Oberflächenaktive ionische Flüssigkeiten als Katalysatoren der Olefinepoxidierung: Reaktionskontrolle durch schaltbares Phasenverhalten

• Antragsteller: Dr. Mirza Cokoja; Professor Dr.-Ing. Andreas Jess
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326649877

Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung Stimuli-responsiver, oberflächenaktiver ionischer Flüssigkeiten (engl. surface-active ionic liquids: SAIL) und ihrer Anwendung in der Zweiphasen-Epoxidierung hydrophober Olefine in Wasser mit Wasserstoffperoxid als Oxidans. Das Ziel ist es, imidazoliumhaltige SAILs so maßzuschneidern, dass sie unter gezielter Ausübung äußerer Einflüsse wie der Temperatur ihre makroskopische Aggregatstruktur in wässriger Lösung und somit ihr Phasenverhalten quantitativ ändern. Unsere Erfahrungen aus dem Vorgängerprojekt zeigen, dass katalytisch aktive SAILs zwar durch einfaches Dekantieren vom hydrophoben organischen Produkt abgetrennt werden können, vom Wasser bzw. der H2O2/Wasser-Phase aber nur durch Destillation. Dies ist bei Labor-Batchreaktoren zwar möglich, aber technisch bei möglichst kontinuierlichem Reaktorbetrieb hinderlich und energetisch sehr aufwändig. Das Ziel der Schaltbarkeit des Phasenverhaltens der SAIL ist es darum, auf Wunsch SAIL-Mizellen in der wässrigen Phase zu bilden, um die Epoxidierung zu starten, und dann „auf Knopfdruck“ etwa durch Temperaturänderung die Mizellstruktur kollabieren zu lassen, damit die SAIL eine eigene, dritte Phase bildet. Die reine SAIL kann dann erneut eingesetzt bzw. in den Reaktor zurückgeführt werden. Basierend auf diesem Konzept beschäftigt sich unser Kooperationsprojekt mit der systematischen Substituierung am Imidazoliumkation katalytisch aktiver SAILs, um den Einfluss der eingeführten Substituenten auf die Veränderung des Schmelzpunkts sowie das temperaturabhängige Löslichkeitsverhalten und die Mizellbildung in wässrigem Milieu zu untersuchen. Die Substituenten dirigieren dabei die Stärke der intermolekularen Kation-Kation- bzw. Kation-Anion-Wechselwirkungen sowie der Hydrophobie/Hydrophilie der SAIL. Vielversprechende SAILs werden in Voruntersuchungen im Batchreaktor auf ihre katalytische Aktivität für die Epoxidierung von Cycloocten als Modellsubstrat untersucht und anschließend im kontinuierlichen Betrieb eingesetzt. Aus den gewonnenen kinetischen und thermodynamischen Daten wird mithilfe mathematischer Methoden ein Modell erstellt, das auch auf Reaktoren technischer Größe übertragen werden kann. Neben der Temperatur als externem Stimulus soll abschließend auch die komplexere Schaltbarkeit durch Licht untersucht werden. Hierzu werden chromophore Substituenten an Kationen katalytisch aktiver SAILs angebracht, die unter Lichteinwirkung die Struktur der SAIL dergestalt ändern, dass Mizellbildung und -kollaps steuerbar sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen