuft als in einem protischen Lösungsmittel (wie z. B. Methanol) unter
höheren Wasserstoffdrücken (pH2 = 10 bar).
In der Literatur[150] wurde zudem beschrieben, dass die Ausbildung der aktiven
Spezies bei Hydrierung mit Ru-Komplexen erst nach Insertion des β-Ketoesters an
das Metallzentrum ausgebildet wird. Deshalb wurde in einem anschließenden
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
114
Experiment der SILP-Katalysator ein Stunde mit einem Helium-MAA-Strom unter
125°C behandelt, gefolgt von einer 16-stündigen Spülung mit Wasserstoff. Den
Überlegungen zufolge müsste es zu einer deutlichen Reduzierung oder Wegfall der
Induktionsperiode kommen.
0 10 20 30 40 50 60 700
10
20
30
40
50
keine VorbehandlungVorbehandlung (1h MAA, 16 h H
2)
XM
AA [%
]
t [h]
Abbildung 46: Umsatz-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA in
der Gasphase unter Einsatz mit MAA-Wasserstoff-Vorbehandlung (keine Vorbehandlung: TON=412,
TOFMax=14,8h-1; mit Vorbehandlung: TON=365, TOFMax=13,8h-1).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/IL=0,0329mol/mol (3,2Mol-% Ru), Ru/SiO2=
0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, τ=2,35s, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA,
Einsatz O2/H2O-Reinigungspartone für H2 und He.
Abbildung 46 zeigt, dass die so behandelten Katalysatorsysteme immer noch eine
deutlich ausgeprägte Aktivierungsphase aufweisen. Allerdings konnte durch diese
Behandlung die Aktivierungszeit um neun Stunden von 29 h auf 20 h verkürzt
werden und lag damit in gleicher Größenordnung (7 h) wie bei Behandlung mit
reinem Wasserstoff. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass die Spülung mit
Methylacetoacetat keinen größeren Effekt auf die Aktivierungsperiode besitzt oder
der Zeitraum der MAA-Behandlung für eine Aktivierung zu kurz war.
In beiden Versuchsreihen wurde gezeigt, dass die Induktionsperiode durch
Wasserstoffvorbehandlung und Spülung mit MAA verkürzt wurde, jedoch nicht
gänzlich wegfiel.
Neben Wasserstoff kann die Aktivierungsphase durch acide Gruppen (z. B. im
Trägermaterial) beeinflusst werden. Dies wird in Kapitel 4.5.7 näher erläutert.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
115
4.5.4 Untersuchung zum Deaktivierungsverhalten
In der Literatur gibt es etliche Ansätze zur Erklärung des Deaktivierungsverhaltens
von homogenen und immobilisierten Hydrierkatalysatoren (z. B. de Vries et al. und
van Geem und Mitarbeiter[13]). Alle bekannten Deaktivierungsphänomene von
homogenen Katalysatoren sind durch Änderung der Metall-Komplex-Struktur
begründet. Dabei kann es sich um reversible oder irreversible Veränderung handeln.
Für diese Arbeit mögliche Deaktivierungsmechanismen des homogenen
Übergangsmetallkomplexes sind:
- Reversible Deaktivierung verursacht durch Anbindung von Komponenten, die
als Ligand wirken können. Diese „unerwünschten Liganden“ können das
Lösungsmittel selbst oder eine Verunreinigung aus Edukten sein, ebenfalls
denkbar sind die funktionellen Gruppen der Reaktanden. Durch Anbindung zu
vieler Liganden an den Metallkomplex kann es zur Behinderung bestimmter
Schritte im Katalysezyklus (z. B. Bildung des Substrat-Katalysator-Komplexes)
kommen. Werden diese unerwünschten Liganden entfernt, wird die
ursprüngliche katalytische Aktivität gewöhnlich wiederhergestellt.
Für die Hydrierung von MAA mit Ru-Komplexen wären als unerwünschte
Liganden Verunreinigungen im Edukt Methylacetoacetat (z. B. Wasser,
Aldehyd, freie Säure) denkbar.
- Irreversible Deaktivierung kann durch viele Ursachen hervorgerufen werden.
Ein sehr häufiges Problem ist die Ausbildung von Dimeren, Trimeren oder
höheren Clustern, welche deutlich weniger aktiv sind. Dies kann durch
Ligandverlust und durch Brücken-bildende Liganden wie z. B. Wasser,
Halogenide und Acetate verursacht werden. Andere Gründe sind die Oxidation
(z. B. durch Verunreinigungen im Feed) oder der thermische Zerfall eines
Katalysatorkomplexes.
Im vorliegenden Fall könnte eine Deaktivierung durch Ligandverlust (z. B.
Anbindung des Liganden an das Trägermaterial) auftreten. Ebenfalls denkbar
ist die Zersetzung des Ru-Katalysatorkomplexes durch Spuren von Wasser/
Sauerstoff in den Gasströmen und durch die hohen Temperaturen der
Gasphasenversuche.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
116
Die Verwendung von immobilisierten Katalysatorkomplexen bringt weitere mögliche
Deaktivierungsmeachnismen mit sich. Für diese Arbeit kann unter anderen zutreffen:
- Verlust des immobilisierten Katalysatorkomplexes durch Austrag
- Reaktion des Katalysatorkomplexes mit den funktionellen Gruppen (z. B.
Hydroxylgruppen) des Trägermaterials
- Ablagerung von unlöslichem Material (z. B. Hochsiedern) in den Poren des
Trägers, z. B. durch Polymerisations- oder Kondensationsreaktionen
(Porenverblockung) und Anreicherung von organischen Stoffen im ionischen
Flüssigkeitsfilm. Dies bewirkt eine Veränderung der Reaktandenlöslichkeit in
der IL-Schicht und eine Verkleinerung der katalytisch aktiven Oberfläche, bzw.
eine Verlängerung der Diffusionswege.
Es ist daher eine Vielzahl von Deaktivierungsgründen experimentell zu überprüfen,
um Aufschluss über den genauen Deaktivierungsmechanismus zu erhalten und den
SILP-Katalysator vor diesem Einfluss zu schützen.
Durch NMR-Untersuchungen des Katalysatorkomplexes vor und nach der Reaktion
wurde versucht, eine strukturelle Veränderung des Komplexes zu verfolgen. In
mehreren Versuchen wurde nach der Reaktion unter Luftausschluss der
Übergangsmetallkomplex durch Lösungsmittel aus dem IL-Film vom Silikaträger
herunter gewaschen, danach aufkonzentriert und in 31P- und 13C-NMR-Messungen
untersucht. Auf Grund der niedrigen Katalysatorkonzentration auf dem Träger,
bedingt durch die begrenzte Verfügbarkeit des chiralen Liganden, konnten jedoch
keine zuverlässigen Aussagen durch die NMR-Messungen getroffen werden.
In einem weiteren Experiment wurde eine mögliche reversible Deaktivierung durch
eine Porenverblockung oder Anbindung von Verunreinigungen untersucht. Hierfür
wurde nach 47-stündiger Versuchsdauer (bereits in der Deaktivierungsphase) die
MAA-, He- und H2-Zudosierung unterbrochen und Hochvakuum (1 mbar) angelegt,
um mögliche Hochsieder aus den Poren des Trägermaterials und IL-Film zu
entfernen. Nach achtstündiger Vakuumpause wurde die Reaktion durch Zudosierung
der Reaktanden wieder gestartet (Abbildung A 23). Es wurde kein sprunghafter
Anstieg des Umsatzes oder der Selektivität beobachtet und folglich kann eine
reversible Deaktivierung ausgeschlossen werden.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
117
In einer weiteren Versuchsreihe mit hohem Ligandüberschuss (zehnfach) wurde
getestet, ob es bei den geträgerten Systemen zu einem Ligandverlust am
Metallzentrum durch Anbindung an die Trägeroberfläche (z. B. Wechselwirkung der
Hydroxylgruppen des Trägers mit dem Liganden) und damit zu einer möglichen
Ausbildung von höheren Clustern kommt. Dieser Effekt wurde in der Literatur[167] bei
der SILP-katalysierten Hydroformylierung in der Gasphase mit dem Trägermaterial
Silika beobachtet. Die Experimente mit zehnfachem Ligandüberschuss zeigten aber
verglichen mit zweifachem Ligandüberschuss keine Veränderung im
Deaktivierungsverhalten (Abbildung A 24 und Abbildung A 25). Lediglich eine
Verzögerung der Aktivierungsphase, hervorgerufen durch die erhöhte Ligandmenge,
war bei dem Verlauf mit zehnfachem Ligandverhältnis zu beobachten. Eine
Stabilisierung des Katalysatorkomplexes durch Überschuss des chiralen Liganden ist
also nicht möglich. Es kann ein deutlicher katalytischer Einfluss durch eine
irreversible Anbindung des chiralen Liganden an das Trägermaterial ausgeschlossen
werden.
Der Austrag eines verankerten Katalysatorkomplexes in den Produktstrom ist ein
weiteres wichtiges Phänomen für fallende Aktivitäten/Selektivitäten in
kontinuierlichen Prozessen mit immobilisierten Katalysatoren. Allerdings scheint
dieser Austrag bei SILP-Systemen in der Gasphase eher unwahrscheinlich. Dennoch
wurde zur Überprüfung die Kondensatphase auf Spuren von Katalysator und
ionischer Flüssigkeit mit NMR und ICP-AES untersucht. Dabei deuteten die 1H-, 13C-, 19F- und 31P-NMR-Spektren (Nachweisgrenze ca. 2 Gew.-%) nicht auf ein Leaching
hin. Ebenso wurde bei den ICP-AES-Messungen kein Leaching von Ruthenium
(Katalysator), Phosphor (Ligand) oder Schwefel (Ligand und ionische Flüssigkeit) in
der kondensierten Produktphase detektiert (Nachweisgrenze: 1 ppm). Zusätzlich
wurde der Austrag des an das Metallzentrum gebundenen Br-Liganden untersucht.
Durch Abspaltung dieses Liganden wäre ein Stabilitätsverlust des
Übergangsmetallkomplexes denkbar. Zum Nachweis wurde der Gasstrom durch eine
angesäuerte und wässrige Lösung von Silbernitrat durchgeleitet. Es wurde kein
Niederschlag (kein messbarer Austrag von Bromid, Bromwasserstoff) während des
Versuchs beobachtet.
Ein weiterer möglicher Deaktivierungsgrund ist, dass der Ligand-Katalysatorkomplex
durch kontinuierlichen Eintrag von Verunreinigungen aus den Eduktströmen oxidiert
werden kann. Aufschluss darüber sollte ein Versuch mit erhöhter Ruthenium-
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
118
Beladung geben, in dem das Deaktivierungsverhalten über einen längeren
Reaktionszeitraum beobachtet werden konnte (Abbildung 47). Bei diesem Versuch
ist anzumerken, dass bei diesen hohen Katalysatorkonzentrationen
(0,263 mol Ru/mol IL, 20,9 Mol-% Ru) der Komplex nicht komplett homogen in der
ionischen Flüssigkeit gelöst werden konnte (Löslichkeitsgrenze bei 125°C:
0,132 mol Ru/mol IL, 11,7 Mol-% Ru) und deshalb die Katalysatorkonzentration nicht
zehnfach höher war. Tatsächlich wurde bei dem Verlauf des SILP-Katalysators mit
höherer Ru-Beladung eine deutlich langsamere Deaktivierung beobachtet, erkennbar
an dem flacheren Abfall des Umsatzes (Abbildung 47). Der Katalysator war über 200
Stunden aktiv.
0 25 50 75 100 125 150 175 200 2250
10
20
30
40
50
60
70
0,38 Gew.-% Ru3,8 Gew.-% Ru
XM
AA
[%
]
t [h]
Abbildung 47: Umsatz-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA in
der Gasphase mit Variation der Ruthenium-Beladung (0,38 Gew.-% Ru: TON=498, TOFMax=18,4h-1;
3,8 Gew.-% Ru: TON=397, TOFMax=3,4h-1).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=1, 125°C, 10bar, 5000rpm, τ=2,35s, 200Nml/min He,
75Nml/min H2, 0,25g/h MAA.
Diese Beobachtungen geben einen möglichen Hinweis auf eine langsame
Deaktivierung, hervorgerufen durch kontinuierlichen Eintrag von Verunreinigungen
durch die Eduktströme oder durch kontinuierlichen Abbau der aktiven
Katalysatorspezies. Es werden zwar für die Gasphasenversuche Edukte mit sehr
hoher Reinheit eingesetzt – z. B. Helium 4.6 (99,996 %), Wasserstoff 5.0 (99,999 %)
und MAA 99 % – doch durch die kontinuierliche Fahrweise können vor allem durch
hohen Gasdurchsatz die Verunreinigungen akkumuliert werden. Helium 4.6 enthält
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
119
laut Herstellerangaben max. 5 ppm Wasser und Sauerstoff, Wasserstoff 5.0 max.
2 ppm Sauerstoff und 5 ppm Wasser. Berechnet man die über 60 h durch den
Trägergasstrom Helium und den Reaktanden Wasserstoff eingetragene molare O2-
und H2O-Menge und setzt sie ins Verhältnis zu der eingesetzten molaren Menge an
Ruthenium, so wird die 4,9-fache molare Menge an Sauerstoff (mol O2/mol Ru) und
die 5,8-fache Menge an Wasser (mol H2O/mol Ru) ins System eingetragen. Mögliche
Deaktivierungsmechanismen wären folglich eine Oxidation des chiralen
Übergangsmetallkomplexes durch den eingetragenen Sauerstoff und eine Anbindung
des Wassers (hohe Koordinationsneigung) an eine freie Bindungsstelle im
Katalysatorkomplex. Weitere Deaktivierungsmechanismen könnten eine
Verseifungsreaktion des Esters mit Wasser und die Entstehung der freien Säure und
Anbindung dieser an den Katalysatorkomplex sein. Auf Grund dieser Erkenntnisse
wurde zur Aufreinigung der Gasströme Festbett-Reinigungskartuschen (OXISORB®,
Messer Griesheim, garantierte Endreinheit: Sauerstoff < 5 ppb, Wasser < 30 ppb)
sowohl in die Zuleitung von Wasserstoff als auch Helium eingebaut. Die Ergebnisse
des Versuchs mit aufgereinigten Gasströmen sind in Abbildung 48 dargestellt.
0 10 20 30 40 50 60 70 800
10
20
30
40
50
t [h]
XM
AA
[%]
ohne O2/H
2O-Reinigungskartusche
mit O2/H
2O-Reinigungskartusche
Abbildung 48: Umsatz-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA in
der Gasphase mit Einsatz O2/H2O-Reinigungspartone für H2 und He (keine Gasreinigung: TON=292,
TOFMax=10,6h-1; mit Gasreinigung: TON=412, TOFMax=14,8h-1).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/IL=0,0329mol/mol (3,2Mol-% Ru), Ru/SiO2=
0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, τ=2,35s, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA,
Einsatz O2/H2O-Reinigungspartone für H2 und He.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
120
Es wurde bei diesem Versuch einen Anstieg des Maximal-Umsatzes von 17,7 %
ohne Gasaufreinigung auf 24,6 % mit Gasreinigung beobachten. Die Steigerung des
Umsatzes wird durch eine höhere Anzahl noch aktiver Zentren, resultierend durch
Entfernung von O2 und H2O, nach der Aktivierungsphase hervorgerufen. Die stabile
Phase, in beiden Versuchen 9 h, konnte jedoch durch Reduzierung der
Verunreinigungen nicht verlängert werden. Auf Grund dessen muss ein weiterer
Effekt für die Deaktivierung des Katalysatorkomplexes verantwortlich sein.
Ein zusätzlicher Gesichtspunkt ist die bis jetzt noch nicht berücksichtigten
Verunreinigungen im Substrats Methylacetoacetat. Die industrielle Herstellung von
Methylacetoacetat erfolgt ausgehend von Acetaldehyd via Essigsäure, Keten und
Diketen.[168] Dadurch ist im späteren Endprodukt eine Verunreinigung durch Aldehyd
und freier Säure zu erwarten. Durch eine Hochvakuumbehandlung (RT, 1 mbar)
lassen sich leichtflüchtige Komponenten aus dem käuflich erworbenen MAA
entfernen. Das aufgereinigte MAA zeigte jedoch keine Verbesserung bei Einsatz in
den Gasphasenversuchen hinsichtlich der Stabilität.
Weitere denkbare Deaktivierungsursachen sind der negative Einfluss von Träger-
Katalysator-Wechselwirkungen und die thermische Deaktivierung. Diese beiden
Effekte werden näher in den Kapiteln 4.5.5 und 4.5.7 untersucht.
4.5.5 Einfluss der Reaktionstemperatur
Motivation dieser Experimente war, den Einfluss der Temperatur besonders auf
Enantioselektivität und Stabilität in der Gasphasenreaktion zu testen, da der in dieser
Arbeit verwendete Übergangsmetallkomplex in der Literatur[151] bei deutlich
niedrigeren Temperaturen (80°C) eingesetzt wurde. Limitierender Faktor bei dieser
Versuchsreihe ist die Notwendigkeit zur vollständigen Verdampfung des Substrats
bei niedrigeren Reaktionstemperaturen. Deshalb wurde die Substratkonzentration
um 50 % auf 0,125 g/h reduziert. Zum Vergleich ist in Abbildung 49 zusätzlich der
Umsatz-ee-Verlauf für einen höheren Substratfluss von 0,25 g/h bei 125°C
eingezeichnet.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
121
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
10
20
30
40
50
60
70
80
90
t [h]
XM
AA
[%
] T = 105°C, V
MAA = 0,125g/h
T = 125°C, VMAA
= 0,125g/h
T = 125°C, VMAA
= 0,25g/h
0 20 40 60 80 100 120 1400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
T = 105°C, VMAA
= 0,125g/h
T = 125°C, VMAA
= 0,125g/h
T = 125°C, VMAA
= 0,25g/h
t [h]
ee
R:S
[%
]
Abbildung 49: Umsatz- Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten
kontinuierlichen Hydrierung von MAA in der Gasphase bei Variation der Reaktionstemperatur
(105°C, 0,125g/h: TON=518, TOFMax=7,8h-1; 125°C, 0,125g/h: TON=843, TOFMax=16,3h-1, 125°C,
0,25g/h: TON=412, TOFMax=14,8h-1).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/IL=0,0329mol/mol (3,2Mol-% Ru), Ru/SiO2=
0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 10bar, 5000rpm, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, Einsatz O2/H2O-
Reinigungspartone für H2 und He.
Bei 105°C wurde eine sehr lang andauernde Aktivierungsphase von 63 h im
Vergleich zu 28 bzw. 31 h bei den beiden Versuchen bei 125°C gemessen. Die
Aktivierung und Ausbildung der aktiven Katalysatorspezies hängt somit stark von der
Reaktionstemperatur ab. Die niedrigeren Maximal-Umsätze (57,9 % bei 125°C vs.
27,6 % bei 105°C) und folglich niedrigeren TOF-Werte lassen sich durch die
geringere Aktivität bei niedriger Temperatur erklären. Nach der Induktionsphase
zeigte der Katalysator deutlich länger stabile Umsätze (15 h bei 125°C vs. 30 h bei
105°C). Signifikant ist der sehr unterschiedliche Verlauf der Enantioselektivitäten bei
den beiden Reaktionstemperaturen. So wurden nicht nur höhere ee-Werte bei 105°C
(88 % im Gegensatz zu 80 %) beobachtet, auch der Abfall über 160 h war
verhältnismäßig gering (ee-Verlust = 14 % bei 105°C, ee-Verlust = 26 % bei 125°C).
Als Ergebnis lässt sich festhalten, dass die Temperatur einen starken Einfluss auf
Stabilität und Selektivität der SILP-Systems hat und es besteht die Vermutung, dass
gerade der chirale Ligand durch zu hohe Reaktionstemperaturen in der Gasphase
schneller zersetzt wird.
Bemerkenswert ist die bei dem Versuch bei 125°C und mit einer MAA-Flussrate von
0,125 g/h resultierende Turn-Over-Number von 843. Sie liegt nach Quellenangaben
von Blaser[13,47] im Bereich der für die industrielle Produktion von hochwertigen
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
122
Produkten geforderten Turnover-Number von 1000. Jedoch wurde in den
Gasphasenversuchen eine deutlich geringere Turnover-Frequency von 16,3 h-1
verglichen zu den Anforderungen der Industrie (TOF = 200 h-1) beobachtet. Ein
Grund für die niedrigen TOF-Werte in den Gasphasenversuchen ist der niedrige
MAA-Strom, da größere Substratströme nur bei höheren Temperaturen verdampfbar
sind. Ferner können die niedrigen katalytischen Aktivitäten auf die kurzen
Katalysatorkontaktzeiten in der Gasphase zurückgeführt werden. Zudem resultieren
aus der Rückvermischung der Gasphase im Berty-Reaktor niedrigere
Gesamtumsätze. Im Experiment bei gleicher Temperatur (125°C) mit erhöhter
Menge von MAA (0,25 g/h) wurde eine deutlich niedrigere TON von 412 gemessen.
Damit zeigte der Katalysatorkomplex im verdünnten System eine höhere katalytische
Produktivität. Allerdings liegen die katalytische Aktivität in ähnlicher Größenordnung
(TOF = 14,8 h-1 vs. 16,3 h-1).
In einem weiteren Experiment zum Einfluss der Reaktionstemperatur (Abbildung 50)
wurde nach Aktivierung des Katalysatorkomplexes die Temperatur stufenweise
(105°C, 115°C und 125°C) variiert.
62 64 66 68 70 72 74 76 78 8020
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
70
75
80
85
90
95
eeR
:S [%
]XM
AA
[%
]
t [h]
105°C 115°C 125°C
Abbildung 50: Umsatz-Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten
kontinuierlichen Hydrierung von MAA in der Gasphase bei Variation der Reaktionstemperatur (105,
115 und 125°C).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/IL=0,0329mol/mol (3,2Mol-% Ru), Ru/SiO2=
0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 10bar, 5000rpm, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,125g/h MAA, Einsatz O2/H2O-
Reinigungspartone für H2 und He.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
123
Die schon in der Versuchsreihe zuvor beobachteten Tendenzen werden in dem
Verlauf bestätigt. Eine Erhöhung der Reaktionstemperatur steigerte den Umsatz
(XMittel: 27,5 % → 29,1 % → 33,8 %) und reduzierte die Enantioselektivität (eeMittel:
90,3 % → 86,7 % → 85,2 %). Aus den Daten lässt sich eine Aktivierungsenergie von
knapp 15 kJ/mol bestimmen, die deutlich unter der in Methanol gemessenen liegt
(76,3 kJ/mol). Dies kann eindeutig auf eine teilweise Deaktivierung des Katalysators
bei 115°C und 125°C (siehe auch Kurvenabfall am Ende der Messung und
Referenzwert aus Abbildung 49) und somit auf die Bestimmung durch Deaktivierung
verfälschten kinetischer Daten zurückgeführt werden. Eine detaillierte kinetische
Untersuchung der SILP-katalysierten Gasphasenversuche ist auf Grund der raschen
Deaktivierung bis zum heutigen Standpunkt nicht möglich.
4.5.6 Einfluss der ionischen Flüssigkeit im SILP-System
In der SILP-Katalyse spielt der ionische Flüssigkeitsfilm, in dem der
Katalysatorkomplex homogen gelöst ist, eine entscheidende Rolle. Er beeinflusst
nicht nur durch Koordinierung und durch Stabilisierung die Aktivität und Stabilität des
Katalysatorkomplexes, sondern nimmt zudem noch Einfluss auf den Stofftransport
und kann deshalb gezielt Selektivitäten bei unterschiedlicher Löslichkeit von
Reaktanden steuern. Deshalb wurde in Experimenten eine Variation des Kations und
Anions der eingesetzten ionischen Flüssigkeit durchgeführt. Zusätzlich wurde die IL-
Beladung (=Filmdicke) des SILP-Katalysators variiert.
4.5.6.1 Variation der Anionen und Kationen der ionischen Flüssigkeit
In dieser Versuchsreihe sollten zwei ganz unterschiedliche Aspekte untersucht
werden. Zu einem wurde durch Wahl des [PEG]+-Kations eine Verbesserung der
katalytischen Aktivität und Selektivität durch Erhöhung der Wasserstofflöslichkeit und
zum anderen durch die Wahl des Anions [FAP]- der Effekt eines besonders schwach
koordinierenden Anions untersucht. Die beiden Ionen sind in Abbildung 51
dargestellt.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
124
N NBu O
O
2
P
CF2
F
F
F2C
F
CF2
CF3
CF3
F3C
[1] [2]
Abbildung 51: Verwendetes Kation [1] = 1-(2-(2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy)ethyl)-3-
butylimidazolium, kurz: [PEG]+ und Anion [2] = Tris(perfluoroalkyl)trifluorophosphat, kurz: [FAP]-.
In Abbildung 52 sind die Ergebnisse dieser Kation- und Anionvariation verglichen mit
dem Referenzversuch unter Verwendung von [EMIM][NTf2] dargestellt.
0 10 20 30 40 50 60 70 800
5
10
15
20
25
30
[EMIM][NTf2]
[PEG][NTf2]
[EMIM][FAP]
XM
AA
[%
]
t [h]
0 10 20 30 40 50 60 70 8040
50
60
70
80
90
100
[EMIM][NTf2]
[PEG][NTf2]
[EMIM][FAP]
ee
R:S
[%
]
t [h]
Abbildung 52: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA
in der Gasphase unter Verwendung verschiedener ionischer Flüssigkeiten ([EMIM][NTf2]: TON=292,
TOFMax=10,6h-1, [PEG][NTf2]: TON=172, TOFMax=5,4h-1, [EMIM][FAP]: TON=59, TOFMax=3,3h-1).
Reaktionsbedingungen:
Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/SiO2=0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm,
τ=2,35s, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA.
Zuerst werden die Ergebnisse für das [PEG][NTf2]-basierte System diskutiert.
Hintergrund dieser Untersuchung ist die geringe Wasserstofflöslichkeit in ionischen
Flüssigkeiten verglichen zu organischen Lösungsmitteln.[169] Wie in Kapitel 2.3.2.1
schon erwähnt, hat eine schlechte Löslichkeit des Wasserstoffs und folglich eine
niedrige Wasserstoffkonzentration am Katalysator einen enormen Einfluss auf
Aktivität und Selektivität. Durch Einsatz einer ionischen Flüssigkeit mit guten H2-
Lösungseigenschaften kann möglicherweise eine deutliche Aktivitäts- und
Selektivitäts-Steigerung erreicht werden. Die funktionalisierte ionische Flüssigkeit
[PEG][(BuO)2PO2] (molare Henry-Konstante = 69 MPa bei 303 K)[170] weist sehr gute
Wasserstofflöslichkeiten im Vergleich zum [EMIM[NTf2] (molare Henry-
Konstante = 153 MPa bei 303 K)[171] auf. Durch Austausch des stark koordinierenden
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
125
Anions [(BuO)2PO2] mit [NTf2] wird ebenfalls eine ionische Flüssigkeit mit hoher
Wasserstofflöslichkeit erwartet.
Die Umsatz- und Selektivitätsverläufe für [PEG][NTf2]-basierte SILP-Katalysatoren
zeigten allerdings nicht die erhofften, verbesserten Ergebnisse. Die deutlich
niedrigeren Maximalumsätze (9,2 % vs. 17,7 %) korrespondierten mit geringeren ee-
Werten (~80 % vs. ~85 %). Die schlechteren Ergebnisse lassen sich durch eine
möglichen negativen Einflusses des [PEG]+-Kations auf das chirale
Katalysatorsystem erklären. Dass der Effekt der verbesserten Wasserstofflöslichkeit
sich nicht deutlich in den Ergebnissen bemerkbar macht, kann auch daran liegen,
dass bei den Versuchen stets mit einem 93,2-fachen molaren Überschuss
(Wasserstoff/Methylacetoacetat) gearbeitet wurde und daher die Gaslöslichkeit nicht
so massiv ins Gewicht fällt wie ursprünglich angenommen.
In einem zweiten Versuch wurde das sehr schwach koordinierende [FAP]-Anion mit
geringer Viskosität und ausgezeichneter hydrolytischer Stabilität untersucht.[172] Auf
Grund der geringen Koordinationsstärke wurde erhofft, dass bessere Stabilitäten in
der Gasphase erreicht werden können. Die Umsatzkurve (XMax = 6 % vs. 17,7 %)
stieg zwar etwas früher an, jedoch begann nach einer Versuchszeit von 19 h bereits
die Deaktivierung (Abbildung 52). Besonders auffällig sind die schlechten
Enantioselektivitäten im Bereich von 70 % die bei Verwendung dieser IL gemessen
werden. Aus den Resultaten lässt sich schließen, dass eine schwächere
Koordinationsneigung des [FAP]-Anions nicht die erwartete positive Auswirkung hat.
Im Gegenteil, der Katalysatorkomplex deaktiviert möglicherweise auf Grund
fehlender stabilisierender Wirkung oder besserer Löslichkeit von Verunreinigungen
(z. B. Sauerstoff) in [EMIM][FAP] deutlich früher.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der dünne IL-Film große
Auswirkung auf den Katalysatorkomplex bei der asymmetrischen
Gasphasenhydrierung besitzt. Der deutliche Einfluss der ionischen Flüssigkeit auf die
katalytische Aktivität wurde schon in der Flüssigphasenhydrierung in MeOH/IL-
Systemen beobachtet (siehe Kapitel 4.4). Die besten Ergebnisse in der
Gasphasenhydrierung wurden bei der Immobilisierung in der kurzkettigen IL
[EMIM][NTf2] erzielt. Durch ein weiteres Screening von verschiedenen ionischen
Flüssigkeiten ist es jedoch denkbar, dass noch weitaus bessere Vertreter für die
Gasphasenhydrierung gefunden werden können. Auch ein Einsatz von chiralen
ionischen Flüssigkeiten wäre hier denkbar.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
126
4.5.6.2 Untersuchungen zum Einfluss der IL-Beladung
Die Filmdicke (resultierend aus der IL-Beladung) eines SILP-Materials stellt eine
entscheidende Einflussgröße auf die Aktivität des Katalysatorkomplexes dar. Zu
geringe Mengen an ionischer Flüssigkeit haben meist eine unvollständige Benetzung
der porösen Oberfläche und/oder eine unvollständige Lösung des homogenen
Übergangsmetallkomplexes zur Folge. Zu hohe Beladungen und damit sehr dicke
Filmschichten können die Diffusion der Reaktanden zum Katalysatorkomplex hin
erschweren (Stofftransportlimitierung) oder die katalytische Oberfläche durch Flutung
der Poren verkleinern.
Deshalb wurde in den folgenden Experimenten ein SILP-System ohne ionischen
Flüssigkeitsfilm, mit einer IL-Porenvolumen-Beladung von 40 % (entspricht einer
theoretischen Filmdicke von d = 0,20 nm = 2 Å), 80 % (d = 0,41 nm = 4 Å) und 100 %
(d = 0,51 nm = 5 Å) in der Gasphase vergleichend untersucht. In einer
Vorversuchsreihe wurde die Löslichkeit des Katalysatorkomplexes bei RT
(3,2 Mol−% Ru, entspricht bei 0,38 Gew.-% Ru α = 0,8) und bei der
Reaktionstemperatur von 125°C (11,7 Mol−% Ru, α = 0,2) bestimmt. Damit kann die
Beladung an ionischer Flüssigkeit im Vergleich zum Porenvolumen bis zu einem
Minimalwert von 20 % reduziert werden, um bei einer Reaktionstemperatur von
125°C den Ru-Komplex noch vollständig zu lösen. Abbildung 53 zeigt den Einfluss
der IL-Menge im SILP-System auf Umsatz und Enantioselektivität.
0 10 20 30 40 50 60 70 800
5
10
15
20
25
30
35
40
α = 1.0 α = 0.8 α = 0.4 α = 0
XM
AA
[%]
t [h]
0 10 20 30 40 50 60 70 8040
50
60
70
80
90
100
α = 1.0 α = 0.8 α = 0.4
ee
R:S
[%
]
t [h]
Abbildung 53: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA
in der Gasphase mit Variation der IL-Beladung (αααα=0,4: TON=127, TOFMax=5,6h-1, αααα=0,8: TON=292,
TOFMax=10,6h-1, α α α α=1: TON=498, TOFMax=18,4h-1).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, Ru/SiO2=0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm,
τ=2,35s, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
127
Ein wichtiges Ergebnis dieser Versuchsreihe ist die Tatsache, dass Silika imprägniert
mit dem verwendeten Ru-Komplex ohne ionische Flüssigkeit keine katalytische
Aktivität besitzt. Demnach zeigte der chirale Katalysatorkomplex nur in gelöster Form
Aktivität. Zudem konnte bei Erhöhung der IL-Menge eine Steigerung des Umsatzes
beobachtet werden (XMax = 11,5 % bei α = 0,4, 17 % bei α = 0,8 und 33 % bei
α = 1,0) sowie eine leichte Verzögerung der Aktivierung bei einer kleinen Mengen an
IL (33h bei α = 0,4 vs. 25h α = 0,8/1). Der Grund für die bessere Aktivität des
Katalysatorkomplexes bei vollständiger Flutung der Poren mit ionischer Flüssigkeit ist
noch nicht näher untersucht. Wahrscheinlich schützt der dicke ionische
Flüssigkeitsfilm den Katalysator vor chemischen Wechselwirkungen mit der
Trägeroberfläche. Außerdem können Verunreinigungen, die zur Deaktivierung des
Katalysators führen, eine geringere Löslichkeit im IL-Film besitzen.
Die Enantioselektivität wurde durch die unterschiedliche Filmdicke kaum beeinflusst
und zwischen 20-30 h wurden ee-Werte in gleicher Größenordnung gemessen.
Lediglich nach 30 h Versuchszeit war ein schnellerer Abfall der Enantioselektivität bei
einer Beladung von 40 und 100 % zu beobachten.
Zusammenfassend lässt sich ein signifikanter Einfluss der IL-Beladung auf die
Aktivität des SILP-Katalysators bei der Gasphasenhydrierung von Methylacetoacetat
feststellen.
4.5.7 Einfluss verschiedener Trägermaterialen und der Acidität
Nachdem in der letzten Versuchsreihe der Einfluss des IL-Films auf die Aktivität und
Selektivität diskutiert wurde, wird in diesem Kapitel der Fokus auf die Auswirkungen
des Trägermaterials gelegt. Dabei wurde in erster Linie die Auswirkung von aciden
Oberflächengruppen untersucht. Diese aciden Hydroxylgruppen standen im
Verdacht, den Katalysatorkomplex durch Anbindung an das Metallzentrum
irreversibel zu deaktivieren (siehe SILP-katalysierten Hydroformylierung[125]). Deshalb
wurden in einer ersten Versuchsreihe (Abbildung 54) verschieden acide Silika-
Trägermaterialien getestet (Tabelle 20).
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
128
Tabelle 20: NH3-TPD-Messungen von silanisierten, kalzinierten und trockenen Silika-Trägern.
Träger
Oberflächenacidität a)
[µµµµmol/g]
Silika 60, silan.b) 43,23
Silika 30, kalz.c) 159,16
Silika 30, trockend) 276,35
a) NH3-TPD-Messung (Temperaturprogrammierte Desorption, Messmethode siehe Kapitel 6.5); b) Silanisierung:
Behandlung mit Dichlorodimethylsilan; c) Kalzinierung: 20h, 400°C; d) Trocknung: 20h, 100°C und
Hochvakuum.
0 10 20 30 40 50 60 700
5
10
15
20
25
30
silanisiertes SiO2
kalziniertes SiO2
trockenes SiO2
XM
AA [
%]
t [h]
0 10 20 30 40 50 60 70
10
20
30
40
50
60
70
80
90
silanisiertes SiO2
kalziniertes SiO2
trockenes SiO2
ee
R:S
[%
]
t [h]
Abbildung 54: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA
in der Gasphase unter Verwendung von unterschiedlichen Silikaträgern (silan.SiO2: TON=70,
TOFMax=2,9h-1, kalz. SiO2: TON=292, TOFMax=10,6h-1, trock. SiO2: TON=390, TOFMax=11,6h-1).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30/60, L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/SiO2=0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm,
τ=2,35s, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA.
Wurde silanisiertes Silika mit sehr niedriger Oberflächenacidität als Trägermaterial
eingesetzt, so wurde überraschenderweise eine geringe katalytische Aktivität in der
asymmetrischen Hydrierung (XMax = 5,8 %) beobachtet. Die Aktivität konnte deutlich
gesteigert werden, wenn Trägermaterialien mit höherer Acidität (kalziniertes Silika:
XMax = 17,7 %, trockenes Silika: XMax = 20,4 %) verwendet wurden. Zusätzlich wurde
die Aktivierungsphase bei Einsatz von nicht-kalziniertem Silika verkürzt (19 h zur
vollen Aktivierung vs. 27 h, Abbildung 54) und die Stabilität leicht erhöht. Diese
Beobachtung lässt schlussfolgern, dass die Oberflächenacidität des Trägermaterials
keinesfalls einen negativen, sondern einen positiven Effekt auf die katalytische
Aktivität hat. Die Verkürzung der Aktivierungsphase kann durch die schnellere
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
129
Hydridinsertation wie von Noyori[77] beschrieben erklärt werden. Die höheren
Aktivitäten zeigen Analogien zu der in der Literatur von Wolfson[84] beschriebenen
Steigerung der Aktivität unter aciden Reaktionsbedingungen durch vereinfachte
Protonierung der Carbonylgruppe des Substrats. Ebenfalls konnte einen Einfluss der
Acidität des Trägermaterials auf die Enantioselektivät beobachtet werden. Während
beim Einsatz von kalziniertem und nicht-kalziniertem Silika der ee in der stabilen
Phase zwischen 80-85 % lag, wurde bei Verwendung von silanisiertem Silika der ee-
Wert auf 70 % reduziert.
Auf Grund der positiven Ergebnisse bei Verwendung von aciden Trägermaterialien
wurde eine weitere Erhöhung der Acidität im Katalysatorsystem untersucht
(Abbildung 55). Zum einem wurde dabei eine größere Menge an nicht-kalziniertem
Silika bei gleich bleibender Katalysatorkonzentration eingesetzt, zum anderen wurde
unter das fertig-synthetisierte SILP-System ein acider Ionentauscher
(Amberlite®IR−120, stark saurer Kationenaustauscher, Matrix: Styrol−DVB,
funktionelle Gruppe: Sulfonsäure, Lieferform: H+, Totale Kapazität: 1,80 eq/l)
gemischt.
0 10 20 30 40 50 60 70 800
5
10
15
20
25
30
35
t [h]
XM
AA [
%]
kalz. SiO2 (1g)
tr. SiO2 (1.2g)
kalz. SiO2 (1g) + 0.3g Amberlite® IR-120
0 10 20 30 40 50 60 700
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
kalz. SiO2 (1g)
tr. SiO2 (1.2g)
kalz. SiO2 (1g) + 0.3g Amberlite® IR-120
t [h]
ee
R:S
[%
]
Abbildung 55: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA
in der Gasphase mit Variation der Oberflächenacidität (kalz.SiO2: TON=412, TOFMax=14,9h-1, tr. SiO2:
TON=360, TOFMax=13,2h-1, SiO2+Ionentauscher: TON=300, TOFMax=10,3h-1).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8, 125°C, 10bar, 5000rpm, τ=2,35s, 200Nml/min He,
75Nml/min H2, 0,25g/h MAA, Einsatz O2/H2O-Reinigungspartone für H2 und He.
Der Versuch mit höherer Menge an getrocknetem Silika resultierte in einer
Verkürzung der Induktionsperiode um 9 h (Abbildung 55). Dieser Effekt wurde in der
vorherigen Versuchsreihe schon mit getrocknetem Silika beobachtet. Es wurde
allerdings keine Aktivitätssteigerung (tr. SiO2: TOFMax = 13,2 h-1 vs kalz. SiO2:
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
130
TOFMax = 14,9 h-1) und sogar ein früherer Abfall der Aktivität gemessen.
Möglicherweise wird der positive Einfluss der aciden Oberflächengruppen durch
verstärkte Träger-Katalysator-Wechselwirkungen kompensiert. Interessant sind auch
die Beobachtungen bei dem Experiment mit zusätzlichem aciden Ionentauscher. Es
wurde hier ein Aktivitätsabfall im Vergleich zu dem Versuch mit kalz. Silika
beobachtet. Da der verwendete Ionentauscher nur mit einem Feuchtigkeitsgehalt von
53-58 % erhältlich war, kann dieser Aktivitätseinbruch möglicherweise durch eine
Deaktivierung des Katalysatorkomplexes zu Beginn des Versuchs durch Reaktion mit
Feuchtigkeit hervorgerufen worden sein. Dennoch wurde sowohl bei dem Versuch
mit erhöhter SiO2-Menge sowie mit zusätzlichem Ionentauscher bei 70 h ein höherer
Umsatz (2,2-3,4 %) im Vergleich zu dem Versuch mit kalz. SiO2 (1,1 %) gemessen.
Beachtliche Unterschiede ergaben sich bei den Verläufen der Enantioselektivitäten.
Zwar konnten zu Beginn höhere ee-Werte für den kalzinierten Träger beobachtet
werden, doch ab einer Versuchszeit von 20 h zeigten die Systeme mit erhöhtem
Silika-Anteil und zusätzlichen Ionentauscher deutlich höhere und stabilere
Enantioselektivitäten (z. B. ee bei 65 h: 71,9 bzw. 80,6 % vs. 56,9 %).
Zusätzlich wurde noch der Einsatz eines inerten Kohlenstoff-basierten
Trägermaterials getestet (Aktivkohle, Merck KGaA). Allerdings wurden nur sehr
geringe Aktivitäten und Enantioselektivitäten beobachtet (Abbildung A 26 und
Abbildung A 27). Ob dies durch die fehlenden aciden Oberflächengruppen oder die
schlechte Benetzbarkeit der Aktivkohle hervorgerufen wurde, bleibt noch zu
untersuchen.
Zusammenfassend konnte in dieser Versuchsreihe gezeigt werden, dass acide
Träger keinesfalls wie in Analogie zur SILP-katalysierten Hydroformylierung[125]
erwartet einen negativen Einfluss auf das Ru-basierte Katalysatorsystem haben.
Vielmehr kann durch die aciden Träger die Aktivierungsphase verkürzt und im
begrenzten Maße der ee stabilisiert werden.
4.5.8 Einfluss des H-aciden Aktivators Methanol
Die chiralen Übergangsmetallkomplexe, die in der asymmetrischen Hydrierung als
Katalysatoren eingesetzt werden, zeigen – wie ausführlich in Kapitel 2.3 beschrieben
– vor allem in alkoholischen/protischen Lösungsmitteln sehr gute katalytische
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
131
Aktivitäten und Enantioselektivitäten. Dies konnte auch mehrfach in dieser Arbeit
belegt werden (siehe auch Kapitel 4.2 und 4.3). Ein weiterer positiver Nebeneffekt ist
die Erhöhung der Wasserstofflöslichkeit im ionischen Flüssigkeitsfilm durch das
Additiv Methanol. Deshalb war es Ziel dieses Versuchs, den Einfluss einer
zusätzlichen kontinuierlichen Dosierung von gasförmigem Methanol zu testen.
Insbesondere hinsichtlich Stabilität und Enantioselektivität wurden positive
Auswirkungen erwartet. Der Umsatz-ee-Zeit-Verlauf mit der kontinuierlichen
Methanol-Dosierung ist in Abbildung 56 dargestellt.
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
t [h]
XM
AA
[%]
reines MAAmit Additiv MeOH
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
reines MAAmit Additiv MeOH
t [h]
ee
R:S
[%
]
Abbildung 56: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen Hydrierung von MAA
in der Gasphase mit zusätzlicher MeOH-Dosierung (reines MAA: TON=843, TOFMax=16,3h-1; mit
Additiv MeOH: TON=1718, TOFMax=25,0h-1).
Reaktionsbedingungen:
[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/IL=0,0329mol/mol (3,2Mol-% Ru), Ru/SiO2=
0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, τ=2,35s, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,125g/h
MAA, 0,152g/h MeOH, Einsatz O2/H2O-Reinigungspartone für H2 und He.
Erstaunlich ist, dass unter Gasphasenbedingungen (125°C, 10 bar) bei Zudosierung
von Methanol und Methylacetoacetat keine (oder ansatzweise sehr geringe)
Halbketal- oder Ketalbildung beobachtet werden konnte. Dies steht im Gegensatz zu
den Versuchen in der Flüssigphase bei denen durch Zugabe von Methanol der β-
Ketoester teilweise zu Ketalen und Halbketalen reagierte. Gerade bei hohen
Temperaturen (120°C) wurde eine sehr schnelle Bildung der Ketale und Halbketale
in der Flüssigphase beobachtet. Möglicherweise wurden keine Ketale und Halbketale
in der auskondensierten Produktphase detektiert, da diese auf Grund der höheren
Siedepunkte (~190-230°C) in der Anlage verblieben. Allerdings sollte durch den
relativ hohen He-Trägergasstrom der Partialdruck der Ketale und Halbketale so
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
132
herabgesetzt werden, dass ev. vorhandene Ketale und Halbketale aus der Anlage
ausgetragen werden müssten.
Bei dem Umsatzverlauf des Versuchs mit kontinuierlicher Dosierung von Methanol
wurde eine steilere Aktivierungsphase und ein höherer maximaler Aktivität
(XMax = 87,3 % vs. 57,8 %) beobachtet. Diese Aktivitätszunahme resultiert aus der
besseren Performance des Katalysators in Anwesenheit eines alkoholischen
Lösungsmittels möglicherweise z. B. durch koordinierende Wirkung des
Lösungsmittels, einfachere Protonierung der Katalysatorvorstufe und des Substrats
oder erhöhte Wasserstoffkonzentration durch bessere Gaslöslichkeit. Die stabile
Phase von 10 h (für beide Versuche) konnte jedoch durch Einsatz des Additivs
Methanol nicht verlängert werden. Erstaunlicherweise wurde ein deutlich flacherer
Abfall der Aktivität und eine wesentlich längere katalytische Aktivität mit dem Additiv
Methanol gemessen (X160h = 5,7 %). Zudem wurden deutlich höhere TON- und
TOFMax-Werte auf Grund der Erhöhung der Aktivität und Verlängerung der
katalytischen Aktivität beobachtet (TON = 1718, TOFMax = 25,0 h-1). Die für die
industrielle Produktion von hochwertigen Produkten geforderte TON von 1000[13,47]
wurde in dem Versuch mit dem Additiv Methanol deutlich übertroffen.
Beim Verlauf der Enantioselektivitäten wurde kein Unterschied zwischen den
Versuchen mit und ohne Additiv Methanol beobachtet. Das Additiv Methanol bewirkt
keine Erhöhung oder Stabilisierung der Selektivität.
Abschließend lässt sich feststellen, dass die zusätzliche Dosierung von Methanol
einen signifikanten Einfluss auf Aktivität des SILP-Systems hat. Interessant wäre für
zukünftige Versuche eine Methanolzudosierung bei niedrigeren
Reaktionstemperaturen mit aciden Trägermaterialien zu untersuchen, um gleichzeitig
die Aktivität und die Enantioselektivität zu stabilisieren.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
133
Kapitel 5
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
134
5. Zusammenfassung und Ausblick
Das Ziel dieser Forschungsarbeit war die Entwicklung eines immobilisierten,
homogenen Übergangsmetall-Katalysators für die kontinuierliche asymmetrische
Hydrierung in der Gasphase. Die Immobilisierung der chiralen Katalysatorkomplexe
erfolgte dabei in einem Flüssigkeitsfilm an ionischer Flüssigkeit, der auf einem
porösen Trägermaterial aufgebracht wurde (Supported Ionic Liquid Phase (SILP)
Konzept). Gleichzeitig wurden durch diese Arbeit die Grenzen der SILP-
Immobilisierungstechnik für Gasphasenreaktionen durch Untersuchung einer
Reaktion mit komplexer Selektivitätsproblematik ausgelotet. In Schema 14 ist eine
Übersicht aller in dieser Arbeit untersuchten Einflussfaktoren sowohl für die
homogen-katalysierten Flüssigphasenversuche als auch für die SILP-katalysierten
Gasphasenversuche dargestellt.
O
O O
+ H2O
OOH
Methylacetoacetat(MAA)
*
Methylhydroxybutyrat (R/S)(MHB)
RuL1...2Br2
Flüssigphase: -Ligand: monodentat: Phenylphosphepin, bidentat: Thiophenphospholan -Lösungsmittel: Methanol, IL, Gemisch Methanol/IL -IL: Imidazolium-, Pyridinium-, Ammonium- und Hydroxyammonium-Schmelzen,
Imid-, Sulfat- und Sulfonat-Schmelzen -Temperatur: 50-120°C -Wasserstoffdruck: 5-20 bar -Katalysatorkonzentration: 1,19�10-4-7,11�10-4 mol/l
Gasphase: -Ligand: Bis-fluorophenyl-phosphepin, Phenylphosphepin, (R)-BINAP, Thiophenphospholan,
(S)-MeO-BIPHEP und (S)-tBu-MeO-BIPHEP -Ligandüberschuss: 2-10 L/Ru -Rutheniumbeladung: 0,38-3,8 Gew.-% Ru -IL-Beladung: α=0-1 -IL: [EMIM][NTf2], [PEG][NTf2] und [EMIM][FAP] -Träger: Silika 30 (kalziniert/trocken), Silika 60 (silanisiert) und Aktivkohle -Temperatur: 105-125°C -MAA-Fluss: 0,125-0,25 g/h -MeOH-Fluss: 0-0,152 g/h
Schema 14: Allgemeine Reaktionsgleichung und getestete Einflussfaktoren auf die asymmetrische
Hydrierung in der Flüssig- und Gasphase.
Zu Beginn dieser Arbeit wurden in Vorversuchen zunächst die Versuchsparameter
an die Bedingungen der Gasphasenreaktion (hohe Temperaturen: 80-140°C,
niedriger H2-Druck: 10 bar) angepasst und verschiedene Reaktionskonzepte (flüssig-
gas, flüssig-flüssig-gas, flüssig-gas-fest) untersucht. Parallel zu den Vorversuchen
wurde eine kontinuierliche Versuchsanlage geplant und aufgebaut. Weiterführend
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
135
wurden detaillierte Untersuchungen in der Flüssigphase in reinem Methanol
(Referenzkinetik zur Gasphasenreaktion), in Methanol/IL-Gemischen (Einfluss von
ionischen Additiven und alternatives Immobilisierungskonzept in der Flüssigphase)
und in der Gasphase durchgeführt.
