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Verknüpfung katalytischer Reaktionen in Hinblick auf Katalysator-Recycling und die Anwendung in kontinuierlich betriebenen Reaktoren
2022 & 2023
Dissertation, RWTH Aachen University, 2022
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-09-27
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-11741
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/861293/files/861293.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
catalysis (frei) ; catalyst recycling (frei) ; continuous flow (frei) ; green chemistry (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540
Kurzfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Design und der Ausführung verknüpfter katalytischer Reaktionen in Form einer Tandem- oder Kaskadenreaktion. Bei Kaskadenreaktionen handelt es sich um die Hintereinanderschaltung zweier Teilreaktionen in einer kontinuierlich betriebenen Anlage ohne zwischengeschaltete Aufarbeitung. Durch diese Art der Verknüpfung ist es möglich Kosten und Abfälle von Prozessen zu reduzieren und zur Nachhaltigkeit beizutragen, wenn eine Tandemreaktion nicht möglich ist. In zwei Projekten wurde herausgearbeitet welche Voraussetzungen für eine Kaskadenreaktion erfüllt sein müssen und wie diese am besten durchgeführt wird. Beide Projekte beschäftigten sich jeweils mit einem Prozess aus zwei Teilschritten, die sich nicht als Tandem-, sondern nur als Kaskadenreaktion verknüpfen lassen. Für das erste Projekt wurde die Umwandlung der aus Biomasse gewonnenen Verbindung Furfuralaceton in das potenzielle Biotreibstoffmolekül 2-Butyltetrahydrofuran (BTHF) untersucht. Die Umsetzung besteht aus der vollständigen Hydrierung von Furfuralaceton und der anschließenden Desoxygenierung zu BTHF. Zunächst wurden die beiden Teilschritte getrennt voneinander untersucht, wobei der Fokus auf der Verwendung kommerzieller heterogener Katalysatoren lag. Nach der Optimierung beider Reaktionen im kleinen Maßstab, wurden sie auf einen kontinuierlichen Betrieb übertragen. In einer darauf zugeschnittenen Miniplant konnte die Kaskadenreaktion erfolgreich demonstriert werden. Das zweite Projekt beschäftigte sich mit der Herstellung von verzweigten langkettigen Aminen – welche für eine Anwendung als Tenside interessant sind – ausgehend von endständigen Olefinen. Es wurde zunächst ein mehrphasiges Katalysatorsystem für die Hydroformylierung/ Aldolkondensation-Tandemreaktion entwickelt, welches die Umsetzung der Olefine zu ungesättigten Aldehyden ermöglichte. Das grüne Lösungsmittel Polyethylenglykol stellte sich dabei als entscheidend für die Reaktion heraus, da es sowohl die Aktivität des basischen Aldolkatalysators verstärkte als auch ein Recycling des homogenen Katalysatorsystems erlaubte. Auch die weitere Umsetzung der Aldolprodukte zu den verzweigten Aminen über eine Hydrierung/reduktive Aminierung-Tandemreaktion konnte erfolgreich durchgeführt und ein Katalysator-Recycling entwickelt werden. Die Kombination der beiden Tandemreaktionen wurde im kleinen Maßstab realisiert und es wurde diskutiert wie die Kaskadenreaktion im kontinuierlichen Betrieb durchgeführt werden könnte. Die Erkenntnisse beider Projekte führten schließlich zu einem Entscheidungsbaum für das allgemeine Design von Kaskadenreaktionen.This work deals with the design and execution of linked catalytic reactions in the form of a tandem or cascade reaction. Cascade reactions involve the connection of two partial reactions in series in a continuously operated plant without intermediate work-up. This type of linkage makes it possible to reduce costs and waste from processes and contribute to sustainability when a tandem reaction is not possible. In two projects, the prerequisites for a cascade reaction and the best way to carry it out were worked out. Both projects dealt with a process consisting of two substeps that cannot be linked as a tandem reaction, but only as a cascade reaction. For the first project, the conversion of the biomass-derived compound furfuralacetone into the potential biofuel molecule 2-butyltetrahydrofuran (BTHF) was investigated. The conversion consists of the complete hydrogenation of furfural acetone and the subsequent deoxygenation to BTHF. Initially, the two substeps were studied separately, a common solvent was found, and suitable catalysts were compared, focusing on the use of commercial heterogeneous catalysts. After optimizing both reactions on a small scale, they were transferred to a continuous operation. The cascade reaction was successfully demonstrated in a tailor-made miniplant. The second project dealt with the preparation of branched long-chain amines – which are of interest for application as surfactants – starting from terminal olefins. First, a multiphase catalyst system for the hydroformylation/aldol condensation tandem reaction was developed, which allowed the conversion of the olefins to unsaturated aldehydes. The green solvent polyethylene glycol turned out to be crucial for the reaction, as it both enhanced the activity of the basic aldol catalyst and allowed recycling of the homogeneous catalyst system. Further conversion of the aldol products to the branched amines via reductive amination was also successfully carried out and a catalyst recycling was developed. The combination of the two tandem reactions was realized on a small scale and it was discussed how the cascade reaction could be carried out in continuous operation. The findings of both projects finally led to a decision tree for the general design of cascade reactions.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT030005710
Interne Identnummern
RWTH-2022-11741
Datensatz-ID: 861293
Beteiligte Länder
Germany
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