Kombinierter Einfluss von pH, Katalysator und stark nicht idealen Lösungsmittelmischungen (SNISMs) zur Verbesserung säurekatalysierter Reaktionen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jakob Albert; Privatdozent Dr.-Ing. Christoph Held
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525252957

Das Zusammenspiel von Reaktionsmedium und Katalysator bestimmt die Effizienz von chemischen Synthesen. Homogene Katalyse erfordert eine hohe Substratlöslichkeit, schnelle Kinetik, hohe Ausbeuten und Recyclingfähigkeit von Lösungsmittel und Katalysator. Chemische Reaktionen unter Wasserabspaltung erfordern ein Reaktionsmedium, das die thermodynamische Wasseraktivität so gering wie möglich hält, um das thermodynamische Gleichgewicht möglichst zur Produktseite zu verschieben und gleichzeitig die thermodynamische Aktivität von Edukten und Katalysator (z.B. Protonenaktivität) möglichst zu maximieren. Die Verwendung einzelner Lösungsmittel erlaubt oftmals nur die Gewährung einer dieser Eigenschaften, z.B. Verringerung der Wasseraktivität bei gleichzeitiger Verlangsamung der Kinetik (durch negative Auswirkungen des Lösemittels auf die Aktivität der Reaktanden oder Katalysatoren). Daher schlagen wir in diesem Projekt vor, stark nicht ideale Lösungsmittelgemische (SNISMs), die negative Abweichungen vom Raoultschen Gesetz aufweisen, einzusetzen. SNISMs können abhängig von ihren Bestandteilen mehr oder weniger hydrophil sein. Bisher ist der Einfluss von SNISMs auf das Phasenverhalten in Reaktionsmischungen sowie Ausbeute und Kinetik der Reaktion nicht gut bekannt. Der multivariable Einfluss von SNISMs auf das Phasenverhalten und die Reaktionseffizienz (zusätzlich zu anderen Parametern wie Temperatur, Druck, pH-Wert) kann nicht nur experimentell untersucht werden. Daher ist ein Vorhersagewerkzeug erforderlich, um den Mechanismus von stark aziden Katalysatoren wie Heteropolysäuren (HPAs) aufzuklären und final HPA-SNISM-Dreamteams maßzuschneidern. Diese werden die Katalyse von Reaktionen unter Wasserabspaltung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen ermöglichen und eine Produkttrennung und Rückführung des Katalysators erlauben. Die neue Idee dieses Projekts besteht darin, thermodynamische Eigenschaften des HPAKatalysators und die Dissoziationsgleichgewichte mit der Reaktionseffizienz als Funktion der Reaktionsmedien (SNISMs Art und -Konzentrationen) zu verknüpfen. Dies wird realisiert durch thermodynamische Elektrolytmodelle und IR-Charakterisierung. Wir postulieren, dass kinetische Kurven zusammenfallen, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit auf die thermodynamische Aktivität des HPA-Katalysators bezogen wird. Zusammenfassend zielen wir darauf ab, SNISMs für Flüssigphasenreaktionen maßzuschneidern, den Einfluss von Wasser und HPA-Katalysator auf das Phasenverhalten der SNISMs und den Einfluss von SNISMs und neuen HPAKatalysatoren auf Reaktionsthermodynamik und -kinetik aufzuzeigen. Prädiktive Elektrolytmodelle werden schließlich prädiktive kinetische Modelle etablieren. Zudem werden wir Recyclingkonzepte für SNISMs und HPA-Katalysatoren etablieren und TONs, TOFs und Raum-Zeit- Ausbeute verbessern. Validierung wird durch Anwendung der gewonnenen Erkenntnisse auf ein anderes Reaktionssystem unter Wasserabspaltung erreicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen