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An experimental assessment of model-based solvent selection for enhancing chemical reactions = Experimentelle Bewertung der modellbasierten Lösungsmittelauswahl zur Beschleunigung chemischer Reaktionen

Tsichla, Angeliki^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Angeliki Tsichla

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (XIII, 146 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor) ; Liauw, Marcel (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-02-09

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223767
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/722759/files/722759_1.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/722759/files/722759_2.pdf

Einrichtungen

1. Lehrstuhl für Prozesstechnik (416410)

Projekte

1. MULTIMOD - Multiscale Modeling of Chemical and Biochemical Systems (238013) (238013)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
solvents (frei) ; accelerated reaction kinetics (frei) ; hybrid experimental/model-based methodology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Wissenschaftliche Fortschritte auf dem Gebiet der Chemie haben gezeigt, dass Lösungsmittel die Geschwindigkeit einer breiten Palette chemischer Reaktionen entscheidend beeinflussen. Dies hat das Interesse von Wissenschaft und Industrie an der Suche nach (geeigneten) Lösungsmitteln zur Optimierung der Reaktionskinetik ausgelöst. Es gibt jedoch nur wenige systematische Ansätze, um die Lösungsmittelauswahl in diese Richtung zu lenken, und bis heute wurde kein systematischer modellbasierter Ansatz beschrieben, der eine direkte Anwendbarkeit auf industrielle Reaktionsfragestellungen berücksichtigt. In dieser Studie wird eine hybride experimentell/modellbasierte Methode basierend auf der solvatochromen Gleichung zur Vorhersage des besten Lösungsmittels für einen industriellen chemischen Prozess bei minimalem experimentellen Aufwand etabliert. Zur schnellen Datenerzeugung und -quantifizierung wurde ein modularer kontinuierlicher Reaktor in Verbindung mit Echtzeitanalytik aufgebaut. Die solvatochrome Gleichung wurde verwendet, um die Lösungsmitteleffekte auf die Reaktionsgeschwindigkeiten zu modellieren. Die experimentell untersuchten Lösungsmittel wurden aus einer Lösungsmitteldatenbank ausgewählt, die aus gängigen organischen Lösungsmitteln und aus Strukturen bestand, die mit Hilfe von Computer-Aided-Molecular-Design (CAMD) -Techniken erzeugt wurden. Die Datenbank wurde weiter verfeinert, um die spezifischen Anforderungen der Reaktion, Umwelt- und Gesundheitsauflagen sowie Limitierungen der Anlage zu erfüllen. Die Auswahl (der Lösungsmittel) war diversitätsorientiert, mit dem Ziel, die größtmögliche Information bei möglichst geringem experimentellen Aufwand zu erhalten. Die Methodik wurde auf die Aminierung von Ethyltrichloracetat mit flüssigem Ammoniak angewendet, eine Reaktion von industriellem Interesse. Zwei der als vielversprechend vorhergesagten Lösungsmittel wurden experimentell verifiziert und damit die Vorhersagekraft der Methodik belegt. Die etablierte Methodik kann als Ausgangspunkt für weitere Verbesserungen dienen. Die Aufnahme von ionischen Flüssigkeiten, überkritischen Fluiden und mit Hilfe von (CAMD) -Techniken erzeugten Strukturen in die Lösungsmitteldatenbank kann neue vielversprechende Lösungsmittelkandidaten aufdecken und dadurch neue Optionen in der chemischen Synthese eröffnen. Die Kopplung mit Modellidentifikations- und -unterscheidungstechniken kann den experimentellen Aufwand weiter minimieren. Der gegenwärtige Ansatz verfolgt die Erhöhung der Geschwindigkeit der Reaktion, die zu den gewünschten Produkten führt, und die Verringerung der Geschwindigkeit der Nebenreaktionen als zwei unabhängige Ziele. In zukünftigen Arbeiten könnten beide Ziele als eine Einheit behandelt werden.

Scientific advances in the field of chemistry have established that solvents have a critical impact on the rate of a wide array of chemical reactions. This has triggered the interest of academia and industry for the search of solvents that optimize reaction kinetics. Yet, there are only a few systematic approaches to guide solvent selection in this direction and to date, a systematic model-based approach that considers direct applicability to industrial reaction problems has not been reported. In this study, a hybrid experimental/model-based solvent selection methodology built around the solvatochromic equation is established for the prediction of the best solvent(s) for an industrial chemical process at minimum experimental effort. For the rapid data generation and quantification, a modular continuous reactor coupled with real-time analytics has been set up. The solvatochromic equation was used to model the solvent effects on the reaction rates. The solvents that were experimentally investigated were selected from a solvent database consisting of known organic solvents and structures generated with the aid of CAMD techniques which was further refined to meet the specific reaction requirements, environmental and health constraints and equipment limitations. The selection was diversity-oriented, aiming at the acquisition of the maximum possible information at the least experimental effort. The methodology was applied on the amination of ethyl trichloroacetate with liquefied ammonia, a reaction of industrial interest. Two of the predicted promising solvents were verified experimentally, demonstrating the predictive ability of the methodology. The established methodology can be used as a starting point for further improvement. Inclusion of ionic liquids, supercritical fluids and structures generated with the aid of Computer Aided Molecular Design (CAMD) techniques in the solvent database, may reveal new promising solvent candidates, opening new windows in chemical synthesis. Coupling with model identification and discrimination techniques can further minimize the experimental effort involved. The current approach deals with the enhancement of the rate of the reaction leading to the desired products and the reduction of the rate of the side reactions as two independent objectives. Future research could be dedicated into treating the two objectives as a unified one.

OpenAccess:
PDF
PDF
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT019751180

Interne Identnummern
RWTH-2018-223767
Datensatz-ID: 722759

Beteiligte Länder
Germany