Durch Ultraschall induzierte und verstärkte Phasentransferkatalyse

Hochleistungsultraschall ist für seinen Beitrag zu verschiedenen chemischen Reaktionen bekannt. Dabei handelt es sich um die sogenannte Sonochemie. Heterogene Reaktionen – insbesondere Phasentransferreaktionen – sind vielversprechende Anwendungsgebiete für Leistungsultraschall. Durch die mechanische und sonochemische Energie, die auf die Reagenzien einwirkt, können Reaktionen initiiert, die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich erhöht sowie höhere Umsätze, höhere Ausbeuten und bessere Produkte erzielt werden. Die lineare Skalierbarkeit von Ultraschall und die Verfügbarkeit zuverlässiger industrieller Ultraschallanlagen machen diese Technik zu einer interessanten Lösung für die chemische Produktion.

Phasentransferkatalyse

Die Phasentransferkatalyse (PTC) ist eine besondere Form der heterogenen Katalyse und als praktische Methode für die organische Synthese bekannt. Durch den Einsatz eines Phasentransferkatalysators lassen sich ionische Reaktanten in Lösung bringen, die häufig in einer wässrigen Phase löslich, in einer organischen Phase jedoch unlöslich sind. Damit bietet die PTC eine alternative Lösung zur Überwindung des Heterogenitätsproblems bei einer Reaktion, bei der die Wechselwirkung zwischen zwei Stoffen in unterschiedlichen Phasen eines Gemisches gehemmt ist, weil die Reagenzien nicht miteinander in Kontakt kommen können. (Esen et al. 2010) Allgemeine Vorteile der Phasentransferkatalyse sind der geringe Vorbereitungsaufwand, einfache experimentelle Verfahren, milde Reaktionsbedingungen, hohe Reaktionsgeschwindigkeiten, hohe Selektivitäten, der Einsatz preiswerter und umweltverträglicher Reagenzien wie quartärer Ammoniumsalze sowie entsprechender Lösungsmittel und die Möglichkeit, Synthesen im großen Maßstab durchzuführen (Ooi et al. 2007).
Eine Vielzahl von Flüssig–Flüssig- und Flüssig–Feststoff-Reaktionen wurde durch den Einsatz einfacher Phasentransferkatalysatoren (PT-Katalysatoren) wie quartärer Ammoniumverbindungen, Polyethylenglykol-400 usw. intensiviert und selektiv gestaltet. Diese ermöglichen den Transport ionischer Spezies aus der wässrigen in die organische Phase. So lassen sich die Probleme überwinden, die mit der extrem geringen Löslichkeit organischer Reaktanten in der wässrigen Phase verbunden sind. In der Pestizid- und Pharmaindustrie wird PTC umfassend eingesetzt und hat die Grundlagen der Geschäftstätigkeit verändert. (Sharma 2002)

Leistungsultraschall

Der Einsatz von Leistungsultraschall ist eine bewährte Methode zur Herstellung äußerst feiner Emulsionen. In der Chemie werden solche äußerst feinen Emulsionen eingesetzt, um chemische Reaktionen zu verbessern. Dabei wird die Kontaktfläche zwischen zwei oder mehr nicht mischbaren Flüssigkeiten erheblich vergrößert, wodurch die Reaktion besser, vollständiger und/oder schneller ablaufen kann.
Für die Phasentransferkatalyse wird – wie für andere chemische Reaktionen auch – ausreichend kinetische Energie benötigt, um die Reaktion zu starten.
Dies hat verschiedene positive Auswirkungen auf die chemische Reaktion:

• Eine chemische Reaktion, die aufgrund ihrer geringen kinetischen Energie normalerweise nicht abläuft, kann durch Ultraschallbehandlung gestartet werden.
• Chemische Reaktionen können durch ultraschallunterstützte PTC beschleunigt werden.
• Vollständiger Verzicht auf einen Phasentransferkatalysator.
• Rohstoffe können effizienter genutzt werden.
• Nebenprodukte können reduziert werden.
• Ersatz einer kostenintensiven, gefährlichen starken Base durch eine preiswerte anorganische Base.