I) Kinetische Untersuchungen in der Flüssigphase (MeOH)
Die kinetischen Flüssigphasenversuche in Methanol wurden sowohl mit einem
monodentaten Phenylphosphepin-Liganden als auch mit einem bidentaten
Thiophenphospholan-Liganden durchgeführt. Generell zeichnet sich dabei der
bidentate Ligand durch höhere Aktivität (X120-130min: 94 % vs. 11,9 %) und
Enantioselektivität (eeMax: 98,8 % vs. 92,1 %) unter gleichen Reaktionsbedingungen
aus. Den Startpunkt zur Untersuchung der Kinetik in Methanol bildete die
Bestimmung des Reaktionsnetzwerkes (bestehend aus Hydrierreaktionen und Ketal-
und Halbketalbildung). Experimentelle Daten wurden hierfür mit berechneten Daten
auf Basis verschiedener Reaktionsmodelle (Presto Kinetics®) 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. Zudem wurden alle
kinetischen Parameter bestimmt. Es ergibt sich für alle untersuchten Fälle eine
Reaktionsordnung von 1 bezüglich aller flüssiger Reaktanden und Wasserstoff. Die
Aktivierungsenergien der Hydrierungen liegen im Bereich von 74,8 - 85,6 kJ mol-1 für
Reaktionen unter Verwendung des Phenylphosphepin-Liganden und im Bereich von
32,8 - 76,3 kJ mol-1 für den Thiophenphospholan-Ligand. Die Untersuchungen zum
Einfluss von Reaktionstemperatur, Wasserstoffdruck und Katalysatorkonzentration
auf die Enantioselektivität bildeten den Abschluss der kinetischen Experimente. Wie
erwartet, wurden für beide Liganden sehr ähnliche Tendenzen beobachtet.
Überraschenderweise wurde durch Erhöhung der Reaktionstemperatur ein höherer
durchschnittlicher Enantiomerenüberschuss (ee120°C = 95 % vs. ee60°C = 81,3 %,
Phenylphosphepin-Ligand) gemessen. Zusätzlich fiel die zu Beginn bei niedrigen
Temperaturen beobachtete Aktivierungsphase gänzlich weg. Erklärt werden kann
dieses Phänomen durch die schnellere Ausbildung der aktiven Spezies und die
Bevorzugung der (wahrscheinlich selektiveren) HK-Hydrierung auf Grund der
höheren Aktivierungsenergie sowie die zu den Intermediaten verschobenen
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
136
Gleichgewichtsreaktionen bei höheren Temperaturen. Durch Erhöhung des
Wasserstoffdrucks wurde ebenfalls eine Steigerung der Enantioselektivität
(ee5bar = 80,8 %, ee20bar = 89,8 %, Phenylphosphepin-Ligand) beobachtet. Danach
lässt sich das Substrat Methylacetoacetat zur Klasse 1 nach Jessop[96] einordnen.
II) Einfluss verschiedener ionischer Flüssigkeiten (MeOH/IL)
Diese Experimente wurden schwerpunktmäßig mit dem monodentaten
Phenylphosphepin-Ligand durchgeführt. Die Untersuchungen wurden im
Lösungsmittelgemisch Methanol mit dem Additiv ionische Flüssigkeit durchgeführt,
da der Katalysator in reiner ionischer Flüssigkeit auf Grund der niedrigen
Wasserstofflöslichkeit und dem Wegfall der Ketal-Halbketal-Bildung deutlich
schlechtere Ergebnisse zeigte. In einer ersten Versuchsreihe wurde der Einfluss von
[Imidazolium][NTf2]-Schmelzen getestet. Alle Imidazolium-Schmelzen zeigten
verglichen zu Messungen in reinem Methanol einen negativen Einfluss auf den
Katalysator (niedrigere Aktivität und Selektivität). Deshalb kann diese Klasse der
ionischen Flüssigkeiten nicht als inertes Lösungsmittel angesehen werden.
Basierend auf Untersuchungen von Dyson[161] et al. kann davon ausgegangen
werden, dass das Imidazoliumsalz einen entscheidenden Einfluss auf die Ausbildung
der aktivsten Katalysatorspezies hat (verlangsamte Dissoziation des Bromidanions
vom Ru-Komplex in der Gegenwart von Imidazoliumsalzen). Ferner wurde der
Einfluss von Hydroxypyridinium-Schmelzen ([Et(OHMe)Pr]+/[NTf2]-/[EtSO3]
-/[OTf]-)
auf das Katalysatorsystem untersucht. Es kam beim Einsatz dieser Schmelzen zu
einem sehr deutlichen Aktivitätsverlust. Im Gegensatz dazu wurde bei Addition von
kurzkettigen Ammonium[NTf2] - basierten Schmelzen eine Aktivitätssteigerung um
das 1,3-fache ab einer Reaktionszeit von 150 min beobachtet verglichen zu
Versuchen in reinem Methanol. Zudem war die Enantioselektivität in der gleichen
Größenordnung wie in reinem Methanol (eeMeOH = 89,6 %;
eeMeOH/[Me4N][NTf2] = 89,5 %). 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.
Dieser aktivierende Effekt konnte durch Einsatz von Hydroxy-Ammonium[NTf2]-
Salzschmelzen sogar noch gesteigert werden. [Di(hydroxyethyl)dimethyl-
ammonium][NTf2] und [Hydroxylethylammonium][NTf2] zeigten eine 2,3-fache
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
137
Ausbeute verglichen zu Methanol. Zudem lagen die Enantioselektivitäten im Bereich
der ee-Werte für Methanol (ee[Hydroxyammonium][NTf2]/MeOH = 88,6 - 91,1 % vs.
eeMeOH = 89,6 %). Im Vergleich zu den Ammonium-Schmelzen wurde bei
Verwendung der Ammonium-Schmelzen mit Hydroxyfunktionalität eine deutlich
schnellere Ausbildung (teilweise schon nach 30 min) der aktivsten und selektivsten
Spezies beobachtet. 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. Bei Verwendung des bidentaten
Thiophenphospholan-Liganden wurde bis zum heutigen Zeitpunkt noch kein
ionisches Additiv mit aktivitätssteigerndem Effekt gefunden.
III) Kontinuierliche Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren
In dieser Arbeit konnte zum ersten Mal ein SILP-Katalysator zur asymmetrischen
Hydrierung in einem kontinuierlichen Gasphasenprozess erfolgreich eingesetzt
werden. Zu Beginn der Untersuchungen wurde nach Planung und Aufbau der
verwendeten Versuchsanlage eine Verweilzeitcharakterisierung des Berty-Reaktors
zur Bestimmung der optimalen Turbinendrehzahl (5000 rpm) durchgeführt.
In ersten Experimenten wurden verschiedene Ligandsysteme (auch Literatur-
bekannte Vertreter z. B. R-BINAP, S-MeO-BIPHEP) in der Gasphase getestet. Dabei
fiel der Ligand [3-(2,5-(2R,5R)-dimethylphospholanyl-1)-4-di-o-tolylphosphino-2,5-
dimethyl-thiophen] (kurz: Thiophenphospholan) durch seine hohe Enantioselektivität
(ee = 82-87 %) auf. Er zeigte in der Gasphase im Vergleich zur Flüssigphase einen
ee-Abfall um nur 11 % in Methanol und 7 % in [EMIM][NTf2].
In nachfolgenden Untersuchungen wurden verschiedene Einflussfaktoren auf das
Aktivierungs- und Deaktivierungsverhalten der SILP-Katalysatoren getestet. Die
Induktionsperiode konnte durch Wasserstoffvorbehandlung um 7 h verkürzt werden
(vereinfachte Protonierung des Prä-Katalysators). Sie fiel jedoch durch Zugabe von
MAA und anschließender Spülung mit Wasserstoff nicht gänzlich weg. Mehrere
mögliche irreversible und reversible Deaktivierungsmechanismen wurden in weiteren
Versuchen überprüft. Dabei konnte ein Austrag des Katalysators, des Liganden und
der ionischen Flüssigkeit über die Gasphase ausgeschlossen werden (ICP-AES-
Messungen). Eine Re-Aktivierung des nicht mehr aktiven
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
138
Übergangsmetallkomplexes durch eine Vakuumbehandlung führte nicht zum Erfolg.
Daher erscheint eine Porenverblockung unwahrscheinlich. Die Erhöhung des
Ligandverhältnisses hatte ebenfalls keinen Einfluss auf die Stabilität. Die Ergebnisse
des Experiments mit erhöhter Ruthenium-Beladung (3,8 Gew.-%, standardmäßig:
0,38 Gew.-%) gaben einen Hinweis auf eine Deaktivierung des Ligand-
Katalysatorkomplexes durch kontinuierlichen Eintrag von Verunreinigungen aus den
Eduktströmen oder durch kontinuierlichen Abbau der aktiven Katalysatorspezies.
Durch Aufreinigung der Gasströme mit Festbettkartuschen wurden die Spuren an
Sauerstoff und Wasser reduziert und ein Anstieg der Aktivität wurde beobachtet
(XMax: 17,7 % vs. 24,6 %). Die stabile Phase von 9 h konnte jedoch durch
Reduzierung der Verunreinigungen nicht verlängert werden. Auf Grund dessen wird
vermutet, dass weitere Deaktivierungsmechanismen in der Gasphase eine
entscheidende Rolle spielen.
Diese Vermutung wurde durch eine Variation der Reaktionstemperatur (125°C vs.
105°C) bestätigt. Bei 105°C zeigte der Katalysator nach der Induktionsphase deutlich
länger stabile Aktivität (30 h vs. 15 h), höhere Enantioselektivitäten (eeMax: 88 % vs
80 %) und einen geringeren Abfall der Selektivität über 160 h (ee-Abnahme: 14 % vs.
26 %). Mögliche Ursache für dieses Phänomen ist die langsamere Zersetzung des
chiralen Liganden bei niedrigeren Reaktionstemperaturen.
In dieser Arbeit konnte ein großer Einfluss des ionischen Flüssigkeitsfilms
beobachtet werden. Unter den drei getesten ionischen Flüssigkeiten – [PEG][NTf2],
[EMIM][FAP] und [EMIM][NTf2] – zeigte [EMIM][NTf2] den positivsten Einfluß auf das
Katalysatorsystem. Auch die IL-Beladung spielt in der asymmetrischen
Gasphasenhydrierung eine wichtige Rolle. Katalysatorsysteme ohne IL-Film zeigten
keine katalytische Aktivität. Eine Erhöhung der IL-Menge führte zur
Umsatzsteigerung (XMax = 11,5 % bei α = 0,4, 17 % bei α = 0,8 und 33 % bei α = 1,0)
bei gleichbleibenden ee-Werten. Der IL-Film ist daher wichtiger Bestandteil eines
aktiven SILP-Katalysators, in dem er den Katalysator vor chemischen
Wechselwirkungen mit der Trägeroberfläche oder Verunreinigungen schützt.
Entscheidende Unterschiede konnten auch bei Auswahl des Trägermaterials
beobachtet werden. Mit einer Erhöhung der Oberflächenacidität des Siliziumdioxid-
Trägermaterials wurde eine Aktivitätssteigerung (XMax: silanisiert 5,8 %, kalziniert
17,7 % und getrocknet 20,4 %) beobachtet. Dieser Effekt wurde in der Flüssigphase
analog durch Einsatz von protischen Lösungsmitteln und aciden Zusätzen
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
139
beobachtet.[83,84] Zudem wurde eine Reduzierung der Enantioselektivität bei
Verwendung von silanisiertem Silika gemessen. Die Erhöhung der Silikamenge und
der Zusatz eines aciden Ionentauschers bewirkten in begrenztem Maße eine
Stabilisierung des ee´s.
Die zusätzliche Dosierung des protischen Lösungsmittels Methanol resultierte in
einer signifikanten Aktivitätssteigerung (XMax = 87,3 % vs. 57,8 %). Hier wird eine
koordinierende Wirkung des Lösungsmittels und eine einfachere Protonierung der
Katalysatorvorstufe und des Substrats als Ursache vermutet. Ein zusätzlicher Grund
ist eine erhöhte Wasserstoffkonzentration durch eine bessere Gaslöslichkeit. Eine
Stabilitäts- oder Selektivitätsverbesserung konnte nicht beobachtet werden.
Trotz des bis jetzt noch nicht gänzlich geklärten Deaktivierungsverhaltens zeigten die
SILP-Katalysatoren in der Gasphase hohe TON´s von bis zu 1718 (im Vergleich
industrielle Anforderung nach Quellenangaben von Blaser[13,47]: TON = 1000).
Allerdings wurden in der Gasphase geringere TOF´s von 25,0 h-1 (im Vergleich
industrielle Anforderung nach Quellenangaben von Blaser[13,47]: TOF = 200h-1) auf
Grund der niedrigen Substratströme und der kurzen Katalysatorkontaktzeiten
beobachtet.
Ausblick
Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, eine SILP-
katalysierte asymmetrische Hydrierung in einem kontinuierlichen
Gasphasenexperiment mit Enantiomerenüberschüssen im Bereich von 80-88 % über
eine Versuchszeit von über 150 Stunden durchzuführen. Bis zum heutigen Zeitpunkt
wird bei den Versuchen eine Deaktivierung des Katalysatorkomplexes beobachtet.
Nach den Erkenntnissen dieser Arbeit erscheinen zukünftige Versuche bei
niedrigeren Temperaturen (<105°C), mit einer Vorbehandlung von Wasserstoff und
einer zusätzlicher Dosierung von Methanol besonders vielversprechend. Das SILP-
System mit hoher IL-Beladung sollte zudem Träger mit einer höheren
Oberflächenacidität oder einem Zusatz eines aciden Ionentauschers enthalten. Um
die Untersuchung des Deaktivierungsmechanismus aufzuklären, sind zusätzlich
detaillierte NMR-Studien des SILP-Systems vor und nach der Reaktion notwendig.
Ist es in Zukunft möglich, einen stabilen Umsatz über einen längeren Zeitraum zu
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
140
beobachten, so ist ein Vergleich der kinetischen Daten von Gas- zu Flüssigphase
wissenschaftlich sehr interessant.
Von großem Interesse ist auch der Einsatz von SILP-Katalysatoren im Kontakt mit
überkritischem Kohlendioxid als mobile Phase. Versuche im Arbeitskreis von Prof.
Leitner (RWTH Aachen) zeigten erste Erfolge dieses Ansatzes (XMax = 4,1 %,
eeMax = 73 %, TOFMax=8,6 h-1, TON=286, 46 h Versuchsdauer). Dieses Konzept wäre
alternativ zur kontinuierlichen Gasphasenhydrierung gerade für Substrate hoch
interessant, die nur sehr schwer verdampft werden können.
Auf Basis der Ergebnisse dieser Arbeit können in naher Zukunft effiziente und
intensivierte asymmetrische Hydrierungsprozesse mittels SILP-Technologie erwartet
werden. Als mögliche Substrate bieten sich alle prochiralen verdampfbaren
Verbindungen, das bedeutet alle für die GC-Analyse zugängigen Substanzen, an.
Vorteile dieses außergewöhnlichen und neuartigen Reaktionsverfahrens sind u.a. der
Wegfall des Lösungsmittels, die sehr einfache Katalysator-Produkt-Abtrennung und
die relativ problemlose Immobilisierung des Katalysators ohne zusätzliche
synthetische Veränderung der Ligandstruktur.
