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Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig oxidationsstabilen ionischen Flüssigkeiten Der Technischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg zur Erlangung des Doktorgrades DOKTOR-INGENIEUR vorgelegt von Dipl.-Chem. Kerstin Hildebrandt-Stärk aus Nürnberg

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Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig

oxidationsstabilen ionischen Flüssigkeiten

Der Technischen Fakultät der

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

zur Erlangung des Doktorgrades

DOKTOR-INGENIEUR

vorgelegt von

Dipl.-Chem. Kerstin Hildebrandt-Stärk

aus Nürnberg

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Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultät der

Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Tag der mündlichen Prüfung: 21.01.2015

Vorsitzende des Promotionsorgans: Prof. Dr.-Ing. habil. Marion Merklein

Gutachter: Prof. Dr. Peter Wasserscheid

Prof. Dr. Martin Hartmann

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ii

Die vorliegende Doktorarbeit wurde unter der Anleitung von Universitätsprofessor Dr.

Peter Wasserscheid am Lehrstuhl für Chemische Reaktionstechnik der Universität

Erlangen-Nürnberg von April 2009 bis Juli 2012 durchgeführt.

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iii

Publikationen

Teile dieser Arbeit wurden bereits in den folgenden Fachzeitschriften oder als

Konferenzbeiträge veröffentlicht:

Fachzeitschriften:

● Stärk, K.; Taccardi, N.; Bösmann, A.; Wasserscheid,P.; Oxidative Depolymerization

of Lignin in Ionic Liquids, ChemSusChem 2010, 3, 719-723.

Konferenzbeiträge:

● Stärk, K.; Wölfel, R.; Bösmann, A.; Wasserscheid, P., Depolymerisation of lignin in

ionic liquids, COIL-3, 2009, Cairns-Australia

● Stärk, K.; Bösmann, A.; Wasserscheid, P., Production of aromatic and quinonoid

molecules by depolymerization of lignin in ionic liquids, Green Solvents for Synthesis,

2010, Berchtesgaden-Deutschland.

● Stärk, K.; Bösmann, A.; Wasserscheid, P., Depolymerisation of lignin in ionic

liquids, 11th European Workshop on Lignocellulosis and Pulp, 2010, Hamburg-

Deutschland.

● Stärk, K.; Bösmann, A.; Wasserscheid, P., Polyoxometalate Catalyzed Oxidation

Of Organosolv-Lignin In Trifluoromethanesulphonate-Ionic Liquids, Materials and

Technologies for Green Chemistry, 2011, Tallinn-Estland.

● Stärk, K.; Wasserscheid P., Oxidation Catalysis in Fluorinated Ionic Liquids, 3.

Merck Doktoranden/PostDoc Seminar, 2010, Darmstadt-Deutschland.

● Stärk, K.; Wasserscheid P., Catalytic oxidation of aromatic and aliphatic substrates

in ionic liquids containing fluorinated anions, 4. Merck Doktoranden/PostDoc

Seminar, 2012, Darmstadt-Deutschland.

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iv

Danksagung

Zuallererst möchte ich mich ganz besonders bei meinem Doktorvater Prof. Dr. Peter

Wasserscheid für die herausfordernde Themenstellung und die fachliche Betreuung

und Unterstützung während dieser Arbeit bedanken.

Diese Arbeit entstand in Kooperation mit der Merck KGaA, Darmstadt. Mein

besonderer Dank gilt hier Herrn Dr. Nikolai Ignatiev für die fachliche Betreuung des

Projektes. Darüber hinaus möchte ich mich bei der Firma Merck für die Finanzierung

dieses Projektes bedanken.

Bedanken möchte ich mich auch bei meinen Studenten Jakob Wisbauer, Ana-Maria

Krestel, Jana Korzekwa, Ina Kellner und Florian Bock, die im Rahmen von

Bachelorarbeiten oder Mitarbeiterpraktika zu dieser Arbeit beigetragen haben.

Bei Herrn Dr. Andreas Bösmann und Herrn Dr. Peter Schulz möchte ich mich für die

zahlreichen Diskussionen, Ideen und die Hilfe bei Analytik-Problemen bedanken.

Herrn Dr. René Wölfel danke ich herzlich für die Programmierung der Anlagen-

Software.

Außerdem möchte ich mich ganz herzlich bei den Kollegen aus den Werkstätten

Achim Mannke, Julian Karl, Michael Schmacks und Hans-Peter Bäumler für die Hilfe

beim Aufbau der Laboranlage bedanken. Dem Sekretariat, insbesondere Frau

Menuet und Frau Singer, möchte ich für die stete Hilfsbereitschaft und freundliche

Beantwortung von Fragen auch in stressigen Zeiten danken.

Ein besonderer Dank geht an meine netten Bürokollegen Jens, Matthias, Patrick,

Marcus, Swetlana, Markus und Judith für die angenehme und produktive Atmosphäre

in der CRT-Arena. Und natürlich auch an alle anderen Kollegen im Arbeitskreis, ohne

die der Alltag nur halb so viel Spaß gemacht hätte.

Zum Schluss möchte ich mich herzlich bei meiner Familie und besonders bei meinen

Eltern, die mir dies alles erst ermöglicht haben, bedanken.

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vi

Für meine Eltern

„Der Fortgang der wissenschaftlichen Entwicklung ist im Endeffekt

eine ständige Flucht vor dem Staunen.“

Albert Einstein

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Inhaltsverzeichnis

1

Inhaltsverzeichnis

Danksagung ............................................................................................................ iv

Inhaltsverzeichnis ....................................................................................................... 1

Abkürzungs- und Formelverzeichnis .......................................................................... 5

1. Einleitung ............................................................................................................ 8

1.1 Verbesserung der Nachhaltigkeit chemischer Oxidationsprozesse ............... 8

1.2 Alternative Energie- und Rohstoffquellen ...................................................... 9

2. Allgemeiner Teil ................................................................................................ 12

2.1 Ionische Flüssigkeiten ................................................................................. 12

2.1.1 Grundlagen ........................................................................................... 12

2.1.2 Eigenschaften ....................................................................................... 13

2.1.3 Löslichkeitsverhalten ............................................................................. 15

2.1.4 Ionischen Flüssigkeiten mit fluorierten Anionen .................................... 24

2.2 Oxidationen von organischen Substraten .................................................... 25

2.2.1 Oxidation von Alkoholen ....................................................................... 26

2.2.1.1 Industrielle Produktion von aromatischen und aliphatischen

Aldehyden .................................................................................................. 26

2.2.1.2 Oxidation mit Kupfersalzen und Radikalstartern ............................. 28

2.2.2 Oxidation von Alkylaromaten und Kohlenwasserstoffen ....................... 33

2.2.2.1 Industrielle Produktion aromatischer und aliphatischer Säuren ...... 34

2.2.2.2 Oxidation mit Übergangsmetallsalzen ............................................ 38

2.2.2.3 Oxidation mit Aminoxylradikalen .................................................... 43

2.2.3 Oxidation von Lignin ............................................................................. 49

2.2.3.1 Bedeutung von Lignin als Rohstoff ................................................. 49

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Inhaltsverzeichnis

2

2.2.3.2 Aufbau und Struktur von Lignin ...................................................... 50

2.2.3.3 Methoden zur oxidativen Depolymerisation .................................... 52

2.3 Zielsetzung dieser Arbeit ............................................................................. 59

3. Experimenteller Teil .............................................................................................. 61

3.1 Verwendete Chemikalien ............................................................................. 61

3.2 Sauerstofflöslichkeitsmessungen von ionischen Flüssigkeiten mit fluorierten

Anionen ............................................................................................................. 62

3.2.1 Gaslöslichkeitsanlage ........................................................................... 62

3.2.1.1 Versuchsaufbau ............................................................................. 62

3.2.1.2 Versuchsdurchführung ................................................................... 63

3.2.1.3 Berechnung der Sauerstofflöslichkeit ............................................. 63

3.3 Batch-Versuche ........................................................................................... 65

3.3.1 Versuchsaufbau .................................................................................... 65

3.3.2 Versuchsdurchführung .......................................................................... 66

3.3.2.1 Oxidation von Benzylalkohol .......................................................... 67

3.3.2.2 Oxidation von Lignin ....................................................................... 67

3.4 Versuche im Semi-Batch-Autoklaven .......................................................... 68

3.4.1 Versuchsaufbau .................................................................................... 68

3.4.2 Versuchsdurchführung .......................................................................... 69

3.4.3 Versuchsansätze .................................................................................. 72

3.4.3.1 Oxidation von Benzylalkohol mit Cu[FAP]2 x 5 CH3CN und Cu(ClO4)2

im Batch-Verfahren .................................................................................... 72

3.4.3.2 Oxidation von Toluol, para-Xylol und Cyclohexan im Semi-Batch-

Verfahren ................................................................................................... 73

3.5 Analytik .................................................................................................... 75

3.5.1 NMR-Spektroskopie .......................................................................... 75

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Inhaltsverzeichnis

3

3.5.2 GC/MS............................................................................................... 75

4. Ergebnisse und Diskussion ............................................................................... 77

4.1 Sauerstofflöslichkeit ..................................................................................... 77

4.1.1 Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2] ..................... 77

4.2 Oxidation von Benzylalkohol ....................................................................... 84

4.2.1 Katalysatorsystem Cu(ClO4)2, DMAP, Acetamido-TEMPO ................... 84

4.2.1.1 Vergleich verschiedener ionischer Flüssigkeiten ............................ 84

4.2.1.2 Druckabhängigkeit der Reaktion .................................................... 89

4.2.1.3 Oxidation mit synthetischer Luft ..................................................... 92

4.2.1.4 Ersatz von Cu(ClO4)2 durch Cu[FAP]2 x 5 CH3CN .......................... 96

4.2.1.5 Rezyklierungsversuche mit Cu(ClO4)2 und Cu[FAP]2 x 5 CH3CN ... 99

4.3 Oxidation von Alkylaromaten ..................................................................... 104

4.3.1 Oxidation von Toluol zu Benzoesäure ................................................ 104

4.3.1.1 Katalysatorsystem Co(OAc)2, N-Hydroxyphthalimid (NHPI) in

[EMIM][OTf] .............................................................................................. 104

4.3.1.2 Katalysatorsystem Co(OAc)2, N-Hydroxysuccinimid (NHS) in

[EMIM][OTf] .............................................................................................. 107

4.3.1.3 Variation der Katalysatorkonzentration ......................................... 111

4.3.1.4 Einfluss der Reaktionstemperatur ................................................ 115

4.3.1.5 Einfluss der ionischen Flüssigkeit ................................................. 120

4.3.2 Oxidation von p-Xylol zu Terephthalsäure .......................................... 124

4.3.2.1 Katalysatorsystem Co(OAc)2, Mn(OAc)2 und N-Hydroxysuccinimid

................................................................................................................. 124

4.3.2.2 Vergleich der verschiedenen ionischen Flüssigkeiten .................. 125

4.4 Oxidation von Cyclohexan zu Adipinsäure ................................................ 128

4.4.1 Katalysatorsystem Co(OAc)2, Mn(OAc)2 und N-Hydroxysuccinimid ... 128

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Inhaltsverzeichnis

4

4.5 Oxidation von Lignin .................................................................................. 133

4.5.1 Oxidation mit Mn(NO3)2 ....................................................................... 133

5. Zusammenfassung/Summary ........................................................................ 139

5.1 Zusammenfassung und Ausblick ............................................................... 139

5.2 Summary and Outlook ............................................................................... 145

6. Anhang ............................................................................................................ 150

6.1 Verzeichnisse ............................................................................................ 150

6.1.1 Abbildungsverzeichnis ........................................................................ 150

6.1.2 Tabellenverzeichnis ............................................................................ 152

6.1.3 Schemataverzeichnis .......................................................................... 154

6.2 Strukturen ionischer Flüssigkeiten ............................................................. 155

6.3 Sauerstofflöslichkeit-Druckabnahmekurven .............................................. 156

6.4 Lignin ......................................................................................................... 158

6.4.1 Depolymerisationsprodukte................................................................. 158

6.4.2 Oxidation von Syringaldehyd-Versuchsbeschreibung ......................... 159

7. Literaturverzeichnis ......................................................................................... 160

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Abkürzungs- und Formelverzeichnis

5

Abkürzungs- und Formelverzeichnis

Abkürzung Bedeutung

atm Atmosphäre

BMPL+ 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium

°C Grad Celsius

Cu[FAP]2 Kupfer-Di-tris(pentafluorethyl)trifluorphophat

DCM Dichlormethan

DMAP 4-Dimethylaminopyridin

dest. destilliert

DMBQ 2,6-Dimethoxy-1,4-benzochinon

EPDM Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk

et al. Et alteri

FAP- Tris(pentafluorethyl)trifluorphophat

GC Gaschromatographie

Gew% Gewichtsprozent

g Gramm

h Stunden

HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium

HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium

IL Ionische Flüssigkeit (Ionic Liquid)

konz. konzentriert

M Molare Masse

MFC Massendurchflussregler (mass flow controler)

min. Minuten

mol% Molprozent

MS Massenspektrometrie

n.b. nicht bestimmt

NMR Kernresonanzspektroskopie (nuclear magnetic resonance)

NL Normliter (0°C, 1atm)

OMIM+ 1-Oktyl-3-methylimidazolium

OMMIM+ 1-Oktyl-2,3-dimethylimidazolium

p Druck

p(O2) Sauerstoffdruck

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Abkürzungs- und Formelverzeichnis

6

PC Arbeitsplatzrechner (peronal computer)

PI Druckanzeige (pressure indication)

PIC Druckanzeige und -regelung (pressure indication and control)

ppm parts per million

T Temperatur

t Zeit

TEMPO 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-oxyl-Radikal

TIC Temperaturanzeige und -regelung (temperature indication and control)

TOA Trioktylamin

TOMA+ Trioktylmethylammonium

Triflat Trifluormethansulfonat

TMS Tetramethylsilan

U/min Umdrehungen pro Minute

Formel Bedeutung

AlCl3 Aluminium-(III)-chlorid

AlCl4- Tetrachloroaluminat

Al2Cl7- Heptachlorodialuminat

BF4- Tetrafluoroborat

[BMIM][Cl] 1-Butyl-3-methylimidazolium-chlorid

[B-4-MPy][PF6] N-Butyl-4-methylpyridinium -hexafluorophosphat

[B-3-MPy][PF6] N-Butyl-3-methylpyridinium-hexafluorophosphat

Br- Bromid

CDCl3 Deuteriertes Chloroform

CH3CO2- Acetat

CF3CO2- Trifluoracetat

C3F7CO2- Heptafluorbutyrat

CF3SO3- Trifluormethansulfonat

C2F7SO3- Heptafluorethylsulfonat

C4F9SO3- Nonafluorbutylsulfonat

(CF3SO2)2N- Bis(trifluormethylsulfonyl)imid

CH2Cl2 Dichlormethan

Cl- Chlorid

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Abkürzungs- und Formelverzeichnis

7

Co(OAc)2 Kobalt(II)-acetat

Co(acac)2 Kobalt(II)-acetylacetonat

Cu(ClO4)2 Kupfer(II)-perchlorat

CuSO4 Kupfer-(II)-sulfat

[EMIM][MeSO3] 1-Ethyl-3-methylimidazolium-methansulfonat

[EMIM][EtSO3] 1-Ethyl-3-methylimidazolium-ethansulfonat

[EMIM][NTF2] 1-Ethyl-3-methylimidazolium-bis(trifluormethylsulfonyl)imid

[EMIM][Oc-SO4] 1-Ethyl-3-methylimidazolium-octylsulfat

[EMIM][OTf] 1-Ethyl-3-methylimidazolium-trifluormethansulfonat

[EtNH3][NO3] Ethylammonium-nitrat

[Et4N][NO3] Tetraethylammonium-nitrat

Et2O Diethylether

Fe2(SO4)3 x H2O Eisen-(III)-sulfat-Monohydrat

HF Fluorwasserstoff

HSO4- Hydrogensulfat

H2SO4 Schwefelsäure

H2O Wasser

MHz Mega-Hertz

Mn(OAc)2 Mangan(II)-acetat

Mn(acac)2 Mangan(II)-acetylacetonat

[MMIM] [Me2PO4] 1-Methyl-3-methylimidazolium-dimethylphosphat

[MMIM][MeSO4] 1-Methyl-3-methylimidazolium-methylsulfat

MnCl2 x 4H2O Mangan-(II)-chlorid-Tetrahydrat

Mn(NO3)2 Mangan-(II)-nitrat

NTf2- Bis(trifluormethylsulfonyl)imid

OTf- Trifluormethansulfonat

[PrNH3][NO3] Propylammonium-nitrat

RSO4- Alkylsulfat

RSO3- Alkylsulfonat

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Einleitung

8

1. Einleitung

In Zeiten einer stetig wachsenden Weltbevölkerung und der damit einhergehenden

Verknappung und Verteuerung von Rohstoffen, sollte das Ziel der Industrie und der

Wissenschaft einerseits die Entwicklung innovativer ressourcenschonender

Prozesse, andererseits aber auch die Verbesserung der Nachhaltigkeit bestehender

Produktionsprozesse sein. Unter Nachhaltigkeit ist laut dem Verband der

Chemischen Industrie e.V. Folgendes zu verstehen: „Nachhaltigkeit bedeutet, dass

die heutige Generation ihre Bedürfnisse so befriedigen muss, dass die

nachfolgenden Generationen ihre eigenen Bedürfnisse noch erfüllen können.“[1]

Dabei sollte künftigen Generationen nicht nur eine Möglichkeit zum Überleben zum

Beispiel in Form sauberen Trinkwassers, einer medizinischen Versorgung und der

Verfügbarkeit von Energie gewährleistet sein, sondern auch eine Lebensqualität, wie

wir sie im Moment in den meisten Ländern der Erde genießen. Um dies zu

ermöglichen ist die größte Herausforderung eine intakte Umwelt zu erhalten, in dem

der Ausstoß an klimaschädlichen Treibhausgasen, Emissionen aus Produktions-

prozessen und der Verbrauch an wichtigen Rohstoffen reduziert werden.

1.1 Verbesserung der Nachhaltigkeit chemischer Oxidationsprozesse

Die Oxidation von Alkoholen, Kohlenwasserstoffen und Alkylaromaten spielt eine

große Rolle in der chemischen Industrie. Die Oxidationsprodukte, vorrangig Aldehyde

und Säuren, sind wichtige Zwischen- oder Endprodukte in der organischen Synthese

und in der industriellen Chemie. Die katalytische Oxidation organischer Substrate mit

molekularem Sauerstoff zählt zu den chemischen Reaktionen mit hoher

Atomökonomie. Dies bedeutet, dass sich die eingesetzten Edukte (Substrat und

Sauerstoff) bestenfalls vollständig, ohne die Bildung von Nebenprodukten im Produkt

wiederfinden. Die Bildung umweltschädlicher oder toxischer Abfälle in industriellen

Oxidationsprozessen resultiert meist aus der Verwendung anorganischer

Oxidationsmittel wie Permanganaten oder Dichromaten.[2] Der Einsatz von

katalytischen Mengen an Metallsalzen in Verbindung mit molekularem Sauerstoff als

Oxidationsmittel kann einerseits die Selektivität der Reaktion erhöhen und

andererseits das Entstehen toxischer Abfälle durch das Oxidationsmittel verhindern.

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Einleitung

9

Dennoch bleibt eine der größten Herausforderungen von Oxidationsreaktionen eine

hohe Selektivität für das Produkt zu erzielen und eine Überoxidation des

gewünschten Produktes zu vermeiden. Außerdem sollte das Reaktionsmedium

selbst stabil gegenüber dem eingesetzten Sauerstoff unter den gewählten

Reaktionsbedingungen sein. Ein bedeutender Nachteil des Einsatzes herkömmlicher

organischer Lösemittel in Oxidationsreaktionen unter Sauerstoffatmosphäre ist die

Gefahr der Bildung einer explosiven Gasphase.

Die Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Reaktionsmedium für chemische

Reaktionen birgt viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Reaktionsmedien. Da

ionische Flüssigkeiten unterschiedlichste physikalische und chemische

Eigenschaften besitzen, ist es möglich, aus einer Vielzahl ionischer Flüssigkeiten die

jeweils zur Anwendung passenden herauszusuchen. Im Falle der

Oxidationsreaktionen eignen sich besonders ionische Flüssigkeiten mit fluorierten

Anionen, da diese üblicherweise die höchste Sauerstofflöslichkeit und die größte

Sauerstoffstabilität aufweisen.[3-4] Ein Nachteil der bisher in Oxidationsreaktionen

verwendeten Hexafluorophosphat-basierten ionischen Flüssigkeiten ist deren

hydrolytische Instabilität, die zur Bildung von korrosiver, toxischer Flusssäure führt.

In dieser Arbeit soll gezeigt werden, dass der Ersatz herkömmlicher organischer

Lösungsmittel und Hexafluorophosphat-basierter ionischer Flüssigkeiten durch

oxidations- und hydrolysestabile Perfluoralkyltrifluorphosphat-basierte ionische

Flüssigkeiten deutliche Vorteile hinsichtlich Reaktivität, Rezyklierbarkeit des

Katalysatorsystems, Produktabtrennung und Stabilität des Reaktionsmediums liefert.

1.2 Alternative Energie- und Rohstoffquellen

In den letzten Jahren gab es bereits eine Vielzahl neuer Entwicklungen zur Nutzung

alternativer Rohstoff- und Energiequellen. Bereits etabliert haben sich die

Energiegewinnung aus Biomasse und die Produktion von Biotreibstoffen. In der EU-

Direktive „On the promotion of the use of biofuels“ (2003/30/EG) gelten Bioethanol,

Biodiesel, Biogas, Biomethanol, synthetische Biokraftstoffe, Biowasserstoff und

reines Pflanzenöl als Biokraftstoffe.[5] Die Verbrennung von Biomasse wird als CO2-

neutral angesehen, da zur Entstehung der Biomasse genau so viel CO2 verbraucht

wie bei der energetischen Nutzung wieder freigesetzt wird.

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Einleitung

10

Neben der Energiegewinnung aus Biomasse ist ein weiteres Ziel die Produktion von

Plattformchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen. Hier liegt die Schwierigkeit

darin, technisch realisierbare Trennungsgänge für die komplexen Produktgemische,

die bei der Umsetzung von Biomasse erhalten werden zu entwickeln. In Europa ist

einer der wichtigsten Rohstoffe, der unter dem Überbegriff Biomasse angesiedelt ist,

das Holz. Hierbei ist ein Vorteil des Holzes gegenüber anderen nachwachsenden

Rohstoffen wie z.B. Getreide, dass es nicht als Nahrungsmittel verwendet werden

kann und somit nicht in direkter Konkurrenz zur Ernährung von Mensch und Tier

steht.

Holz besteht aus drei verschiedenen Bestandteilen: der Cellulose, der Hemicellulose

und dem Lignin.[6] Daraus ergibt sich eine Vielzahl an Nutzungsmöglichkeiten. So

wird Cellulose hauptsächlich zur Papier- und Zellstoffproduktion genutzt, wobei

Lignin in großen Mengen als Abfallprodukt anfällt.[7] Darüber hinaus werden Cellulose

und Hemicellulose bereits zur Produktion von Chemikalien genutzt.[8] Lignin hingegen

wird bisher nur zur Energieerzeugung durch Verbrennung verwendet. Lignin könnte

jedoch zu einer ganzen Bandbreite an verschiedenen aromatischen Verbindungen

umgesetzt werden. So liefert die Hydrierung von Lignin Phenole und Propylaromaten,

die zu flüssigen Kraftstoffen weiterverarbeitet werden könnten, die Oxidation ergibt

ebenfalls Phenole, ungesättigte Propylaromaten und aromatische Aldehyde. Diese

Substanzen werden entweder als Aromastoffe wie z.B. Eugenol und Vanillin oder als

Grundchemikalien für die Synthesechemie benötigt.

Über die Jahre wurden viele Methoden entwickelt, um Lignin in seine monomeren

Bestandteile zu zerlegen. So lässt sich Lignin hydrogenolytisch[9], oxidativ durch

Oxidationsmittel wie Kaliumpermanganat[10], Nitrobenzol[11], Wasserstoffperoxid[12]

oder reinen Sauerstoff[13-14] und auch enzymatisch[15] spalten. Der Nachteil aller

Verfahren ist, dass sie meist wenig selektiv und mit schlechten Umsätzen ablaufen

und komplexe Produktgemische ergeben, aus denen keine Reinsubstanzen isoliert

werden können.

Die Selektivität der Reaktion lässt sich durch geeignete Katalysatoren verbessern;

die schlechten Umsätze sind möglicherweise auf die begrenzte Löslichkeit des

Lignins in den verwendeten Lösungsmitteln, meist Kaliumhydroxidlösung oder

organische Lösungsmittel zurückzuführen.

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Einleitung

11

Das Ziel dieses Teils der vorliegenden Arbeit ist die Optimierung der, bereits in

vorhergehenden Untersuchungen[16] gefundenen Methode, Lignin in ionischen

Flüssigkeiten mit Hilfe des Katalysators Mangannitrat in hohen Ausbeuten und guter

Produktselektivität oxidativ zu depolymerisieren.

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Allgemeiner Teil

12

2. Allgemeiner Teil

In diesem Kapitel wird ein Überblick über die theoretischen Grundlagen gegeben, die

zum Verständnis dieser Arbeit notwendig sind. Das erste Unterkapitel gibt eine

Einführung in die Eigenschaften ionischer Flüssigkeiten. Das zweite Unterkapitel

behandelt die Oxidation der organischen Substrate Benzylalkohol, Toluol, p-Xylol

und Cyclohexan und gibt einen Einblick in den Stand der Technik dieser Reaktionen.

Die Produkte Benzaldehyd, Benzoesäure, Terephthalsäure und Adipinsäure der hier

behandelten Oxidationsreaktionen stellen wichtige Rohstoffe in der Polymer-,

Farbstoff-, Parfüm- und Lebensmittelindustrie dar. Anhand dieser Modellreaktionen

soll im experimentellen Teil dieser Arbeit die Eignung der untersuchten ionischen

Flüssigkeiten als Reaktionsmedium belegt werden.