Durch diese Effekte ist PTC eine äußerst wertvolle chemische Methode für die organische Synthese aus zwei oder mehr nicht mischbaren Reaktanten: Die Phasentransferkatalyse (PTC) ermöglicht es, Rohstoffe in chemischen Prozessen effizienter zu nutzen und kostengünstiger zu produzieren. Die Verbesserung chemischer Reaktionen durch PTC ist ein wichtiges Instrument für die chemische Produktion, dessen Wirkung durch den Einsatz von Ultraschall erheblich gesteigert werden kann.

Beispiele für durch Ultraschall geförderte PTC-Reaktionen

• Synthese neuer N‘-(4,6-disubstituierter-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)thioharnstoffderivate unter Verwendung von PEG-400 bei Ultraschallbehandlung. (Ken et al. 2005)
• Die ultraschallunterstützte Synthese von Mandelsäure mittels PTC in einer ionischen Flüssigkeit zeigt unter Umgebungsbedingungen eine deutliche Steigerung der Reaktionsausbeuten. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008) berichten über die ultraschallunterstützte C-Alkylierung von Phenylacetonitril in einer lösungsmittelfreien Umgebung. Die reaktionsfördernde Wirkung des Ultraschalls wurde auf die extrem große Grenzfläche zwischen den beiden flüssigen Phasen zurückgeführt. Die Ultraschallbehandlung führt zu einer deutlich höheren Reaktionsgeschwindigkeit als mechanisches Mischen.
• Die Beschallung während der Reaktion von Tetrachlorkohlenstoff mit Magnesium zur Erzeugung von Dichlorcarben führt in Gegenwart von Olefinen zu einer höheren Ausbeute an gem-Dichlorcyclopropan. (Lin et al. 2003)
• Ultraschall beschleunigt die Cannizzaro-Reaktion von p-Chlorbenzaldehyd unter Phasentransferbedingungen. Von drei Phasentransferkatalysatoren – Benzyltriethylammoniumchlorid (TEBA), Aliquat und 18-Krone-6 –, die von Polácková et al. (1996) getestet wurden, erwies sich TEBA als der wirksamste. Ferrocencarbaldehyd und p-Dimethylaminobenzaldehyd lieferten unter ähnlichen Bedingungen 1,5-Diaryl-1,4-pentadien-3-one als Hauptprodukt.
• Lin-Xiao et al. (1987) haben gezeigt, dass die Kombination aus Ultraschallbehandlung und PTC die Erzeugung von Dichlorcarben aus Chloroform wirksam fördert und dabei eine kürzere Reaktionszeit, eine bessere Ausbeute und eine geringere Katalysatormenge ermöglicht.
• Yang et al. (2012) untersuchten die umweltfreundliche, ultraschallunterstützte Synthese von Benzyl-4-hydroxybenzoat unter Verwendung von 4,4′-Bis(tributylammoniomethyl)-1,1′-biphenyldichlorid (QCl₂) als Katalysator. Durch den Einsatz von QCl₂ entwickelten sie eine neuartige Phasentransferkatalyse mit zwei aktiven Zentren. Diese Feststoff–Flüssig-Phasentransferkatalyse (SLPTC) wurde als Chargenprozess mit Ultraschallbehandlung durchgeführt. Unter intensiver Beschallung wurden 33% des zugesetzten Q2+, das 45,2% Q(Ph(OH)COO)₂ enthielt, in die organische Phase überführt, um mit Benzylbromid zu reagieren. Dadurch erhöhte sich die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit. Diese erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit betrug 0,106 min^-1 bei einer Ultraschallleistung von 300W, während ohne Beschallung eine Geschwindigkeit von 0,0563 min^-1 beobachtet wurde. Damit wurde der synergistische Effekt des Phasentransferkatalysators mit zwei aktiven Zentren und Ultraschall bei der Phasentransferkatalyse nachgewiesen.