ANHANG
141
Kapitel 6
Anhang
ANHANG
142
6. Anhang
6.1. Zusätzliche experimentelle Daten
6.1.1 Kinetische Untersuchungen in der Flüssigphase
0 20 40 60 80 100 120 1400
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
MAA Exp1 MAA Exp2K Exp1 K Exp2HK Exp1 HK Exp2MHB Exp1 MHB Exp2
c
[mol
/m3 ]
t [min]
Abbildung A 1: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden für zwei
Reproduzierungsversuche (Phenylphosphepin-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
0 2000 4000 6000 8000 10000 120000
5
10
15
20
25
30
35
40
MHB HK K MAA Modell 6
c [
mo
l/m
3]
t [s]
Abbildung A 2: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden bei 60°C mit modellierten
Daten (Phenylphosphepin-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=60°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
ANHANG
143
0 2000 4000 6000 8000 10000 120000
5
10
15
20
25
30
35
40
MHB HK K MAA Modell 6
c
[m
ol/m
3]
t [s]
Abbildung A 3: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden bei 80°C mit modellierten
Daten (Phenylphosphepin-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
0 2000 4000 6000 8000 10000 120000
5
10
15
20
25
30
35
40
MHB HK K MAA Modell 6
c [
mo
l/m
3]
t [s]
Abbildung A 4: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden bei 90°C mit modellierten
Daten (Phenylphosphepin-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=90°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
ANHANG
144
0 2000 4000 6000 8000 10000 120000
5
10
15
20
25
30
35
40
MHB HK K MAA Modell 6
c [
mo
l/m
3]
t [s]
Abbildung A 5: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden bei 120°C mit modellierten
Daten (Phenylphosphepin-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=120°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
0 2000 4000 6000 8000 10000 120000
5
10
15
20
25
30
35
40
c [
mo
l/m
3]
MHB HK K MAA Modell 6
Abbildung A 6: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden bei 5 bar mit modellierten
Daten (Phenylphosphepin-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=5bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
ANHANG
145
0 2000 4000 6000 8000 10000 120000
5
10
15
20
25
30
35
40
MHB HK K MAA Modell 6
c [
mo
l/m
3]
t [s]
Abbildung A 7: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden bei 10 bar mit modellierten
Daten (Phenylphosphepin-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
0 2000 4000 6000 8000 10000 120000
5
10
15
20
25
30
35
40
MHB HK K MAA Modell 6
c [
mo
l/m
3]
t [s]
Abbildung A 8: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden bei 20 bar mit modellierten
Daten (Phenylphosphepin-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=20bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
ANHANG
146
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
5
10
15
20
25
30
35
40
45
cM
AA(S
imu
lati
on
)
cMAA
(Experimentell)
Modell 1
Abbildung A 9: Paritätsdiagramm mit Daten basierend auf Modell 1 für MAA (Phenylphosphepin-
Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
5
10
15
20
25
30
35
40
45
cM
AA(S
imu
lati
on
)
cMAA
(Experimentell)
Modell 3
Abbildung A 10: Paritätsdiagramm mit Daten basierend auf Modell 3 für MAA (Phenylphosphepin-
Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
ANHANG
147
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
5
10
15
20
25
30
35
40
45
cM
AA(S
imu
lati
on
)
cMAA
(Experimentell)
Modell 6
Abbildung A 11: Paritätsdiagramm mit Daten basierend auf Modell 6 für MAA(Phenylphosphepin-
Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 800010
20
30
40
50
60
70
80
90
100
ee
[%
]
t [s]
S/C = 400 S/C = 200 S/C = 133 S/C = 100
Abbildung A 12: Einfluss der Katalysatorkonzentration auf die Enantioselektivität in der Hydrierung
von MAA in Methanol bei 80°C (Phenylphosphepin-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm).
ANHANG
148
0 2000 4000 6000 80000
10
20
30
40
50
60
S/C = 400 S/C = 200 S/C = 133 S/C = 100
Y M
HB
[%
]
t [s]
Abbildung A 13: Einfluss der Katalysatorkonzentration auf die Ausbeute in der Hydrierung von MAA
in Methanol bei 80°C (Phenylphosphepin-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm).
0 20 40 60 80 100 120 1400
10
20
30
40
50
c [
mo
l/m
3]
t [min]
MAA Exp1 MAA Exp2 MHB Exp1 MHB Exp2 K Exp K Exp2 HK Exp HK Exp2
Abbildung A 14: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden für zwei
Reproduzierungsversuche bei 60°C (Thiophenphospholan-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=60°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
ANHANG
149
0 20 40 60 80 100 120 1400
10
20
30
40
50
MAA Exp1 MAA Exp2 MHB Exp1 MHB Exp2 K Exp K Exp2 HK Exp HK Exp2
c [
mo
l/m
3]
t [min]
Abbildung A 15: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden für zwei
Reproduzierungsversuche bei 80°C (Thiophenphospholan-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: T=80°C, p(H2)=10bar, Rührerdrehzahl=1200rpm, cKat.=2,37�10-4mol/l).
ANHANG
150
6.1.2 Einfluss verschiedener ionischer Flüssigkeiten im Reaktionsgemisch Methanol / IL
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
YMHB
Exp 1
YMHB
Exp 2
eeR:S
Exp 1
eeR:S
Exp 2
[%]
t [min]
Abbildung A 16: Ausbeute- und Enantioselektivität-Zeit-Verlauf für zwei Reproduzierungsversuche
in der Hydrierung von MAA in einem Gemisch aus Methanol und [EMIM][NTf2].
(Reaktionsbedingungen: 0,038mmol [Ru(COD)(methallyl)2], 0,076mmol Phosphepin-Ligand, 7,6mmol MAA,
19,4mmol IL, 160ml Methanol, r=1200rpm, pH2=10bar, T=80°C).
ANHANG
151
6.1.3 Kontinuierliche Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren
6.1.3.1 Verweilzeitcharakterisierung des Berty-Reaktors
0 1 2 3 4 5 60,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 rpm 1000 rpm 3000 rpm 5000 rpm 7000 rpm
F( θθ θθ
) [-
]
θθθθ [-]
Abbildung A 17: Dimensionslose Verweilzeitsummenkurve F(θ) bei verschiedenen
Turbinendrehzahlen für VHe=87,5 Nml/min.
0 2000 4000 6000 8000 100000
1
2
3
4
5
Bo
-Za
hl [-
]
Turbinendrehzahl [min-1]
Abbildung A 18: Bo-Zahlen bei verschiedenen Turbinendrehzahlen für VHe=87,5 Nml/min.
ANHANG
152
0 1 2 3 4 5 60,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 rpm 1000 rpm 3000 rpm 5000 rpm 7000 rpm
F( θθ θθ
) [-
]
θθθθ [-]
Abbildung A 19: Dimensionslose Verweilzeitsummenkurve F(θ) bei verschiedenen
Turbinendrehzahlen für VHe=36,7 Nml/min.
0 2000 4000 6000 80000
1
2
3
4
5
6
Bo
-Za
hl [-
]
Turbinendrehzahl [min-1]
Abbildung A 20: Bo-Zahlen bei verschiedenen Turbinendrehzahlen für VHe=36,7 Nml/min.
ANHANG
153
6.1.3.2 Gasphasenversuche mit SILP-Katalysatoren
0 10 20 30 40 50 60 700
5
10
15
20
25
Run 1 Run 2
XM
AA[%
]
t [h]
Abbildung A 21: Umsatz-Zeit-Verlauf für zwei Reproduzierungsversuche in der
Gasphasenhydrierung von MAA (Thiophenphospholan-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: Thiophenphospholan-Ligand, [EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8,
Ru/SiO2=0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA).
0 10 20 30 40 50 60 7050
60
70
80
90
100
t [h]
ee
R:S
[%]
Run 1 Run 2
Abbildung A 22: Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf für zwei Reproduzierungsversuche in der
Gasphasenhydrierung von MAA (Thiophenphospholan-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: Thiophenphospholan-Ligand, [EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, α=0,8,
Ru/SiO2=0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA).
ANHANG
154
0 10 20 30 40 50 60 700
20
40
60
80
100
XMAA
eeR:S
[%]
t [h]
Vakuum
t = 8h
Abbildung A 23: Umsatz-Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf in der Gasphasenhydrierung von
MAA mit Vakuumpause (Thiophenphospholan-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: Thiophenphospholan-Ligand, [EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), α=0,8, L/Ru=2:1,
Ru/SiO2=0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA).
0 10 20 30 40 50 60 700
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
L:Ru = 2 L:Ru = 10
XM
AA
[%]
t [h]
Abbildung A 24: Umsatz-Zeit-Verlauf in der Gasphasenhydrierung von MAA mit Variation des
Ligandüberschusses (Thiophenphospholan-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: Thiophenphospholan-Ligand, [EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), α=0,4,
Ru/SiO2=0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA).
ANHANG
155
0 10 20 30 40 50 60 7040
50
60
70
80
90
100
L:Ru = 2L:Ru = 10
ee
R:S
[%
]
t [h]
Abbildung A 25: Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf in der Gasphasenhydrierung von MAA mit
Variation des Ligandüberschusses (Thiophenphospholan-Ligand).
(Reaktionsbedingungen: Thiophenphospholan-Ligand, [EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), α=0,4,
Ru/SiO2=0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,00
0,25
0,50
0,75
1,00
1,25
1,50
1,75
2,00
XM
AA [
%]
t [h]
Abbildung A 26: Umsatz-Zeit-Verlauf in der Gasphasenhydrierung von MAA mit Träger Aktivkohle
(Thiophenphospholan-Ligand).
(Reaktionsbedingungen:Thiophenphospholan-Ligand, [EMIM][NTf2], Aktivkohle, α=0,8, Ru/C=0,0038g/g
(0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA).
ANHANG
156
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1025
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
ee R
:S [
%]
t [h]
Abbildung A 27: Ee-Zeit-Verlauf in der Gasphasenhydrierung von MAA mit Träger Aktivkohle
(Thiophenphospholan-Ligand).
(Reaktionsbedingungen:Thiophenphospholan-Ligand, [EMIM][NTf2], Aktivkohle, α=0,8, Ru/C=0,0038g/g
(0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm, 200Nml/min He, 75Nml/min H2, 0,25g/h MAA).
6.1.3.3 Charakterisierung der verwendeten Trägermaterialien
Tabelle A 1: Charakteristische Daten für die verwendeten SILP-Trägermaterialien.
Träger
Partikelgröße [mm]
Oberfläche a)
[m
2/g]
Porenvolumen [ml/g]
Porengröße [nm]
Silika 60 0,063 - 0,2 430,3 0,5355 2 - 10
Silika 30 0,2 - 1 729,9 0,3716 0,3 - 10
Aktivkohle 1,5 943,3 0,5118 2 - 10
a) bestimmt durch BET-Sorptions-Messung.
ANHANG
157
6.1.4 Chromatogramme der GC-Messungen
Abbildung A 28: GC-Chromatogramm für Versuch in reinem Methanol in der Flüssigphase
(Lösungsmittel: Methanol, interner Standard: Diglyme).
Abbildung A 29: GC-Chromatogramm für Versuch im Gemisch Methanol/[EMIM][NTf2] in der
Flüssigphase (Lösungsmittel: Methanol, interner Standard: Diglyme).
ANHANG
158
Abbildung A 30: GC-Chromatogramm für Versuch in der Gasphase (Lösungsmittel: Heptan).
6.1.5 Aspen Plus Simulation
H2
METHYLAC
TDEW
MIXER TDEWHEAT
Mixer:Property method = SRKp = 0 bar
Heater:Property method = SRKp = 30 barVapour fraction = 1
H2
METHYLAC
TDEW
MIXER TDEWHEAT
Mixer:Property method = SRKp = 0 bar
Heater:Property method = SRKp = 30 barVapour fraction = 1
Abbildung A 31: Flowsheet der Aspen-Simulation basierend auf das Modell SRK.
ANHANG
159
6.2 Verwendete Chemikalien
Alle Chemikalien zur Synthese des Katalysator- und SILP-Systems wurden unter
Argon gelagert und mit der Standard-Schlenk-Technik gehandhabt. Kommerziell
erwerbliche Chemikalien wurden ohne weitere Aufreinigung eingesetzt.
Tabelle A 2: Liste der wichtigsten verwendeten Chemikalien.
Chemikalie Reinheit Hersteller
Methylacetoacetat 99 % Acros Organics
Wasserstoff 5.0 > 99,999 Rießner Gase
Helium 4.6 > 99,996 Linde
[Ru(COD)(methallyl)2] Acros Organics
Methyl-(R)/(S)-hydroxybutyrat 98 % Alfa Aesar
n-Heptan > 99 % Merck
Bromwasserstoff 48 % Sigma Aldrich
Methanol ultratrocken; H2O < 50 ppm Acros Organics
Aceton ultratrocken, H2O < 50 ppm Acros Organics
Der chirale Phosphorligand Phenylphosphepin wurde von der Arbeitsgruppe Beller
(Leibniz-Institut für Katalyse, Universität Rostock) zur Verfügung gestellt. Der
bidentate Thiophenphospholan-Ligand wurde von Evonik Degussa GmbH geliefert.
Alle weiteren Liganden wurden von Sigma Aldrich bezogen.
Die zur Herstellung von SILP-Systemen verwendeten Trägermateralien stammen alle
von Merck KGaA.
Die eingesetzten ionischen Flüssigkeiten wurden größtenteils am Lehrstuhl
synthetisiert. Folgende ionische Flüssigkeiten wurden von Merck KGaA bezogen:
[EMIM][NTf2], [HexMIM][FAP], [BMIM][PF6], [Et(OHMe)Pr][NTf2]/[EtSO3]/[OTf],
[EMIM][FAP]. Und eine weitere Salzschmelze wurde von IoLiTec Ionic Liquids
Technologies GmbH & Co. KG erworben: [(EtOH)H3N][NTf2].
ANHANG
160
6.3 Berechnungen
Interner Standard
Berechnung der Stoffmenge mit internem Standard 2-Methoxyethyl-ether (Diglyme)
iDiglyme
Diglymeiii MA
mAKn
⋅
⋅⋅= (A.1)
(KButyrat = 1,04 / KKetal/Halbketal = 1,04 / KMAA = 1,42).
Ausbeute
k
i
,i
,kki,k n
nnY
ν
ν⋅
−=
0
0 → ( )HalbketalKetalMHBMAA
MHBMHB nnnn
nY
+++= (A.2)
Umsatz
0
0
,i
i,ii n
nnX
−=
ohne Halb-Ketal-Bildung→ )nn(
nX
MHBMAA
MHBi
+= (A.3)
mit Halb-Ketal-Bildung→ )nnnn(
nnnX
HalbketalKetalMHBMAA
HalbketalKetalMHBi
+++
++= (A.4)
Enantiomerenüberschuss
)RS()SR(
ee S:R+
−= →
)nn()nn(
eeMHBRMHBS
MHBSMHBRS:R
−−
−−
+
−= (A.5)
Turnover-Frequency / Turnover-Number
Ru
MAAMAA
Ru
MAAMAA
nnX
tnnX
TOF&⋅
=⋅
⋅= (A.6)
Ru
MAAMAA
nnX
TON⋅
= (A.7)
Reaktionsenthalpie
Verbrennungswärme: ∑ ⋅ν⋅⋅−∆=i
iV n)TRH(Q (A.8)
TCQV ∆⋅−= (A.9)
ANHANG
161
Standardreaktionsenthalpie:
)MHB(MAAT,f)MHB(MAAOHT,fOHCOT,fCOT,R )H()H()H(H 0
2
0
22
0
2
0 ∆⋅ν−∆⋅ν+∆⋅ν=∆ (A.10)
iT,fi
iT,R )H(H 00 ∆⋅ν=∆ ∑ (A.11)
Verweilzeitbestimmung
Verweilzeitverteilung:
∫∞
=
0
dt)t(c
)t(c)t(E (A.12)
Dimensionslose Verweilzeitverteilung: τ⋅=θ )t(E)(E (A.13)
Hydrodynamische Verweilzeit: VVR&
=τ (A.14)
Dimensionslose Zeit: ttt
=τ
=θ (A.15)
Effektive mittlere Verweilzeit: ∑
∑∆⋅
∆⋅⋅
≈
iii
iiii
tc
tctt (A.16)
Dimensionslose Verweilzeitsummenkurve:
∑∫∞
=θ
θ
θ∆⋅θ=θθ=θ00
)(Ed)(E)(F (A.17)
Dimensionslose Bodensteinzahl: zDlu
Bo⋅
= (A.18)
Bestimmung von Bo aus Steigung der Verweilzeitsummenkurve F(θ ) an der Stelle
θ = 1
[ ]2
1
1
112
2
1)(EBo
BoddF
tan
)(E
=θ⋅⋅π=↔π
=
θ=γ
=θ=
=θ
=θ
43421
(A.19)
Standardabweichung
)))X(EX((E)X(Varx2−==σ (A.20)
ANHANG
162
6.4 Synthese und Charakterisierung der in dieser Arbeit hergestellten ionischen Flüssigkeiten
a) Synthese von Bis(trifluoromethylsulfonyl)imid/[NTf2]-Schmelzen durch
Anionenaustausch
(z. B. [3-Butyl-1-methyl-1H-imidazolium][NTf2], [3-Ethyl-1,2-dimethyl-1H-
imidazolium][NTf2], [Tetramethylammonium][NTf2], [N-Methyl-N,N-dioctyloctan-1-
aminium][NTf2], [2-Hydroxyethyltrimethylammonium][NTf2] und [1-(2-(2-(2-
Methoxyethoxy)ethoxy)ethyl)-3-butylimidazolium][NTf2])
Für den Anionenaustausch wurden 1,0 Äq. einer Halogen-, Methylsulfat- oder
Sulfonatverbindung in destillierten Wasser gelöst. 1,05 Äq. Lithium
bis(trifluoromethylsulfonyl)imid, gelöst in destillierten Wasser, wurden zur Lösung
zugegeben und für eine Stunde gerührt. Das zweiphasige Flüssig-flüssig-System
wurde abgetrennt und die leichtere wässrige Phase verworfen. Die ionische
Flüssigkeitsphase wurde fünfmal mit gleichem Volumen an Wasser gewaschen und
unter Vakuum bei 70°C über Nacht getrocknet.