Das letzte Unterkapitel behandelt die katalysierte Oxidation des nachwachsenden

Rohstoffes Lignin in ionischen Flüssigkeiten. Die Untersuchungen zielen darauf ab

das Makromolekül Lignin oxidativ in seine monomeren Bestandteile zu zerlegen. Die

möglichen monomeren Produkte dieser Reaktion wie Phenole, Propylaromaten und

aromatische Aldehyde sind ebenfalls wichtige Rohstoffe in der chemischen Industrie.

Eine Gewinnung dieser Substanzen aus einem nachwachsenden Rohstoff könnte als

Ersatz für bisherige auf Erdöl basierenden Herstellungsprozessen dienen.

2.1 Ionische Flüssigkeiten

2.1.1 Grundlagen

Als ionische Flüssigkeiten werden Salze bezeichnet, die bei unter 100°C flüssig sind.

Diese Flüssigkeiten bestehen im Gegensatz zu molekularen Lösungsmitteln

ausschließlich aus Ionen.[17]

Die Klassifizierung von ionischen Flüssigkeiten erfolgt meist über die Art ihres

Kations. Die gebräuchlichsten Kationen stellen Imidazolium-, Pyridinium-,

Phosphonium- oder Ammoniumverbindungen dar. Die ersten ionischen Flüssigkeiten

besaßen meist Chloraluminat-Ionen als Anionen. Aufgrund der Hydrolyse- und

Oxidationsempfindlichkeit ist eine Verwendung dieser ionischen Flüssigkeiten nur

unter wasser- und sauerstofffreien Bedingungen möglich.[18] In Abbildung 1 sind die

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Allgemeiner Teil

13

heute kommerziell gut verfügbaren Anionen wie Triflate, Halogene, Sulfate und

Sulfonate, Fluorphosphate und -borate dargestellt.

Abbildung 1: Gebräuchliche Kationen und Anionen zur Bildung ionischer Flüssigkeiten

2.1.2 Eigenschaften

Das breite Spektrum an möglichen Anion-Kation Kombinationen führt zu einer

großen Auswahl an ionischen Flüssigkeiten mit unterschiedlichsten physiko-

chemischen Eigenschaften. Anhand der Eigenschaften wie Dichte, Schmelzpunkt,

Viskosität, Basizität, Acidität und Polarität kann die geeignete ionische Flüssigkeit für

die jeweilige Anwendung ausgewählt werden.[19]

Dampfdruck und thermische Stabilität

Die Tatsache, dass alle ionischen Flüssigkeiten nur einen sehr geringen, kaum

messbaren Dampfdruck besitzen,[20] stellt eine der bedeutendsten Eigenschaften dar.

Im Gegensatz zu organischen Lösungsmitteln wird somit bei der Verwendung

ionischer Flüssigkeiten die Freisetzung gesundheitsschädlicher Dämpfe vermieden.

Darüber hinaus ermöglicht der geringe Dampfdruck der ionischen Flüssigkeit eine

destillative Produktabtrennung und verhindert die Bildung einer explosiven

Gasphase, aus Lösungsmittel und Sauerstoff, in Oxidationsreaktionen.

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Allgemeiner Teil

14

Die thermische Stabilität ionischer Flüssigkeiten wurde in der Literatur eingehend

untersucht.[21-25] Für viele Imidazolium-basierte ionische Flüssigkeiten werden

Zersetzungstemperaturen unter Schutzgas zwischen 250 und 400°C angegeben.

Besonders hohe thermische Stabilitäten (>400 °C in TGA-Experimenten mit einer

Heizrampe von 10K/min) sind bei ionischen Flüssigkeiten mit fluorierten Anionen zu

beobachten. Experimentelle Daten zeigen, dass mit zunehmender Hydrophilie des

Anions die thermische Stabilität der ionischen Flüssigkeit erniedrigt wird.[24] Es ist

jedoch nicht bewiesen, dass dies wirklich mit der zunehmenden Hydrophilie des

Anions zusammenhängt. Anstelle der Hydrophilie könnte die damit korrelierende

stärkere Nukleophilie des Anions der Auslöser für dieses Verhalten sein.

Schmelzpunkt

Der Schmelzpunkt einer ionischen Flüssigkeit ist ein wichtiges Auswahlkriterium.

Salze mit organischen Kationen besitzen in der Regel einen niedrigeren

Schmelzpunkt als Alkalimetallsalze.[26] Die Größe, Symmetrie und Alkylkettenlänge

des Kations und die Größe des Anions haben einen Einfluss auf den Schmelzpunkt

einer ionischen Flüssigkeit. Je größer der Ionenradius des Anions und des Kations

gewählt wird, desto niedriger ist der Schmelzpunkt. Eine geringe Symmetrie des

Kations und Substituenten mit langen Alkylketten erniedrigen ebenso die

Schmelztemperatur.[27]

Viskosität

Ionische Flüssigkeiten weisen üblicherweise eine höhere Viskosität als organische

Lösungsmittel auf. Die Bandbreite erstreckt sich dennoch von niedrigviskos

(~10 mPa s), etwa vergleichbar mit Ethylenglykol, bis hochviskos mit Werten von

über 500 mPa s.[27-28] Die Wechselwirkungen zwischen Anion und Kation haben

einen entscheidenden Einfluss auf die Viskosität der Flüssigkeit. Starke Van-der-

Waals-Wechselwirkungen und das Vermögen H-Brückenbindungen auszubilden

erhöhen hierbei die Viskosität.[21] Dies wird deutlich bei der Betrachtung des

Einflusses der Anionenart auf die Viskosität. Eine Zunahme der Viskosität bei

gegebenem Kation kann in folgender Reihenfolge beobachtet werden: [(CF3SO2)2N]-

< [BF4]- < [CF3COO]- < [CF3SO3]

- < [C2F7SO3]- < [C3F7COO]- < [CH3COO]- <

[CH3SO3]- < [C4F9SO3]

-.[27] Das Vorhandensein längerer Fluoralkylketten ([C2F7SO3]-,

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Allgemeiner Teil

15

[C4F9SO3]-, [C3F7COO]-) führt zu stärkeren Van-der-Waals-Wechselwirkungen (im

Vergleich zu [CF3SO3]- und [CF3COO]-) und damit zu einer höheren Viskosität. Im

Falle von [(CF3SO2)2N]- werden die starken Van-der-Waals-Wechselwirkungen,

durch das mangelnde Vermögen, H-Brückenbindungen zu bilden, kompensiert.[21]

Die Viskosität einer ionischen Flüssigkeit ist jedoch auch durch die Struktur des

Kations bedingt. Die niedrigviskosesten ionischen Flüssigkeiten stellen meist 1-

Ethyl-3-methylimidazoliumsalze dar. Durch die Kombination kurzer, nicht fluorierter

Seitenketten mit einem geringen Molekulargewicht sind nur geringe Van-der-Waals-

Wechselwirkungen möglich. Neben der Struktur der Ionen beeinflussen aber auch

andere Parameter, wie zum Beispiel Temperaturänderungen[29] oder der Zusatz

geringer Mengen organischer Lösungsmittel, die Viskosität einer ionischen

Flüssigkeit stark.[30]

Dichte

Die Dichte der meisten ionischen Flüssigkeiten bewegt sich im Bereich von 1,12 bis

2,4 g/cm3.[31-32] Der Einfluss von Verunreinigungen und der Temperatur auf die Dichte

ist wesentlich geringer als auf die Viskosität.[26, 30] Eine steigende Dichte geht mit

einer zunehmenden Masse des Anions einher: [CH3SO3]- ~ [BF4]

- < [CF3COO]- <

[CF3SO3]- < [C3F7COO]- < [(CF3SO2)2N]-.[27] Umgekehrt ist eine Abnahme der Dichte

mit zunehmender Größe des organischen Kations zu beobachten.

2.1.3 Löslichkeitsverhalten

Die Tatsache, dass Lösungsmittel nicht nur dazu dienen, Reaktionskomponenten zu

lösen, sondern auch einen entscheidenden Einfluss auf die Reaktion haben können,

ist bereits bekannt.[33] Neben der Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit und

des chemischen Gleichgewichts, kann das Lösemittel auch zu einer Stabilisierung

von Zwischenstufen und Übergangszuständen beitragen. Der Ersatz herkömmlicher

molekularer Lösemittel durch ionische Flüssigkeiten erfordert daher detaillierte

Kenntnisse über deren Eigenschaften und Löslichkeitsverhalten.

Polarität

Ein entscheidender Faktor für die Auswahl eines geeigneten Lösemittels ist seine

Polarität. Die Quantifizierung der Polarität bereitet meist Schwierigkeiten, da zu ihrer

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Allgemeiner Teil

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Bestimmung sämtliche intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Lösemittel und

zu lösendem Stoff bestimmt werden müssen.

Die gängigste Methode zur Bestimmung der Polarität eines Stoffes ist die

Verwendung von solvatochromen Farbstoffen. Der bekannteste Vertreter dieser

Farbstoffe ist das zwitterionische Betain (Nummer 30), 2,6-diphenyl-4-(2,4,6-

triphenylpyridinium-1-yl)phenolat, auch „Reichardt‘s Farbstoff“ genannt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Reichardt‘s Farbstoff

Mittels UV/Vis-Spektroskopie kann die Abhängigkeit der intramolekularen Charge-

Transfer-Absorption des Farbstoffs, vom jeweiligen Lösemittel, bestimmt werden.

Aus diesen Lösemittel-abhängigen Referenzmessungen wurde eine Skala für die

Lösemittelpolarität erstellt, die sogenannte ET(30) Skala.[34-36] Der ET(30)-Wert ist

definiert als molare Übergangsenergie bei 25 °C und 1 bar mit der Einheit kcal/mol.

Ein hoher Wert steht hierbei für eine starke Polarität des Lösungsmittels. Das

polarste Lösungsmittel ist Wasser (63.1 kcal/mol), das unpolarste ist Tetramethylsilan

(30,7 kcal/mol). Zur Vereinfachung wurde die ET(30) Skala in die dimensionslose ETN

Skala umgewandelt und der ETN-Wert für Wasser gleich 1, der für TMS gleich 0

gesetzt. [37] In Tabelle 1 ist ein Überblick über die Polaritätswerte einiger ionischer

Flüssigkeiten gegeben.

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Tabelle 1: Polaritätsmessungen von ionischen Flüssigkeiten bei 25°C [27, 38]

Lösemittel

ETN

Wasser 1.000

[EtNH3][NO3] 0.954

[PrNH3][NO3] 0.923

[BMIM][BF4] 0.673

[BMIM][OTf] 0.667

[BMIM][PF6] 0.667

Ethanol 0.654

[BMIM][NTf2] 0.642

[OMIM][PF6] 0.633

[OMIM][NTf2] 0.630

[OMMIM][BF4] 0.543

[OMMIM][NTf2] 0.525

[Et4N][NO3] 0.460

[Et4N][Cl] 0.454

Dichlormethan 0.309

Diethylether 0.117

Toluol 0.100

Cyclohexan 0.009

TMS 0.000

Durch Variation des Kations unter Beibehaltung des Anions lassen sich einige

Trends ablesen. Eine Verlängerung der Alkylketten und ein höherer Alkylierungsgrad

verringern die Polarität. Im Falle der Imidazoliumkationen ist eine Abnahme der

Polarität bei Alkylierung in 2-Position zu beobachten. Dies geht mit einem

schlechteren Vermögen dieser Kationen einher, als H-Brückenbindungsdonor zu

fungieren.[27] Die Polarität der meisten ionischen Flüssigkeiten liegt jedoch zwischen

der des Wassers und der chlorierter organischer Lösungsmittel.[39]

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Mischbarkeit mit organischen Stoffen und Wasser

Die Mischbarkeit ionischer Flüssigkeiten mit organischen Lösungsmitteln oder

Wasser, spielt eine große Rolle bei Extraktions- und Separationsprozessen, sowie in

der Mehrphasenkatalyse. Durch Variation der Ionen kann die Wasserlöslichkeit in

ionischen Flüssigkeiten stark verändert werden. Eine hohe Fähigkeit des Anions (z.B.

Cl-, Br-, [CF3COO]-, [CF3SO3]-) als H-Brückenbindungsakzeptor zu fungieren, führt zu

einer hohen Hydrophilie der Ionischen Flüssigkeit.[21] Im Gegensatz dazu sind

ionische Flüssigkeiten mit [PF6]- oder [NTf2]

- Ionen wenig wasserlöslich.[24] Da diese

ionischen Flüssigkeiten dennoch leicht hygroskopisch sind, können sie nicht als

vollständig hydrophob bezeichnet werden. Abhängig von der Struktur des Kations

können [BF4]--basierte und [CF3SO3]

--basierte ionische Flüssigkeiten entweder

mischbar oder nicht mischbar mit Wasser sein. Eine Substitution des Kations mit

langen Alkylketten (C > 4) begünstigt hierbei die Hydrophobizität.[40] Im Allgemeinen

ist der Einfluss des Kations auf die Wasserlöslichkeit, im Vergleich zu dem des

Anions, eher gering.

Ionische Flüssigkeiten sind mit den meisten unpolaren organischen Lösungsmitteln

(Alkane, Alkylaromaten) bei Raumtemperatur nicht mischbar. Dabei hängt die

Mischbarkeit vom Wert der dielektrischen Konstante des organischen Lösungsmittels

ab. Eine gute bis vollständige Mischbarkeit wird bei Lösungsmitteln mit mittleren bis

hohen dielektrischen Konstanten erreicht.[41]

Dieses Phasenverhalten der ionischen Flüssigkeit mit Wasser und organischen

Lösungsmitteln ermöglicht die Durchführung von Zweiphasenprozessen mit

anschließender einfacher Produktseparation und einer effektiven Katalysator-

rezyklierung.

Löslichkeit von Biopolymeren

Die Erforschung von Biomasse als Rohstoff zur Produktion von Basischemikalien

und Treibstoffen gewann in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. Der

Ersatz fossiler Materialien durch nachwachsende Rohstoffe erfordert die Entwicklung

neuer Prozesse. Die Tatsache, dass ionische Flüssigkeiten ein hohes

Lösungsvermögen für polare organische Moleküle aufweisen, stellt die Grundlage für

ihren Einsatz in Biomasse-Prozessen dar. Biomasse besteht meist aus komplexen,

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Allgemeiner Teil

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stark funktionalisierten, polaren organischen Molekülen. Das Vorhandensein

funktioneller Gruppen in diesen Molekülen verstärkt die Wechselwirkung mit der

ionischen Flüssigkeit. Die ersten Versuche zur Auflösung von Cellulose in

geschmolzenem N-Ethylpyridiniumchlorid wurden bereits im Jahre 1934 von

Graenacher durchgeführt.[42] In den letzten Jahren kam eine Vielzahl an

Untersuchungen der Cellulose-Löslichkeit in ionischen Flüssigkeiten hinzu (siehe

Übersichtsartikel[43]). Neben reiner Cellulose ist auch die teilweise Auflösung

lignocellulosehaltiger Biomasse, wie zum Beispiel unbehandelten Holzes, möglich.[44-

46]

Löslichkeit von Übergangsmetallkomplexen

In der homogenen Katalyse ist eine selektive Löslichkeit aller an der Reaktion

beteiligten Komponenten von Bedeutung. Eine hohe Löslichkeit des Katalysator-

systems und der Edukte im Reaktionsmedium ist unerlässlich für einen effizienten

Prozess. Sind die gebildeten Produkte unlöslich in der Katalysatorphase, stellt dies

einen weiteren Vorteil dar.

Die ionische Flüssigkeit kann entweder als inertes, schwach koordinierendes

Lösungsmittel für Metallverbindungen dienen oder als Co-Katalysator fungieren. Als

polare, inerte Lösungsmittel eignen sich insbesondere ionische Flüssigkeiten mit

neutralen, schwach koordinierenden Anionen wie [PF6]- und [BF4]

-.[47] In ionischen

Flüssigkeiten mit basischen, stark koordinierenden Anionen wie Cl- oder [CH3COO]-

kann es zu einem Austausch der Liganden des Metallkomplexes mit den Anionen der

ionischen Flüssigkeit kommen. Dies führt in der Regel zu einer Deaktivierung des

Metallkomplexes.[48] Im Gegensatz dazu kann die Bildung der aktiven

Katalysatorspezies aus einer Katalysatorvorstufe in aciden ionischen Flüssigkeiten

initiiert werden.[49-50]

Generell sind jedoch anorganische Salze schlechter löslich in ionischen Flüssigkeiten

als ionische Übergangsmetallkomplexe. Die Löslichkeit von Metallkomplexen kann

durch die Substitution mit geeigneten Liganden variiert werden.[27] Die

Immobilisierung des Metalls in der ionischen Flüssigkeit ist somit möglich. Der

Verlust des meist teuren Katalysators durch Ausbluten in eine andere Phase wird

dadurch verhindert.

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Allgemeiner Teil

20

Gaslöslichkeiten

Die Vielfalt an ionischen Flüssigkeiten und die Variabilität ihrer Eigenschaften macht

sie für viele verschiedene Anwendungsbereiche attraktiv. Besonders interessant ist

die Verwendung ionischer Flüssigkeiten als Reaktionsmedien in der homogenen

Katalyse. Hierbei ist nicht nur die Löslichkeit von flüssigen oder festen Stoffen in den

ionischen Flüssigkeiten von Interesse, sondern auch die von Gasen. Die Beteiligung

gasförmiger Reaktanden an einer homogen katalysierten Reaktion, setzt eine hohe

Löslichkeit des Gases in der Flüssigphase voraus. Ein hohes Gaslöslichkeits-

vermögen eröffnet, neben katalytischen Anwendungen, auch die Möglichkeit ionische

Flüssigkeiten als Absorbentien für die Lagerung von Gasen zu verwenden. Durch die

Selektivität ihrer Gaslöslichkeit, eignen sich ionische Flüssigkeiten besonders zur

Separation verschiedener Gase voneinander.[51]

Für die Katalyse sind vor allem die Löslichkeiten der häufig verwendeten

Reaktionsgase wie H2, O2 und CO von Bedeutung. Dabei sollte auch der Einfluss

von Inertgasen wie N2, Ar oder He bedacht werden. Die CO2 Löslichkeit ist für

industrielle Prozesse von besonderer Bedeutung.

Eine typische Größe zur Beschreibung der Gaslöslichkeit in Flüssigkeiten, ist die

Henry-Konstante Hk (Formel 1). Hierbei entspricht pi dem Partialdruck des Gases i in

der Gasphase und xi dem Molenbruch des Gases i in der Flüssigkeit. Das Gesetz

von Henry (pi = Hk * xi) gilt für kleine Partialdrücke (Gasphase kann als ideal

angesehen werden) und nicht zu hohe Löslichkeiten des Gases in der Flüssigkeit (xi

< 0,01). Je kleiner die Henry-Konstante ist, desto besser ist die Löslichkeit des

Gases in der Flüssigkeit. Die Henry-Konstante ist eine Funktion von Druck und

Temperatur und wird üblicherweise in der Einheit bar angegeben.

𝑯k (p, T) = pi

xi (Formel 1)

Die Literatur-bekannten Untersuchungen der Gaslöslichkeit ionischer Flüssigkeiten

beschränken sich hauptsächlich auf ionische Flüssigkeiten mit [PF6]-, [BF4]

-, [NTf2]-

und [FAP]- Anionen. Niedrige Henry-Konstanten und damit hohe Löslichkeiten

werden grundsätzlich für CO2 und Ethylen erreicht. Wie in Tabelle 2 dargestellt,

besitzen die Gase N2, H2 und CO so geringe Löslichkeiten, dass exakte Messungen

schwierig sind und daher auch nur wenige Löslichkeitsdaten vorliegen.

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Tabelle 2: Gaslöslichkeiten in ionischen Flüssigkeiten bei 25°C [51-52]

Ionische Flüssigkeit

Hk [bar]

CO2 C2H6 O2 Ar

N2, H2, CO

[BMIM][PF6] 53,4 ± 0,3 144 ± 2 7190 ± 4190 7310 ± 3690 Nicht detektierbar

[BMIM][NTf2] 33,0 ± 0,3 70 ± 4 1730 ±560 - -

[HMIM][NTf2] 31,6 ± 0,2 - - - -

[HMPy][NTf2] 32,8 ± 0,2 58 ± 1 463 ± 104 - 3390 ± 2310 für N2

[BMPL][NTf2] 43,5 ± 0,8 - 1830 ± 590 - -

[HMIM][FAP] 25,2 ± 0,1 - - - -

[EMIM][NTf2][27] 39,5 - - -

1600 ± 83 für N2 (40°C)

[EMIM][OTf][27] 74,0 - - - 2600 ± 300 für N2 (40°C)

Generell weist Sauerstoff eine wesentlich geringere Löslichkeit in ionischen

Flüssigkeiten auf als CO2. Die Temperaturabhängigkeit der Henry-Konstanten beider

Gase ist gegenläufig. Während die CO2-Löslichkeit in ionischen Flüssigkeiten mit

zunehmender Temperatur abnimmt, steigt die Löslichkeit von O2 an. Die Hk-Werte

beider Gaslöslichkeiten sind jedoch relativ unabhängig vom Druck.[53] Durch Wahl der

geeigneten ionischen Flüssigkeit kann die Gaslöslichkeit im Allgemeinen deutlich

beeinflusst werden. Eine Verlängerung der Alkylkette am Kation kann beispielsweise

eine geringfügige Verbesserung der Gaslöslichkeit erzielen. Wie aus Tabelle 2

ersichtlich, wird zum Beispiel durch einen Wechsel von [BMIM][NTf2] auf

[HMIM][NTf2] die Henry-Konstante für CO2 von 33,0 bar auf 31,6 bar erniedrigt. Im

Falle von Imidazoliumkationen scheint ein H-Atom in C-2 Position des

Imidazoliumringes, im Gegensatz zu einer Alkylgruppe an dieser Stelle, die

Löslichkeit von CO2 leicht zu verbessern.[54] Einen wesentlich stärkeren Einfluss auf

die Gaslöslichkeit hat dagegen die Natur des Anions. Bei Betrachtung der in Tabelle

2 aufgeführten Anionen, lässt sich folgende Reihenfolge für eine zunehmende

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Gaslöslichkeit aufstellen: [OTf]- < [PF6]- < [NTf2]

- < [FAP]-. Muldoon et al.[55]

postulierten für die Löslichkeit von CO2 eine ähnliche Reihenfolge für ionische

Flüssigkeiten mit dem [BMIM]+-Kation: [NO3]- < [BF4]

- < [DCA]- ~ [PF6]- ~ [OTf]- <

[NTf2]-. Eine zunehmende Anzahl an Fluoralkylketten sowohl am Anion als auch am

Kation verbessert die Gaslöslichkeit.[55]

Grundsätzliche Untersuchungen der Löslichkeit von kleinen Molekülen wie

Sauerstoff, CO2 und CO in nicht-fluorierten Kohlenwasserstoffen und perfluorierten

Kohlenwasserstoffen belegen stets eine höhere Gaslöslichkeit in den perfluorierten

Lösemitteln. Dieser Effekt ist bei Sauerstoff und CO wesentlich größer als bei CO2.[56]

Auch zur Untersuchung des Mechanismus der Löslichkeit von Gasen in ionischen

Flüssigkeiten liegt eine Vielzahl an Veröffentlichungen vor.[57-61] Der genaue

mikroskopische Mechanismus ist jedoch bis heute nicht vollständig verstanden und

belegt.

Als großer Einflussfaktor auf die Löslichkeit verschiedener gasförmiger Moleküle,

besonders mit geringem Molekulargewicht, wird das freie molare Volumen ionischer

Flüssigkeiten angenommen. Im Falle von fluorierten ionischen Flüssigkeiten nimmt

die Gaslöslichkeit mit steigendem freiem molaren Volumen zu. Das freie molare

Volumen kann aus der Dichte und dem Brechungsindex einer Flüssigkeit bestimmt

werden. Lange fluorierte Alkylketten sowohl am Anion als auch am Kation einer

ionischen Flüssigkeit und ein hohes Molekulargewicht erhöhen das freie molare

Volumen.[58-59]

Hu et al.[57] beschreiben zwei grundlegende mechanistische Schritte des

Löslichkeitsverhaltens von Gasen in ionischen Flüssigkeiten. In der ionischen

Flüssigkeit bilden sich Hohlräume geeigneter Größe, um die Gasmoleküle

aufzunehmen. Nach Aufnahme der Gasmoleküle in diese Hohlräume kommt es zu

Wechselwirkungen der Gasmoleküle mit der ionischen Flüssigkeit.

Es ist bewiesen, dass es im Falle von ionischen Flüssigkeiten mit „flexiblen“ Anionen

wie [NTF2]- oder [FAP]- zu Konformationsänderungen der Anionen[62] kommt, um

große Hohlräume zu schaffen. Dies wiederum resultiert in einem hohen freien

molaren Volumen. Im Fall von rigideren Anionen wie [PF6]- oder [BF4]

- geschieht die

Bildung von Hohlräumen nur durch kleine Winkeländerungen der Anionen.[63] Die

Konformationsänderungen der „flexiblen“ Anionen erleichtern den Gasmolekülen das

Eindringen in die Hohlräume und erhöhen somit die Gaslöslichkeit. Dieser Effekt ist

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Allgemeiner Teil

23

bei der Änderung des Anions von [NTF2]- zu [(C2F5)3PF3]

- wesentlich größer als bei

einer weiteren Erhöhung der Fluorierung der Alkylketten hin zu [(C3F7)3PF3]- und

[(C4F9)3PF3]-. Dies liegt vermutlich an einer höheren Barriere für die Umwandlung der

Konformere ineinander bei den Anionen [(C3F7)3PF3]- und [(C4F9)3PF3]

-.[57]

Bei Gasen, die nur schwache Wechselwirkungen mit der ionischen Flüssigkeit

haben, wie O2 oder N2, wird die Löslichkeit hauptsächlich durch entropische Effekte

gesteuert. Hierbei spielt die Bildung der Hohlräume eine primäre Rolle.[59]

Die C-F-Bindungen in ionischen Flüssigkeiten deren Anionen oder Kationen fluorierte

Alkylketten enthalten besitzen eine hohe chemische Stabilität und eine hohe Energie.

Neben der hohen Gaslöslichkeit können diese ionischen Flüssigkeiten durch die

abstoßenden Kräfte der Fluoratome auch wieder besser regeneriert werden.[64]

Neben freien molaren Volumen Effekten spielt auch die Dichte der fluorierten

ionischen Flüssigkeit eine Rolle für die Gaslöslichkeit. Durch eine hohe Dichte

werden die spezifischen Wechselwirkungen der fluorierten Domänen des Netzwerkes

der ionischen Flüssigkeit verstärkt.[58]

Sauerstoffstabilität

Zur Sauerstoffstabilität ionischer Flüssigkeiten liegen in der Literatur wenige

experimentelle Daten vor. Die chemische Inertheit von ionischen Flüssigkeiten

gegenüber Sauerstoff ist für ihre Anwendung als Betriebsmittel für die Kompression

oxidativer Gase von Bedeutung. Von Predel et al. wurden zu diesem Zwecke

Druckstoßversuche an einigen ionischen Flüssigkeiten mit reinem Sauerstoff

durchgeführt.[3]

Wie in Tabelle 3 dargestellt, wurden verschiedene Imidazolium-basierte ionische

Flüssigkeiten mit Sauerstoffdrücken von bis zu 300 bar auf ihre Stabilität untersucht.

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Tabelle 3: Sauerstoffstabilität von ionischen Flüssigkeiten[4]

Ionische Flüssigkeit p(O2) [bar] T Probe [°C] Stabilität

[EMIM][EtSO4] 150 RT Nein

[TOMA][NTf2] 150 RT Nein

[EMIM][NTf2] 150 bis 100 Ja

[BMIM][NTf2] 150 bis 100 Ja

[EMMIM][NTf2] 300 bis 200 Ja

[PMMIM][NTf2] 300 bis 200 Ja

[BMMIM][NTf2] 300 bis 200 Ja

Bei den ionischen Flüssigkeiten [EMIM][EtSO4] und [TOMA][NTf2] kommt es bereits

bei Raumtemperatur zu einer explosionsartigen Reaktion mit Sauerstoff. Das Kation

der ionischen Flüssigkeit [TOMA][NTf2] bietet aufgrund seiner Substitution mit einer

langen Oktylkette eine große Angriffsfläche für den Sauerstoff an einem Alkan-

artigen Rest. Die weiteren Tests an verschiedenen [NTf2]--basierten ionischen

Flüssigkeiten belegen die Stabilität dieser als inert und thermisch stabil geltenden

Stoffsysteme. [4]

2.1.4 Ionischen Flüssigkeiten mit fluorierten Anionen

Ionische Flüssigkeiten mit FAP-Anionen

Wie im vorherigen Kapitel gezeigt wurde, weisen besonders ionische Flüssigkeiten

mit fluorierten Anionen hohe Gaslöslichkeiten und eine hohe thermische Stabilität

auf. Der Nachteil einiger ionischer Flüssigkeiten dieser Klasse, insbesondere solcher

mit Hexafluorophosphatanionen, ist ihre hydrolytische Instabiltät.[65]

Die Bildung von HF aus Fluorphosphatanionen kann durch den teilweisen Ersatz der

Fluoratome durch hydrophobe Fluoralkylketten vermieden werden.[66] Aus den sehr

reaktiven, hydrolyseunempfindlichen Tris(perfluoralkyl)difluorphosphoranen bildet

sich in wässriger HF-Lösung die entsprechende Tri(perfluoralkyl)trifluor-

phosphorsäure HFAP. Diese Säure dient als Ausgangsstoff für die Synthese

ionischer Flüssigkeiten mit dem Tri(perfluoralkyl)trifluorphosphat-Anion (FAP-

Anion)[67-71] (Schema 1).

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Allgemeiner Teil

25

Schema 1: Synthese von FAP-basierten ionischen Flüssigkeiten[66]

Diese FAP-basierten ionischen Flüssigkeiten weisen eine hohe Hydrophobizität auf.

Die Wasseraufnahme ist in diesen ionischen Flüssigkeiten sogar noch geringer als in

[NTf2]- - oder [PF6]

--Salzen.[66]

2.2 Oxidationen von organischen Substraten

Die Oxidation von Alkoholen und Kohlenwasserstoffen zu den entsprechenden

Aldehyden und Carbonsäuren spielt eine große Rolle in der industriellen Chemie.[72]

Diese Oxidationsprodukte werden in großen Mengen als Monomere und

Zwischenprodukte für die Polymerherstellung benötigt.[73] Es existieren bereits viele

hoch entwickelte Oxidationsprozesse bei denen anorganische Oxidationsmittel[74-76],

molekularer Sauerstoff[77-78] oder Übergangsmetallkatalysatoren[79] zum Einsatz

kommen. Es besteht dennoch die Notwendigkeit, die Selektivität für die gewünschten

Produkte zu steigern und Mehrstufensynthesen zu vermeiden. Organische

Reaktionsmedien können in Kontakt mit reinem Sauerstoff eine explosive Gasphase

bilden. Daher sollte ein weiteres Augenmerk bei Oxidationsreaktionen grundsätzlich

auf der Auslegung von Prozessen mit einer noch höheren Sicherheit liegen. Die

größte Herausforderung von Oxidationsreaktionen ist jedoch die Vermeidung von

Überoxidationen und somit das Erzielen einer möglichst hohen Produktselektivität.

Die Verminderung der Menge an Neben- und Abfallprodukten ist außerdem der

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Allgemeiner Teil

26

Nachhaltigkeit des Prozesses zuträglich. Die Nachhaltigkeit von katalytischen

Prozessen hängt darüber hinaus stark von der Rezyklierbarkeit des katalytischen

Systems ab. Daher sollte eine vollständige Separation des Katalysators von den

gebildeten Produkten möglich sein.

2.2.1 Oxidation von Alkoholen

Die Transformation von Alkoholen zu Aldehyden, Ketonen, Carbonsäuren und Estern

stellt eine der bedeutendsten Reaktionen in der organischen Synthese dar.[80] Die

hohe Atomeffizienz dieser Reaktionen bildet die Grundlage für die Entwicklung

umweltschonender Prozesse. Erstrebenswert ist der Gebrauch von molekularem

Sauerstoff als Oxidationsmittel, da hierbei nur Wasser als Nebenprodukt gebildet

wird (Schema 2).

Schema 2: Oxidation von Alkoholen zu Carbonylverbindungen

Übliche Katalysatoren für die Alkoholoxidation sind Chrom- [81], Palladium- [82],

Rhodium- oder Rutheniumverbindungen.[83] Diese besitzen den Nachteil, dass sie

entweder toxische Abfallprodukte bilden oder sehr teuer sind.[84]

2.2.1.1 Industrielle Produktion von aromatischen und aliphatischen Aldehyden

Industriell interessante Produkte der Oxidation von aromatischen und aliphatischen

Alkoholen stellen die entsprechenden Aldehyde dar. Aufgrund ihrer hohen Reaktivität

werden Aldehyde in vielen organischen Synthesen als Zwischenprodukte eingesetzt.

So dienen die wichtigsten gesättigten, aliphatischen Aldehyde wie Formaldehyd,

Acetaldehyd, Propionaldehyd und Butyraldehyd als Ausgangsstoffe für organische

Chemikalien und Polymere.[85]

In der Industrie werden diese Aldehyde auf verschiedenen Wegen hergestellt. Neben

Oxidationsreaktionen werden vor allem die Hydroformylierung von Olefinen (Oxo-

Synthese) zur Synthese langkettiger Aldehyde und die Hydratisierung von Acetylen

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Allgemeiner Teil

27

zu Acetaldehyd angewandt.

Die Oxidation primärer Alkohole dient in der Industrie hauptsächlich der Produktion

von Formaldehyd aus Methanol. Ein Gemisch aus 18-19 Gew% Fe2O3 und 81-82

Gew% MoO3 dient hierbei als Katalysator. Bei diesem Gasphasenprozess wird

Methanol in einem Rohrreaktor bei 350-450°C mit einem Überschuss an Luft oder

Sauerstoff über den Katalysator geleitet. Der Methanolumsatz beträgt etwa 95-99 %

mit einer Selektivität für Formaldehyd von 91-94 %.[86]

Ein noch bedeutsamerer Prozess zur Herstellung von Aldehyden aus Alkoholen ist

die oxidative Dehydrierung. Hier folgt der endothermen Dehydrierung des Alkohols

die exotherme Verbrennung des Wasserstoffs. Als heterogene Katalysatoren dienen

Silber- oder Kupferverbindungen, die in einem Temperaturbereich von 500-720°C

eingesetzt werden. Dieses Verfahren wird hauptsächlich für die Produktion von

Formaldehyd aus Methanol und von Acetaldehyd aus Ethanol genutzt.[85]

Längerkettige Aldehyde werden vor allem als Duftstoffe in der Parfümindustrie

eingesetzt. Für die Produktion langkettiger Aldehyde existiert ein spezieller Prozess

zur oxidativen Dehydrierung von C5-C14 Alkoholen. Die hier eingesetzten Silber- und

Kupferkatalysatoren werden häufig in Verbindung mit Zink, Chrom und Cr2O3

verwendet.[87] Aromatische Aldehyde wie Benzaldehyd und seine Derivate werden

vorrangig als Edukte für die Synthese von Duft-, Geschmacks- und Farbstoffen

benötigt. Den ältesten Prozess zur Herstellung von Benzaldehyd stellt die Hydrolyse

von Benzylchlorid dar. In einem kontinuierlichen Verfahren wird Benzylchlorid mit

einem alkalischen Hydrolysereagenz bei 125-145°C und einem Druck von 12-18 bar

zu Benzaldehyd umgesetzt. Daneben existiert auch die Möglichkeit der aciden

Hydrolyse, die mit hohen Ausbeuten (> 90 %) an Benzaldehyd einhergeht.[88]

Da Benzylchlorid üblicherweise durch die Chlorierung von Toluol gewonnen wird,

stellt die direkte partielle Oxidation von Toluol einen weitaus effektiveren Prozess zur

Synthese von Benzaldehyd dar. Diese Prozesse können sowohl in der Gasphase als

auch in der Flüssigphase durchgeführt werden.

Für die Oxidation von Toluol in der Gasphase sind hohe Temperaturen von 250-

650°C notwendig. Hierbei wird das gasförmige Toluol mit Sauerstoff in einem

Rohrbündel- oder Wirbelschichtreaktor durch das Katalysatorbett geleitet. Die

verwendeten Katalysatoren bestehen meist aus Oxiden der Elemente Vanadium,

Chrom, Molybdän und Wolfram, zum Teil auch aus Mischungen mit anderen

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Allgemeiner Teil

28

Elementen. Die Ausbeute an Benzaldehyd liegt bei den Gasphasenprozessen

zwischen 40-70 %.

Die Flüssigphasenverfahren können unter deutlich milderen Bedingungen, bei

Temperaturen von 80-250°C, durchgeführt werden. Übliche Katalysatoren sind

hierbei Kobalt-, Nickel-, Mangan-, Eisen-, oder Chromverbindungen. Als Co-

katalysatoren dienen Alkalimetallsalze, Hypochlorite oder Bromide, welche jedoch

korrosiv sind.[89] Auch in Flüssigphase werden nur Benzaldehyd-Ausbeuten zwischen

40 und 80 % erreicht. Bei allen industriellen Prozessen fällt Benzoesäure als Produkt

der Überoxidation an.

2.2.1.2 Oxidation mit Kupfersalzen und Radikalstartern

Die Selektivität und die Reaktionsgeschwindigkeit von Oxidationsreaktionen, die

ausschließlich mit Übergangsmetallsalzen katalysiert werden, sind meist nicht

zufriedenstellend. Daher wird die Oxidation von organischen Substraten häufig durch

den Einsatz von Nitroxiden wie dem stabilen 2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-Oxyl-

Radikal (TEMPO), beschleunigt. Ein Nachteil von TEMPO für die Anwendung im

industriellen Maßstab ist sein hoher Preis (80-100 $/kg). Daher ist der Gebrauch der

kostengünstigeren, funktionalisierten Nitroxide wie 4-Acetamido-TEMPO und 4-

Hydroxy-TEMPO (Abbildung 3) zu bevorzugen.[90]

Abbildung 3: TEMPO Radikale

In Verbindung mit Metallkomplexen dient TEMPO als Elektronendonor für das

Metallzentrum.[91] Ein bevorzugtes Übergangsmetall, das als Katalysator für

Oxidationsreaktionen verwendet wird, ist Kupfer. Im Vergleich zu Chrom-, Palladium-,

Rhodium- und Rutheniumsalzen hat Kupfer einen wesentlich geringeren Preis und

weist eine geringere Toxizität auf.

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Allgemeiner Teil

29

Die aerobe Oxidation von Alkoholen mit Kupfer(I)-salzen als Katalysator und

Additiven wie Azoverbindungen oder Hydrazinen, wurde bereits 1996 von István et

al. beschrieben. [92] Bei diesen Reaktionen werden hohe Umsätze (>85 %) mit guten

Selektivitäten zu den entsprechenden Aldehyden oder Ketonen erzielt. Die

Reaktionstemperatur lag zwischen 70 und 90°C und als Reaktionsmedium wurde

Toluol verwendet. Die Durchführung der Kupfer(I) katalysierten Alkoholoxidation in

ionischen Flüssigkeiten wurde erstmals im Jahr 2002 von Ansari und Gree

veröffentlicht.[93] In der ionischen Flüssigkeit [BMIM][PF6] konnten mit CuCl als

Katalysator und TEMPO als Radikalstarter bei 65 °C Alkoholumsätze von über 95 %

mit hohen Aldehydausbeuten (>70 %) erreicht werden.

Die Verwendung von Kupfer(II)-Komplexen ermöglicht die Durchführung der aeroben

Alkoholoxidation bei Raumtemperatur. Wang et al.[94] beschrieben im Jahr 1998 die

Oxidation von benzylischen und allylischen Alkoholen bei Raumtemperatur mit

Kupfer(II)-Salen-Komplexen. Zur gleichen Zeit entwickelten Wieghardt et al.[95] einen

bei Raumtemperatur aktiven zweikernigen Kupfer(II)-Phenoxylkomplex zur Oxidation

von primären und sekundären Alkoholen. Die erreichten Umsätze lagen hier bei unter

70 %.

Die katalytische Aktivität der Kupfersalze hängt stark von der Dissoziationsfähigkeit

des Anions ab. Daher ist die Verwendung von Salzen mit schwach koordinierenden

Anionen wie Triflat oder Perchlorat von Vorteil.[84] Daneben hängt die Reaktivität des

Metallkomplexes auch von den Liganden ab. Meist werden einzähnige Stickstoff-

Liganden wie 4-Diaminopyridin oder zweizähnige Stickstoff-Liganden wie Dimethoxy-

Bipyridin benutzt. In diesem Zusammenhang ist die Natur des Substituenten am

Pyridinring von Interesse. Ein elektronenschiebender Effekt des Substituenten erhöht

die katalytische Aktivität des Komplexes.

Einige Prozesse, die die Kombination aus Kupfersalzen, Stickstoff-Liganden und

TEMPO als katalytisches System für die Oxidation von Alkoholen nutzen, sind in der

Literatur bekannt.[84, 96-97] Auch über die Anwendung dieser Systeme in ionischen

Flüssigkeiten[93, 98-99] oder über die Synthese von TEMPO-ILs durch sogenannte

Click-Clack Chemie[100] wurde bereits berichtet.

Über die Oxidation von Benzylalkohol mit Hilfe eines katalytischen [Cu(II)(Bipyridin)]-

TEMPO Systems in organischen Lösemittel-Wasser-Mischungen unter milden

Reaktionsbedingungen berichteten Gamez et al. im Jahr 2004. Mit CuBr2 und 2,2‘-

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Allgemeiner Teil

30

Bypyridin als Ligand konnte bei Raumtemperatur und einer Reaktionszeit von 1,5 h in

einem Acetonitril-Wasser-Gemisch (2:1) ein Umsatz von 83 % erreicht werden.

Durch den Einsatz eines 4,4’-Dimethyl-2,2’-Bipyridin-Liganden ließ sich die Aktivität

des Katalysatorsystems steigern und resultierte in einem Umsatz von 100 % nach

1h.[84] Der Vorteil der Durchführung der Reaktion in ionischen Flüssigkeiten im

Gegensatz zu organischen Lösemitteln oder Wasser ist die einfachere

Produktseparation, zum Beispiel durch Destillation, und damit die bessere

Rezyklierbarkeit des Katalysatorsystems. In der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-4-

methylpyridinium Hexafluorophosphat [BMPy][PF6] wurde die Oxidation primärer

Alkohole von Jiang und Ragauskas mit dem Katalysatorsystem

Cu(ClO4)2/DMAP/Acetamido-TEMPO getestet. Benzylalkohol und einige seiner

Derivate konnten bei Raumtemperatur und einer Reaktionszeit von 5 h mit Umsätzen

von 99 bis 100 % und Ausbeuten von über 90 % zu den entsprechenden Aldehyden

oxidiert werden. Eine Rezyklierung des katalytischen Systems war über 5 Zyklen mit

nur geringen Aktivitätsverlust möglich.[99]

Schema 3: Angenommener Katalysezyklus der Alkoholoxidation mit Acetamido-TEMPO, DMAP und Cu(II)[99]

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Allgemeiner Teil

31

In Schema 3 ist der angenommene Katalysezyklus der Oxidation von Alkoholen mit

dem katalytischen System Cu(II)/DMAP/Acetamido-TEMPO dargestellt.

Im Folgenden soll die Funktion der einzelnen Komponenten und die einzelnen

Reaktionsschritte aus Schema 3 erläutert werden:

Vor Beginn der Reaktion wird die verwendete Kupfer(II)-Spezies unter Bildung von

Komplex 1, von zwei DMAP-Liganden koordiniert. Der Alkohol wird durch einen

koordinierten, als Base fungierenden DMAP-Liganden des Komplexes 1 deprotoniert.

Durch Koordination des entstandenen Alkoholats an den Kupfer(II)-Komplex wird der

Alkoxykomplex 2 gebildet. Im nächsten Schritt geht TEMPO eine η2-Koordination[84,

101-102] mit dem Kupfer-Zentrum des Komplexes 2 ein und es kommt zur Bildung von

Komplex 3. Durch einen β-Hydrid-Transfer vom koordinierten Alkoxid zum

koordinierten TEMPO-Radikal in Komplex 3, bildet sich die radikalische TEMPOH-

Kupfer-Spezies 4. Das Aldehyd 6, das protonierte TEMPO 7 und der Kupfer(I)-

Komplex 5 entstehen durch einen intramolekularen Einelektronentransfer in Komplex

4. Das protonierte TEMPO 7 reagiert mit dem Sauerstoff unter Bildung von Wasser

zurück zum TEMPO 8. Das gebildete TEMPO 8 dient der oxidativen Regeneration

des Kupfer(II)-Ausgangskomplexes 1 aus dem Kupfer(I)-Komplex 5. Der Zyklus wird

durch die aerobe Oxidation des protonierten TEMPO 9 zu TEMPO 8 geschlossen.

Durch den Einsatz von Cu(ClO4)2 als Katalysatorvorstufe kann ein höherer Umsatz

erreicht werden als mit CuBr2, Cu(OAc)2 und CuCl2.[99] Dies ist vermutlich mit der

bereits erwähnten schwachen Koordination der Perchlorat-Anionen an das

Kupferzentrum zu begründen. Dies ermöglicht eine schnellere und vollständige

Substitution der Perchlorat-Anionen durch die DMAP-Liganden.

Das zugesetzte DMAP fungiert nicht nur als N-Donor-Ligand für die Kupfer(II)-

Spezies, sondern ermöglicht erst die Deprotonierung des Alkohols. Das TEMPO-

Radikal dient einerseits als Wasserstoff-Akzeptor in Komplex 3 und vermittelt

andererseits die Reoxidation des Kupfer(I)-Komplexes 5 zum Kupfer(II)-Komplex 1.

Das Weglassen von Acetamido-TEMPO oder DMAP führt zu gar keinem bzw. einem

sehr geringen Alkoholumsatz.[99]

Diese Methode weist trotz ihrer hohen Effizienz einige Nachteile auf. So ist der

Einsatz von Kupfer(II)-perchlorat als Komponente des katalytischen Systems aus

sicherheitstechnischer Sicht bedenklich. Perchloratsalze können in Gegenwart von

oxidierbaren Substanzen explosiv sein. Darüber hinaus besitzen die verwendeten

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Allgemeiner Teil

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[PF6]--basierten ionischen Flüssigkeiten eine geringe Hydrolysestabilität, wodurch die

Gefahr der Bildung toxischer, ätzender Flusssäure gegeben ist.

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Allgemeiner Teil

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2.2.2 Oxidation von Alkylaromaten und Kohlenwasserstoffen

Neben der Oxidation von Alkoholen nimmt die aerobe Oxidation von Alkylaromaten

und Kohlenwasserstoffen eine bedeutende Rolle bei der Produktion von

Bulkchemikalien ein. Eine große Herausforderung stellt hierbei jedoch die geringe

Reaktivität der Substrate dar.[103] Die industriell wichtigsten Produkte dieser

Oxidationsprozesse sind aromatische Säuren wie Terephthalsäure, Benzoesäure

und Adipinsäure (siehe Schema 4).

Schema 4: Oxidation von Toluol, p -Xylol und Cyclohexan

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Allgemeiner Teil

34

Die häufigsten Neben- oder Zwischenprodukte der Oxidation von Toluol und p-Xylol

und Cyclohexan sind Benzaldehyd, p-Toluolsäure und eine Mischung aus

Cyclohexanol und Cyclohexanon.

2.2.2.1 Industrielle Produktion aromatischer und aliphatischer Säuren

Im Gegensatz zur selektiven Aldehydproduktion aus Alkoholen zielt die Oxidation von

Alkylaromaten und Kohlenwasserstoffen wie Toluol, p-Xylol und Cyclohexan

vorrangig auf die Herstellung aromatischer oder aliphatischer Säuren ab.

Benzoesäure

Der größte Anteil der produzierten Benzoesäure wird als Ausgangsmaterial für die

Phenolproduktion benötigt. Hierbei wird die, durch Toluoloxidation gewonnene,

Benzoesäure durch eine oxidative Decarboxylierung zu Phenol umgesetzt.

Desweitern dient Benzoesäure als Zwischenprodukt in der Farbstoff- und

Parfümindustrie.[104] In der Lebensmittelindustrie wird Benzoesäure in großem

Maßstab in Form von Natrium- und Kaliumbenzoat als Konservierungsmittel

eingesetzt.[77]

Bereits während des zweiten Weltkrieges wurde in Deutschland ein

Flüssigphasenprozess zur Toluoloxidation mit molekularem Sauerstoff von der I.G.

Farbenindustrie entwickelt. Die Reaktion wurde in einem Blasensäulenreaktor mit

einem Kobalt-Naphthenat Katalysator (0,1 %) bei 140 °C und 2 bar durchgeführt.

Nach der Reaktionszeit von 30 Stunden wurde ein Toluol-Umsatz von nur 50 % mit

einer Selektivität für Benzoesäure von 80 % erreicht. Die Benzoesäure wurde mit

Natriumcarbonat zu Natriumbenzoat umgesetzt und das nicht abreagierte Toluol

wurde destillativ entfernt.[77]

Heute existieren sowohl Flüssigphasenprozesse als auch Gasphasenprozesse zur

Produktion von Benzoesäure aus Toluol. Üblicherweise werden die Flüssigphasen-

prozesse bei 140-190°C und etwa 10 bar in einem Blasensäulenreaktor oder in

einem Rührkessel mit einem Kobaltkatalysator, zum Bespiel Kobalt(II)-ethylhexanoat,

durchgeführt.[105] Als Nebenprodukte werden, je nach Höhe des Umsatzes, große

Mengen Benzaldehyd, geringe Mengen Benzylalkohol und verschiedene Ester

gebildet. Die Ausbeute an Nebenprodukten liegt meist bei etwa 10 %.[77] Bei der

Durchführung von kobaltkatalysierten Alkylaromaten-Oxidationen mit Essigsäure als

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Allgemeiner Teil

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Lösungsmittel kann die Reaktion durch den Zusatz von Bromverbindungen drastisch

beschleunigt werden.[106]

Die Gasphasenoxidation von Toluol zu Benzoesäure wurde mit unterschiedlichen

Katalysatoren, wie Vanadium-, Wolfram-, Uran-, Molybdän-, und Silberverbindungen,

untersucht. Generell sind die Ausbeuten und die Selektivität der Reaktion in der

Gasphase jedoch wesentlich schlechter als in der Flüssigphase. Darüber hinaus sind

Temperaturen über 200°C notwendig. [78]

Terephthalsäure

Bereits im Jahr 1940 fanden Whinfield und Dickson heraus, dass aus symmetrischen

aromatischen Dicarbonsäuren hochschmelzende, kristalline, Fasern formende

Materialien hergestellt werden können.[107] Terephthalsäure wird daher heute

hauptsächlich zur Herstellung von gesättigten Polyestern verwendet. Der Großteil der

produzierten Terephthalsäure dient der Herstellung des Kunststoffes

Polyethylenterephthalat (PET). Wie in Schema 5 dargestellt, wird die

Terephthalsäure mit einem Diol, in diesem Fall Ethylenglykol, in einer Poly-

kondensationsreaktion zu PET verestert.[108]

Schema 5: Synthese von Polyethylenterephthalat

Der erste industrielle Prozess zur Herstellung von Terephthalsäure wurde im Jahr

1938 von DuPont patentiert. Er basierte auf der aeroben Oxidation von p-Xylol unter

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36

Verwendung von Kobalt(II)-acetat als Katalysator und Essigsäure als

Lösungsmittel.[79]

Der weltweit häufigste industrielle Prozess zur Produktion von Terephthalsäure aus

p-Xylol ist die Amoco-Oxidation.[109-110] Als Katalysatorsystem dient eine Mischung

aus einem Kobaltsalz, Mangansalz und einer Bromverbindung wie HBr, NaBr oder

Tetrabromethan. Die Reaktion wird in Essigsäure durchgeführt und komprimierte Luft

dient als Oxidationsmittel. Aufgrund der hohen Korrosivität des Katalysator-

Essigsäure-Gemisches müssen einige Schritte der Reaktion in einem Titanbehältnis

durchgeführt werden. Die üblichen Reaktionsbedingungen betragen 175-225°C und

15-30 bar. Da die Reaktion stark exotherm verläuft (2 x 108 J/kg) wird die

Reaktionswärme über die Verdampfung des Lösungsmittels abgeführt. Die

Verweildauer beträgt üblicherweise 2 h, wobei p-Xylol zu 98 %, mit einer Ausbeute

an Terephthalsäure von über 95 %, umgesetzt wird.[111]

Adipinsäure

Adipinsäure stellt mit einer Jahresproduktion von etwa 2,8 Millionen Tonnen pro Jahr

(im Jahr 2006) ein bedeutendes Zwischenprodukt in der chemischen Industrie

dar.[112] Seit der Erfindung der Nylonproduktion in den 1930er Jahren durch W.H.

Carothers von DuPont, wird der Großteil der gewonnenen Adipinsäure für die

Herstellung des Polyamids Nylon 66 verwendet.[113] Wie in Schema 6 dargestellt ist,

wird das Polyamid 6,6-Nylon durch eine Polykondensationsreaktion zwischen

Adipinsäure und Hexamethylendiamin synthetisiert.

Schema 6: Herstellung von 6,6-Nylon aus Adipinsäure

Die ersten Prozesse zur Herstellung von Adipinsäure beruhten auf einer zweistufigen

Oxidation mit Luft. Als Edukt diente Cyclohexan, das mit geringen Umsätzen zu einer

Mischung aus Cyclohexanol und Cyclohexanon, dem sogenannten KA-Öl (Keton-

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Allgemeiner Teil

37

Alkohol Öl), oxidiert wurde. Anschließend wurde dieses Gemisch mit hohen

Umsätzen zu Adipinsäure weiteroxidiert.[113]

Heutzutage wird Adipinsäure hauptsächlich durch die Oxidation von Cyclohexanol,

Cyclohexanon oder dem KA-Öl mit Salpetersäure produziert.[75-76] Hierbei wird das

Edukt bei 60-80°C mit 50-60%ige Salpetersäure in Verbindung mit einem

homogenen Katalysator, bestehend aus Kupfer(II)-nitrat und Ammonium-

Metavanadat, als Oxidationsmittel umgesetzt.[114-115] Es wird eine hohe Ausbeute an

Adipinsäure von über 90 % erzielt. Die Nebenprodukte, die in geringem Maß

entstehen sind vornehmlich CO2, Stickstoffoxide und Dicarbonsäuren kürzerer

Kettenlänge wie Glutarsäure. Der Mechanismus dieses Oxidationsprozesses wurde

von van Asselt und van Krevelen[116-117] beschrieben und soll hier nicht im Detail

erläutert werden. Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist die Bildung der Stickoxide

NO, NO2 und insbesondere des Treibhausgases N2O. Pro Tonne Adipinsäure

werden je nach Katalysatormenge und Zusammensetzung des Eduktgemisches etwa

300 kg N2O freigesetzt.[112]

Neben der Oxidation mit Salpetersäure existieren auch Verfahren mit Sauerstoff als

Oxidationsmittel. Hierbei wird wie bei der Oxidation von Alkylaromaten eine Mischung

aus Kobalt- und Manganacetat als Katalysator eingesetzt und die Reaktion in

Essigsäure durchgeführt.[118-120] Neben dem Problem der Korrosivität des Reaktions-

gemisches, besteht der Nachteil dieser Methode in der geringeren Ausbeute an

Adipinsäure von etwa 70 %.

Die größten Unterschiede in den Prozessen zur Adipinsäureproduktion bestehen

jedoch in der Herstellung des benötigten KA-Öls. Wie in Schema 7 dargestellt kann

Cyclohexanol, Cyclohexanon oder deren Gemisch durch die Hydrierung von

Phenol[121-123], die Oxidation von Cyclohexan[124-125] oder die Hydratisierung von

Cyclohexen[126-129] gewonnen werden. Der Ausgangstoff für diese Substrate ist in

allen Fällen Benzol, das entweder zu Cyclohexan und Cyclohexen hydriert oder

durch die Hock‘sche Phenolsynthese[130] in Phenol überführt wird.

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Allgemeiner Teil

38

Schema 7: Herstellungsprozess von Adipinsäure[112]

Durch die Hydrierung von Phenol können hohe Ausbeuten von über 95 % an

Cyclohexanol oder Cyclohexanon mit Phenolumsätzen zwischen 90 und 100 %

erzielt werden. Bei der Oxidation von Cyclohexan liegen die Ausbeuten an Keton,

Alkohol und dem enstprechenden Hydroperoxid meist zwischen 70 und 90 %. Durch

die Hydratisierung von Cyclohexen zu Cyclohexanol können zwar höhere

Produktausbeuten von über 95 % erreicht werden, der Prozess ist jedoch wesentlich

teurer als die Cyclohexan-Oxidation.[131]

2.2.2.2 Oxidation mit Übergangsmetallsalzen

Die Oxidation von Alkylaromaten und Kohlenwasserstoffen erfordert die

Überwindung einer hohen Aktivierungsenergie. Die nötige Aktivierungsenergie liegt

im Falle der Toluoloxidation im Bereich von 67,8 kJ/mol bis 92,6 kJ/mol.[132] Die

daraus resultierende geringe Reaktionsgeschwindigkeit macht den Einsatz eines

Katalysators unerlässlich. Die Flüssigphasenoxidation kann entweder heterogen oder

homogen katalysiert werden. Für die heterogene Katalyse haben sich besonders

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Metalloxide wie V2O5,[104, 133] Co2O3,

[134] Mn2O3 und Mn3O4

[135] bewährt. Nähere

Untersuchungen hierzu wurden von Li et al.[135] mit verschiedenen Metalloxiden und -

salzen (je 2,3 Gew%) in reinem Toluol bei 195°C und einem Sauerstoffdruck von

10 bar durchgeführt (Tabelle 4).

Tabelle 4: Flüssigphasenoxidation von Toluol mit heterogenem Katalysator[135]

Wie aus Tabelle 4 ersichtlich, kann der höchste Umsatz von 38,7 % mit einer hohen

Selektivität (93,3 %) für Benzoesäure mit Mn3O4 erreicht werden. Im Allgemeinen

sind die Umsätze die durch eine heterogen katalysierte Reaktion erreicht werden

können jedoch nicht zufriedenstellend.

In der homogenen Katalyse liefern Kobalt- und Mangansalze die höchsten Umsätze

von bis zu 45 % bei der Oxidation von Alkylaromaten.[132, 136-138] Die Reaktion wird

vorwiegend mit den entsprechenden Metallacetaten in Essigsäure bei hohen

Temperaturen (>140 °C) durchgeführt. Ein großer Nachteil dieser Prozesse ist, dass

das Lösungsmittel Essigsäure selbst zum Teil zu CO, CO2 und weiteren

Zersetzungsprodukten oxidiert wird. Dies führt zum Beispiel bei einer

Jahresproduktion von 40 000 kt Terephthalsäure zu einem jährlichen Verlust von

2000 kt Essigsäure.[139] Darüber hinaus verläuft die, ausschließlich mit

Übergangsmetallsalzen katalysierte, Oxidation langsam und führt nicht zum

vollständigen Umsatz des Substrates. Ein hochaktiver Katalysator für die Oxidation

von C-H-Bindungen kann jedoch durch den Zusatz von Bromverbindungen zu

Co(OAc)2 gewonnen werden. Bei der Oxidation von Alkylaromaten unter

Verwendung von HBr in Verbindung mit Co(OAc)2 können bei Temperaturen unter

Katalysator Umsatz

[mol%]

Selektivität Benzoesäure

[mol%]

Selektivität Benzaldehyd

[mol%]

Selektivität

Benzylalkohol

[mol%]

MnO2 6,5 41,8 52,2 1,2

Mn2O3 26,3 77,6 13,9 0,4

Mn3O4 38,7 93,3 6,0 0,2

MnO 21,1 71,0 2,7 18,3

V2O5 3,4 27,1 50,4 13,0

Co2O3 4,5 18,5 35,3 43,5

Co(OAc)2 x 4 H2O 10,5 43,2 24,6 25,1

Mn(OAc)2 x 4 H2O 8,3 37,0 3,9 50,1

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120°C Säureausbeuten von 67 bis 87 % erreicht werden. [140]

Die nicht industrielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen wie Cyclohexan im

Labormaßstab wird meist nicht mit Sauerstoff als Oxidationsmittel sondern mit

Wasserstoffperoxid (H2O2) oder Tert-Butylhydroperoxid (TBHP) durchgeführt. So

konnten Carvalho et al.[141] Cyclohexan durch den Einsatz verschiedener

mononuklearer Eisen(III)-Komplexe, mit Bis-(2-Pyridylmethyl)amin-Liganden (BMPA),

bei Raumtemperatur in Acetonitril mit einer Produktausbeute von bis zu 34 %

oxidieren. Das Produktgemisch setzte sich hierbei aus dem KA-Öl, den

entsprechenden Peroxid-Verbindungen und Adipinsäure zusammen. Die höchste

Ausbeute an Adipinsäure lag bei 23,7 %. Höhere Produktausbeuten von bis zu

68,9 % mit einem KA-Öl-Anteil von 66,9 % und nur 2,0 % Adipinsäure, wurden von

Silva et al. durch die Verwendung von Kupfer(II)-BMPA-Komplexen gewonnen.[142]

Weitere Studien, in denen die Ausbeute an Adipinsäure jedoch nicht gesteigert

werden konnte, wurden mit verschiedenen Kupfer(II)-Komplexen von Canhota et

al.[143] und Detoni et al.[144] durchgeführt.

Der Mechanismus der Oxidation von Alkylaromaten und Kohlenwasserstoffen

verläuft grundsätzlich radikalisch über einen freien Radikalkettenmechanismus

(FRKM).[139, 145] Die Autooxidation von Alkylaromaten kann durch die Zugabe eines

Radikalstarters (z.B. AIBN) initiiert werden (Schema 8).

Schema 8: Autooxidation von Alkylaromaten und Kohlenwasserstoffen[140]

Der Initiator zerfällt unter Einwirkung von Hitze, im Falle von AIBN unter Abgabe

eines Stickstoffmoleküls, zu zwei identischen Radikalen (R‘●). Die Radikale reagieren

mit Sauerstoff zu Peroxidradikalen, welche mit dem Kohlenwasserstoff (RH) ein

Hydroperoxid (R’OOH) und ein Alkylradikal (R●) bilden. Das Alkylradikal reagiert

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41

wiederum mit Sauerstoff zu einem Peroxidradikal (ROO●), welches mit einem

weiteren Kohlenwasserstoff-Molekül, eine Hydroperoxid-Zwischenstufe (ROOH)

bildet.

Bei der Zugabe von Übergangsmetallsalzen als Katalysator ist kein Initiator

notwendig. Im Fall des Kobalt(III)-salzes abstrahiert das Metallion (Co3+) sowohl ein

Wasserstoffatom vom Substrat (RCH3) als auch von den gebildeten Hydroperoxid-

Zwischenstufen (RCH2OOH) (Schema 9). Die Verwendung von Kobalt(III)-salzen

reduziert somit die Dauer der Induktionsperiode der Reaktion.[146]

Wie in Schema 9 gezeigt, bildet sich bei Verwendung von Kobalt(II)-salzen durch die

Oxidation des Kobalt(II)-ions mit molekularem Sauerstoff ein radikalischer Kobalt(III)-

peroxid-Komplex (Co(III)OO●). Dieser Peroxidkomplex abstrahiert ein Wasserstoff-

atom des Substrates (RCH3) und bildet den entsprechenden Hydroperoxidkomplex

(Co(III)OOH). Co2+ abstrahiert im Gegensatz zu Co3+ nicht direkt ein Wasserstoffatom

vom Substrat.[146]

Schema 9: Oxidation von Alkylaromaten mit Kobaltkatalysator[140, 146-147]

Der gesamte Mechanismus der Übergangsmetall-katalysierten Oxidation ist am

Beispiel von Toluol in Schema 10 dargestellt. Die Oxidation zu den Peroxid-Spezies

verläuft jeweils über einen freien Radikalkettenmechanismus (FRKM). Ausgehend

vom primären Peroxid findet eine Dehydratisierung durch das Metall(II)- oder

Metall(III)-ion zum Benzaldehyd statt. Die daraus gebildete Peroxysäure wird

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Allgemeiner Teil

42

schließlich durch das Metallion zur Benzoesäure oxidiert.

Schema 10: Übergangsmetallkatalysierte Oxidation von Toluol[139]

Der in industriellen Prozessen übliche Zusatz von Bromverbindungen (z.B. HBr)

beschleunigt durch die Bildung von Bromradikalen (Br●) die Entstehung der

Alkylradikale (R●) und somit den gesamten Oxidationsprozess (siehe Schema 11).[106,

140, 148]

Schema 11: Oxidation von Kohlenwasserstoffen unter Zusatz von Bromverbindungen[149]

Ein Nachteil der Zugabe von HBr stellt seine hohe Acidität dar, welche die

Produktselektivität beeinflussen kann. So kann die Hydroperoxidstufe zu Phenolen

und Ketonen anstelle der gewünschten Säuren abgebaut werden.

In Verbindung mit Metallsalzen, insbesondere Kobalt(II)acetat, wird die Reaktion

noch zusätzlich beschleunigt. Dies ist nicht einfach mit der noch höheren Anzahl an

gebildeten Radikalen zu erklären, sondern beruht laut Hay und Blanchard auf der

Bildung einer Kobalt-Brom-Spezies (Co(OAc)Br).[140]

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Allgemeiner Teil

43

Durch die geringe Bindungsenergie von HBr liegt das Gleichgewicht weit auf der

rechten Seite. Die Konzentration von freiem HBr wird somit gering gehalten und die

Bildung von Phenolen unterdrückt.

Trotz der hohen Umsätze und der hohen Reaktionsgeschwindigkeit, die mit dem

Kobalt-Brom-Katalysatorsystem in Essigsäure erreicht werden können, ist dieser

Prozess für die großtechnische Anwendung der Oxidation von Toluol zu

Benzoesäure ungeeignet. Aus der Kombination von sauren Lösungsmitteln und

Bromverbindungen resultiert eine schwierige Produktabtrennung vom Katalysator.

Darüber hinaus besitzen die Reaktions-gemische eine hohe Korrosivität und es

entstehen große Mengen an toxischen Abfällen.[150]

2.2.2.3 Oxidation mit Aminoxylradikalen

Eine Möglichkeit zur Vermeidung des Einsatzes anorganischer Oxidationsmittel in

Verbindung mit Übergangsmetallkatalysatoren ist die Verwendung von

N-Hydroxyimid-Verbindungen wie N-Hydroxyphthalimid, N-Hydroxysuccinimid oder

N-Hydroxyquinolinimid (Abbildung 4) als Katalysatorvorstufe. Diese Verbindungen

stellen eine Vorstufe der entsprechenden reaktiven Imid-N-Oxyl Radikale dar.

Abbildung 4: N-Hydroxyimid-Derivate

Im Gegensatz zu anderen Aminoxylradikalen wie TEMPO, können diese Imid-N-Oxyl

Radikale neben der Wasserstoffabstraktion auch durch eine Elektronenabstraktion

mit anschließender Deprotonierung erzeugt werden.[151]

Durch die höhere NO-H-Bindungsdissoziationsenergie der N-Hydroxyimid-

Verbindungen (>356 kJ/mol)[152] wirken sie wesentlich stärker Wasserstoff-

abstrahierend als zum Beispiel TEMPO (TEMPOH: 289 kJ/mol)[153]. Aufgrund der

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Allgemeiner Teil

44

hohen Bindungsdissoziations-energie (BDE) zeigen die Imid-N-Oxyl-Radikale eine

hohe Reaktiviät in H-Atomtransfer Reaktionen (HAT-Reaktionen).[151]

Schema 12: H-Atomtransfer-Reaktion am Beispiel von Benzylalkohol[151]

Wie in Schema 12 am Beispiel der Reaktion eines Imid-N-Oxyl-Radikals (R2NO●) mit

Benzylalkohol (PhCH2OH) dargestellt, ist die Bildung der NO-H-Bindung von R2NOH

durch ihre höhere BDE, im Vergleich zur C-H-Bindung des Substrates,

thermodynamisch begünstigt. Eine hohe BDE der NO-H-Bindung hat jedoch zur

Folge, dass weniger freie Radikale vorliegen und geht somit nicht unbedingt mit einer

hohen katalytischen Aktivität einher.[152] Die meisten literaturbekannten Daten[152, 154]

lassen dennoch darauf schließen, dass NHS und NHQI, die eine höhere BDE der

NO-H-Bindung aufweisen, auch eine höhere katalytische Aktivität in

Oxidationsreaktionen als NHPI besitzen.

Im Jahre 1977 berichteten Grochowski et al. zum ersten Mal über eine Freie-Radikal-

Ketten-Reaktion, bei der Addition von Ethern an Azoverbindungen und der Oxidation

von Propanol, in Gegenwart von NHPI.[155] Nach einigen Versuchen zur

elektrochemischen Oxidation verschiedener organischer Substrate[156-159] und der

ersten Autooxidation von Isoprenoiden[160-161] in Anwesenheit von NHPI, gelangen

Ishii et al.[162] im Jahr 1995 die ersten effektiven Oxidationen von Alkanen und

Alkoholen mit katalytischen Mengen NHPI in Verbindung mit Kobalt- oder

Manganacetylacetonat (Co(acac)2 oder Mn(acac)2) bei 100°C. Die erste Oxidation

von Toluol bei Raumtemperatur wurde im Jahr 1997 von Yoshino et al. beschrieben.

Die Versuche wurden mit 10 mol% NHPI und 0,5 mol% Kobalt(II)salz in Essigsäure

oder Acetonitril bei etwa 1 bar Sauerstoffdruck und einer Reaktionszeit von 24 h

durchgeführt.[103] Die Ergebnisse aus Tabelle 5 zeigen, dass der höchste Umsatz an

Toluol von 84 % mit Co(OAc)2 in Essigsäure erreicht werden konnte.

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Allgemeiner Teil

45

Tabelle 5: Oxidation von Toluol mit 10 mol% NHPI/ 0,5 mol% Co(II) bei Raumtemperatur[103]

Katalysator Lösemittel Umsatz

[%]

Ausbeute Benzoesäure

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

[%]

Co(OAc)2 Essigsäure 84 81 2

Co(OAc)2 Acetonitril 52 45 5

Co(acac)2 Essigsäure 74 71 3

Co(acac)2 Acetonitril < 1 n.b. n.b.

Bei der Durchführung der Reaktion in Acetonitril tritt eine lange Induktionsperiode von

fast 12 h auf. Im Gegensatz dazu ist bei Verwendung von Essigsäure als

Reaktionsmedium nur eine äußerst kurze Induktionsperiode von etwa 1h zu

beobachten. Bei der Oxidation mancher anderer Substrate (z.B. Duren, ein

Tetramethylbenzol) zeigt sich jedoch ein genau umgekehrtes Verhalten.[103]

Unter den gleichen Reaktionsbedingungen ist auch die Oxidation anderer

Alkylaromaten möglich. Die Oxidation von p-Xylol führt hierbei jedoch nur zu den

entsprechenden einfach oxidierten Produkten wie p-Tolylaldehyd und

p-Toluolsäure.[103] Die Oxidation von Alkylaromaten zu den entsprechenden

Dicarbonsäuren gelang Tashiro et al.[163] durch den Einsatz von NHPI in Kombination

mit Co(OAc)2 oder einer Mischung aus Co(OAc)2 und Mn(OAc)2.

Tabelle 6: Oxidation von p -Xylol mit NHPI/ 0,5 mol% Co(OAc)2/ 0,5 mol % Mn(OAc)2 bei 100°C[163]

Katalysator Lösemittel Umsatz

[%]

Ausbeute

p-Toluolsäure

[%]

Ausbeute Terephthalsäure

[%]

NHPI (20 mol%) /Co(OAc)2

Essigsäure n.b. 15 67

NHPI (20 mol%) /Co(OAc)2/Mn(OAc)2

Essigsäure >99 4 82

NHPI (15 mol%) /Co(OAc)2/Mn(OAc)2

Essigsäure n.b. 31 48

Bei einer Reaktionstemperatur von 100°C konnten Ausbeuten an Terephthalsäure

von bis zu 82 % erreicht werden (Tabelle 6). Der Zusatz von Mn(OAc)2 steigert

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Allgemeiner Teil

46

hierbei die Ausbeute deutlich von 67 % auf 82 %. Über diesen synergetischen Effekt

zwischen Kobalt- und Manganverbindungen bei anaeroben Oxidationsreaktionen

wurde bereits in der Literatur[109, 164-165] berichtet.

Die NHPI-katalysierte Oxidation von Cyclohexan zu Adipinsäure wurde unter

Verwendung verschiedener Kobalt- und Mangansalze von Iwahama et al.[166]

untersucht. Die höchsten Umsätze an Cyclohexan von 73 und 63 % konnten mit 1,0

mol% Mn(acac)2 bei 100°C oder einer Kombination aus 0,5 mol% Mn(acac)2 und

0,05 mol% Co(OAc)2 bei 80°C erreicht werden. Hierbei entstehen zwar nur Spuren

von Cyclohexanon, aber neben dem Hauptprodukt Adipinsäure werden

Nebenprodukte wie Glutarsäure, Succinsäure, Cyclohexylacetat und Cyclohexanol

gebildet.

Tabelle 7: Oxidation von Cyclohexan mit 10 mol% NHPI und Kobalt- oder Mangansalz in Essigsäure[166]

Der Reaktionsmechanismus der aeroben NHPI/Co(OAc)2 katalysierten Oxidation von

Alkylaromaten soll hier am Bespiel von Toluol dargestellt werden (siehe Schema 13).

Aus dem eingesetzten Co(II)-Salz 1 bildet sich durch die Reaktion mit molekularem

Sauerstoff ein radikalischer Co(III)-Sauerstoffkomplex 2. Dieser Komplex 2

abstrahiert ein Wasserstoffatom von NHPI 4 und führt zur Bildung des reaktiven

PINO-Radikals 5, welches wiederum ein Wasserstoffatom des Substrates Toluol 6

abstrahiert. Aus dem PINO-Radikal wird somit NHPI 7 regeneriert. Das gebildete

Benzylradikal 8 wird von einem Sauerstoffmolekül abgefangen und reagiert zum

Katalysator

(mol%)

Temperatur

[°C]

Zeit

[h]

Umsatz

[%]

Ausbeute Cyclohexanon

[%]

Ausbeute Adipinsäure

[%]

Mn(acac)2 (0,5) 100 6 36 7 17

Mn(acac)2 (1,0) 100 20 73 Spuren 53

Mn(OAc)2 (0,5) 100 6 35 4,5 16

Co(OAc)2 (0,5) 100 6 40 14 14

Mn(acac)2 (0,5)/ Co(OAc)2 (0,05)

80 24 63 Spuren 43

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Allgemeiner Teil

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Benzylperoxy-Radikal 9, welches durch H-Abstraktion von NHPI 7 zum

Benzylhydroperoxid 10 wird.

Schema 13: Oxidation von Alkylaromaten mit NHPI und Cobalt(II)salz[103]

Das gebildete Benzylhydroperoxid 10 reagiert mit Sauerstoff unter Wasserabspaltung

und Reduktion des Co(III) 11 zu Co(II) 1 zu Benzaldehyd und weiter zu Benzoesäure

12.

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Allgemeiner Teil

48

Der entsprechende Schritt der Bildung des Benzaldehyds und der Weiteroxidation

zur Benzoesäure wurde bereits in Schema 10 dargestellt. Um die entsprechenden

Abläufe im Katalysezyklus (Reaktion von 10 zu 12) genauer zu verstehen, soll an

dieser Stelle der Reaktionsablauf in Schema 10 nochmals betrachtet werden.

Schema 10: Übergangsmetallkatalysierte Oxidation von Toluol[139]

Mit einer schnellen Reaktion des Benzylhydroperoxids zu Benzaldehyd geht eine

schnelle Reduktion der Kobalt(III)-Spezies 11 zum Kobalt(II)-Ausgangskomplex 1

einher. Damit ist ein optimaler Ablauf des Katalysezyklus gewährleistet. Bei einem

schnellen Ablauf des Zyklus und der Oxidation zum Benzaldehyd steht jedoch für die

Weiteroxidation zur Benzoesäure nur eine geringe Konzentration der Metallkomplexe

zur Verfügung. Die Oxidation von Benzaldehyd zu Benzoesäure verläuft zwar auch

ohne Vorhandensein eines katalytischen Metallkomplexes, jedoch geschieht dies

wesentlich langsamer. Bei einem äußerst schnellen Reaktionsablauf kann daher die

Weiteroxidation des Benzaldehyds zur Benzoesäure inhibiert sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für die Produktion einfacher Carbonsäuren

wie Benzoesäure das katalytische System NHPI/Co(OAc)2 am besten geeignet ist.

Die Effizienz der NHPI-katalysierte Oxidation zu Dicarbonsäuren wie

Terephthalsäure und Adipinsäure kann durch die Kombination von Kobalt- und

Mangansalzen gesteigert werden.

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Allgemeiner Teil

49

2.2.3 Oxidation von Lignin

Die Wertschöpfung aus nachwachsenden Rohstoffen spielt in der heutigen Zeit eine

immer bedeutsamere Rolle. Wie bereits in Kapitel 2.1.3 (Löslichkeit von

Biopolymeren) erwähnt, eignen sich ionische Flüssigkeiten aufgrund ihres

Vermögens, komplexe organische Materialien zu lösen, für die Anwendung in Bio-

masseprozessen. Im folgenden Kapitel soll speziell auf Methoden zur

Wertschöpfung aus dem Holzbestandteil Lignin und auf dessen Potential als nach-

wachsender Rohstoff eingegangen werden.

2.2.3.1 Bedeutung von Lignin als Rohstoff

Wie Abbildung 5 zeigt könnte Lignin zu einer ganzen Bandbreite an verschiedenen

aromatischen Verbindungen umgesetzt werden. So liefert die Hydrierung von Lignin

Phenole und Propylaromaten, die zu Kraftstoffen weiterverarbeitet werden könnten.

Die Oxidation ergibt ebenfalls Phenole, ungesättigte Propylaromaten und

aromatische Aldehyde. Diese Substanzen können entweder als Aromastoffe, wie z.B.

Eugenol und Vanillin, oder als Grundchemikalien Verwendung finden.

Abbildung 5: Konversion von Lignin zu Wertstoffen

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2.2.3.2 Aufbau und Struktur von Lignin

Die Geschichte der Strukturaufklärung des Lignins reicht bis ins Jahr 1838 zurück als

ANSELME PAYEN als Erster die Zusammensetzung des Holzes aus verschiedenen

Bestandteilen bemerkte. Ein erster Durchbruch in der Aufklärung der Ligninstruktur

gelang KLASON 1897, der vermutete, dass Lignin aus Coniferylalkoholen und -

aldehyden aufgebaut ist und diese durch Kondensationen zwischen den

alkoholischen und phenolischen Hydroxylgruppen miteinander verbunden sind.[167]

Heute weiß man, dass Lignin ein phenolisches Makromolekül ist, dessen monomere

Einheiten über Etherbrücken miteinander verknüpft sind. Die Grundbausteine des

Lignins sind die drei in Abbildung 6 dargestellten p-Hydroxyzimtalkohole:

Sinapylalkohol, Coniferylalkohol und p-Cumarylalkohol.[168]

Abbildung 6: Grundbausteine der Ligninstruktur

Die Zusammensetzung des Lignins aus den monomeren Einheiten ist je nach Holzart

unterschiedlich. So besteht das Lignin von Laubhölzern, wie z.B. das der Buche,

überwiegend aus Sinapyl- und wenigen Coniferyleinheiten (Abbildung 7).[169]

Nadelholzlignin, wie z.B. Fichtenlignin hingegen, enthält hauptsächlich Coniferyl-

bausteine und nur wenige Sinapyl- und Cumaryleinheiten.[170]

Sinapylalkohol Coniferylalkohol p-Cumarylalkohol

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Allgemeiner Teil

51

Abbildung 7: Ausschnitt der Struktur eines Buchenlignins nach Nimz (übernommen aus [169])

Die verschiedenen Grundbausteine des Lignins können über unterschiedliche

Bindungen miteinander verknüpft sein. Zur Benennung der Bindungen kann die

Struktur des para-Hydroxyzimtalkohols an den verschiedenen möglichen

Verknüpfungstellen nummeriert (Benzylring) oder benannt (Propylkette) werden

(siehe Abbildung 8). Die vorherrschenden Bindungsarten, über welche die

monomeren Einheiten miteinander verknüpft sind, stellen die ß-O-4-, die α-O-4- und

die ß-1-Bindung dar. Bei den beiden Aryletherbindungen (ß-O-4 und α-O-4) ist

jeweils der Propylrest eines para-Hydroxyzimtalkohols über eine Etherbindung an

den Phenoxyrest eines anderen para-Hydroxyzimtalkohols gebunden. Bei der

ß-1-Bindung ist das ß-C-Atom des Propylrestes direkt über eine C-C-Bindung an

einen Aromaten gebunden. Sowohl beim Buchenlignin als auch beim Fichtenlignin

überwiegt die ß-O-4-Bindung die anderen beiden Bindungstypen. Das Fichtenlignin

weist jedoch im Gegensatz zum Buchenlignin vermehrt α-O-4-Bindungen auf. Dies

ist durch den geringen Anteil an Sinapyleinheiten, die zur Bildung von

ß-O-4-Bindung neigen, zu erklären.[168]

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Allgemeiner Teil

52

Abbildung 8: Einteilung des para-Hydroxyzimtalkoholgerüstes für mögliche Bindungsarten

Die Struktur des natürlichen Lignins, wie es im Holz gebunden vorliegt, ist bis heute

mangels geeigneter Analytikmethoden nicht eindeutig aufgeklärt. Alle bisherigen

Strukturvorschläge beziehen sich auf durch Holzaufschlüsse gewonnene

Ligninbruchteile (1000-2000 g/mol) und beinhalten keine Bindungen zur Cellulose

und Hemicellulose.[6]

2.2.3.3 Methoden zur oxidativen Depolymerisation

Die ersten Ansätze zur Spaltung des Biopolymers Lignin zielten auf die

Strukturaufklärung dieses komplexen Makromoleküls ab.

Bereits 1936 versuchten Freudenberg et al. Lignin durch Kochen in wässriger

Kaliumhydroxidlösung bei 170°C zu spalten, anschließend zu methylieren und

danach mit Kaliumpermanganat zu oxidieren. Die Autoren erhielten dabei

verschiedene aromatische Säuren.[171] In späteren Arbeiten konnten Freudenberg et

al. (1940) durch Oxidation mit Nitrobenzol in heißer alkalischer Lösung Vanillin[172]

und Creighton et al. (1944) eine Mischung aus Vanillin und Syringaldehyd

herstellen.[173] Außerdem gelang es Creighton und Hibbert mit dieser

Oxidationsmethode aus Lignin, das aus Gräsern gewonnen wurde, para-

Hydroxybenzaldehyd herzustellen.[173] Die ersten Propylcyclohexanderivate konnten

1938 von Harris und Adkins durch die katalytische Hydrierung eines Methanol-

Lignins gewonnen werden.[167] Diese Depolymerisationsmethoden wurden im Laufe

der Jahre weiterentwickelt und eine Vielzahl neuer Möglichkeiten, die im Folgenden

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Allgemeiner Teil

53

vorgestellt werden, kam hinzu. Die Entwicklung unterschiedlicher

Depolymerisationsmethoden zielte dabei vor allem auf die Spaltung möglichst vieler,

verschiedener Bindungsarten des Ligninmoleküls ab.

Oxidation mit Kaliumpermanganat

Mit Hilfe der Kaliumpermanganatoxidation lassen sich auch quantitative Aussagen

über die Zusammensetzung des Lignins machen. Ausführliche Studien hierzu führten

Erickson et al. im Jahr 1973 durch. In ihren Arbeiten methylierten sie zuerst die

phenolischen Hydroxylgruppen des Lignins mit Dimethylsulfat und Kaliumhydroxid.

Anschließend wurde das methylierte Lignin oxidativ mit einer Mischung aus KMnO4

und NaIO4 zu aromatischen Säuren gespalten.[10] Der Zusatz von NaIO4 diente zur

Oxidation des reduzierten [MnO4]- und damit zur Vermeidung der Bildung zu großer

Mengen MnO2. Um den Abbau der gebildeten Säuren zu verhindern, wurde

tert.-Butanol zugesetzt.[174] Vervollständigt wurde die Oxidation durch eine

Behandlung mit H2O2.[10] Anschließend wurden die erhaltenen Säuren mit

Diazomethan methyliert und die Zusammensetzung des Estergemisches quantitativ

auf gaschromato-graphischem Wege bestimmt. Anhand der Ausbeuten der

jeweiligen Ester konnte eine Aussage über die Struktur des Lignins gemacht

werden.[174]

Oxidation mit Nitrobenzol

Mit Nitrobenzol als Oxidationsmittel gelang es Freudenberg et al.[172] die Ausbeute an

Vanillin als Depolymerisationsprodukt auf 25 % (bezogen auf das eingesetzte

Lignin) zu steigern. In früheren Arbeiten konnte auch mit anderen Oxidationsmitteln

nur maximal 4 % Vanillin erhalten werden.[11] Die Nitrobenzoloxidation wurde in

einem Rührautoklaven in Gegenwart von Alkali bei 160°C mit einer Reaktionszeit von

einigen Stunden durchgeführt.[172] Der Mechanismus der Reaktion wurde 1986 von

Schultz et al. in Form eines Einelektronentransfers von der Lignineinheit auf das

Nitrobenzol vorgeschlagen.[175]

Oxidation mit Wasserstoffperoxid

Das Bleichen von Zellstoffen mit Wasserstoffperoxid oder Peroxysäuren stellt eine

umweltfreundliche und preiswerte Alternative zu früheren Verfahren dar, in denen

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Allgemeiner Teil

54

Chlor als Bleichmittel verwendet wurde. Ein Nachteil dabei ist, dass H2O2 unter

alkalischen Bedingungen zwar als hervorragendes Bleichmittel fungiert, aber in zu

geringem Maße delignifizierend wirkt.[12] Beim Übergang zu drastischeren

Reaktionsbedingungen muss beachtet werden, dass H2O2 leicht durch Licht, Hitze

und Übergangsmetalle zersetzt wird.[176] Im sauren Milieu ist die H2O2-Aktivierung

von der Bildung von Peroxysäuren, die durch die Addition des H2O2 an eine Säure

gebildet wird, begleitet. Die Peroxysäure kann elektrophil an das Lignin angreifen,

wodurch es oxidiert und damit zersetzt wird. In einer Arbeit von Kishimoto et al.

wurde die Reaktion verschiedener Ligninmodellsubstanzen mit Wasserstoffperoxid

bei niedrigen pH-Werten untersucht.[12] Die Modellsubstanzen waren phenolische und

nicht-phenolische Monomere, α-Carbonylaromaten und α-Hydroxylaromaten mit

unterschiedlichen Substitutionsmustern. Die Modellsubstanzen wurden in

angesäuertem destillierten Wasser oder einem Dioxan/Wasser-Gemisch gelöst und

jeweils mit H2O2, Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA) und Schwefelsäure

versetzt. Die Reaktionsgemische wurden auf 70 °C temperiert und während der

Reaktion wurden regelmäßig Proben genommen, um den Gehalt an H2O2 und

Modellsubstanz zu bestimmen. Die phenolischen und nicht-phenolischen Monomere

und die α-Carbonylaromaten stellten sich als unreaktiv bis wenig reaktiv (25 %

Umsatz nach 6 h) heraus. Ausschließlich die α-Hydroxylaromaten zeigten eine hohe

Reaktivität (80 % Umsatz nach 1 h) während der sauren Wasserstoffperoxid-

oxidation. Neben monomeren Produkten entstanden hauptsächlich dimere Produkte.

Durch die saure Wasserstoffperoxidoxidation lässt sich Lignin weitaus besser

zersetzen als mit herkömmlichen alkalischen Verfahren. Die Nachteile sind jedoch,

dass der Zersetzungsgrad stark von der vorliegenden Struktur des Lignins abhängt

und im Sauren die Kondensation als Konkurrenz zur Zersetzung auftritt.

Oxidation mit molekularem Sauerstoff

Eine weitere umweltschonende und effektive Methode um Lignin in seine

monomeren Bestandteile zu zerlegen, ist die Oxidation mit molekularem Sauerstoff.

Der Nachteil dieser Methode ist die geringe Selektivität, die jedoch durch Zugabe

eines Übergangsmetallkatalysators erhöht werden kann. Doch selbst bei

Verwendung eines Katalysators ist der Anteil der nicht-selektiven, nicht-katalytischen,

radikalischen Autooxidation durch den Sauerstoff sehr hoch.[177] Das Hauptproblem

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liegt hierbei also darin, einen optimalen Katalysator zu finden, der eine hohe

Ausbeute an gewünschten Produkten liefert. Ein solches Katalysatorsystem,

bestehend aus Cu(II)- und Fe(III)-salzen, wurde von Wu et al. in einer

Veröffentlichung aus dem Jahr 1994 beschrieben.[13] Ziel von Wu et al. war es, eine

hohe Ausbeute an Aldehyden (Vanillin, Syringaldehyd und p-Hydroxybenzaldehyd)

durch die Oxidation von Lignin mit reinem Sauerstoff in wässriger

Natriumhydroxidlösung mit Hilfe eines Cu2+- oder Fe3+-Katalysators zu erreichen. Es

stellte sich heraus, dass eine Mischung aus 5 Gew% CuSO4 und 0.5 Gew% FeCl3

(% bezogen auf eingesetztes Lignin) bei einer Reaktionszeit von 10 min, 170°C und

einem Sauerstoffpartialdruck von 14 bar die höchsten Ausbeuten an Aldehyden

hervorbrachte. Die Aldehyde wurden, nach wässriger Fällung des nicht umgesetzten

Lignins mit Diethylether, aus dem wässrigen Reaktionsgemisch extrahiert. Bei einem

Ligninumsatz von 73 % betrug die Gesamtausbeute an Aldehyden 14.6 % (bezogen

auf eingesetztes Lignin). Durch Einzelversuche mit FeCl3 und CuSO4 wurde deutlich,

dass Cu2+ und Fe3+ die Oxidation unterschiedlich beeinflussen und nur eine

Mischung aus beiden die höchsten Umsätze liefert. Die Oxidation des Lignins durch

Sauerstoff kann entweder durch einen radikalischen oder einen ionischen

Mechanismus beschrieben werden. Bei Abwesenheit eines Katalysators ist der

ionische Reaktionsweg dominant. Die alkalische Oxidation von Lignin mit

molekularem Sauerstoff kann folgendermaßen beschrieben werden (Schema 14):

Ausgehend von der phenolischen Struktur des Lignins bildet sich durch

Deprotonierung im alkalischen Milieu ein Phenolatanion (1), welches in Resonanz mit

verschiedenen Carbanionstrukturen (2-5) steht. Diese Carbanionen können entweder

durch einen direkten elektrophilen Angriff des Sauerstoffs ionisch (A) oder durch zwei

aufeinanderfolgende Einelektronentransfers radikalisch (B) weiterreagieren. In

beiden Fällen kommt es zur Bildung einer Cyclohexadienon- (8) oder einer Keto-

hydroperoxidstruktur (9). Diese Hydroperoxide reagieren in einer basisch induzierten

Umlagerung und einer oxidativen Zersetzung zu einer Reihe niedrigmolekularer

Verbindungen.[14]

In Anwesenheit von Cu2+ wird der radikalische Reaktionsweg bevorzugt. Cu2+ ist ein

bekannter Elektronenakzeptor in Radikalreaktionen und kann diese

beschleunigen.[178] Der molekulare Sauerstoff oxidiert nicht nur das Lignin und seine

Derivate sondern reoxidiert auch die gebildeten Cu+-Ionen, so dass die

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Konzentration an Cu2+-Ionen in der Reaktionslösung gesteigert wird. Dadurch wird

der Grad an radikalischer Reaktion erhöht. Da beide Reaktionswege, ionisch und

radikalisch, gleichzeitig ablaufen, wird so auch der Grad an Gesamtoxidation

gesteigert.[14]

Schema 14: Angenommener Reaktionsmechanismus der Oxidation von Lignin mit molekularem Sauerstoff.[14]

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Fe3+ dient nicht als Elektronentransferreagenz und kann somit nicht den

radikalischen sondern nur den ionischen Reaktionsweg beeinflussen. Es wird

angenommen, dass Fe3+ mit phenolischen Verbindungen Komplexe bildet, die als

Sauerstoffträger dienen.[179] Der Sauerstoff wird schwach an das Eisen dieses

Komplexes gebunden und bildet so einen neuen Eisen-Oxo-Komplex, der zusätzlich

zum gelösten molekularen Sauerstoff das Phenolatanion (1) des Lignins angreift.[14]

Die Beschreibung von Kupfer und Eisen als wirksame Katalysatoren für die

Ligninoxidation in wässrigen Medien stimmt mit den Ergebnissen anderer

Publikationen[180] überein, in denen die Wirksamkeit für Übergangsmetallionen in der

Reihenfolge Cu>Fe>Mn beschrieben wird.

Für die katalytische Oxidation von Lignin zu Aldehyden wurde bereits ein

kontinuierlicher Prozess entworfen.[181] Dieser wird in einem kontinuierlichen

Dreiphasen-Wirbelschichtreaktor mit einem Palladiumkatalysator bei 373-413 K und

einem Sauerstoffpartialdruck von 2-10 bar durchgeführt. Die Ausbeute an Aldehyden

konnte durch den Übergang vom Batch- zum kontinuierlichen Prozess um das

15-fache innerhalb von 2h gesteigert werden. In den Batch-Versuchen wurden, bei

393 K und einem Sauerstoffpartialdruck von 5.0 bar, aus 0.5 l einer alkalischen,

wässrigen Ligninlösung (60 g/l) nach 2h 0,56 g Vanillin und 0,5 g Syringaldehyd

erhalten. Im kontinuierlichen Prozess wurde bei gleicher Temperatur und Druck und

bei einer Flussrate von 5.00 l/h aus einer Ligninlösung (30 g/l) nach 2h 6.5 g Vanillin

und 11.4 g Syringaldehyd erhalten.[181] Dies entspricht einer Ausbeute an Aldehyden

von 5,9 Gew% (bezogen auf eingesetztes Lignin) innerhalb von 2 h. Die Oxidation

mit reinem Sauerstoff stellt durchaus eine effektive und bei Verwendung eines

geeigneten Katalysators auch eine selektive Methode dar, um Lignin zu

depolymerisieren.

Oxidation in ionischen Flüssigkeiten

In verschiedenen Studien[182-184] wurde beobachtet, dass das Vermögen ionischer

Flüssigkeiten Lignin zu lösen größer ist als das herkömmlicher organischer

Lösungsmittel. Tatsächlich konnte von Lee et al.[184] gezeigt werden, dass bis zu

500 g Lignin pro kg ionischer Flüssigkeit nach 24 h bei 90°C in den ionischen

Flüssigkeiten 1,3-Dimethylimidazolium-methylsulfat [MMIM][MeSO4] und

1-Butyl-3-methylimidazolium-trifluormethansulfonat [BMIM][CF3SO3] gelöst werden

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Allgemeiner Teil

58

kann. Wie bereits erwähnt ist die Sauerstofflöslichkeit in ionischen Flüssigkeiten eher

gering. Dies hat hier den Vorteil, dass das Risiko der nicht-selektiven Überoxidation

unter Kontrolle gehalten werden kann. Die meisten literaturbekannten

Untersuchungen[183, 185-187] zur oxidativen Depolymerisation von Lignin in ionischen

Flüssigkeiten beschäftigen sich mit der Spaltung von Lignin-Modellsubstanzen. Die

erfolgreichen Methoden zur Spaltung der Modellsubstanzen versagen jedoch meist

beim Wechsel zu echtem Lignin als Substrat.

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Allgemeiner Teil

59

2.3 Zielsetzung dieser Arbeit

Diese Arbeit hat zum Ziel, die allgemeine Eignung ionischer Flüssigkeiten mit

fluorierten Anionen für die Anwendung in katalytischen Oxidationsreaktionen zu

belegen. Anhand verschiedener industrierelevanter Oxidationsreaktionen sollen

insbesondere die Vorteile von neuartigen ionischen Flüssigkeiten mit hochfluorierten

Perfluoralkyltrifluorophosphat-Anionen gegenüber herkömmlichen Reaktionsmedien

bewiesen werden. Dabei kann die Arbeit in vier Teile untergliedert werden.

Im ersten Teil soll das Sauerstofflöslichkeitsvermögen der neuartigen ionischen

Flüssigkeiten mit hochfluorierten Anionen [FAP]- bewiesen und mit anderen

ionischen Flüssigkeiten, deren Anionen einen geringeren Fluorierungsgrad

aufweisen, verglichen werden. Da die Sauerstoffstabilität von ionischen Flüssigkeiten

von Predel et al.[3-4, 188] bereits ausführlich untersucht wurde, wird in dieser Arbeit auf

eine Sauerstoffstabilitätsuntersuchung der verwendeten ionischen Flüssigkeiten

verzichtet. Für eine geringe Sauerstoffstabilität ist meist nicht das Anion der

ionischen Flüssigkeit sondern das Kation verantwortlich. Predel[4] konnte zeigen,

dass Butylsubstituierte und kürzerkettig substituierte ionische Flüssigkeiten mit

fluorierten Anionen eine hohe Stabilität gegenüber Sauerstoff aufweisen.

Der Vergleich von [PF6]--basierten ionischen Flüssigkeiten mit den neuartigen [FAP]--

basierten ionischen Flüssigkeiten erfolgt im zweiten Teil der Arbeit. Die in der

Literatur bereits gut untersuchte selektive Oxidation von Benzylalkohol zu

Benzaldehyd soll hierfür als Modellreaktion dienen. Neben der Substitution des

Reaktionsmediums wird hierbei auch das katalytisch wirkende Metallsalz durch eine

ionische Flüssigkeit mit Metallkation ersetzt und die Aktivitäten verglichen.

Die katalytische Oxidation von Alkylaromaten (am Beispiel Toluol und p-Xylol) und

zyklischen Kohlenwasserstoffen (am Beispiel Cyclohexan) in den vier verschiedenen

ionischen Flüssigkeiten [BMPL][FAP], [BMPL][NTf2], [BMPL][OTf] und [EMIM][OTf]

mit unterschiedlichem Fluorierungsgrad des Anions wird im dritten Teil eingehend

untersucht. Die beiden [OTf]--basierten ionischen Flüssigkeiten wurden gewählt, um

einen Vergleich der Reaktivität in niedriger fluorierten ionischen Flüssigkeiten zu

erhalten. Darüber hinaus hat sich [EMIM][OTf] bereits in der Oxidation von Lignin als

geeignetes Reaktionsmedium erwiesen. Der Fokus liegt hierbei auf der Optimierung

des katalytischen Systems und dem Vergleich der Reaktivität desselben in den

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Allgemeiner Teil

60

unterschiedlichen Reaktionsmedien.

Im letzten Teil soll eine Optimierung der Oxidation des organischen Biopolymers

Lignin erfolgen. In einer vorhergehenden Arbeit[16] hatte sich bereits gezeigt, dass

Lignin eine hohe Löslichkeit in der ionischen Flüssigkeit 1-Ethyl-3-methylimidazolium-

trifluormethansulfonat [EMIM][OTf] besitzt und darin mit Hilfe des

Übergangsmetallkatalysator Mn(NO3)2 und molekularem Sauerstoff aus

synthetischer Luft in hohen Ausbeuten oxidativ gespalten werden kann. Hier sollen

nun weiterführende Untersuchungen zum Einfluss der ionischen Flüssigkeit auf den

Ablauf und die Produktselektivität der Reaktion stattfinden.

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Experimenteller Teil

61

3. Experimenteller Teil

In diesem Kapitel werden Informationen über die verwendeten ionischen

Flüssigkeiten, Katalysatoren, Rohstoffe und Gase gegeben. Darüber hinaus werden

die Versuchsaufbauten, die Versuchsdurchführungen und die angewandten

analytischen Methoden genauer erläutert.

3.1 Verwendete Chemikalien

Die verwendeten ionischen Flüssigkeiten 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium-

tris(pentafluorethyl)-trifluorphosphat ([BMPL][FAP]), 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium-

bis(trifluormethylsulfonyl)imid ([BMPL][NTf2]), 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium-trifluor-

methansulfonat ([BMPL][OTf]) und 1-Ethyl-3-methylimidazolium-trifluormethan-

sulfonat wurden von Merck bezogen.

Eine Übersicht über die Strukturen der untersuchten ionischen Flüssigkeiten ist in

Abbildung 9 dargestellt.

Abbildung 9: Strukturen der eingesetzten ionischen Flüssigkeiten

Kommerziell erhältliche Übergangsmetallsalze, Alkohole, Alkylaromaten und Co-

Katalysatoren wurden von Alfa-Aeser, Sigma-Aldrich und Merck bezogen und ohne

weitere Aufreinigung eingesetzt. Der Katalysator Cu[FAP]2 x 5 CH3CN ist nicht

kommerziell erhältlich und wurde von der Firma Merck in Zusammenarbeit mit der

Bergischen Universität Wuppertal (Dr. Welz-Biermann) synthetisiert.

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Experimenteller Teil

62

Die verwendeten Gase, welche als Reaktionsgase oder Inertgase dienten, wurden

von der Linde AG bezogen. Die Reinheiten der Gase waren wie folgt: Sauerstoff

GA201, synthetische Luft (technisch), Helium 4.6.

Das verwendete Organosolv-Buchenlignin wurde vom Fraunhofer Institut für

Chemische Technologie ICT in Pfinztal zur Verfügung gestellt.

3.2 Sauerstofflöslichkeitsmessungen von ionischen Flüssigkeiten mit

fluorierten Anionen

In den folgenden Unterkapiteln wird der Aufbau der Anlagen zur Durchführung der

Sauerstofflöslichkeitsmessungen und der Sauerstoffstabilitätsmessung dargestellt.

3.2.1 Gaslöslichkeitsanlage

3.2.1.1 Versuchsaufbau

Die Löslichkeit von Sauerstoff in den ionischen Flüssigkeiten [BMPL][FAP] und

[BMPL][NTf2] wurde in einer sogenannten Druckmesszelle (Abbildung 10) bestimmt.

VFl

VGas

Pi

Ti

VGas

Pi

Ti

O2

T 8

6

7

5

3

1

2

4

1 Druckzelle, 2 Heizmantel, 3 Magnetrührer, 4 Vakuumpumpe, 5

Kugelventil, 6 Gasreservoir, 7 Heizbad, 8 Gasflasche

Abbildung 10: Fließbild der verwendeten Druckmesszelle zur Bestimmung von Gaslöslichkeiten in Flüssigkeiten

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Experimenteller Teil

63

Die Anlage besteht aus zwei Edelstahlautoklaven, dem Gasreservoir (6) und der

Druckzelle (1), die über ein Kugelventil (5) miteinander verbunden sind. Beide

Autoklaven sind beheizbar (2,7), um eine konstante Temperatur zu gewährleisten.

Das Gasreservoir ist mit der Gaszufuhr (8) (hier Sauerstoffflasche) verbunden. Es

dient der Bestimmung des in der Apparatur vorhandenen Gasvolumens und der

Stoffmenge. Sowohl das Gasreservoir als auch die Druckzelle sind mit einem

elektronischen Druckaufnahmegerät (pi) und einem Thermoregler (Ti) ausgestattet,

welche an den Messrechner angeschlossen sind. Der Inhalt der Druckzelle kann

mittels Magnetrührer (3) und Magnetrührfisch gerührt werden.

3.2.1.2 Versuchsdurchführung

Die ionischen Flüssigkeiten wurde vor den Messungen 6 h lang im Hochvakuum

getrocknet. Es wurden jeweils 30,0 ml der ionischen Flüssigkeit in die Messzelle

eingefüllt, die Messzelle verschlossen und die gesamte Apparatur 2 h lang evakuiert.

