Ultraschall-induzierte und verbesserte Phasen-Transfer-Katalyse

Hochleistungs-Ultraschall ist eine bewährtes Prozessverfahren, um zahlreiche chemische Reaktionen zu beeinflussen. Die ultraschall-gestützte chemische Reaktionen sind werden als Sonochemiebezeichnet. Heterogene Reaktionen – und insbesondere Phasentransferreaktionen – sind ein hochinteressantes Anwendungsfeld für Hochleistungs-Ultraschall. Durch die mechanische und sonochemische Energie, die in die Reagenzien eingetragen wird, können Reaktionen gestartet werden, die Reaktionsgeschwindigkeit kann erheblich beschleunigt werden, und höhere Konversionsraten sowie höhere Erträge und qualitativ hochwertigere Produkte können erzielt werden. Die lineare Skalierbarkeit von Ultraschallprozessen und die Verfügbarkeit zuverlässiger industrielle Hochleistungs-Ultraschallgeräte machen diese Technologie zu einer erfolgreichen Lösung in der Produktion chemischer Stoffe.

Phasen-Transfer-Katalyse

Die Phasentransferkatalyse (phase transfer catalysis PTC) ist eine Sonderform der heterogenen Katalyse und bekannt als eine praktische Verfahren in der organischen Synthese. Mit Hilfe eines Phasentransferkatalysators wird es möglich, ionische Reaktanten zu lösen, die oft in einer wässrigen Phase löslich, jedoch in einer organischen Phase unlöslich sind. Dies bedeutet, dass die Phasentransferkatalyse eine potentielle Alternative ist, um das Heterogenitätsproblem in Reaktionen zu überwinden, in denen die Interaktion zwischen zwei Stoffe gehemmt bzw. verhindert wird, die in verschiedenen Phasen vorliegen und dadurch nicht oder nur eingeschränkt zur Reaktion zusammenkommen. (Esen et al. 2010) Zu den allgemeinen Vorteilen der Phasentransferkatalyse zählen der geringe Aufwand für deren Vorbereitung, das einfache experimentelle Verfahren, die milden Reaktionsbedingungen, die hohe Reaktionsgeschwindigkeit, die hohen Selektivitäten und der Verwendung von kostengünstigen und umweltgerechten Reagenzien, wie z.B. quartäre Ammoniumsalze, und Lösungsmitteln sowie die Möglichkeit des einfachen Scale-ups (Ooi et al. 2007).
Zahlreiche Flüssig/Flüssig- und Flüssig/Feststoff-Reaktionen können mithilfe einfacher Phasentransfer- Katalysatoren wie Quats, Polyethylenglykol-400 usw. intensiviert und selektiv gemacht werden, wodurch es möglich wird, Ionen aus der wässrigen Phase in die organische Phase zu befördern. So können Probleme, welche durch die extrem niedrige Löslichkeit der organischen Reaktanten in der wässrigen Phase verursacht werden, überwunden werden. In Pestizid- und Pharma-Industrie hat sich die Phasentransferkatalyse bereits als ein Standardverfahren etabliert. (Sharma 2002)

Hochleistungs-Ultraschall

Die Anwendung der Leistungsultraschall ist ein bekanntes Verfahren, um extrem feine Emulsionenzu erzeugen. In der Chemie werden solch extrem feinskalige Emulsionen verwendet, um chemische Reaktionen zu verbessern. Dies bedeutet, dass die Kontaktfläche zwischen zwei oder mehreren mischbaren Flüssigkeiten signifikant vergrößert wird und somit ein besserer, vollständigerer und/oder schnellerer Ablauf der Reaktion erreicht wird.
Für die Phasentransferkatalyse ist – ebenso wie für andere chemischen Reaktionen – ausreichend kinetische Energie erforderlich, um die Reaktion zu starten.
Dadurch lassen sich verschiedene positive Effekte auf chemische Reaktionen erzielen:

• Eine chemische Reaktion, die normalerweise aufgrund ihrer geringen Kinetik nicht ablaufen würde, kann durch Ultraschall initiiert werden.
• Chemische Reaktionen können durch die ultraschallgestützte Phasentransferkatalyse beschleunigt werden.
• Vollständiges Vermeiden von Phasentransfer-Katalysatoren.
• Effizientere Verwendung der Rohstoffe.
• Nebenprodukte können reduziert werden.
• Kostenintensive, gefährliche/ starke Basen können durch preiswerten anorganische Basen ersetzt werden.

Durch diese Effekte ist die Phasentransferkatalyse eine wertvolles chemisches Verfahren für die organische Synthese aus zwei oder mehreren mischbaren Reaktanten: Mittels Phasentransferkatalyse können Rohstoffe in chemischen Prozessen effizienter genutzt werden und dadurch kostengünstiger produziert werden. Die Verbesserung chemischer Reaktionen durch die Phasentransferkatalyse ist ein wichtiges Verfahren für die Produktion chemischer Stoffe, welches durch Ultraschall deutlich verbessert werden kann.

Beispiele für ultraschallgestützte Phasentransferreaktionen

• Synthese von neuen N‘-(4,6-disubstituierte Pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)thioharnstoff-Derivate unter Verwendung von PEG-400 unter Ultraschallbehandlung. (Ken et al. 2005)
• Die ultraschallgestützte Synthese von Mandelsäure durch Phasentransferkatalyse in einer ionischer Flüssigkeit zeigt eine deutliche Verbesserung der Reaktionsausbeute unter Umgebungsbedingungen. (Hua et al. 2011)
• Kubo et al. (2008) haben die ultraschallgestützte C-Alkylierung von Phenylacetonitril in einer lösungsmittel-freien Umgebung untersucht. Die reaktionsfördernde Wirkung des Ultraschalls wurde der extrem großen Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigphasen zugeschrieben. Ultraschall führt zu einer viel schnelleren Reaktion als mechanisches Mischen.
• Beschallung während der Reaktion von Tetrachlorid mit Magnesium zur Erzeugung von Dichlorocarben führt in Gegenwart von Olefinen zu einer höheren Produktion von Gem-Dichlorocyclopropane. (Lin et al. 2003)
• Ultraschall beschleunigt die Cannizzaro-Reaktion von P-Chlorobenzaldehyd unter Phasentransferkonditionen. Von den drei Phasentransfer-Katalysatoren – Benzyltriethylammonium-Chlorid (TEBA), Aliquat und 18-crown-6-, die von Polácková et al. (1996) untersucht wurden, hat sich TEBA als effektivster Katalysator herausgestellt. Ferrocenecarboxaldehyd und P-Dimethylaminobenzaldehyd wurde unter ähnlichen Bedingungen 1,5-diaryl-1,4-pentadien-3-one als Hauptprodukt gewonnen.
• Lin-Xiao et al. (1987) haben gezeigt, dass die Kombination von Ultraschall und Phasentransferkatalyse äußerst effektiv die Herstellung von Dichlorocarben aus Chloroform fördert. Dabei wird das Dichlorocarben in kürzerer Zeit, mit besserem Ertrag und weniger Katalysator erzeugt.
• Yang et al. (2012) haben eine grüne, ultraschallgestützte Synthese von Benzyl-4-hydroxybenzoat mit 4,4'-Bis (Tributylammoniomethyl)-1,1'-Biphenyl dichlorid (QCl₂) als Katalysator entwickelt. Durch den Einsatz von QCl₂haben sie eine neuartige Dual-Site-Phasentransferkatalyse entwickelt. Diese Fest-Flüssig-Phasentransfer-Katalyse (SLPTC) wurde als Batch-Verfahren mit Ultraschallbehandlung durchgeführt. Unter intensiver Beschallung wurden 33 % des zugegebenen Q2+ mit 45,2 % Q(Ph(OH)COO)₂ in die organische Phase übergegangen ist, um mit Benzylbromid zu reagieren, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit insgesamt erhöht wurde. Diese verbesserte Reaktionsgeschwindigkeit wurde mit 0,106 min erreicht.^-1 bei einem Ultraschalleintrag von 300W gemessen, während ohne Sonorisierung einer Reaktionsgeschwindigkeit von 0,0563min^-1 beobachtet wurde. Damit ist die synergistische Wirkung von Ultraschall und dem Dual-Site-Phasentransferkatalysator in der Phasentransferreaktion nachgewiesen.

Ultraschall-gestützte Asymmetrischen Phasen-Transfer-Reaktion

Mit dem Ziel eine praktische Methode für die asymmetrische Synthese von a-Aminosäuren und ihren Derivaten zu entwickeln, haben Maruoka und Ooi (2007) untersucht, "ob die Reaktivität des N-Spiro chiralen quartären Ammoniumsalze gesteigert und deren Strukturen vereinfacht werden können. Da die Beschallung mit Leistungs-Ultraschall die Homogenisierung, d. h. die Herstellung sehr feiner EmulsionenDadurch wird die Grenzfläche, an der die Reaktion ablaufen kann, stark vergrößert, was zu einer erheblichen Beschleunigung der Flüssig-Flüssig-Phasentransferreaktionen führen könnte. In der Tat führte die Beschallung des Reaktionsgemischs aus 2, Methyliodid und (S,S)-Naphtyl-Untereinheit (1 mol%) in Toluol/50%iger wässriger KOH bei 0 Grad Celsius für 1 Stunde zu dem entsprechenden Alkylierungsprodukt in 63% Ausbeute mit 88�; die chemische Ausbeute und die Enantioselektivität waren vergleichbar mit denen einer Reaktion, die durch einfaches Rühren des Gemischs für acht Stunden durchgeführt wurde (0 Grad Celsius, 64%, 90�)." (Maruoka et al. 2007; S. 4229)

Ein anderer Reaktionstyp einer asymmetrischen Katalyse ist die Michael-Addition. Die Michael-Addition von Diethyl n-Acetyl-Aminomalonat zu Chalkon wird ebenfalls positiv durch Ultraschall beeinflusst, was in einer 12%igen Ertragssteigerung resultiert (von 72 % einer selbstablaufenden Reaktion auf 82 % mit Ultraschall). Durch Beschallung läuft die Reaktion sechsmal schneller ab als die Reaktion ohne Ultraschall. Der Enantiomerenüberschuss (ee) hat sich nicht verändert und lag für beide Reaktionen – mit und ohne Ultraschall – bei 40 % ee. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) haben gezeigt, dass bei der Michael-Addition von Chalkonen als Akzeptor mit verschiedenen aktiven Methylen-Verbindungen wie Diethyl-Malonat, Nitromethan, Cyclohexanon, Ethyl-Acetoacetat und Acetylaceton als Donatoren, die mit KF/basischem Aluminiumoxid katalysiert wurden, durch eine Ultraschall-Beschallung Addukte mit höherem Ertrag innerhalb kürzerer Zeit erzielt wurden. In einer anderen Studie zeigten Li et al. (2002) die erfolgreiche ultraschall-gestützte Synthese von Chalkonen, die mit KF-Al₂O₃.
Diese oben aufgeführten Phasentransferkatalyse-Reaktionen zeigen nur einen kleinen Ausschnitt des großen Potentials und der zahlreichen Möglichkeiten, die durch den Einsatz von Sonochemie realisiert werden können.
Das Erproben und Evaluieren der Effekte des Hochleistungsultraschalls auf chemische System, wie z.B. Phasentransferreaktionen, ist sehr einfach. Ultraschall-Laborgeräte wie Hielschers UP200Ht (200 Watt) und Benchtop-Systeme wie der Hielscher UIP1000hd (1000 Watt) ermöglichen erste Machbarkeitsstudien, Optimierungsschritte und kleinere Produktionen. (siehe Bild 1 und 2)

Produktionseffizienz für Wettbewerbsfähigkeit

Mit der Ultraschall-Phasentransferkatalyse profitieren Sie von einem oder mehreren verschiedenen Vorteilen:

• Initialisierung von Reaktionen, die sonst nicht ablaufen würden.
• Erhöhte Erträge
• Reduktion teuerer, wasserfreier aprotischer Lösungsmittel
• Reduzierung der Reaktionszeit
• Niedrigere Reaktionstemperaturen
• Vereinfachte Durchführung
• Verwendung von wässrigen Alkalimetallen anstelle von Alkalimetallalkoxiden, Natriumamid, Natriumhydrid oder metallischem Natrium
• Verwendung billiger Rohstoffe, vor allem Oxidantien
• Verschiebung der Selektivität
• Veränderung der Produkt-Verhältnisse (z.B. O-/ C-Alkylierung)
• vereinfachte Isolierung und Reinigung
• Ertragssteigerung durch die Unterdrückung von Nebenreaktionen
• Einfaches, lineares Scale-up auf industrielles Produktionsniveau, auch mit sehr hohen Durchsatzströmen