Beispielhafte NMR-Analyse für [1-(2-(2-(2-Methoxyethoxy)ethoxy)ethyl)-3-
butylimidazolium][NTf2] in DMSO
NNO
O
O1
2 3
4
5
6
7
8
9 10
11 12
13 14
NSS
O
O
O
O
CF3CF3
1H NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): δ: 0,86 (t, 3H, H-7), 1,22 (sext., 2H, H-6), 1,75
(q, 2H, H-5), 3,30 (s, 3H, H-14), 3,44 (m, 8H, H-10, H-11, H-12, H-13), 3,73 (t, 3J=5,0, 2H, H-9), 4,14 (t, 3J=7,1; 2H, H-8), 4,31 (t, 2H, H-4), 7,72 (m, 1H, H-3), 7,76
(m, 1H, H-2), 9,01 (s, 1H, H-1)
19F-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm):δ = 78,6
31P-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): Kein Peak
ANHANG
163
b) Synthese von N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-N,N-dimethylammonium[NTf2]
Ein Kolben ausgestattet mit Tropftrichter wurde mit N,N-Bis(2-
hydroxyethyl)methylamin (99,85 g, 96,9 ml, 0,839 mol) gelöst in 500 ml
Dichlormethan befüllt. Dimethylsulfat (105,85 g, 79,6 ml, 0,839 mol, 1,0 Äq.) wurde
langsam hinzugegeben. Die Lösung wurde über Nacht gerührt, die ionische
Flüssigkeitsphase abgetrennt und zu einer Bis(trifluoromethylsulfonyl)imid-Schmelze
umgesetzt (Anionenaustausch wie oben beschrieben). Die ionische Flüssigkeit
(niedrig viskoses, farbloses Öl) wurde mit 62 % Ausbeute (0,520 mol, 215,53 g)
erhalten.
Die ionische Flüssigkeit wurde durch NMR-Spektroskopie, Elektronenspray-
Massenspektroskopie (ES-MS), Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC),
Thermogravimetrie (TGA) charakterisiert. Zusätzlich wurden Viskosität, Dichte und
Wassergehalt bestimmt.
Charakterisierung von N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-N,N-dimethylammonium[NTf2]
NHO OH N
SS
O
O
O
O
F3C CF3
55'
1
1'
2
3
2'
3'
4' 4
ANHANG
164
NMR-Spektroskopie
Abbildung A 32: 1H-NMR-Spektrum von N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-N,N-dimethylammonium[NTf2].
1H-NMR (DMSO-d6, 400 MHz, ppm): δ = 3,11 (s, 3H, –CH3), 3,81-3,86 (m, 4H,
NCH2), 3,81-3,86 (m, 4H, -CH2OH), 5,26 (t, 2H, OH, 3J = 5,0 Hz).
ANHANG
165
Abbildung A 33: 13C-NMR-Spektrum von N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-N,N-dimethylammonium[NTf2].
13C-NMR (DMSO-d6, 100,4 MHz, ppm): δ = 51,55 (d, CH3), 54,96 (u, NCH2), 65,91
(u, CH2OH).
ANHANG
166
Abbildung A 34: 19F-NMR-Spektrum von N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-N,N-dimethylammonium [NTf2].
19F-NMR (DMSO-d6, 376 MHz, ppm): δ = -78,66.
ANHANG
167
Elektronenspray-Massenspektroskopie
Kation: m/z: 134,2 (M+), berechn.: 134,2
Anion: m/z: 279,5 (M-), berechn.: 280,15
Abbildung A 35: MS-Spektrum (positiver Modus) von N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-N,N-
dimethylammonium[NTf2].
ANHANG
168
Abbildung A 36: MS-Spektrum (negativer Modus) von N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-N,N-
dimethylammonium[NTf2].
ANHANG
169
Differential-Scanning-Kalorimetrie
Glasübergang: Tg = -16,4°C
Abbildung A 37: DSC-Spektrum von N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-N,N-dimethylammonium[NTf2].
Thermogravimetrie
Zersetzungstemperatur: 354°C
Abbildung A 38: TGA-Spektrum von N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-N,N-dimethylammonium[NTf2].
ANHANG
170
Karl-Fischer-Titration
Wassergehalt: 130 ppm
Dichte
Die Dichtebestimmung wurde mit einer Eppendorfpipette durchgeführt. Fünf Proben
je 300 µl wurden gewogen und die Dichte aus dem Mittelwert bestimmt.
Tabelle A 3: Masse der 300 µµµµl Proben (N,N-Bis(2-hydroxyethyl)-N,N-dimethylammonium).
Eintrag m [g]
1 0,4677
2 0,4519
3 0,4973
4 0,4479
5 0,4712
Durchschnittliche Masse = 0,4672 g
Dichte = 1,56 g/cm3
Viskosität
20°C: 134 mPa·s, 25 °C: 100 mPa·s, 40 °C: 49 mPa·s, 60 °C: 23 mPa·s, 80 °C:
13 mPa·s
ANHANG
171
6.5 Analysemethoden
Gaschromatographie
Die GC-Messungen wurden mit der in Tabelle A 4 beschriebenen Methode
durchgeführt. Für die Versuche mit dem Gemisch Methanol/ionische Flüssigkeit
wurde die Hauptsäule durch den Einbau einer Vorsäule (FS-Deaktivierung durch
Phenylsil) geschützt.
Tabelle A 4: Parameter der GC-Analyse-Methode.
Gerät Varian CP 390
Säule LIPODEX-E 25 m x 0,25 mm ID
Temperaturprogramm 80°C: 30 min isotherm//80°C→200°C: 10°C/min//200°C: 10 min isotherm
Injektortemperatur 250°C
Trägergas Helium, Fluß: 0,4 ml/min
Einspritzvolumen 1 µl
Detektor FID; T = 250°C
Tabelle A 5: Standardabweichung der GC-Messung im Umsatzbereich von 6,45−59,95 %.
Probe 1 Probe 2 Probe 3
GC-Messung XMAA [%] eeR:S [%] XMAA [%] eeR:S [%] XMAA [%] eeR:S [%]
1 6,8 21,4 28,54 74,51 60,32 71,39
2 7,1 23,7 29,97 75,42 60,11 71,19
3 6,7 25,1 30,60 77,01 59,39 71,50
4 6,0 22,6 30,29 76,97 59,63 71,93
5 5,7 18,6 30,32 76,32 60,29 71,18
Mittelwert 6,45 25,12 29,94 76,05 59,95 71,44
Standardabweichung 0,5999 2,4668 0,8167 1,0734 0,4181 0,3046
ANHANG
172
Elektronenspray-Massenspektroskopie (ES-MS)
Die Masse der ionischen Flüssigkeit (Anion/Kation) wurde durch
Massenspektroskopie mittels Elektronensprayionisation mit dem Gerät Applied
Biosystems (Model Q Trap) durchgeführt.
Nuclear Magnetic Resonance-Analysen (NMR)
Die NMR-Messung wurden mit dem Jeol ECX 400 MHz Spektrometer (2-Kanal (HF,
LF)-Meßsonde) durchgeführt. Die Spektren wurden zum Lösungsmittel referenziert.
Ausgewertet wurden die Daten mit der Delta© NMR Processing und Control
Software, Version 4.3.4.
BET-Messung
Die Messung der BET-Oberfläche und des Porenvolumens der verwendeten
Trägermaterialien wurde mit dem Gerät Gemini 2360 V5.00 der Firma Micromeritics
Analysen durchgeführt.
NH3-Temperaturprogrammierte Desorptions-Messung (TPD)
Diese Messungen wurden zur Bestimmung der aciden Oberflächengruppen der
verschiedenen Trägermaterialien durchgeführt. Die Analyse wurde mit dem Thermo
Electron TPD/R/O 1100 ausgestattet mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor
durchgeführt. Die Proben wurden unter einem kontinuierlichen Heliumfluß bei 500°C
für 30 Minuten ausgeheizt. Die Adsorption von Ammoniak wurde bei 120°C für
30 min durchgeführt. Anschließend wurde der Träger für 90 min mit Helium gespült.
Die Desorption des Ammoniaks wurde unter einen kontinuierlichen Heliumfluß von
25 ml/min bei Temperaturen bis zu 600°C mit einer Heizrate von 10°C/min
gemessen.
Induktive gekoppelte Plasma-Atom Emission Spektroskopie (ICP-AES)
Zur Messung des Katalysator-Leaching in der Flüssigphase mit ionischen
Flüssigkeiten und im SILP-System in der Gasphase wurden ICP-AES-Messung mit
dem Gerät Spectro CirosCCP Spectrometer durchgeführt. Das Gerät wurde vor jeder
Messung mit Standardlösungen (wässrige Standards: Phosphor von Alfa Aesar,
Schwefel Alfa Aesar und Ruthenium von Sigma Aldrich) kalibriert.
ANHANG
173
Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC)
Die Messungen wurden unter N2-Atmosphäre in versiegelten Aluminiumtiegeln mit
dem Gerät Netzsch DSC 204 durchgeführt. Die Proben wurden auf 60°C mit einer
Kühlrate von 2 K/min heruntergekühlt. Alle zehn Kelvin wurde die Probe auf dieser
Temperatur für 5 min gehalten. Nach Kühlung auf -120°C mit einer Rate von 2 K/min
in einem Schritt, wurde die Probe auf 60°C mit einer Heizrate von 5 K/min aufgeheizt.
Thermogravimetrische Analyse (TGA)
Die Thermostabilität der ionischen Flüssigkeiten wurde durch eine
Thermogravimetrische Analyse mit dem Gerät Netzsch TG 209 durchgeführt. Die
Probe wurde auf 80°C für 30 Minuten gehalten und dann auf 450°C mit einer
Heizrate von 10 K/min erhitzt.
Karl-Fischer-Titration
Der Wassergehalt der ionischen Flüssigkeiten wurde mittels Karl-Fischer-Titration
(Gerät: Karl-Fischer Coulmeter Metrohm 756 KF Titrator) bestimmt.
Viskosität
Die Viskosität der ionischen Flüssigkeiten wurde unter Inert-Gas-Atmosphäre mit
dem Rheometer Anton Paar Physica MCR 100 bestimmt.
Kalorimetrie
Zur Bestimmung der Verbrennungsenthalpie von Methylacetoacetat und
Methylhxdroxybutyrat wurde das IKA-Kalorimeter “C400 adiabatic” verwendet. Die
Substanzen wurden im Kalorimeter unter reiner Sauerstoff-Atmosphäre verbrannt.
Durch Verbrennung von Naphthalin kann die Wärmekapazität des Kalorimeters
bestimmt werden.
ANHANG
174
6.6 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Bildliche Darstellung eines SILP-Katalysators in der asymmetrischen,
kontinuierlichen Gasphasenhydrierung eines β-Ketoesters...................................... 14
Abbildung 2: Das Quadranten-Modell....................................................................... 21
Abbildung 3: DIOP-Ligand........................................................................................ 24
Abbildung 4: Strukturformel des PAMP-, CAMP- und DIPAMP- Liganden. .............. 24
Abbildung 5: Strukturformel des BINAP-Ligand........................................................ 24
Abbildung 6: Beispiel eines Monophosphorliganden mit 2,2´-Binaphthyl-Kern......... 25
Abbildung 7: Strukturformel von (S)-Metolachlor und Xyliphos................................. 28
Abbildung 8: 4,4´- und 5,5´-Ammonium-funktionalisierten Ru-BINAP-Katalysatoren
nach Lemaire.[103] ..................................................................................................... 37
Abbildung 9: An Polystryrolgerüst verankerter BINAP-Ligand nach Bayston et al..[15]
................................................................................................................................. 40
Abbildung 10: Auf mesoporösen Silika immobiliserter BINAP-Komplex nach Kesanli
et al..[112] ................................................................................................................... 42
Abbildung 11: Prinzipskizze eines SILP-Partikel mit homogen gelösten
Katalysatorkomplex. ................................................................................................. 46
Abbildung 12: In dieser Arbeit verwendeter Ru-Precursor und Ligandsysteme........ 54
Abbildung 13: Experimentelles Set-up zur Durchführung der Vorversuche.............. 55
Abbildung 14: Experimenteller Aufbau für Kinetik- und MeOH/IL-Versuche............. 56
Abbildung 15: Aspen Plus®-Simulation der Kondensationskurve eines MAA/H2-
Gemisches bei unterschiedlichen Gesamtdrücken (1-60 bar). ................................. 59
Abbildung 16: Foto der aufgebauten Versuchsanlage für kontinuierliche
Gasphasenversuche................................................................................................. 60
Abbildung 17: Fließbild der Laboranlage für kontinuierliche Gasphasenversuche. .. 61
Abbildung 18: Strategie der Versuchsplanung.......................................................... 65
Abbildung 19: Konzentrationsverlauf von allen flüssigen Reaktanden während der
Hydrierung von MAA in Methanol. ............................................................................ 74
Abbildung 20: Paritätsdiagramme für MHB basierend auf Simulation mit Modell 1, 2
und 6. ....................................................................................................................... 77
Abbildung 21: Geschwindigkeitskonstanten für die Hydrierungsschritte (MAA-MHB
und HK-MHB) in Abhängigkeit zum Wasserstoffdruck. ............................................ 80
Abbildung 22: Arrheniusdiagramme für Hydrierreaktionen und Ketal-Halbketal-
Bildungsreaktionen in der Hydrierung von MAA in Methanol.................................... 81
ANHANG
175
Abbildung 23: Einfluss der Reaktionstemperatur auf Ausbeute und Enantioselektivität
in der Hydrierung von MAA in Methanol. .................................................................. 82
Abbildung 24: Einfluss des Wasserstoffdruckes auf Ausbeute und Enantioselektivität
in der Hydrierung von MAA in Methanol. .................................................................. 84
Abbildung 25: Einfluss der Katalysatorkonzentration auf Ausbeute und
Enantioselektivität in der Hydrierung von MAA in Methanol. .................................... 85
Abbildung 26: Vergleich der Liganden Phenylphosphepin und Thiophenphospholan
in der Hydrierung von MAA in Methanol. .................................................................. 86
Abbildung 27: Paritätsdiagramme für MAA/MHB basierend auf Simulation mit Modell
1, 5 und 6.................................................................................................................. 88
Abbildung 28: Einfluss der Reaktionstemperatur auf Ausbeute und Enantioselektivität
in der Hydrierung von MAA in Methanol. .................................................................. 89
Abbildung 29: Einfluss des Wasserstoffdruckes auf Ausbeute und Enantioselektivität
in der Hydrierung von MAA in Methanol. .................................................................. 90
Abbildung 30: Strukturformeln der verwendeten Kat- und Anionen. ......................... 91
Abbildung 31: Ausbeute-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen Hydrierung
von MAA mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Imidazolium-
Salz/Methanol-Mischung. ......................................................................................... 92
Abbildung 32: Enantimerenüberschuss-Zeit-Verlauf in der asymmetrischen
Hydrierung von MAA mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und
Imidazolium-Salz/Methanol-Mischung. ..................................................................... 93
Abbildung 33: Ausbeute-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen Hydrierung
von MAA mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Pyridinium-
Salz/Methanol-Mischung. ......................................................................................... 95
Abbildung 34: Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf in der asymmetrischen
Hydrierung von MAA mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und
Pyridinium-Salz/Methanol-Mischung. ....................................................................... 95
Abbildung 35: Ausbeute-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen Hydrierung
von MAA mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und
Tetraalkylammonium-Salz/Methanol-Mischung. ....................................................... 96
Abbildung 36: Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf von MHB in der
asymmetrischen Hydrierung von MAA mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in
Methanol und Tetraalkylammonium-Salz/Methanol-Mischung. ................................ 97
ANHANG
176
Abbildung 37: Ausbeute-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen Hydrierung
von MAA mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und
Hydroxyalkylammonium-Salz/Methanol-Mischung. .................................................. 99
Abbildung 38: Enantioselektivität-Zeit-Verlauf von MHB in der asymmetrischen
Hydrierung von MAA mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und
Hydroxyalkylammonium-Salz/Methanol-Mischung. .................................................. 99
Abbildung 39: Ausbeute-Enantioselektivität-Zeit-Verlauf von MHB in der
asymmetrischen Hydrierung von MAA mit einem Ru-Thiophenphospholan-Komplex
in Methanol und IL/Methanol-Mischung.................................................................. 103
Abbildung 40: Dimensionslose Verweilzeitsummenkurve F(θ) und Bo-Zahlen bei
verschiedenen Turbinendrehzahlen für VHe=200 Nml/min...................................... 105
Abbildung 41: Strukturformeln der in der Gasphase eingesetzten monodentaten
Liganden................................................................................................................. 108
Abbildung 42: Strukturformel der in der Gasphase eingesetzten bidentaten Liganden.
............................................................................................................................... 108
Abbildung 43: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase unter Einsatz des tBu-MeO-BIPHEP- und Xyl-
MeO-BIPHEP-Liganden.......................................................................................... 109
Abbildung 44: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase unter Einsatz des Thiophenphospholan-,
BINAP- und MeO-BIPHEP-Liganden...................................................................... 110
Abbildung 45: Umsatz-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase mit Wasserstoff-Vorbehandlung. ............... 113
Abbildung 46: Umsatz-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase unter Einsatz mit MAA-Wasserstoff-
Vorbehandlung. ...................................................................................................... 114
Abbildung 47: Umsatz-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase mit Variation der Ruthenium-Beladung...... 118
Abbildung 48: Umsatz-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase mit Einsatz O2/H2O-Reinigungspartone für H2
und He.................................................................................................................... 119
Abbildung 49: Umsatz- Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten
kontinuierlichen Hydrierung von MAA in der Gasphase bei Variation der
Reaktionstemperatur). ............................................................................................ 121
ANHANG
177
Abbildung 50: Umsatz- Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten
kontinuierlichen Hydrierung von MAA in der Gasphase bei Variation der
Reaktionstemperatur (105, 115 und 125°C). .......................................................... 122
Abbildung 51: Verwendetes Kation [PEG]+ und Anion [FAP]-. ................................ 124
Abbildung 52: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase unter Verwendung verschiedener ionischer
Flüssigkeiten........................................................................................................... 124
Abbildung 53: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase mit Variation der IL-Beladung. ................... 126
Abbildung 54: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase unter Verwendung von unterschiedlichen
Silikaträgern............................................................................................................ 128
Abbildung 55: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase mit Variation der Oberflächenacidität ........ 129
Abbildung 56: Umsatz-ee-Zeit-Verlauf der SILP-katalysierten kontinuierlichen
Hydrierung von MAA in der Gasphase mit zusätzlicher MeOH-Dosierung............. 131
ANHANG
178
6.7 Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Industriell angewandte asymmetrische Hydrierungen.............................. 27
Tabelle 2: Anzahl der Produktionsprozesse, die auf eine asymmetrische Hydrierung
basieren.................................................................................................................... 29
Tabelle 3: Rezyklierung des RuLCl2-Komplexes in der Hydrierung von
Methylacetoacetat in [BMIM][BF4]/MeOH. ................................................................ 37
Tabelle 4: Rezyklierung des Ru-Komplexes in der Hydrierung von Methylacetoacetat
in [BMIM][PF6]/MeOH. .............................................................................................. 38
Tabelle 5: Rezyklierung eines polymer-gebundene BINAP/Diamin-Ru-Katalysators in
der Hydrierung von β-Jonon. .................................................................................... 41
Tabelle 6: Rezyklierung eines festen Zr-Ru-Katalysators in der Hydrierung von 1-
Acetonaphthon. ........................................................................................................ 42
Tabelle 7: Homogene, zweiphasige und SILP-katalysierte enantioselektive
Hydrierung von Methylacetoacetat mit Ru-BINAP. ................................................... 47
Tabelle 8: Rezyklierung von SILP-Katalysatoren (unterschiedliche Träger) in der
Hydrierung von Acetophenon in Isopropanol............................................................ 48
Tabelle 9: Dosiereinheiten (Hersteller: Bronkhorst) und Dosierbereiche für Trägergas
und Reaktanden. ...................................................................................................... 59
Tabelle 10: Ausbeute, Umsatz und Enantiomerenüberschuss bei unterschiedlichen
Wasserstoffdrücken.................................................................................................. 67
Tabelle 11: Ausbeute, Umsatz und Enantiomerenüberschuss bei unterschiedlichen
Reaktionstemperaturen. ........................................................................................... 67
Tabelle 12: Ausbeute, Umsatz und Enantiomerenüberschuss im Lösungsmittel
MeOH, IL und MeOH/IL-Gemischen bei verschiedenen Reaktionstemperaturen..... 68
Tabelle 13: Ausbeute, Umsatz und Enantiomerenüberschuss im zweiphasigen
System und Flüssig-Fest-System. ............................................................................ 70
Tabelle 14: Bestimmte Gleichgewichtskonstanten für die Ketal/Halbketalbildung von
MAA in Methanol. ..................................................................................................... 73
Tabelle 15: Stoßfaktoren und Aktivierungsenergien in der Hydrierung von MAA in
Methanol................................................................................................................... 81
Tabelle 16: Stoßfaktoren und Aktivierungsenergien in der Hydrierung von MAA in
Methanol................................................................................................................... 88
Tabelle 17: Asymmetrische Hydrierung von MAA, Rezyklierungsexperimente mit
[EMIM][NTf2], [EtOHMe3N][NTf2] und [(EtOH)2Me2N][NTf2]. ................................... 101
ANHANG
179
Tabelle 18: Asymmetrische Hydrierung von MAA, bidentater Thiophenphospholan-
Ligand in reiner IL [EMIM][NTf2]. ............................................................................ 104
Tabelle 19: Effektive Verweilzeiten bei unterschiedlichen Turbinendrehzahlen und
Volumenströme. ..................................................................................................... 107
Tabelle 20: NH3-TPD-Messungen von silanisierten, kalzinierten und trockenen Silika-
Trägern. .................................................................................................................. 128
ANHANG
180
6.8 Schemaverzeichnis
Schema 1: Vereinfachtes Schema der Minor-Major-Theorie. ................................... 22
Schema 2: Erster Einsatz eines chiralen Liganden in der asymmetrischen
Hydrierung. ............................................................................................................... 23
Schema 3: Monsanto´s L-Dopa Prozess. ................................................................. 27
Schema 4: Katalysezyklus für die (R)-BINAP-Ru-katalysierte Hydrierung von β-
Ketoestern nach Noyori et al.. .................................................................................. 30
Schema 5: Formales Reaktionsschema der MAA Hydrierung und Ketalbildung mit
Ru-BINAP-Komplexe nach Bartek et al.. .................................................................. 32
Schema 6: Erste asymmetrische Hydrierung in einer ionischen Flüssigkeit:
Umsetzung von α-Acetamido-Zimtsäure in [BMIM][SbF6] und iPrOH nach Chauvin.34
Schema 7: Umsetzung von Methylacetoacetat mit derivatisierten Ru-BINAP-
Katalysator nach Lin. ................................................................................................ 36
Schema 8: Hydrierung von 2-(6´-Methoxy-2´-naphthyl)acrylsäure mit Ru-Komplex
immobilisert durch das SAPC-Konzept (Supported Aqueous Phase Catalysis). ...... 45
Schema 9: Die in dieser Arbeit untersuchte asymmetrische Hydrierung von
Methylacetoacetat. ................................................................................................... 65
Schema 10: Reaktionsnetzwerkmodelle für die Hydrierung von MAA: Modell 1, 2. . 75
Schema 11: Reaktionsnetzwerkmodelle für die Hydrierung von MAA: Modell 3, 4. . 76
Schema 12: Reaktionsnetzwerkmodelle für die Hydrierung von MAA: Modell 5, 6. . 76
Schema 13: Reaktionsnetzwerk (Modell 6) für die Hydrierung von MAA in Methanol.
................................................................................................................................. 78
Schema 14: Allgemeine Reaktionsgleichung und getestete Einflussfaktoren auf die
asymmetrische Hydrierung in der Flüssig- und Gasphase. .................................... 134
LITERATURVERZEICHNIS
181
7. Literaturverzeichnis
[1] R. Noyori, Angewandte Chemie Int. Ed. (Nobel lecture) 2002, 41, 2008-2022.
[2] H.U. Blaser, F. Spindler, M. Studer, Applied Catalysis A: General 2001, 221, 119–
143.
[3] L. Horner, H. Siegel, H. Buthe, Angewandte Chemie Int. Ed. 1968,7, 942.
[4] W. S. Knowles, Angewandte Chemie Int. Ed. (Nobel Lecture) 2002, 41, 1998-
2007.
[5] H. Nozaki, S. Moriuti, H. Takaya, R. Noyori, Tetrahedron Letter 1966, 5239-5244.
[6] K. B. Sharpless, Angewandte Chemie Int. Ed. 2002, 41, 2024-2032.
[7] A. Behr, Angewandte homogene Katalyse, Wiley-VCH, Weinheim 2008, 122-127 /
509-531.
[8] W. Tang, X. Zhang, Chemical Reviews 2003, 103, 3029-3069.
[9] A.F. Trindade, P.M.P. Gois, C.A.M. Afonso, Chemical Reviews 2009, 109, 418-
514.
[10] M. Heitbaum, F. Glorius, I. Escher, Angewandte Chemie Int. Ed. 2006, 45, 4732-
4762.
[11] J. M. Fraile, J.I. Graci, J.A. Mayoral, Chemical Reviews 2009, 109, 360-417.
[12] S. Zeror, J. Collin, J. C. Fiaud, L.A. Zouioueche, Journal of Molecular Catalysis
A: Chemical 2006, 256, 85-89.
[13] J.G. de Vries, C.J. Elsevier, The Handbook of Homogeneous Hydrogenation
(Vol.3), Wiley-VCH, Weinheim, 2007.
[14] K. Burgemeister, G. Franci, V.H. Gego, L. Greiner, H. Hugl, W. Leitner,
Chemistry - A European Journal 2007, 13, 2798-2804.
[15] D.J. Bayston, J.L. Fraser, M.R. Ashton, A.D. Baxter, M.E.C. Polywka, E.J.
Moses, Journal of Organic Chemistry 1998, 63, 3137-3140.
[16] P.N. Liu, J.G. Deng, Y.Q. Tu, S.H.Wang, Chemical Communication 2004, 2070-
2071.
[17] A. Hu, H.L. Ngo, W. Lin, Journal of American Chemistry Society 2003, 125,
11490-11491.
[18] C. Köllner, B. Pugin, A. Togni, Journal of the American Chemical Society 1998,
120, 10274-10275.
LITERATURVERZEICHNIS
182
[19] T. Ohkuma, H. Takeno, Y. Honda, R. Noyori, Advanced Synthesis & Catalysis
2001, 343, 369-375.
[20] W.P.Hems, P. McMorn, S. Riddel, S. Watson, F.E. Hancock, G.J. Hutchings,
Organic Biomolecular Chemistry 2005, 3, 1547-1550.
[21] D. Tas, C. Thoelen, I.F.J. Vankelecom, P.A. Jacobs, Chemical Communication
1997, 2323-2324.
[22] Á. Zsigmond, K. Bogár, F. Notheisz, Journal of Catalysis 2003, (213) 103–108.
[23] T. Dwars, J. Haberland, I. Grassert, G. Oehme, U. Kragl, Journal of Molecular
Catalysis A: Chemical 2001, 168, 81–86.
[24] C.P. Mehnert, E.J. Mozeleski, R.A. Cook, Chemical Communication 2002, 3010-
3011.
[25] A. Wolfson, I.F.J. Vankelcom, P.A. Jacobs, Tetrahedron Letters. 2003, 44, 1195-
1198.
[26] K.L. Fow, S. Jaenicke, T.E. Müller, C. Sievers, Journal of Molecular Catalysis A:
Chemical, 2008, 279, 239-247.
[27] L.-L. Lou, X. Peng, K. Yu, S. Liu, Catalysis Communications 2008, 9, 1891-1893.
[28] A. Riisager, P. Wasserscheid, R. v. Hal, R. Fehrmann, Journal of Cataysis.
2003, 219, 452–455.
[29] A. Riisager, B. Jørgensen, P. Wasserscheid, R. Fehrmann, Chemical
Communication 2006, 994–996.
[30] O. Jimenez, T. E. Müller, C. Sievers, A. Spirkl, J. A. Lercher, Chemical
Communication 2006, 2974–2976.
[31] M. Ruta, G. Laurenczy, P. J. Dyson, L. Kiwi-Minsker, Journal of Physical
Chemistry C 2008, 112, 17814–17819.
[32] H. Hart, L.E. Craine, D.J. Hart, C.M. Hadad, Organische Chemie, Wiley-VCH
Verlag, Weinheim 2007, 181-215.
[33] K. P. C. Vollhardt, N.E. Schore, Organische Chemie, Wiley-VCH Verlag,
Weinheim 2005, 187-220.
[34] R. S. Cahn, Sir C. Ingold, V. Prelog, Angewandte Chemie Int. Ed. 1966, 5, 4,
385-415.
[35] T. Vries, H. Wynberg, E. van Echten, J. Koek, W. ten Hoeve, R.M. Kellogg, Q.B.
Broxterman, A. Minnaard, B. Kaptein, S. van der Sluis, L. Hulshof, J. Kooistra,
Angewandte Chemie Int. Ed. 1998, 37 (17), 2349-2354
LITERATURVERZEICHNIS
183
[36] T. Leyssens, D. Peeters, J. N. Harvey, Organometallics 2008, 27, 1514-1523.
[37] D. Steinborn, Grundlagen der metallorganischen Komplexkatalyse, B.G.
Teubner Verlag, Wiesbaden 2007, 49-59.
[38] R. A. Sheldon, I. Arends, U. Hanefeld, Green Chemistry and Catalysis, Wiley-
VCH, Weinheim 2007, 104-131.
[39] I.V. Komarov, A. Börner, Angewandte Chemie Int. Ed. 2001, 40(7), 1197-1200.
[40] M. Kitamura, M. Yoshimura, N. Kanda, R. Noyori, Tetrahedron 1999, 55, 8769-
8785.
[41] M. van den Berg, A.J. Minnaard, E.P. Schudde, J. van Esch, A.H.M de Vries,
J.G. de Vries, B.L. Feringa, Journal of the American Chemical Society 2000, 122,
11539-11540.
[42] S.P. Chua, N.K. Roberts, B. Bosnich, S.J. Okrainski, J.J. Halpern, Journal of the
Chemical Society, Chemical Communications 1981, 24, 1278-80.
[43] J. Halpern, C. R. Landis, Journal of the American Chemical Society, 1987, 109,
1746-1754.
[44] U. Nagel, J. Albrecht, Topics in Catalysis 1998, 5, 3-23.
[45] W. Zhang, Y. Chi, X. Zhang, Accounts of Chemical Research 2007, 40, 1278-
1290.
[46] W.S. Knowles, R. Noyori, Accounts of Chemical Research 2007, 40, 1238-1239.
[47] B. Cornils, W.A. Herrmann, Applied Homogeneous Catalysis with
Organometallic Compounds, Wiley-VHC, Weinheim, 2002, 195-212.
[48] P.W.N.M. van Leeuwen, Homogeneous Catalysis, Kluwer Academic Publishers
Dordrecht 2004, 75-94.
[49] J.F. Young, J.A., Osborn, F.H. Jardine, G. Wilkinson, Chemical Communications
1965, 7, 131-132.
[50] W.S. Knowles, M.J. Sabacky, Chemical Communications 1968, 22, 1445-46.
[51] H. B. Kagan, T.P. Dang, Chemical Communications 1971, 481-482.
[52] W.S.Knowles, Accounts of Chemical Research 1983, 16, 106-112.
[53] R. Noyori, M. Ohta, Y. Hsiao, M. Kitamura, T. Ohta, H. Takaya, Journal of the
American Chemical Society 1986, 108, 7117-7119.
[54] W.S. Knowles, R. Noyori, Accounts of Chemical Research 2007, 40, 1238-1239.
[55] R. Noyori, Accounts of Chemical Research 1990, 23, 345-350.
LITERATURVERZEICHNIS
184
[56] R. Noyori, T. Ohkuma, M. Kitamura, H. Takaya, N. Sayo, H. Kumobayashi, S.
Akutagawa, Journal of the American Chemical Society 1987, 109, 5856-58.
[57] M.J. Burk, Accounts of Chemical Research 2000, 33, 363-372.
[58] C. Claver, E. Fernandez, A. Gillon, K. Heslop, D.J. Hyett, A. Martorell, A.G.
Orpen, P.G. Pringle, Chemical Communications 2000, 15, 1447.
[59] M.T. Reetz, G. Mehler, Angewandte Chemie Int. Ed. 2000, 39(21), 3889-3890.
[60] M. Van den Berg, A.J. Minnaard, E.P. Schudde, J. van Esch, A.H.M. de Vries,
J.G. de Vries, B.L. Feringa, Journal of the American Chemical Society 2000, 122(46),
11539-11540.
[61] T. Jerphagnon, J.-L. Renaud, C. Bruneau, Tetrahedron: Asymmetry 2004, 15,
2101-2111.
[62] B. Hagemann, K. Junge, S. Enthaler, M. Michalik, T. Riermeier, A. Monsees, M.
Beller, Advanced Synthesis & Catalysis 2005, 347, 1978-1986.
[63] I. Ojima, N. Clos, C. Bastos, Tetrahedron 1989, 45(22), 6901-39.
[64] H.-U. Blaser, B. Pugin, F. S. Pindler, M. Thommen, Accounts of Chemical
Research. 2007, 40, 1240-1250.
[65] H.-U. Blaser, Advanced Synthesis & Catalysis 2002, 344, 17-31.
[66] H. Shimizu, I. Nagasaki, K. Matsumura, N. Sayo, T. Saito, Accounts of Chemical
Research 2007, 40, 1385-1393.
[67] S. Akutagawa, Applied Catalysis A: General 1995, 128, 171-207.