Um eine konstante und definierte Temperatur zu gewährleisten, wurden die

Messzelle und der Vorlagebehälter während der gesamten Messung auf 30 °C

geheizt.

Nach Evakuieren der Apparatur wurde der gewünschte Sauerstoffdruck in den

Vorlagebehälter (Gasreservoir) gegeben, wobei das Ventil zur Messzelle vorerst

geschlossen blieb. Nach Einstellung (ca. 5 min) eines konstanten Druckes und einer

konstanten Temperatur im Vorlagebehälter, wurde das Kugelventil zur Messzelle

geöffnet. In Messzelle und Vorlagebehälter stellte sich ein Gleichgewichtsdruck ein.

Der resultierende Druck in der Messzelle konnte im Voraus nur abgeschätzt werden.

Eine exakte Einstellung eines gewünschten Druckes war damit schwierig. Nach

Erreichen einer konstanten Temperatur in der Messzelle wurde der Rührer

eingeschaltet (300 U/min) und die Messung somit gestartet. Die Druckabnahme in

der Messzelle wurde aufgezeichnet und die Messung beendet, sobald sich ein

konstanter Gleichgewichtsdruck eingestellt hat.

3.2.1.3 Berechnung der Sauerstofflöslichkeit

Die Löslichkeit des Sauerstoffs in der ionischen Flüssigkeit wurde in der

Druckmesszelle über die Druckabnahme in der Messzelle bestimmt. Die Volumina

der Messzelle, des Vorlagebehälters und der ionischen Flüssigkeit sind bekannt und

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Experimenteller Teil

64

somit kann das Volumen an Sauerstoff in der Messzelle berechnet werden (Formel

2).

𝐕𝐎𝟐 = (𝐕 𝐌𝐞𝐬𝐬𝐳𝐞𝐥𝐥𝐞 + 𝐕 𝐕𝐨𝐫𝐥𝐚𝐠𝐞) − 𝐕𝐈𝐋 (Formel 2)

Aus der gemessenen Druckabnahme wurde über das ideale Gasgesetz die

Stoffmenge an gelöstem Gas n1 berechnet (Formel 3 und 4).

𝐧𝐢, 𝐠𝐚𝐬 =𝐩 𝐀,𝐕𝐨𝐫𝐥𝐚𝐠𝐞 × 𝐕 𝐌𝐞𝐬𝐬𝐳𝐞𝐥𝐥𝐞

𝐑×𝐓𝐀,𝐕𝐨𝐫𝐥𝐚𝐠𝐞 (Formel 3)

𝐧𝟏(𝐎𝟐 𝐢𝐧 𝐈𝐋) = 𝐧𝐢, 𝐠𝐚𝐬 − (𝐩𝐞𝐪 ×𝐕𝐎𝟐

𝐑 ×𝐓𝐞𝐪) (Formel 4)

Eine typische Größe zur Beschreibung der Gaslöslichkeit in Flüssigkeiten, ist die

Henry-Konstante Hk (Formel 5).

𝐇𝐤 =𝐩𝐢𝐱𝐢

(Formel 5)

Hierbei entspricht pi dem Partialdruck des Gases i in der Gasphase und xi dem

Molenbruch des Gases i in der Flüssigkeit. Das Gesetz von Henry (pi = Hk * xi) gilt für

kleine Partialdrücke (Gasphase kann als ideal angesehen werden) und nicht zu hohe

Löslichkeiten des Gases in der Flüssigkeit (xi < 0,01). Je kleiner die Henry-Konstante

ist, desto besser ist die Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit. Die Henry-Konstante

wird üblicherweise in der Einheit bar angegeben.

Eine weitere Größe zur Angabe der Gaslöslichkeit ist der Ostwald-Koeffizient L

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Experimenteller Teil

65

(Formel 6).

𝐋 =𝐕𝐠𝐕𝐅𝐥

(Formel 6)

Hierbei entspricht Vg dem Volumen des gelösten Gases in Normlitern in der

Flüssigkeit und VFl dem Volumen der reinen Flüssigkeit.

3.3 Batch-Versuche

Die Oxidation von Benzylalkohol und Lignin wurden in einem 250 mL Autoklav im

Batch-Verfahren, das bedeutet ohne Nachlieferung des verbrauchten Reaktions-

gases durchgeführt.

3.3.1 Versuchsaufbau

Die Batch-Versuche wurden in einem 250 mL Autoklaven aus Hastelloy C Stahl

(Abbildung 11) durchgeführt. Der Reaktortopf (1) wurde mit einem Teflonliner und

einer Teflondichtung versehen und mit sechs Schrauben am Reaktorkopf befestigt.

Zum Aufheizen des Systems und während der Reaktion ist der Topf von einem

Heizmantel (3) umgeben. Im Topf befinden sich ein Gaseintragsrührer, der mit dem

Motor (2) verbunden ist, und ein Temperaturfühler (TIC 1), der mit einem

Temperaturregler verbunden ist. Die Gaseinlassventile (V-1 und V-2) sind mit den

beiden Gasflaschen (4 und 5) verbunden und ermöglichen das Befüllen des Reaktors

mit dem gewünschten Reaktionsgas. Der Fülldruck kann über das Manometer am

Reaktor (PI) kontrolliert werden. Bei Entstehung eines Überdruckes (>95 bar) im

Reaktor öffnet das Überdruckventil (V-5) und lässt den Druck ab. Zum manuellen

langsamen Ablassen des Druckes nach der Reaktion dient das Absperrventil (V-4).

Über das Kugelventil (V-3) kann der Reaktor bei Bedarf an eine Vakuumpumpe

angeschlossen werden.

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Experimenteller Teil

66

PI

TIC 2

V-5

offgas

Offgas

Synthetic air O2

V-1TIC 1

V-4

V-2

offgas

V-3

1 4 5

2

3

1 Reaktortopf mit Gaseintragsrührer, 2 Rührermotor, 3 Heizmantel, 4 Gasflasche synthetische Luft, 5

Gasflasche Sauerstoff, PI Manometer, TIC 1 Temperaturfühler innen, TIC 2 Temperaturfühler außen,

V-1 Ventil Sauerstoffleitung, V-2 Ventil Synthetische Luft Leitung, V-3 Kugelventil Gasauslass, V-4

Absperrventil Gasauslass, V-5 Überdruckventil (95 bar)

Abbildung 11: Fließbild des verwendeten Batch-Autoklaven

3.3.2 Versuchsdurchführung

Das Reaktionsgemisch wurde in allen Versuchen in einen Teflonliner (Oxidation von

Lignin) oder direkt in den Reaktortopf eingebracht und der Reaktor anschließend

verschlossen. Mit Hilfe des Heizmantels wurde das System auf die gewünschte

Temperatur geheizt, der Druck in der Anlage auf den gewünschten Reaktionsdruck

eingestellt und der Gaseinlass geschlossen. Der Gaseintragsrührer wurde auf die

gewünschte Drehzahl eingestellt. Die Reaktionen wurden durch Einschalten des

Rührers gestartet.

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Experimenteller Teil

67

3.3.2.1 Oxidation von Benzylalkohol

Oxidation mit Cu(ClO4)2, Acetamido-TEMPO und 4-Dimethylaminopyridin

Eine Mischung aus Benzylalkohol (8,65 g, 0,08 mol), 4-Dimethylaminopyridin (0,98 g,

0,008 mol) und Cu(ClO4)2 (1,05 g, 0,004 mol) wurden 10 Minuten lang bei 40 °C mit

einem Magnetrührer gerührt. Danach wurde die ionische Flüssigkeit (39,9 g)

zugegeben und weiter gerührt. Sobald sich alle Reaktanden gelöst hatten, wurde

Acetamido-TEMPO (0,85 g, 0,004 mol) zu der Lösung gegeben und weiter 5 Minuten

gerührt. Durch die Zugabe von Acetamido-TEMPO schlägt die Farbe des

Reaktionsgemisches von dunkelgrün nach gelb um. Anschließend wurde das

Reaktionsgemisch in den Reaktor überführt. Der Autoklav wurde mit Sauerstoff oder

synthetischer Luft befüllt und der Rührer auf 400 U/min eingestellt. Der Druckabfall

im Reaktor und der Temperaturanstieg wurden gemessen. Nach der Reaktion wurde

der Druck vom Reaktor abgelassen. Das Produkt und restliches Edukt wurden durch

Extraktion mit n-Pentan (5 x 100 mL) von der IL-Katalysator-Phase abgetrennt. Die n-

Pentan-Phase wurde am Rotationsverdampfer eingeengt. Das Produkt wurde mittels

1H- und 13C-NMR analysiert und quantifiziert. Die verbleibende IL-Katalysator-Phase

wurde ebenfalls mittels 1H-, 13C- and 19F-NMR analysiert.

3.3.2.2 Oxidation von Lignin

Die Versuche zur Oxidation von Lignin wurden ausschließlich in dem, in Abbildung

11 dargestellten, Reaktor durchgeführt.

Versuchsdurchführung

In einem Teflonliner wurde eine 10 %ige Ligninlösung in der zu testenden ionischen

Flüssigkeit angesetzt und mit 20 Gew% (bezogen auf Lignin) Mn(NO3)2 als

Katalysator versehen. Anschließend wurde das Reaktionsgemisch in den Reaktor

überführt. Der Autoklav wurde mit 60 bar synthetischer Luft befüllt und der Rührer auf

400 U/min eingestellt. Nach der Reaktion wurde der Druck vom Reaktor abgelassen.

Aufarbeitung des Reaktionsgemisches

Nach Ablauf der Reaktion wurde das Reaktionsgemisch mit dest. Wasser versetzt,

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Experimenteller Teil

68

um nicht umgesetztes Lignin, welches wasserunlöslich ist, auszufällen. Das gefällte

Lignin wurde abfiltriert, mit dest. Wasser gewaschen, im Ofen getrocknet und

anschließend gewogen. Der Lignin-Umsatz wurde anhand von Formel 7 berechnet:

𝐔𝐦𝐬𝐚𝐭𝐳 [%] =(𝐌𝐞𝐧𝐠𝐞 𝐞𝐢𝐧𝐠𝐞𝐬𝐞𝐭𝐳𝐭𝐞𝐬 𝐋𝐢𝐠𝐧𝐢𝐧−𝐌𝐞𝐧𝐠𝐞 𝐠𝐞𝐟ä𝐥𝐥𝐭𝐞𝐬 𝐋𝐢𝐠𝐧𝐢𝐧)

𝐌𝐞𝐧𝐠𝐞 𝐞𝐢𝐧𝐠𝐞𝐬𝐞𝐭𝐳𝐭𝐞𝐬 𝐋𝐢𝐠𝐧𝐢𝐧

× 𝟏𝟎𝟎 (Formel 7)

Das Filtrat wurde zuerst dreimal mit Toluol extrahiert. Danach wurde das Filtrat mit

konz. H2SO4 angesäuert (pH=1), um die darin gelösten, deprotoniert vorliegenden

Depolymerisationsprodukte zu protonieren. Nach jeweils dreimaliger Extraktion des

Filtrats mit DCM und Ethylacetat wurden die einzelnen Extraktionsphasen am

Rotationsverdampfer eingeengt und anschließend die Menge an Produktgemisch

bestimmt. Die Analyse der erhaltenen Produkte erfolgte mittels GC/MS.

3.4 Versuche im Semi-Batch-Autoklaven

Die Oxidation von Toluol, para-Xylol und Cyclohexan wurde in einem 600 mL Parr-

Autoklav im Semi-Batch-Verfahren, mit Nachlieferung des verbrauchten

Reaktionsgases, durchgeführt. Darüber hinaus wurden in diesem Reaktor weitere

Versuche zur Benzylalkohol-Oxidation im Batch-Verfahren gemacht.

3.4.1 Versuchsaufbau

Da organische Substanzen im Kontakt mit reinem Sauerstoff gerade unter erhöhtem

Druck und Temperatur explosionsgefährlich sind, mussten einige Sicherheits-

maßnahmen bei der Durchführung der Versuche beachtet werden. Die Anlage, deren

Aufbau in Abbildung 12 skizziert ist, befindet sich in einem abgeschlossenen,

explosionsgeschützten Raum in einem Hochdruckbunker. Die Anlage kann

außerhalb des geschlossenen Raumes hochgeheizt werden und verfügt über eine

Not-Aus Funktion. Während der laufenden Reaktion ist der Zutritt in den Raum für

Personen nicht gestattet.

Die Anlage kann in verschiedene Einheiten eingeteilt werden. Die Reaktoreinheit

besteht aus einem 600 mL Autoklaven aus Hastelloy C Stahl, der mit einer

Teflondichtung versehen und von einem Heizmantel umgeben ist. Die Temperatur im

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Experimenteller Teil

69

Reaktor wird über einen Kaskadenregler gesteuert (TIC-1A und TIC-1B). Außerdem

befindet sich am Reaktor ein digitaler Druckaufnehmer (PIC-2) und ein Manometer

(PI-2). Über das Ventil V-10 ist eine Probenahme während der Reaktion aus dem

befüllten, unter Druck stehenden Reaktor möglich. Über das Ventil V-9 wird der

Druck nach der Reaktion abgelassen.

Um das verbrauchte Reaktionsgas während der Reaktion nachzuliefern, ist die

Reaktoreinheit über einen Massedurchflussregler (MFC-1) mit der Gasversorgung

verbunden. Der Massedurchflussregler ist auf eine Durchflussrate von 80 NmL/min

eingestellt. Der Gasverbrauch während der Reaktion kann somit über den PC

aufgezeichnet werden.

Bei Nichtverwendung des MFCs kann das verbrauchte Reaktionsgas über den

Vorlagebehälter nachgeliefert werden. Über den digitalen Druckaufnehmer (PIC-1)

kann der Druckabfall im Vorlagebehälter und somit der Verbrauch an Reaktionsgas

aufgezeichnet werden.

Die Gasversorgung besteht aus drei Gasflaschen (Sauerstoff, synthetische Luft und

Helium), die an den Vorlagebehälter und den Reaktor angeschlossen sind. Durch

Öffnen von V-1 (synthetischer Luft) oder V-2 (Sauerstoff) und anschließendem

langsamen Öffnen von V-3 wird der Vorlagebehälter mit dem Gas bis zum

gewünschtem Druck befüllt. Die Kontrolle des Fülldrucks ist über das Manometer PI-

1 und das Kontrollkästchen außerhalb des Raumes möglich. Über das Ventil V-8

kann der Reaktor bei Bedarf mit Helium gespült werden.

Um die Sicherheit im Krisenfall zum Beispiel beim thermischen Durchgehen einer

Reaktion zu gewährleisten, ist der Reaktor über zwei pneumatische

Sicherheitsventile mit der Gasversorgung verbunden. Im Not-Aus Fall (Alarmwerte

müssen vor Betreiben der Anlage eingestellt werden) wird das Sicherheitsventil SV-

NC automatisch geschlossen und somit die Zufuhr des Reaktionsgases

unterbrochen. Zusätzlich öffnet sich das Sicherheitsventil SV-NO und liefert das

Inertgas Helium in den Reaktor, um das Reaktionsgas zu verdünnen. Die Heizung

wird im Not-Aus Fall automatisch ab- und die Kühlung (WT-1) eingeschaltet.

3.4.2 Versuchsdurchführung

Der 600 mL Reaktortopf wurde in allen Versuchen mit dem jeweiligen

Reaktionsgemisch befüllt, anschließend mit 6 Schrauben am Reaktorkopf befestigt

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Experimenteller Teil

70

und zusätzlich wurde ein Sicherungsring am Topf montiert.

Durch Öffnen von V-1 (synthetischer Luft) oder V-2 (Sauerstoff) und anschließendem

langsamen Öffnen von V-3 wurde der Vorlagebehälter mit gewünschtem Druck

befüllt. Der benötigte MFC-Vordruck wurde über den Druckminderer PR-1 eingestellt

( > 50 bar ). Wurde das MFC nicht verwendet, wurde der gewünschte Betriebsdruck

über PR-1 eingestellt. Bei Verwendung von reinem Sauerstoff als Reaktionsgas

wurde der Reaktor zweimal hintereinander mit Sauerstoff gespült Der gewünschte

Betriebsdruck im Reaktor wurde durch Öffnen von Ventil V-5 eingestellt. Bei

Verwendung des MFCs wurde Ventil V-5 nach Einstellen des Betriebsdruckes wieder

geschlossen. Danach wurden Ventil V-6 und Ventil V-7 vollständig geöffnet. Als

nächstes wurde der Heizmantel von unten über den Reaktor geschoben und das

Thermoelement zwischen Heizmantel und Reaktor angebracht. Die Tür des

explosionsgeschützten Raumes wurde geschlossen und die Betriebsparameter

(Druck und Temperatur) am Steuerungsrechner eingestellt. Durch Einschalten des

Rührers wurde die Reaktion gestartet.

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Experimenteller Teil

71

PIC-2

V-6

TIC-1A

Offgas

Synthetic air O2

TIC-1B

He

SV-NO

PI-2

EV-1

F-1 F-2

F

MFC-1

Offgas V-2V-1

Vorlagebehälter

EV-2

Offgas

RK-4

WT-1

RK-1

SV-NC RK-2

V-5

V-10

Probenahme

V-3

V-4

V-7

V-8

P

PR-3

F-3

RK-3

PI-1 PIC-1

V-9

P

PR-2 P

PR-1

1 Reaktoreinheit, 2 Vorlagebehälter, 3 Gasversorgung, 4 MFC, 5 Sicherheitsventile, 6 Spüleinheit,

F-1 Filter synthetische Luft-Flasche, F-2 Filter O2-Flasche, F-3 Filter He-Flasche, RK-1

Rückschlagklappe syn. Luft / O2-Leitung, RK-2 Rückschlagklappe MFC, RK-3 Rückschlagklappe

Bypass-Leitung, RK-4 Rückschlagklappe He-Leitung, SV-NC Sicherheitsventil normally closed syn.

Luft/O2, SV-NO Sicherheitsventil normally open He, EV-1 Eckventil Reaktor, EV-2 Eckventil

Vorlagebehälter, V-1 Ventil Sauerstoffleitung, V-2 Ventil synthetische Luft Leitung, V-3 Ventil

Gaszuleitung Vorlagebehälter, V-4 Ventil Vorlagebehälter entspannen, V-5 Regulierventil Bypass-

Leitung, V-6 Ventil vor MFC, V-7 Regulierventil Spülgas, V-8 Ventil He-Spülstrom, V-9 Ventil Offgas,

V-10 Probenahmeventil, MFC-1 Massedurchfluss-regler, PI-1 Manometer Vorlagebehälter, PIC-1

Digitale Druckkontrolle Vorlagebehälter, PI-2 Manometer Reaktor, PIC-2 Digitale Druckkontrolle

Reaktor, PR-1 Druckregulierung O2, PR-2 Druckregulierung Vorlagebehälter, PR-3 Druckregulierung

He-Spülstrom, TIC-1A Kaskadenregler, TIC-1B Kaskadenregler, WT-1 Kühlschlange

Abbildung 12: Fließbild Semi-Batch-Autoklav

In Abbildung 13 ist ein Foto des Semi-Batch-Autoklaven mit den wichtigsten

Funktionseinheiten dargestellt.

1

2

4 5

6

3

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Experimenteller Teil

72

Abbildung 13: Foto des Semi-Batch-Autoklaven: 1 Reaktoreinheit, 2 Vorlagebehälter, 4 MFC, 5 Sicherheitsventile, 6 Spüleinheit.

3.4.3 Versuchsansätze

3.4.3.1 Oxidation von Benzylalkohol mit Cu[FAP]2 x 5 CH3CN und Cu(ClO4)2 im

Batch-Verfahren

Oxidation mit Cu(ClO4)2 oder Cu[FAP]2 x 5 CH3CN, Acetamido-TEMPO und 4-

Dimethylaminopyridin

Eine Mischung aus Benzylalkohol (8,65 g, 0,08 mol), 4-Dimethylaminopyridin (0,98 g,

0,008 mol) und Cu(ClO4)2 (1,05 g, 0,004 mol) oder Cu[FAP]2 x 5 CH3CN (4,79 g,

0,004 mol) wurden 10 Minuten lang bei 40 °C mit einem Magnetrührer gerührt.

Danach wurde die ionische Flüssigkeit [BMPL][FAP] (60,0 g, 0,1 mol) zugegeben und

weiter gerührt. Sobald sich alle Reaktanten gelöst hatten, wurde Acetamido-TEMPO

(0,85 g, 0,004 mol) zu der Lösung gegeben und weiter 5 Minuten gerührt. Durch die

Zugabe von Acetamido-TEMPO schlägt die Farbe des Reaktionsgemisches von

1

5

2

4

6

Page 81: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Experimenteller Teil

73

dunkelgrün nach gelb um. Anschließend wurde das Reaktionsgemisch in den

Reaktor überführt. Der Autoklav wurde mit 2,5 bar Sauerstoff befüllt und der Rührer

auf 1000 U/min eingestellt. Der Druckabfall im Reaktor und der Temperaturanstieg

wurden über den Steuerungsrechner aufgezeichnet. Nach der Reaktion wurde der

Druck vom Reaktor abgelassen. Das Produkt und restliches Edukt wurden durch

Extraktion mit n-Pentan (5 x 100 mL) von der IL-Katalysator-Phase abgetrennt. Die n-

Pentan Phase wurde am Rotationsverdampfer eingeengt. Das Produkt wurde mittels

1H- und 13C-NMR analysiert und quantifiziert. Die verbleibende IL-Katalysator-Phase

wurde ebenfalls mittels 1H-, 13C- and 19F-NMR analysiert.

3.4.3.2 Oxidation von Toluol, para-Xylol und Cyclohexan im Semi-Batch-Verfahren

Im Folgenden sind die allgemeinen Ansätze der durchgeführten Versuche

dargestellt. Die exakten Angaben zu den einzelnen Variationen der Experimente

(Temperatur, Druck, Katalysatorkonzentration) sind aus dem Ergebnisteil ersichtlich.

Oxidation von Toluol mit 15 mol% N-Hydroxyphthalimid oder 15 mol% N-

Hydroxysuccinimid und 1,0 mol% Kobalt-(II)-acetat

Es wurden 0,576 g (0,0032 mol) Cobalt(II)acetat und 5,62 g (0,049 mol) N-

Hydroxysuccinimid (NHS) oder 7,69 g (0,049 mol) N-Hydroxyphthalimid (NHPI) in

60,0 g ionischer Flüssigkeit unter Rühren bei 60°C gelöst. Die Lösung wurde in den

Reaktortopf gegeben und mit 30,0 g (0,3 mol) Toluol versetzt. Das Reaktionsgemisch

wurde in einen 600 ml Autoklaven aus Hastelloy C-Stahl eingebracht und der

Autoklav verschlossen. Der Autoklav wurde zweimal mit reinem Sauerstoff gespült.

Anschließend wurde der Autoklav mit 15 bar reinem Sauerstoff befüllt und das

Reaktionsgemisch auf 70°C erhitzt. Das Reaktionsgemisch wurde für 23 h bei 70°C

mit einem Gaseintragsrührer gerührt. Der während der Reaktion verbrauchte

Sauerstoff wurde über einen Massedurchflussregler (MFC) nachgeliefert.

Nach der Reaktion wurde eine Probe des Reaktionsgemisches entnommen und

mittels 1H-, 13C- und 19F-NMR analysiert.

Oxidation von para-Xylol mit 15 mol% N-Hydroxysuccinimid, 1,0 mol% Kobalt-(II)-

acetat und 1,0 mol% Mangan-(II)-acetat

Es wurden 0,500 g (0,0028 mol) Cobalt(II)acetat und 0,490 g (0,0028 mol)

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Experimenteller Teil

74

Mangan(II)acetat zusammen mit 4,88 g (0,042 mol) N-Hydroxysuccinimid (NHS) in

60,0 g ionischer Flüssigkeit unter Rühren bei 60°C gelöst. Die Lösung wurde in den

Reaktortopf gegeben und mit 30,0 g (0,28 mol) para-Xylol versetzt. Das

Reaktionsgemisch wurde in einen 600 ml Autoklaven aus Hastelloy C-Stahl

eingebracht und der Autoklav verschlossen. Der Autoklav wurde zweimal mit reinem

Sauerstoff gespült. Anschließend wurde der Autoklav mit 15 bar reinem Sauerstoff

befüllt und das Reaktionsgemisch auf 80°C erhitzt. Das Reaktionsgemisch wurde für

23 h bei 80°C mit einem Gaseintragsrührer gerührt. Der während der Reaktion

verbrauchte Sauerstoff wurde über einen Massedurchflussregler (MFC)

nachgeliefert.

Nach der Reaktion wurde eine Probe des Reaktionsgemisches entnommen und

mittels 1H-, 13C- und 19F-NMR analysiert.

Oxidation von Cyclohexan mit 15 mol% N-Hydroxysuccinimid, 1,0 mol% Kobalt-(II)-

acetat und 1,0 mol% Mangan-(II)-acetat

Es wurden 0,211 g (0,0012 mol) Cobalt(II)acetat, 0,206 g (0,0012 mol)

Mangan(II)acetat und 2,05 g (0,018 mol) N-Hydroxysuccinimid (NHS) in 60,0 g

ionischer Flüssigkeit unter Rühren bei 60°C gelöst. Die Lösung wurde in den

Reaktortopf gegeben und mit 10,0 g (0,12 mol) Cyclohexan versetzt. Das

Reaktionsgemisch wurde in einen 600 ml Autoklaven aus Hastelloy C-Stahl

eingebracht und der Autoklav verschlossen. Der Autoklav wurde zweimal mit reinem

Sauerstoff gespült. Anschließend wurde der Autoklav mit 15 bar reinem Sauerstoff

befüllt und das Reaktionsgemisch auf 100°C erhitzt. Das Reaktionsgemisch wurde

für 23 h bei 100°C mit einem Gaseintragsrührer gerührt. Der während der Reaktion

verbrauchte Sauerstoff wurde über einen Massedurchflussregler (MFC)

nachgeliefert. Nach der Reaktion wurde eine Probe des Reaktionsgemisches

entnommen und mittels 1H-, 13C- und 19F-NMR analysiert.

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Experimenteller Teil

75

3.5 Analytik

In diesem Unterkapitel sollen die Analysemethoden und verwendeten Messgeräte

näher erläutert werden. Die Versuche zur Oxidation von Benzylalkohol, Toluol, para-

Xylol und Cyclohexan wurden mittels NMR-Spektroskopie analysiert und quantitativ

ausgewertet. Die Produkte der Ligninoxidation wurden mittels GC/MS qualitativ

bestimmt.

3.5.1 NMR-Spektroskopie

Die NMR-Messungen wurden mit einem JEOL EXC 400 MHz Spektrometer (2-Kanal

(HF, LF)-Meßsonde) mit CDCl3 oder dmso-d6 als Lösungsmittel durchgeführt (1H: 400

MHz, 13C: 100 MHz, 19F: 376 MHz). Die Spektren wurden zum Lösungsmittel

referenziert. Ausgewertet wurden die Daten mit der JEOL Delta© NMR Processing

und Control Software, Version 5.0.1.

3.5.2 GC/MS

Die Analyse der Produkte der Ligninoxidation erfolgte mit einem GC/MS-Gerät des

Typs Varian Saturn 2100 T. Das GC ist mit einer Säule der Firma Varian des Typs

Factor Four (VF-5ms, 30 m x 25 m, ID=0,25 mm, DF=0,25 μm) ausgestattet. Das

Temperaturprogramm der verwendeten Methode arbeitete in einem Bereich von

50-250 °C mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 10°C/min und einer isothermen

Phase von 10 min bei 250 °C. Es wurde mit einem Einspritzvolumen von 1μl

gemessen. Als Trägergas wurde Helium verwendet, welches mit einer

Geschwindigkeit von 1 ml/min in das GC geleitet wurde. Das Massenspektrometer

arbeitet mittels Elektronenstoß- Ionisation (EI) und einer Ionenfalle als Detektor.

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Experimenteller Teil

76

Tabelle 8: Daten des verwendeten GC/MS-Gerätes

Gerätetyp Varian Saturn 2100 T

Säule Varian Factor Four, VF-5ms, 30 m x 25 m, ID=0,25 mm, DF=0,25 μm

Temperaturprogramm 50-250 °C, 10 °C/min

Einspritzvolumen 1 μl

Trägergas Helium

Trägergasgeschwindigkeit 1 ml/min

Ionisationsmethode Elektronenstoß-Ionisation (EI)

Detektor Ionenfalle

Die Temperaturen wurden möglichst hoch gewählt, da die erwarteten Produkte mit

Siedepunkten zwischen 120-250 °C schwer flüchtig sind.

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Ergebnisse und Diskussion

77

4. Ergebnisse und Diskussion

4.1 Sauerstofflöslichkeit

In diesem Kapitel soll die Sauerstofflöslichkeit der ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP]

untersucht werden. Da für [FAP]--basierte ionische Flüssigkeiten, wie bereits in

Kapitel 2.1.3 erwähnt, eine höhere Sauerstofflöslichkeit als für [NTf2]--basierte

ionische Flüssigkeiten angenommen wird, sollten darüber hinaus vergleichende

Messungen von [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2] durchgeführt werden.

4.1.1 Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2]

Die zwei ionischen Flüssigkeiten [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2] wurden aufgrund

ihres vermuteten hohen Sauerstofflöslichkeitsvermögens (vgl. Kapitel 2.1.3

Löslichkeitsverhalten) für die Messungen ausgewählt. Die Pyrrolidinium-Kationen der

beiden ionischen Flüssigkeiten besitzen eine geringere chemische Reaktivität als die

gängigen 1,3-Dialkylimidazolium-Kationen.[189] Dies führt möglicherweise auch zu

einer höheren Stabilität der Pyrrolidinium-Kationen gegenüber Oxidationsreaktionen.

Ionische Flüssigkeiten mit [FAP]--Anionen besitzen eine größere Hydrolysestabilität

als solche mit [PF6]--Anionen. Die folgenden Messungen sollen zeigen, dass die

neuartigen ionischen Flüssigkeiten mit [FAP]--Anionen auch eine höhere

Sauerstofflöslichkeit besitzen als herkömmlich verwendete ionische Flüssigkeiten mit

fluorierten Anionen.

Außerdem sollten durch die Messung der Sauerstofflöslichkeit von [BMPL][NTf2] die

in der Literatur[190] angegeben Werte nachvollzogen werden. Die in der Literatur[190]

genannte Henry-Konstante von [BMPL][NTf2] erscheint mit einem Wert von 1830 ±

590 bar bei 25°C viel zu hoch für eine ionische Flüssigkeit, die über eine gute

Sauerstofflöslichkeit verfügen sollte. Darüber hinaus sollte auch die starke Streuung

der Literaturwerte von Hk ± 590 bar überprüft werden.

Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][FAP]

Die Sauerstofflöslichkeitsmessungen in der ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP]

wurden bei vier verschiedenen Anfangsdrücken in der Messzelle von 1.070 bar,

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Ergebnisse und Diskussion

78

1.193 bar und 1.858 bar durchgeführt. Aufgrund der Gültigkeit des Henry-Gesetzes

bei kleinen Partialdrücken und geringen Gaslöslichkeiten, wurden die Messungen

möglichst im Bereich des Atmosphärendruckes aufgenommen.

Abbildung 14 zeigt die vom Messrechner aufgezeichnete Druckabnahme, bei einem

Anfangsdruck von 1,07 bar, in Abhängigkeit der Zeit (weitere Diagramme in Anhang

6.3 dargestellt). Der Gleichgewichtsdruck stellt sich unabhängig vom Anfangsdruck

nach etwa 500 min ein.

0 250 500 750 1000

1,050

1,055

1,060

1,065

1,070

1,075

Dru

ck [

bar]

Zeit [min]

Abbildung 14: Druckabnahmekurve in [BMPL][FAP] bei einem Anfangsdruck von 1,07 bar

Anhand der gemessenen Druckabnahme Δp in der Messzelle wurden die

verschiedenen Größen zur Sauerstofflöslichkeit berechnet (Tabelle 9).

Tabelle 9: Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][FAP]

p mess [bar]

peq [bar]

Δp [bar]

Hk [bar]

Ostwald-Koeffizient [cm3]/[cm3]

mmol O2/L IL g O2/L IL

1,070 1,055 0,015 184 0,3485 15,56 0,497

1,193 1,176 0,017 201 0,3550 15,85 0,507

1,858 1,827 0,031 197 0,5657 25,26 0,808

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Ergebnisse und Diskussion

79

Die Sauerstofflöslichkeit verbessert sich durch eine Erhöhung des Anfangsdruckes

pmess. Bei einer Steigerung des Druckes um 772 mbar von 1,070 bar auf 1,858 bar,

erhöht sich die Menge an gelöstem Sauerstoff pro Liter ionischer Flüssigkeit um

311,0 mg (9,7 mmol) von 497,0 mg (15,56 mmol) auf 808,0 mg (25,26 mmol).

Entsprechend hierzu steigt auch der Wert des Ostwald-Koeffizienten. Die Henry-

Konstante sollte nach dem Henry-Gesetz (pi= Hk * xi) unabhängig vom Druck sein.

Wie erwartet bleibt die Henry-Konstante bei Erhöhung des Druckes mit Werten

zwischen 184 und 201 weitgehend konstant. Die Abweichung vom Mittelwert der

gemessenen Hk-Werte beträgt maximal ±5 %. Die größte Fehlerquelle ergibt sich aus

den Druckschwankungen, die aus den Druckabnahmekurven ersichtlich werden

(Abbildung 14). Diese Schwankungen werden vermutlich durch die geringen, vom

Messrechner aufgezeichneten, Temperaturschwankungen zwischen 0,1 und 0,3°C

verursacht. Die Abweichung vom Gleichgewichtsdruck peq beträgt maximal

± 0,002 bar. Diese Abweichung liegt genau im Bereich der Schwankung von

Δp= 0,015 bar und 0,017 bar der ersten beiden Messwerte.

Der erhaltene Mittelwert aus allen drei Messungen für die Henry-Konstante von 194

bar ist im Vergleich zu Literaturwerten[51, 190] der Sauerstofflöslichkeit von [PF6]-- und

[NTf2]--basierten ionischen Flüssigkeiten mit Hk > 1000 bar (siehe Tabelle 2) deutlich

niedriger.

Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][NTf2]

Die Sauerstofflöslichkeitsmessungen in der ionischen Flüssigkeit [BMPL][NTf2]

wurden bei drei verschiedenen Anfangsdrücken in der Messzelle von 1.065 bar,

1.229 bar und 1.464 bar durchgeführt.

Abbildung 15 zeigt ein Beispiel der vom Messrechner aufgezeichneten Druck-

abnahmen in Abhängigkeit der Zeit bei einem Anfangsdruck von 1,065 bar (weitere

Diagramme in Anhang 6.3 dargestellt). Der Gleichgewichtsdruck stellt sich

unabhängig vom Anfangsdruck nach etwa 30 min ein. Auch hier sind

Druckschwankungen (zwischen + 0,002 bar und – 0,001 bar) nach Einstellung des

Gleichgewichts zu beobachten.

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Ergebnisse und Diskussion

80

0 50 100 150 200 250 300

1,045

1,050

1,055

1,060

1,065

1,070

Dru

ck

[b

ar]

Zeit [min]

Abbildung 15: Druckabnahmekurve in [BMPL] [NTf2] bei einem Anfangsdruck von 1,065 bar

Anhand der gemessenen Druckabnahme Δp wurden die verschiedenen Größen zur

Sauerstofflöslichkeit berechnet (Tabelle 10).

Tabelle 10: Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][NTf2]

p mess [bar]

peq [bar]

Δp [bar]

Hk [bar]

Ostwald-Koeffizient [cm3]/[cm3]

mmol O2/L IL

g O2/L IL

1,065 1,052 0,013 224 0,3491 15,59 0,498

1,229 1,213 0,016 222 0,4064 18,15 0,580

1,464 1,448 0,017 247 0,4369 19,51 0,624

Auch hier verbessert sich die Sauerstofflöslichkeit durch eine Erhöhung des

Anfangsdruckes pmess. Bei einer Steigerung des Druckes um 396 mbar von 1,065 bar

auf 1,464 bar, erhöht sich die Menge an gelöstem Sauerstoff pro Liter ionischer

Flüssigkeit um 126,0 mg (3,92 mmol) von 498,0 mg (15,59 mmol) auf 624,0 mg

(19,51 mmol). Proportional hierzu steigt wiederum der Wert des Ostwald-

Koeffizienten. Die Henry-Konstante bleibt bei Erhöhung des Druckes mit Werten

zwischen 222 und 247 bar weitgehend konstant. Die Abweichung vom Mittelwert der

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Ergebnisse und Diskussion

81

gemessenen Hk-Werte ist hier mit maximal ±10 % etwas höher als bei [BMPL][FAP].

Der erhaltene Mittelwert aus allen drei Messungen für die Henry-Konstante von

231 bar ist im Vergleich zu [BMPL][FAP] mit 194 bar etwas höher und spricht damit

für eine geringfügig schlechtere Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][NTf2].

Bemerkenswert ist der Unterschied zu den Literaturwerten[51, 190] der Sauerstoff-

löslichkeitsmessung von [BMPL][NTf2] und anderen [NTf2]--basierten ionischen

Flüssigkeiten (siehe Tabelle 11).

Tabelle 11: Vergleich der gemessenen Henry-Konstanten von [BMPL][NTf2] mit Literaturwerten

Ionische Flüssigkeit

Hk [bar]

O2

Hk [bar]

CO2

Hk [bar]

C2H6 Quelle

[BMPL][NTf2] 231 ± 16 - - Eigenmessung

[BMPL][NTf2] 1830 ± 590 43 ± 0,8 - Literatur[190]

[BMIM][NTf2] 1730 ± 560 33,0 ± 0,3 70,0 ± 4 Literatur[190]

[HMPy][NTf2] 463 ± 104 32,8 ± 0,2 58,0 ± 1 Literatur[51]

Die ermittelte Henry-Konstante in [BMPL][NTf2] ist mit einem Wert von 231 ± 16 bar

um ein achtfaches kleiner als der Literaturwert mit 1830 ± 590 bar. Außerdem liegt

die Streuung der Messwerte aus den Eigenmessungen mit ± 16 bar in einem

akzeptablen und durch Messschwankungen erklärbaren Bereich. Eine Streuung von

± 590 bar lässt hingegen keine wirkliche Aussage über den exakten Wert der Henry-

Konstante zu. Die Literaturwerte deuten auf einen starken Unterschied in der

Sauerstofflöslichkeit bei Wechsel des Kations von [BMPL]+ oder [BMIM]+ zu [HMPy]+

hin. Die damit einhergehende Erniedrigung der Henry-Konstante von 1830 ± 590 bar

bzw. 1730 ± 560 bar auf 463 ± 104 bar ist angesichts des Vergleiches mit den

entsprechenden CO2- oder Ethylen-Löslichkeiten überraschend. Der Vergleich mit

den CO2- und Ethylen-Löslichkeiten aus Tabelle 11 der entsprechenden ionischen

Flüssigkeiten deutet nur auf einen äußerst geringen Einfluss des Kations der

ionischen Flüssigkeit auf die Gaslöslichkeit und die Henry-Konstanten hin. Auch

andere Literaturdaten bestätigen einen deutlich geringeren Einfluss des Kations als

des Anions auf die Gaslöslichkeit.[54, 191]

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Ergebnisse und Diskussion

82

Vergleich der Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2]

Der auffälligste Unterschied im Vergleich der Sauerstofflöslichkeit der beiden

ionischen Flüssigkeiten [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2] liegt in der Dauer der

Gleichgewichtseinstellung.

Während sich in [BMPL][NTf2] bereits nach etwa 30 min ein konstanter

Gleichgewichtsdruck einstellt, nähert sich der Druck in [BMPL][FAP] erst nach etwa

500 min einem konstanten Wert. Die sehr viel langsamere Einstellungen des

Gleichgewichts bei [BMPL][FAP] im Vergleich zu [BMPL][NTF2] (Viskosität = 98 cP

bei 20 °C)[192] ist auf die höhere Viskosität (292 cP bei 20°C)[192] der ionischen

Flüssigkeit [BMPL][FAP] zurückzuführen. Der Diffusionskoeffizient D von Stoffen in

Flüssigkeiten wird über die Stokes-Einstein-Gleichung (Formel 8) beschrieben:

𝑫 =𝒌𝑩𝑻

𝟔𝝅𝜼𝑹𝒐 (Formel 8)

kB: Boltzmann-Konstante (J/K), T: Temperatur (K), 𝜂: Dynamische Viskosität der Flüssigkeit (Ns/m2)

Ro: Hydrodynamischer Radius der diffundierenden Teilchen (m)

Je höher die dynamische Viskosität der Flüssigkeit 𝜂, desto kleiner ist der

Diffusionskoeffizient eines Stoffes in dieser Flüssigkeit.[193-194]

Aufgrund der höheren dynamischen Viskosität von [BMPL][FAP] besitzt der

Sauerstoff einen geringeren Diffusionskoeffizienten in dieser ionischen Flüssigkeit als

in der niedriger viskosen ionischen Flüssigkeit [BMPL][NTf2]. Dies führt zu einer

langsamer verlaufenden Absorption des Sauerstoffes in der höherviskosen ionischen

Flüssigkeit.[195]

Im Bereich des Normaldruckes (peq= 1,055 bar bzw. 1,052 bar) sind die Sauerstoff-

löslichkeiten beider ionischer Flüssigkeiten mit 15,56 mmol/l in [BMPL][FAP] und

15,59 mmol/l in [BMPL][NTf2] nahezu identisch. Die Menge an gelöstem Sauerstoff

kann in beiden ionischen Flüssigkeiten durch eine Steigerung des Anfangsdruckes

erhöht werden. Die niedrigere Henry-Konstante von etwa 194 ± 10 bar wird jedoch in

[BMPL][FAP] erreicht. Im Vergleich dazu wurde in [BMPL][NTF2] eine geringfügig

höhere Henry-Konstante von 231 ± 16 bar ermittelt.

Im Allgemeinen ist die Sauerstofflöslichkeit in ionischen Flüssigkeiten im Gegensatz

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Ergebnisse und Diskussion

83

zu anderen Gasen wie CO2 schlecht. Die meisten ionischen Flüssigkeiten weisen für

Sauerstoff Henry-Konstanten von über 1000 bar auf. Dies wird am Beispiel der

ionischen Flüssigkeit [BMIM][NTf2] deutlich, welche für Sauerstoff eine Henry-

Konstante von 1730 bar und für CO2 eine Henry-Konstante von 33,0 bar besitzt.[51-52]

Die Sauerstofflöslichkeit in den untersuchten ionischen Flüssigkeiten [BMPL][FAP]

und [BMPL][NTf2], mit Henry-Konstanten von etwa 200 bar, ist damit als

vergleichsweise hoch für die Stoffgruppe der ionischen Flüssigkeiten anzusehen.

In diesem Kapitel konnte gezeigt werden, dass die ionische Flüssigkeit [BMPL][FAP]

bei Atmosphärendruck eine ähnliche Sauerstofflöslichkeit aufweist wie [BMPL][NTf2].

Die niedrigere Henry-Konstante von etwa 194 ± 10 bar wird in [BMPL][FAP] erreicht.

Im Vergleich dazu wurde in [BMPL][NTF2] eine geringfügig höhere Henry-Konstante

von 231 ± 16 bar ermittelt. Die Menge an gelöstem Sauerstoff kann in beiden

ionischen Flüssigkeiten durch eine Steigerung des Anfangsdruckes erhöht werden.

Dieser Effekt ist in beiden ionischen Flüssigkeiten ungefähr gleich groß.

Da es kaum Literaturdaten zur Sauerstofflöslichkeitsmessung in [FAP]--basierten

ionischen Flüssigkeiten gibt, kann durch diese Ergebnisse ein besserer Vergleich mit

anderen ionischen Flüssigkeiten vollzogen werden. Liegt die Sauerstofflöslichkeit der

[FAP]--basierten ionischen Flüssigkeiten etwa in der gleichen Größenordnung wie

die von [NTf2]-basierte ionische Flüssigkeiten, wird deutlich, dass beide Spezies zum

Beispiel eine wesentlich höhere Sauerstofflöslichkeit aufweisen als [PF6]--basierte

ionische Flüssigkeiten.

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Ergebnisse und Diskussion

84

4.2 Oxidation von Benzylalkohol

In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der selektiven Oxidation von Benzylalkohol

zu Benzaldehyd dargestellt und diskutiert. Anhand dieser Modellreaktion wird ein

Vergleich von [PF6]--basierten ionischen Flüssigkeiten (siehe Abbildung 16) mit der

ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP] gezogen.

Abbildung 16: [PF6]--basierte ionische Flüssigkeiten mit verschiedenen Pyridinium-Kationen

Die in Abbildung 16 dargestellten ionischen Flüssigkeiten werden zum Vergleich

herangezogen, da für [B-4-MPy][PF6] bereits experimentelle Daten aus der Literatur

vorliegen.[99]

4.2.1 Katalysatorsystem Cu(ClO4)2, DMAP, Acetamido-TEMPO

4.2.1.1 Vergleich verschiedener ionischer Flüssigkeiten

Die ersten Batch-Versuche mit dem Katalysatorsystem Cu(ClO4)2, DMAP und

Acetamido-TEMPO wurden in den ionischen Flüssigkeiten [BMPL][FAP],

[BMPL][PF6], N-Butyl-4-methylpyridinium Hexafluorphosphat [B-4-MPy][PF6] und

N-Butyl-3-methylpyridinium Hexafluorphosphat [B-3-MPy][PF6] durchgeführt.

Literaturbekannte Ergebnisse existieren hierbei ausschließlich für [B-4-MPy][PF6].[99]

Die Mengenverhältnisse zwischen Edukt, ionischer Flüssigkeit und

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Ergebnisse und Diskussion

85

Katalysatorsystem wurden anhand der Literaturdaten (siehe Schema 15) gewählt.

Die Ansatzgrößen unterscheiden sich aufgrund der Versuchsdurchführung in einem

250mL Autoklaven deutlich von den Literaturansätzen in einem Glasgefäß mit

Magnetrührer. Die Literaturversuche wurden bei 1 atm Sauerstoff ohne Überdruck

durchgeführt.

Schema 15: Oxidation von Benzylalkohol zu Benzaldehyd mit dem Katalysatorsystem Cu(ClO4)2, DMAP und Acetamido-TEMPO in [B-4-MPy][PF6].[99]

Die Eigenmessungen wurden bei Raumtemperatur und einem Sauerstoffüberdruck

von 1,0 bar gestartet. Die Versuche konnten im verwendeten Reaktorsystem nicht im

Semi-Batch Verfahren betrieben werden. Daher wurde der, durch den

Sauerstoffverbrauch abfallende Druck manuell wieder auf 1,0 bar nachgeregelt. Die

Reaktionen wurden beendet, wenn kein weiterer Druckabfall im Reaktor zu

beobachten war.

Wie in Tabelle 12 dargestellt, wird in der Literatur bei Rühren unter 1 atm O2 in [B-4-

MPy][PF6] nach 300 min ein Umsatz von 99,0 % mit einer Ausbeute an Benzaldehyd

von 99,0 % erreicht. Die Reaktionszeit ist in der Eigenmessung in [B-4-MPy][PF6] mit

150 min deutlich geringer.

Dieser Unterscheid in der Reaktionszeit wurde vermutlich durch die wesentlich

bessere Durchmischung des Reaktionssystems im verwendeten Autoklaven

(Gaseintragsrührer bei 400 U/min) erreicht. Darüber hinaus wurde in der Literatur der

Sauerstoff bei 1 atm vermutlich nur durch das Glasgefäß geblasen. Im Autoklaven

herrschte hingegen ein Sauerstoffüberdruck von 1,0 bar.

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Ergebnisse und Diskussion

86

Tabelle 12: Oxidation von Benzylalkohol in der ionischen Flüssigkeit [B-4-MPy][PF6]

Versuchsbedingungen: Literatur: Benzylalkohol (276 mg), DMAP(24.4 mg), Cu(ClO4) (37.1 mg), Acetamido-TEMPO (21.3 mg), [BMPy][PF6] (0.5 g), 1 atm O2, RT, Gläschen.

Eigenmessungen: IL (m= 39,9 g), Benzylalkohol (m= 8,65 g), DMAP (m=0,98 g), Cu(ClO4)2 (m=1,05 g), Acetamido-TEMPO (m=0,85 g), 1 bar O2, 400 U/min, RT, 250 mL Autoklav.

Um herauszufinden welchen Einfluss der Sauerstoffdruck in diesem Zusammenhang

auf die Reaktionszeit hat wurde die Reaktion bei 10 bar wiederholt. Dazu wurde ein

Anfangssauerstoffdruck von 10 bar im Reaktor eingestellt. Die Reaktion wurde

beendet sobald kein weiterer Druckabfall im Reaktor zu beobachten war. Zusätzlich

wurde die Reaktion in der ionischen Flüssigkeit [B-3-MPy][PF6], die das 1,3-

Disubstituierte Kation anstelle des 1,4-Disubstituierten Kations enthält, durchgeführt.

Tabelle 13: Oxidation von Benzylalkohol in [B-4-MPy][PF6] und [B-3-MPy][PF6] bei 10 bar O2 und Raumtemperatur

Versuchsbedingungen: IL (m= 39,9 g), Benzylalkohol (m= 8,65 g), DMAP (m=0,98 g),

Cu(ClO4)2 (m=1,05 g), Acetamido-TEMPO (m=0,85 g), 10 bar O2, 400 U/min, RT, 250 mL Autoklav.

Wie aus Tabelle 13 ersichtlich, hat die Erhöhung des Druckes von 1,0 bar auf 10,0

bar die Reaktionszeit im Falle von [B-4-Mpy][PF6] nochmals deutlich von 150 min auf

65 min verkürzt. Die ionische Flüssigkeit [B-3-MPy][PF6] weist eine 10 min längere

Messung Ionische Flüssigkeit

Reaktions-zeit

[min]

P(O2) Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyde

(aus 1H-NMR)

[%]

Literatur[99] [B-4-MPy][PF6] 300 1 atm 99,0 99,0

Eigenmessung [B-4-MPy][PF6] 150 1 bar 99,5 99,5

Ionische Flüssigkeit

Reaktionszeit

[min]

P (O2)

[bar]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyde

(aus 1H-NMR)

[%]

[B-4-Mpy][PF6] 65 10,0 99,5 99,5

[B-3-Mpy][PF6] 75 10,0 99,6 99,6

Page 95: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

87

Reaktionszeit als [B-4-MPy][PF6] auf. Somit ist der Einfluss der unterschiedlichen

Kationenstruktur der beiden ionischen Flüssigkeiten als gering anzusehen.

Die Literaturangaben konnten somit in der ionischen Flüssigkeit [B-4-MPy][PF6] mit

verbesserter Reaktionszeit reproduziert werden. Außerdem wurde ein Einfluss des

Versuchsaufbaus und des Sauerstoffdruckes auf die Reaktion deutlich. Eine

Erhöhung des Sauerstoffdruckes trägt maßgeblich zur Beschleunigung der Reaktion

bei.

Die folgenden Versuche zielten nun darauf ab, anhand dieser Modellreaktion die

Vorteile einer [FAP]--basierten ionischen Flüssigkeit gegenüber einer [PF6]--

basierten ionischen Flüssigkeit darzustellen. Da beim Übergang von [B-4-MPy][PF6]

und [B-3-MPy][PF6] auf [BMPL][FAP] sowohl Kation als auch Anion variiert werden,

kann durch einen Vergleich dieser drei ionischen Flüssigkeiten nicht der reine

Einfluss des Anions untersucht werden. Um diesen Einfluss zu ermitteln, wurde die

Reaktion neben [BMPL][FAP] in [BMPL][PF6] durchgeführt. Zunächst wurde die

Reaktion in beiden ionischen Flüssigkeiten bei einem Anfangsdruck von 10 bar

gestartet. Im Fall von [BMPL][PF6] wurde die in der Literatur übliche Reaktionszeit

von 300 min verwendet, obwohl keine Druckabnahme zu verzeichnen war. Die

Ergebnisse dieser Versuche sind in Tabelle 14 dargestellt.

