Entwicklung neuartiger Katalysatorsysteme zur effizienten Herstellung chiraler ... · 2013. 9. 3. · DIOP O-Isopropyliden-2,3-dihydroxy-1,4-bis(diphenylphosphino)butan DIPAMP 1,2-Ethandiylbis[(o-methoxyphenyl)phenylphosphin]

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


„Asymmetric hydrogenation of methylacetoacetate using different solvent systems”

Jahrestreffen Reaktionstechnik, Würzburg.

Poster


„Kinetic studies of asymmetric hydrogenation of methylacetoacetate in different

solvents”

ProcessNet-Jahrestagung 2009, Karlsruhe.

Poster


„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


„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


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


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]


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]


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



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)


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


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.


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


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).


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


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.


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


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



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.


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.


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).


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.


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


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].


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


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.


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:


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.


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.


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.


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


- 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).


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


- 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



- CH3OH- CH3OH

+ CH3OH


(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



- 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



- CH3OH- CH3OH

+ CH3OH


(rechts).


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.


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.


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



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)


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.


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.


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.


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


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.


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.


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%).


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.


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.


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)


Phenylphosphepin (L/Ru = 2:1)

0 25 50 75 100 12570

75

80

85

90

95

100



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.


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).


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.


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 -


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.


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%).


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%).


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.


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.


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.



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


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.


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]


einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Pyridinium-Salz/Methanol-Mischung.



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.



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


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]


einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Tetraalkylammonium-Salz/Methanol-

Mischung.




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.



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


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).


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]


einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Hydroxyalkylammonium-Salz/Methanol-

Mischung.



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.



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


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


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


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


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


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


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.


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


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.


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


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


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.


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]


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).




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


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


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


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).




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


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]


der Gasphase unter Einsatz mit MAA-Wasserstoff-Vorbehandlung (keine Vorbehandlung: TON=412,

TOFMax=14,8h-1; mit Vorbehandlung: TON=365, TOFMax=13,8h-1).



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.


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.


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.


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-


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]


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).


[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


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


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).



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.


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.


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).



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


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).



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.


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.


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]


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).


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


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.


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]


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).


[EMIM][NTf2], Silika 30 (0,2-1mm), L/Ru=2:1, Ru/SiO2=0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm,



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).


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]


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).


[EMIM][NTf2], Silika 30/60, L/Ru=2:1, α=0,8, Ru/SiO2=0,0038g/g (0,38Gew.-% Ru), 125°C, 10bar, 5000rpm,


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


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

[%

]


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).


[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:


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


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

[%

]


in der Gasphase mit zusätzlicher MeOH-Dosierung (reines MAA: TON=843, TOFMax=16,3h-1; mit

Additiv MeOH: TON=1718, TOFMax=25,0h-1).



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


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



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


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


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


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


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


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


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).


ANHANG

143

0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

5

10

15

20

25

30

35

40


c

[m

ol/m

3]

t [s]




0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

5

10

15

20

25

30

35

40


c [

mo

l/m

3]

t [s]




ANHANG

144

0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

5

10

15

20

25

30

35

40


c [

mo

l/m

3]

t [s]




0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

5

10

15

20

25

30

35

40

c [

mo

l/m

3]


Abbildung A 6: Konzentration-Zeit-Verlauf aller flüssigen Reaktanden bei 5 bar mit modellierten



ANHANG

145

0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

5

10

15

20

25

30

35

40


c [

mo

l/m

3]

t [s]




0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

5

10

15

20

25

30

35

40


c [

mo

l/m

3]

t [s]




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).


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).


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).


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


Reproduzierungsversuche bei 60°C (Thiophenphospholan-Ligand).


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]


Reproduzierungsversuche bei 80°C (Thiophenphospholan-Ligand).


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


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


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,


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,


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,


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,


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


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


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


Abbildung 29: Einfluss des Wasserstoffdruckes auf Ausbeute und Enantioselektivität


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


von MAA mit einem Ru-Phenylphosphepin-Komplex in Methanol und Pyridinium-

Salz/Methanol-Mischung. ......................................................................................... 95

Abbildung 34: Enantiomerenüberschuss-Zeit-Verlauf in der asymmetrischen


Pyridinium-Salz/Methanol-Mischung. ....................................................................... 95


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


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


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


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


Hydrierung von MAA in der Gasphase unter Einsatz mit MAA-Wasserstoff-

Vorbehandlung. ...................................................................................................... 114


Hydrierung von MAA in der Gasphase mit Variation der Ruthenium-Beladung...... 118


Hydrierung von MAA in der Gasphase mit Einsatz O2/H2O-Reinigungspartone für H2

und He.................................................................................................................... 119


kontinuierlichen Hydrierung von MAA in der Gasphase bei Variation der

Reaktionstemperatur). ............................................................................................ 121

ANHANG

177


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


Hydrierung von MAA in der Gasphase unter Verwendung verschiedener ionischer

Flüssigkeiten........................................................................................................... 124


Hydrierung von MAA in der Gasphase mit Variation der IL-Beladung. ................... 126


Hydrierung von MAA in der Gasphase unter Verwendung von unterschiedlichen

Silikaträgern............................................................................................................ 128


Hydrierung von MAA in der Gasphase mit Variation der Oberflächenacidität ........ 129


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


Wasserstoffdrücken.................................................................................................. 67


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 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

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Entwicklung neuartiger Katalysatorsysteme zur effizienten Herstellung chiraler ... · 2013. 9. 3. · DIOP O-Isopropyliden-2,3-dihydroxy-1,4-bis(diphenylphosphino)butan DIPAMP 1,2-Ethandiylbis[(o-methoxyphenyl)phenylphosphin]