Verbesserung asymmetrischer Phasentransferreaktionen durch Ultraschall

Mit dem Ziel, eine praktische Methode für die asymmetrische Synthese von α-Aminosäuren und ihren Derivaten zu etablieren, untersuchten Maruoka und Ooi (2007), „ob die Reaktivität N-spiro-chiraler quartärer Ammoniumsalze erhöht und ihre Strukturen vereinfacht werden könnten. Da Ultraschallbestrahlung eine Homogenisierung, das heißt sehr feine Emulsionen, bewirkt, vergrößert sie die Grenzfläche, an der die Reaktion stattfinden kann, erheblich. Dies könnte zu einer deutlichen Beschleunigung von Flüssig–Flüssig-Phasentransferreaktionen führen. Tatsächlich lieferte die Beschallung des Reaktionsgemisches aus 2, Methyliodid und der (S,S)-Naphthyl-Untereinheit (1 mol%) in Toluol/50%iger wässriger KOH bei 0 degC für 1 h das entsprechende Alkylierungsprodukt mit 63% Ausbeute und 88%ee; die chemische Ausbeute und die Enantioselektivität waren mit denen einer Reaktion vergleichbar, bei der das Gemisch acht Stunden lang lediglich gerührt wurde (0 degC, 64%, 90%ee).“ (Maruoka et al. 2007; S. 4229)

Ein weiterer Reaktionstyp der asymmetrischen Katalyse ist die Michael-Reaktion. Die Michael-Addition von Diethyl-N-acetylaminomalonat an Chalkon wird durch Ultraschallbehandlung positiv beeinflusst. Dadurch steigt die Ausbeute um 12% (von 72% bei der Reaktion ohne Ultraschall auf 82% bei Ultraschallbehandlung). Unter Leistungsultraschall läuft die Reaktion sechsmal schneller ab als ohne Ultraschall. Der Enantiomerenüberschuss (ee) blieb unverändert und betrug bei beiden Reaktionen – mit und ohne Ultraschall – 40%ee. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) zeigten, dass die durch KF/basisches Aluminiumoxid katalysierte Michael-Reaktion von Chalkonen als Akzeptoren mit verschiedenen Verbindungen mit aktiver Methylengruppe wie Diethylmalonat, Nitromethan, Cyclohexanon, Ethylacetoacetat und Acetylaceton als Donoren unter Ultraschallbestrahlung in kürzerer Zeit Addukte mit hoher Ausbeute liefert. In einer weiteren Studie zeigten Li et al. (2002) die erfolgreiche ultraschallunterstützte Synthese von Chalkonen, katalysiert durch KF-Al₂O₃.
Die oben genannten PTC-Reaktionen zeigen nur einen kleinen Ausschnitt des Potenzials und der Möglichkeiten der Ultraschallbestrahlung.
Die Prüfung und Bewertung von Ultraschall hinsichtlich möglicher Verbesserungen bei der PTC ist sehr einfach. Ultraschall-Laborgeräte wie der von Hielscher angebotene UP200Ht (200 Watt) und Tischsysteme wie der von Hielscher angebotene UIP1000hd (1000 Watt) ermöglichen erste Versuche. (siehe Abbildungen 1 und 2)

Effiziente Produktion im Wettbewerb auf dem Chemiemarkt

Beim Einsatz ultraschallunterstützter Phasentransferkatalyse profitieren Sie von einem oder mehreren der folgenden Vorteile:

• Initiierung von Reaktionen, die andernfalls nicht durchführbar sind
• Steigerung der Ausbeute
• Verringerung des Einsatzes teurer, wasserfreier, aprotischer Lösungsmittel
• Verkürzung der Reaktionszeit
• Niedrigere Reaktionstemperaturen
• Vereinfachte Vorbereitung
• Verwendung von wässrigem Alkalimetall anstelle von Alkalimetallalkoxiden, Natriumamid, Natriumhydrid oder metallischem Natrium
• Verwendung preiswerterer Rohstoffe, insbesondere Oxidationsmittel
• Verschiebung der Selektivität
• Änderung der Produktverhältnisse (z. B. O-/C-Alkylierung)
• Vereinfachte Isolierung und Reinigung
• Steigerung der Ausbeute durch Unterdrückung von Nebenreaktionen
• Einfaches, lineares Scale-up auf industrielles Produktionsniveau, auch bei sehr hohem Durchsatz