[68] J.G. de Vries, C.J. Elsevier, The Handbook of Homogeneous Hydrogenation
(Vol.2), Wiley-VCH, Weinheim, 2007.
[69] C. Jäkel, R. Paciello, Chemical Reviews 2006, 106, 2912-2942.
[70] W. Zhang, Y. Chi, X. Zhang, Accounts of Chemical Research 2007, 40, 1278-
1290.
[71] A.J. Minnaard, B.L. Feringa, L. Lefort, J.G. de Vries, Accounts of Chemical
Research 2007, 40, 1267-1277.
[72] T. Jerphagnon, J.-L. Renaud, C. Bruneau, Tetrahedron: Asymmetry 2004, 15,
2101-2111.
[73] T. Naota, H. Takaya, S.-I. Murahashi, Chemical Reviews 1998, 98, 2599-2660.
[74] F.D. Klingler, Accounts of Chemical Research 2007, 40, 1367-1376.
[75] T. Ikariya, A.J. Blacker, Accounts of Chemical Research 2007, 40, 1300-1308.
[76] D.J. Ager, S.A. Laneman, Tetrahedron: Asymmetry 1997, 8, 3327-3351.
LITERATURVERZEICHNIS
185
[77] R. Noyori, T. Ohkuma, Angewandte Chemie Int. Ed. 2001, 40, 40-73.
[78] R. Noyori, M. Kitamura, T. Ohkuma, Proceedings of the National Academy of
Sciences of the United States of America 2004, 101, 5356-5362.
[79] C.J.A. Daley, S.H. Bergens, Journal of the American Chemical Society 2002,
124, 3680-3691.
[80] S.E. Clapham, A. Hadzovic, R.H. Morris, Coordination Chemistry Reviews 2004,
248, 2201–2237.
[81] J.G. de Vries, C.J. Elsevier, The Handbook of Homogeneous Hydrogenation
(Vol.1), Wiley-VCH, Weinheim, 2007.
[82] L. Bartek, M. Drobek, M. Kuzam, P. Kluson, L. Cerveny, Catalysis
Communications 2005, 6, 61-65.
[83] A. Wolfson, I.F.J. Vankelecom, S. Geresh, P.A. Jacobs, Journal of Molecular
Catalysis A: Chemical 2003, 198, 39-45.
[84] A. Wolfson, I.F.J. Vankelecom, S. Geresh, P.A. Jacobs, Journal of Molecular
Catalysis A: Chemical 2004, 217, 21-26.
[85] S.A. King, A.S. Thompson, A.O. King, T.R. Verhoeven, Journal of Organic
Chemistry 1992, 57, 6689-6691.
[86] D. J. Birdsall, E. G. Hope, A. M. Stuart, W. Chen, Y. Hub, J. Xiao, Tetrahedron
Letters 2001, 42, 8551–8553.
[87] E. G. Hope, A. M. Stuart, A. J. West, Green Chemistry 2004, 6, 345-350.
[88] D.J. Cole-Hamilton, Advanced Synthesis & Catalysis 2006, 348, 1341-1351.
[89] P. Wasserscheid, W. Keim, Angewandte Chemie Int. Ed. 2000, 39, 3772-3789;
[90] C. Baudequin, J. Baudoux, J. Levillian, D. Cahard, A.-C. Gaumont, J.-C.
Plaquevent, Tetrahedron: Asymmetry 2003, 14, 3081-3093.
[91] P. Wasserscheid, T. Welton, Ionic Liquids in Synthesis, Wiley-VCH, Weinheim,
2007.
[92] T. Welton, Chemical Reviews 1999, 99, 2071-2083.
[93] T. Welton, Coordination Chemistry, Reviews 2004, 248, 2459-2477.
[94] Y. Chauvin, L. Mussmann, H. Olivier, Angewandte Chemie Int. Ed. 1995, 34,
23/24, 2698-2700.
[95] A. Berger, R.F. de Souza, M.R. Delgado, J. Dupont, Tetrahedron: Asymmetry
2001, 12, 1825-1828.
LITERATURVERZEICHNIS
186
[96] P.G. Jessop, R.R. Stanley, R.A. Brown, C.A. Eckert, C.L. Liotta, T.T. Ngo, P.
Pollet, Green Chemistry 2003, 5, 123-128.
[97] R. Noyori, Asymmetric Catalysis in Organic Synthesis, 1994, John Wiley and
Sons, New York.
[98] Y. Sun, R.N. Landau, J.Wang, C. LeBlond, D.G. Blackmond, Journal of the
American Chemical Society 1996, 118, 1348-53.
[99] J. Durand, E. Teuma, M. Gómez, Comptes Rendus Chimie 2007, 10,152-177.
[100] H.L. Ngo. A. Hu, W. Lin, Chemical Communication 2003, 1912-1913.
[101] H.L. Hgo, A. Hu, W. Lin, Tetrahedron Letters 2005, 46, 595-597.
[102] A. Hu, H.L. Ngo, W. Lin, Angewandte Chemie Int. Ed. 2004, 43, 2501-2504.
[103] M. Berthod, J.-M. Joerger, G. Mignani, M. Vaultier, M. Lemaire, Tetrahedron:
Asymmetry 2004, 15, 2219-2221.
[104] K.H. Lam, L. Xu, L. Feng, J. Ruan, Q. Fan, A.S.C. Chan, Canadian Journal of
Chemistry 2005, 83, 903-908.
[105] A. Wolfson, I.F.J. Vankelecom, P.A. Jacobs, Journal of Organometallic
Chemistry 2005, 690, 3558-3566.
[106] Y. Xiao, S.V. Malhotra, Tetrahedron: Asymmetry 2006, 17, 1062-1065.
[107] J. Wang, R. Qin, H. Fu, J. Chen, J. Feng, H. Chena, X. Li, Tetrahedron:
Asymmetry 2007,18, 847–851.
[108] J. Wang, J. Feng, R. Qin, H. Fu, M. Yuan, H. Chena, X. Li, Tetrahedron:
Asymmetry 2007, 18, 1643–1647.
[109] W. Xiong, Q. Lin, H. Ma, H. Zheng, H. Chena, X. Li, Tetrahedron: Asymmetry
2005, 16, 1959–1962.
[110] Q.-H. Fan, Y.-M. Li, A.S.C. Chan, Chemical Reviews 2002, 102, 3385-3466.
[111] D. Hérault, C. Saluzzo, R. Duval, M. Lemaire, Journal of Molecular Catalysis A:
Chemical 2002, 182-183, 249-256.
[112] B. Kesanli, W. Lin, Chemical Communication 2004, 2284-2285.
[113] A. Indra, S. Basu, D.G. Kulkarni, C.S. Gopinath, S. Bhaduri, G.K. Lahiri,
Applied Catalysis A: General 2008, 344, 124-130.
[114] F.M. Bautista, V. Caballero, J.M. Campelo, D. Luna, J.M. Marinas, A.A.
Romero, I.Romero, I. Serrano, A. Llobet, Topics in Catalysis 2006, 40, 193-205.
[115] H.H. Wagner, H. Hausmann, W.F. Hölderich, Journal of Catalysis 2001, 203,
150-156.
LITERATURVERZEICHNIS
187
[116] M.-Y- Yin, G.-L. Yuan, Y.-Q. Wu, M.-Y. Huang, Y.-Y. Jiang, Journal of
Molecular Catalysis A: Chemical 1999, 147, 93-98.
[117] H.-W. Liu, F. Xin, L.-M. Wu, M.-Y. Huang, Y.-Y. Jiang, Polymers for Advanced
Technologies 2002, 13, 210-215.
[118] R. Augustine, S. Tanielyan, S. Anderson, H. Yang, Chemical Communication
1999, 1257-1258.
[119] H.-B. Yu, Q.-S. Hu, L. Pu, Tetrahedron Letters 2000, 41, 1681-1685.
[120] J. Hjortkjaer, M.S. Scurrell, P. Simonsen, Journal of Molecular Catalysis 1979,
6(6), 405-20.
[121] L.A. Gerritsen, J.M. Herman, W. Klut, J.J.F. Scholten, Journal of Molecular
Catalysis 1980, 9(2), 157-68.
[122] J.P. Arhancet, M.E. Davis, J.S. Merola, B.E. Hanson, Nature 1989, 339(6224),
454-455.
[123] K.T. Wan, M.E. Davis, Journal of Catalysis 1994, 148, 1-8.
[124] K.T. Wan, M.E. Davis, Journal of Catalysis 1995, 152, 25-30.
[125] A. Riisager, R. Fehrmann, S. Flicker, R. van Hal, M. Haumann, P.
Wasserscheid, Angewandte Chemie Int. Ed. 2005, 44, 815-819.
[126] A. Riisager, R. Fehrmann, M. Haumann, P. Wasserscheid, European Journal of
Inorganic Chemistry 2006, 695-706.
[127] A. Riisager, R. Fehrmann, M. Haumann, B.S. Gorle, P. Wasserscheid,
Industrial & Engineering Chemistry Research 2005, 44, 9853-9859.
[128] A. Riisager, K.M. Eriksen, P. Wasserscheid, R. Fehrmann, Catalysis Letters
2003, 90, 149-153.
[129] Y. Gu, G. Li, Advanced Synthesis & Catalysis 2009, 351, 817 – 847.
[130] C. P. Mehnert, E. J. Mozeleski, R. A. Cook, Chemical Communication 2002,
3010–3011.
[131] H. Hagiwara, Y. Sugawara, K. Isobe, T. Hoshi, T. Suzuki, Organic Letters 2004,
6, 2325 – 2328.
[132] S. Breitenlechner, M. Fleck, T. E. Müller, A. Suppan, Journal of Molecular
Catalysis A: Chemical 2004, 214, 175 – 179.
[133] J.Joni, M. Haumann, P. Wasserscheid, Advanced Synthesis & Catalysis 2009,
351, 423-431.
LITERATURVERZEICHNIS
188
[134] J. Wei, Y. Bi, Y. Wang, X. Shi, CN 101045213, Faming Zhuanli Shenqing
Gongkai Shuomingshu, 2007.
[135] J. Wei, Y. Wang, Y. Bi, X Shi, CN 101073783, Faming Zhuanli Shenqing
Gongkai Shuomingshu, 2007.
[136] X. Peng, L.-L. Lou, K. Yu, S. Liu, Proceedings of International Forum on Green
Chemical Science & Engineering and Process Systems Engineering, Tianjin, China,
Oct. 8-10, 2006, 1, 195-198.
[137] N. Künzle, R. Hess, T. Mallat, A. Baiker, Journal of Catalysis 1999, 186, 239-
241.
[138] F.Gao, L. Chen, M. Garland, Journal of Catalysis 2006, 238, 402-411.
[139] G. Szöllősi, B. Hermán, F. Fülöp, M. Bartók, Reaction Kinetics and Catalysis
Letters 2006, 88, 2, 391-398.
[140] R. Wandeler, N. Künzle, M.S. Schneider, T. Mallat, A. Baiker, Journal of
Catalysis 2000, 200, 377-388.
[141] P. Stepenson, P. Licence, S.K. Ross, M. Poliakoff, Green Chemistry 2004, 6,
521-523.
[142] P. Stephenson, B. Kondor, P. Licence, K. Scovell, S.K. Ross, M. Poliakoff,
Advanced Synthesis & Catalysis 2006, 348, 1605-1610.
[143] O. Burkhardt, J. Woeltinger, A. Bommarius, H. Henniges, J.-L. Philippe, A.
Karau, K. Drauz, C. Wandrey, A. Liese, S. Laue, DE 10002975, Degussa-Hüls AG,
2001.
[144] H.-P. Krimmer, J. Woeltinger, O. Burkhardt, I. Klement, H. Henniges, K. Drauz,
A. Bommarius, J.-L. Philippe, A. Karau, DE 10002976, Degussa AG, 2001.
[145] E. Steckhan, S. Herrmann, R. Ruppert, J. Thömmes, C. Wandrey, Angewandte
Chemie 1990, 102, 4, 445-447.
[146] S. Laue, L. Greiner, J. Woeltinger, A. Liese, Advanced Synthesis & Catalysis
2001, 343, 6-7.
[147] C. Ferloni, M. Heinemann, W. Hummel, T. Daussmann, J. Büchs,
Biotechnology Progress 2004, 20, 975-978.
[148] R. Noyori, T. Ohkuma, M. Kitamura, H. Takaya, N. Sayo, H. Kumobayashi, S.
Akutagawa, Journal of the American Chemical Society 1987, 109, 5856 – 5858.
LITERATURVERZEICHNIS
189
[149] M. Kitamura, T. Ohkuma, S. Inoue, N. Sayo, H. Kumobayashi, S. Akutagawa,
T. Ohta, H. Takaya, R. Noyori, Journal of the American Chemical Society 1988, 110,
629 – 631.
[150] B. Hagemann, K. Junge, S. Enthaler, M. Michalik, T. Riermeier, A. Monsees, M.
Beller, Advanced Synthesis & Catalysis 2005, 347, 1978–1986.
[151] R. Kadyrov, Chimica Oggi 2008, 26(5), 41-42.
[152] J.M. Berty, Chemical Engineering Progress 1974, 70, 5, 78-84.
[153] J. M. Berty, US 4676955, Berty Reaction Engineers Ltd., 1987.
[154] a) D. F. Taber, L. J. Silverberg, Tetrahedron Letters 1991, 32, 4227-30; b) K.
Mashima, K. Kusano, N. Sato, Y. Matsumura, K. Nozaki, H. Kumobayashi,
N. Sayo, Y. Hori, T. Ishizaki, S. Akutagawa, H. Takaya, Journal of Organic Chemistry
1994, 59(11), 3064-76.
[155] M.T. Ashby, J. Halpern, Journal of the American Chemical Society 1991, 113,
589-594.
[156] X. Dong, C. Erkey, Journal of Molecular Catalysis: General A 2004, 211, 73-81.
[157] F.H. Mahfud, F. Ghijsen, H.J. Heeres, Journal of Molecular Catalysis: General
A 2007, 264, 227-236.
[158] http://cea.grc.nasa.gov/index.html, 4.5.08
[159] G. Combes, E. Coen, F. Dehghani, N. Foster, Industrial Engineering Chemistry
Research 2006, 45, 1281-1290.
[160] P. Wasserscheid, P. S. Schulz in P. Wasserscheid, T. Welton (eds.), „Ionic
Liquids in Synthesis“, 2. Edition, Wiley-VCH, Weinheim, 2007, 369-463.
[161] C. Daguenet, P. J. Dyson, Organometallics 2004, 23 (26), 6080-6083.
[162] a) L. Xu, W. Chen, J. Xiao, Organometallics 2000,19,1123-1127; b) U.
Hintermair, T.Gutel, A.M.Z. Slawin, D.J. Cole-Hamilton, C.C. Santini, Y. Chauvin,
Journal of Organometallic Chemistry 693, 2008, 2407-2414; c) N.M. Scott, S.P.
Nolan, European Journal of Inorganic Chemistry 2005, 1815-1828; d) S. Burling,
M.F. Mahon, B.M. Paine, M.K. Whittlesey, J.M.J. Williams, Organometallics 2004, 23,
4537-4539; e) D.S. McGuinness, N. Saendig, B.F. Yates, K.J. Cavell, Journal of the
American Chemical Society 2001,123, 4029-4040.
[163] J.-H. Xie, S. Liu, X.-H. Huo, X. Cheng, H.-F. Duan, B.-M. Fan, L.-X. Wang, Q.-
L. Zhou, Journal of Organic Chemistry 2005, 70, 2967-2973.
[164] R. Hartmann, P. Chen, Angewandte Chemie 2001, 113, 19, 3693-3697.
LITERATURVERZEICHNIS
190
[165] G. Erre, K. Junge, S. Enthaler, D. Addis, D. Michalik, A. Spannenberg, M.
Beller, Chemistry An Asian Journal 2008, 3, 887 – 894.
[166] J.P. Genêt, V. Ratovelomanana-Vida, M.C. Cano de Andrade, X. Pfister, P.
Guerreiro, J.Y. Lenoir, Tetrahedron Letters 1995, 36, 4801-4804.
[167] A. Riisager, P. Wasserscheid, R. van Hal, R. Fehrmann, Journal of Catalysis
2003, 219, 452-455.
[168] A. Lederle, J. Meier, H. Peterson, H. Pommerening, Speciality Chemicals 1997,
17, 7, 246-248, 250.
[169] J. Durand, E. Teuma, M. Gomez, Comptes Rendus Chimie 2007, 10, 3, 152-
177.
[170] D.W. Assenbaum, D. Gerhard, M. Medved, P. Wasserscheid, Green Solvents
for Synthesis, Oktober 2008.
[171] J. Jacquemin, P. Husson, V. Majer., M. F. C. Gomes, Journal of Solution
Chemistry 2007, 36, 967–979.
[172] N.V. Igant´ev, U. Welz-Biermann, A. Kucheryna, G. Bissky, H. Willner, Journal
of Fluorine Chemistry 2005, 1150-1159.
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