Tabelle 14: Oxidation von Benzylalkohol in zwei verschiedenen ionischen Flüssigkeiten bei 10 bar O2 und Raumtemperatur

Versuchsbedingungen: IL (m= 39,9 g), Benzylalkohol (m= 8,65 g), DMAP (m=0,98 g), Cu(ClO4)2 (m=1,05 g), Acetamido-TEMPO (m=0,85 g), 10 bar O2, 400 U/min, RT, 250 mL

Autoklav.

Die Temperaturverläufe der exothermen Reaktion und die Druckabnahme im Reaktor

wurden aufgezeichnet. In [BMPL][FAP] ist ein sehr schneller Reaktionsablauf zu

Ionische Flüssigkeit Reaktionszeit

[min]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyde

(aus 1H-NMR)

[%]

[BMPL][FAP] 18 99,5 99,5

[BMPL][PF6] 300 10,3 10,3

Page 96: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

88

beobachten. Aus Abbildung 17 und Abbildung 18 ist anhand der Druck- und

Temperaturverläufe zu erkennen, dass die Reaktion in [BMPL][FAP] nach etwa 18

Minuten beendet ist. Eine Druckabnahme von 5 bar und damit der Vollumsatz zu

Benzaldehyd wird in [BMPL][FAP] bereits nach 18 Minuten Reaktionszeit erreicht.

Der Sauerstoffverbrauch der Reaktion in [BMPL][PF6] ist sehr gering und resultiert in

einem Umsatz von nur 10,3 % nach 300 Minuten. In der ionischen Flüssigkeit

[BMPL][FAP] verläuft die untersuchte Reaktion deutlich schneller als in [BMPL][PF6].

0 10 20 30 40 50 60

0

5

10

Dru

ck

[b

ar]

Zeit [min]

[BMPL][PF6]

[BMPL][FAP]

Abbildung 17: Druckverlauf der Benzylalkoholoxidation in [BMPL][FAP] und [BMPL][PF6]

In [BMPL][FAP] kommt es durch die schnelle Abgabe der freiwerdenden Reaktions-

wärme auch zum größeren Temperaturanstieg im Autoklaven (Abbildung 18).

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Ergebnisse und Diskussion

89

0 10 20 30 40 50 60

20

30

40

50

60

70

[BMPL][PF6]

[BMPL][FAP]

Tem

pe

ratu

r [°

C]

Zeit [min]

Abbildung 18: Temperaturverlauf der Benzylalkoholoxidation in [BMPL][FAP] und [BMPL][PF6]

Die Maximaltemperatur von 66°C ist genau zum gleichen Zeitpunkt erreicht an dem

der Druckabfall im Autoklaven beendet ist. Nach Erreichen dieses Maximums fällt die

Temperatur innerhalb einiger Minuten wieder auf 35 °C ab. In [BMPL][PF6] bleibt die

Temperatur hingegen über die gesamte Zeit konstant.

Die Reaktivität des Systems ist in [BMPL][FAP] somit wesentlich höher als in der

entsprechenden [PF6]--basierten ionischen Flüssigkeit. Ein Grund hierfür könnte die

höhere Sauerstofflöslichkeit von [FAP]--basierten ionischen Flüssigkeiten im

Vergleich zu [PF6]--basierten ionischen Flüssigkeiten sein.

Die Verwendung der ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP] als Reaktionsmedium hat zu

einem deutlich schnelleren Reaktionsablauf im Vergleich zu den untersuchten [PF6]--

basierten ionischen Flüssigkeiten geführt. Daher soll in den folgenden Unterkapiteln

die Reaktion in [BMPL][FAP] genauer untersucht werden.

4.2.1.2 Druckabhängigkeit der Reaktion

In den nächsten Versuchen wurde der Einfluss des Anfangsdruckes auf die Reaktion

in [BMPL][FAP] getestet (Tabelle 15). Dazu wurde der Druck in einem neuen

Versuch von 10 bar auf 5 bar reduziert. Gemäß den vorherigen Versuchen wurde

hierbei eine Verlangsamung der Reaktion erwartet.

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Ergebnisse und Diskussion

90

Tabelle 15: Oxidation von Benzylalkohol in [BMPL][FAP] bei Raumtemperatur und verschiedenen Drücken

Versuchsbedingungen: [BMPL][FAP] (m= 39,9 g), Benzylalkohol (m= 8,65 g), DMAP (m=0,98 g), Cu(ClO4)2 (m=1,05 g), Acetamido-TEMPO (m=0,85 g), 400 U/min, RT, 250 mL

Autoklav.

Bei beiden gewählten Anfangsdrücken (10 bar und 5 bar) konnte annähernd

Vollumsatz (99,5 % und 99,8 %) erreicht werden. Der Druckverlauf in Abbildung 19

deutet auf eine etwas schneller ablaufende Reaktion bei einem Anfangsdruck von

10 bar hin.

0 5 10 15 20 25 30

0

2

4

6

8

10

Dru

ck

[b

ar]

Zeit [min]

pi (O2)= 10 bar

pi (O2)= 5 bar

Abbildung 19: Druckverlauf in [BMPL][FAP] bei verschiedenen Anfangsdrücken

Die Reaktionszeit ist zwar nahezu identisch, doch die Druckabnahmekurve des

Druck (O2)

[bar]

Reaktionszeit

[min]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

10 16 99,5 99,5

5 18 99,8 99,8

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Ergebnisse und Diskussion

91

Versuches bei 10 bar weist einen steileren Verlauf auf als die Kurve des Versuches

bei 5 bar. Die längere Induktionsperiode in den ersten 7 min des Versuches bei

10 bar (Abbildung 19) kann mit der größeren Wärmeentwicklung bei 10 bar

(Abbildung 20) erklärt werden. Die durch die Erwärmung verursachte

Volumenzunahme des Reaktionsgemisches wirkt der Druckabnahme entgegen. In

den ersten 2,5 min des Versuches bei 5 bar ist ebenfalls eine kurze

Induktionsperiode ohne Druckabnahme zu beobachten. Bei Betrachtung der beiden

Temperaturverläufe in Abbildung 20 fällt auf, dass der Temperaturanstieg in den

ersten 2,5 min nahezu identisch verläuft. Danach verlangsamt sich der

Temperaturanstieg in dem Versuch bei 5 bar deutlich, während die Steigung der

Kurve des Versuches bei 10 bar noch steiler ansteigt.

In den ersten 7 min steigt die Temperatur in dem Versuch bei 10 bar von 27°C auf

55°C. In dem Versuch bei 5 bar steigt die Temperatur hingegen in der gleichen Zeit

nur von 29°C auf 45 °C.

0 5 10 15 20 25 30

20

30

40

50

60

70

Tem

pera

tur

[°C

]

Zeit [min]

pi (O2)= 10 bar

pi (O2)= 5 bar

Abbildung 20: Temperaturverlauf in [BMPL][FAP] bei verschiedenen Anfangsdrücken

Sowohl die stärkere Wärmeentwicklung während der Reaktion als auch die steiler

verlaufende Druckabnahme in dem Versuch bei 10 bar, spricht für eine Abhängigkeit

der Reaktionsgeschwindigkeit vom Sauerstoffdruck. Die Reaktion scheint daher von

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Ergebnisse und Diskussion

92

der Menge des gelösten Sauerstoffes abzuhängen. In Kapitel 4.1.1 wurde gezeigt,

dass die Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][FAP] durch eine Erhöhung des

Sauerstoffdruckes geringfügig verbessert wird.

4.2.1.3 Oxidation mit synthetischer Luft

Die Prozesssicherheit stellt eine Herausforderung für die Anwendung von

Oxidationsreaktionen im Industriemaßstab dar. Der Ersatz von reinem Sauerstoff

durch synthetische Luft (80 % N2, 20 % O2) bietet eine Möglichkeit, um die Sicherheit

von Oxidationsprozessen zu erhöhen und die Kosten für das Oxidationsmittel zu

senken. Daher wurde die Reaktion auch mit synthetischer Luft als Reaktionsgas

durchgeführt. Die Anfangsdrücke wurden hierbei von 5 bis 25 bar variiert (Tabelle

16). Vollumsatz (99,9 %) kann nach 100 min erst bei einem Druck von 25 bar

synthetischer Luft und somit einem Sauerstoffpartialdruck von 5 bar erreicht werden.

Die angegebene Reaktionszeit bezieht sich auf die Dauer, die zum Erreichen eines

konstanten Druckes nötig ist.

Tabelle 16: Oxidation von Benzylalkohol in [BMPL][FAP] mit synthetischer Luft bei Raumtemperatur und 300 min Versuchsdauer

Versuchsbedingungen: [BMPL][FAP] (m= 39,9 g), Benzylalkohol (m= 8,65 g), DMAP (m=0,98 g), Cu(ClO4)2 (m=1,05 g), Acetamido-TEMPO (m=0,85 g), RT, 5-25 bar

synthetische Luft, 400 U/min, RT, 250 mL Autoklav.

Um Benzylalkohol vollständig umsetzen zu können ist bei den verwendeten

Ansatzgrößen und Reaktordimensionen ein Sauerstoffpartialdruck von 5 bar

Druck

(syn. Luft)

[bar]

Partial-druck

(O2)

[bar]

Reaktionszeit

[min]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

5 1 300 56,0 56,0

10 2 300 80,4 80,4

15 3 225 83,0 83,0

25 5 100 99,9 99,9

Page 101: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

93

notwendig. Bei Betrachtung von Tabelle 16 fällt jedoch auf, dass bereits mit einem

Sauerstoffpartialdruck von 1 bar (entspricht 5 bar synthetische Luft) ein Umsatz von

56 % erreicht wird.

In Abbildung 21 sind die Druckverläufe der Versuche bei vier verschiedenen

Anfangsdrücken dargestellt. Ein konstanter Druck stellt sich in dem Versuch mit 25

bar Anfangsdruck schon nach 100 min ein, in dem Versuch mit 15 bar Anfangsdruck

erst nach 225 min und bei den Versuchen mit 10 bar und 5 bar Anfangsdruck erst

nach 300 min. Trotz des ähnlich hohen Umsatzes von 83,0 bzw. 80,4 % der

Versuche bei 15 bar und 10 bar verläuft die Druckabnahme bei 15 bar wesentlich

steiler. Die steilste Druckabnahme wird bei einem Anfangsdruck von 25 bar

beobachtet. Dies belegt wiederum die Druckabhängigkeit der Geschwindigkeit der

Reaktion.

0 50 100 150 200 250 3002,5

5,0

7,5

10,0

12,5

15,0

17,5

20,0

22,5

25,0

p [

bar]

t [min]

5 bar

10 bar

15 bar

25 bar

Abbildung 21: Druckabnahme während der Oxidation von Benzylalkohol mit synthetischer Luft bei verschiedenen Anfangsdrücken.

In Abbildung 22 sind die entsprechenden Temperaturverläufe dargestellt. Der

stärkste Temperaturanstieg von 29 °C auf 45°C ist bei einem Anfangsdruck von

25 bar zu verzeichnen.

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Ergebnisse und Diskussion

94

0 50 100 150 200 250 30026

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

Tem

pe

ratu

r [°

C]

Zeit [min]

5 bar

10 bar

15 bar

25 bar

Abbildung 22: Temperaturverlauf während der Oxidation von Benzylalkohol mit synthetischer Luft bei verschiedenen Anfangsdrücken.

Auffällig ist bei den drei Versuchen mit Anfangsdrücken zwischen 5 und 15 bar

synthetischer Luft, der relativ hohe Umsatz zwischen 56,0 % und 83,0 %. Obwohl für

den Vollumsatz von Benzylalkohol zu Benzaldehyd ein Sauerstoffpartialdruck von 5

bar notwendig ist, wird mit einem Sauerstoffpartialdruck von 1,0 bar bereits ein

Umsatz von 56,0 % erreicht.

Eine Erklärung hierfür ist bei Betrachtung des Katalysezyklus in Kapitel 2.2.1.2 zu

finden. Da der Sauerstoff ausschließlich zur Regeneration des TEMPO-Radikals aus

der protonierten TEMPO-Spezies benötigt wird, kann ein Teil des Alkohols auch

ohne Sauerstoff zum Aldehyd reagieren. Liegt jedoch nur noch die protonierte

TEMPO-Spezies vor, kommt die Reaktion zum Erliegen. Wie die vorhergehenden

Versuche mit reinem Sauerstoff gezeigt haben ist zum optimalen Ablauf der Reaktion

ist eine bestimmte Sauerstoffkonzentration nötig. Eine weitere Erhöhung der

Sauerstoffkonzentration beschleunigt die Reaktion jedoch nicht.

Bei den Versuchen mit synthetischer Luft scheint diese minimal nötige

Sauerstoffkonzentration auch bei einem Druck von 25 bar nicht vollständig erreicht

zu werden. Trotz des gleichen Sauerstoffpartialdruckes von 5 bar, wie bei den

Versuchen mit reinem Sauerstoff, verläuft die Reaktion mit synthetischer Luft

langsamer. Ein Grund hierfür könnte die zusätzliche Lösung von Stickstoff in der

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Ergebnisse und Diskussion

95

ionischen Flüssigkeit sein, welche die Aufnahme von Sauerstoff verlangsamt.

Um die Versuchen mit reinem Sauerstoff und mit synthetischer Luft nochmals direkt

zu vergleichen, werden im Folgenden die Druck- und Temperaturverläufe der

Versuche bei 5 bar reinem Sauerstoff und 25 bar synthetischer Luft

gegenübergestellt. In Abbildung 23 werden die Druckabnahmekurven in den ersten

60 min der Reaktion verglichen. Die Druckabnahme verläuft im Falle des Versuches

mit reinem Sauerstoff wesentlich schneller. Ein konstanter Druck wird nach 18 min

Reaktionszeit erreicht. Die Druckabnahmekurve verläuft bei dem Versuch mit

synthetischer Luft wesentlich flacher. Außerdem verlangsamt sich die Reaktion nach

den ersten 15 min noch einmal und nähert sich so erst nach 100 min einem

konstanten Druck.

0 10 20 30 40 50 60

0

5

10

15

20

25

Dru

ck

[b

ar]

Zeit [min]

p(O2)= 5 bar

p (syn. Luft)= 25 bar

Abbildung 23: Vergleich der Druckverläufe der Oxidation von Benzylalkohol mit 5 bar O2 und 25 bar synthetischer Luft.

Beim Vergleich der Temperaturverläufe beider Versuche in Abbildung 24 fällt auf,

dass der Temperaturanstieg in den ersten 5 min etwa gleich schnell ist. Danach

verlangsamt sich die Temperaturzunahme im Falle des Versuches mit synthetischer

Luft deutlich im Vergleich zu dem Versuch mit reinem Sauerstoff. Das

Temperaturmaximum von 45°C bei synthetischer Luft und 51°C bei reinem

Sauerstoff wird ungefähr zur gleichen Zeit erreicht.

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Ergebnisse und Diskussion

96

0 10 20 30 40 50 6028

32

36

40

44

48

52

Tem

pe

ratu

r [°

C]

Zeit [min]

pi (O2)= 5 bar

p(syn. Luft)=25 bar

Abbildung 24: Vergleich der Temperaturverläufe der Oxidation von Benzylalkohol mit 5 bar O2 und 25 bar synthetischer Luft.

Diese Vergleiche bestätigen, dass die Reaktion bei Verwendung synthetischer Luft

trotz des gleichen Sauerstoffpartialdruckes langsamer verläuft als mit reinem

Sauerstoff.

4.2.1.4 Ersatz von Cu(ClO4)2 durch Cu[FAP]2 x 5 CH3CN

Perchloratverbindungen besitzen eine geringe thermische Stabilität und können

explosiv sein. Ihre Anwendung in industriellen Mengen in Oxidationsreaktionen bei

erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck stellt daher ein Sicherheitsrisiko dar. Dass

die ionische Flüssigkeit Cu[FAP]2 x 5 CH3CN ebenfalls als Katalysatorvorstufe in der

Alkoholoxidation fungieren kann, sollen die folgenden Versuche unter Beweis stellen.

Die Versuche wurden in dem, in Kapitel 3.3.1 vorgestellten, 600 mL Autoklaven im

Batch-Verfahren durchgeführt. Zum Vergleich der katalytischen Aktivität der beiden

Kupfersalze wurde die Reaktion bei einem Anfangsdruck von 2,5 bar bei

Raumtemperatur unter isothermen Bedingungen durchgeführt. Mit beiden

Katalysatoren kann ein Umsatz über 99 % erreicht werden (Tabelle 17).

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Ergebnisse und Diskussion

97

Tabelle 17: Oxidation von Benzylalkohol mit Cu[FAP]2 und Cu(ClO4)2 bei Raumtemperatur und 2,5 bar O2 und 120 min Reaktionszeit

Versuchsbedingungen: [BMPL][FAP] (m= 60 g), Benzylalkohol (m= 8,65 g), DMAP (m=0,98 g), Cu(ClO4)2 (m=1,05 g) oder Cu[FAP]2 x 5 CH3CN (m= 4,79 g), Acetamido-

TEMPO (m=0,85 g), RT, 2,5 bar O2, 1000 U/min, 600 mL Autoklav.

Wie aus Abbildung 25 deutlich wird ist der Reaktionsverlauf mit Cu[FAP]2 x 5 CH3CN

als Katalysatorvorstufe wesentlich schneller als mit Cu(ClO4)2. Die Reaktionsdauer

beträgt im Falle von Cu[FAP]2 x 5 CH3CN nur 75 Minuten. Bei Verwendung von

Cu(ClO4)2 als Katalysatorvorstufe erhöht sich die Reaktionszeit auf 120 Minuten.

0 25 50 75 100 125

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5 Cu(ClO4)2

Cu[FAP]2

Dru

ck

(b

ar)

Zeit (min)

Abbildung 25: Druckverlauf der Reaktion mit Cu[FAP]2 und Cu(ClO4)2 in [BMPL][FAP] bei Raumtemperatur und isothermer Reaktionsführung

Katalysator Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

Cu[FAP]2 99,2 99,2

Cu(ClO4)2 99,3 99,3

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Ergebnisse und Diskussion

98

Darüber hinaus zeigen diese Versuche, dass ein geringerer Druck und eine

isotherme Reaktionsführung den Reaktionsverlauf, im Vergleich zu den

vorhergehenden Versuchen mit Cu(ClO4)2 bei 10 bar und unter nicht isothermen

Bedingungen, deutlich verlangsamen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Cu[FAP]2 x 5 CH3CN eine höhere

katalytische Aktivität aufweist als Cu(ClO4)2. Dies mag einerseits an der besseren

Löslichkeit von Cu[FAP]2 x 5 CH3CN in der [FAP]--basierten ionischen Flüssigkeit

liegen. Andererseits spielt bei einer Katalysatorvorstufe die Fähigkeit des Liganden

als gute Abgangsgruppe zu fungieren eine große Rolle. Das [FAP]--Anion ist

voluminöser und schwächer koordinierend als das Perchloratanion und somit verläuft

die Bildung der Cu[DMAP]2-Spezies (siehe Katalysezyklus Schema 3) bei der

Verwendung von Cu[FAP]2 x 5 CH3CN vermutlich schneller.

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Ergebnisse und Diskussion

99

4.2.1.5 Rezyklierungsversuche mit Cu(ClO4)2 und Cu[FAP]2 x 5 CH3CN

Die Nachhaltigkeit katalytischer Prozesse hängt stark von der Rezyklierbarkeit des

Übergangsmetallkatalyators ab. In den folgenden Versuchen wurden das

katalytische System und die ionische Flüssigkeit daher nach extraktiver Abtrennung

der Reaktionsprodukte, wiederverwendet. Die in Tabelle 18 angegeben

Reaktionszeiten bezieht sich auf die Dauer, die bis zum Erreichen eines konstanten

Druckes nötig war (siehe Abbildung 26 und Abbildung 27).

Tabelle 18: Rezyklierungsversuche mit Cu[FAP]2 und Cu(ClO4)2 bei Raumtemperatur und 2,5 bar O2

Versuchsbedingungen: [BMPL][FAP] (60,0 g, 0,1 mol), Benzylalkohol (8,65 g, 0,08 mol), DMAP (0,98 g, 0,008 mol), Cu(ClO4)2 (1,05 g, 0,004 mol) oder Cu[FAP]2 x 5 CH3CN (4,79 g,

0,004 mol), Acetamido-TEMPO (0,85 g, 0,004 mol), RT, 2,5 bar O2, 1000 U/min, 600 mL Autoklav.

Nach jedem Zyklus wurde erneut die gleiche Menge Edukt zur ionischen

Katalysatorlösung zugegeben und die Reaktion erneut gestartet. Dieser Vorgang

wurde für beide Katalysatoren jeweils dreimal hintereinander wiederholt. Wie aus

Tabelle 18 ersichtlich ist nimmt die Reaktionsdauer im Laufe der drei Zyklen bei

beiden Katalysatoren zu. Bei Betrachtung der Druckverläufe der Rezyklierungs-

versuche mit Cu(ClO4)2 in Abbildung 26 fällt auf, dass der 2. Zyklus nur geringfügig

langsamer verläuft als der 1. Zyklus. Die Reaktionszeit unterscheidet sich in den

Katalysator Zyklus

Reaktions-zeit

[min]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

Turn Over Frequenzy (TOF)

[h-1]

Cu[FAP]2 1 65 99,2 99,2 n.b.

2 200 89,4 89,4 5,4

3 220 56,2 56,2 2,3

Cu(ClO4)2 1 120 99,3 99,3 n.b.

2 125 99,2 99,2 9,6

3 150 82,3 82,3 6,6

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Ergebnisse und Diskussion

100

ersten beiden Zyklen nur um 5 min und es werden fast identische Umsätze von

99,3 % und 99,2 % erreicht. Im dritten Zyklus hingegen verlangsamt sich die

Reaktion deutlich. Zum Erreichen eines konstanten Druckes sind hier bereits 150 min

Reaktionsdauer nötig. Darüber hinaus kann nur noch ein Umsatz von 82,3 % erreicht

werden.

0 25 50 75 100 125 150

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

p [

ba

r]

Zeit [min]

1. Zyklus

2. Zyklus

3. Zyklus

Abbildung 26: Druckverläufe der Rezyklierungsversuche mit Cu(ClO4)2 in [BMPL][FAP] bei Raumtemperatur und isothermer Reaktionsführung

Wie bereits erwähnt, verläuft die Reaktion und damit die Druckabnahme bei

Verwendung von Cu[FAP]2 mit einer Reaktionszeit von 65 min wesentlich schneller

als mit Cu(ClO4)2. Bei der Rezyklierung des Systems kann dieser Vorteil jedoch nicht

mehr beobachtet werden. Wie aus Abbildung 27 ersichtlich, verlangsamt sich die

Reaktion mit Cu[FAP]2 ab dem 2. Zyklus deutlich. Im 2. Zyklus sind zum Erreichen

eines Umsatzes von 89,4 % bereits 200 min Reaktionszeit nötig. Die

Druckabnahmekurve weicht stark von der des 1. Zyklus ab. Im dritten Zyklus wird

nach 220 min nur noch ein Umsatz von 56,2 % erreicht.

Page 109: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

101

0 25 50 75 100 125 150 175 200 225

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Dru

ck

[b

ar]

Zeit [min]

1. Zyklus

2. Zyklus

3. Zyklus

Abbildung 27: Druckverläufe der Rezyklierungsversuche mit Cu[FAP]2 in [BMPL][FAP] bei Raumtemperatur und isothermer Reaktionsführung

Um die Aktivitäten der beiden Katalysatoren in Abhängigkeit von der Reaktionszeit zu

vergleichen, wurde die Turn Over Frequency (TOF) für den zweiten und dritten

Zyklus berechnet (siehe Abbildung 28). Die Turn Over Frequency stellt die Anzahl

der umgesetzten Eduktmoleküle pro Katalysatorzentrum und Zeitintervall dar.

Die Abschwächung der katalytischen Aktivität und Zunahme der Reaktionsdauer fällt

mit Cu[FAP]2 x 5 CH3CN wesentlich stärker aus als mit Cu(ClO4)2. Im Fall von

Cu(ClO4)2 sinkt die TOF von 9,6 h-1 im zweiten Zyklus auf 6,6 h-1 im dritten Zyklus.

Bei Cu[FAP]2 x 5 CH3CN fällt die TOF von 5,4 h-1 im zweiten Zyklus auf 2,3 h-1 im

dritten Zyklus.

Page 110: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

102

2. Zyklus 3. Zyklus

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

TO

F (

h-1)

Zyklus

Cu(ClO4)2

Cu[FAP]2

Abbildung 28: Rezyklierbarkeit des katalytischen Systems über 3 Reaktionszyklen in [BMPL][FAP] bei Raumtemperatur und 2,5 bar O2

Die stärkere Deaktivierung von Cu[FAP]2 x 5 CH3CN im Vergleich zu Cu(ClO4)2 kann

folgendermaßen erklärt werden: Bei der Extraktion der Produkte mit n-Pentan

werden geringe Mengen der beiden Kupfersalze aus der ionischen Flüssigkeit

extrahiert. Ein deutliches Anzeichen hierfür ist die leichte Grünfärbung der n-Pentan-

Phase, die im Falle von Cu[FAP]2 x 5 CH3CN stärker war als bei Verwendung von

Cu(ClO4)2. Der Komplex Cu[FAP]2 x 5 CH3CN besitzt eine größere Löslichkeit in n-

Pentan als Cu(ClO4)2. Außerdem musste für den Ansatz eine größere Menge

Cu[FAP]2 x 5 CH3CN (4,79 g) verwendet werden als Cu(ClO4)2 (1,05 g), um die

gleiche Stoffmenge zu erreichen. Neben der Extraktion mit n-Pentan wurde auch die

Isolation des Produktes mittels Vakuumdestillation bei 10-1 mbar und 30°C-150°C

untersucht. Auf diese Weise ist jedoch keine vollständige Isolation des Benzaldehyds

(maximale Ausbeute von 50 %) möglich.

Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass sich die ionische Flüssigkeit

[BMPL][FAP] als Reaktionsmedium für die selektive Oxidation von Benzylalkohol zu

Benzaldehyd eignet. Im Vergleich zu den untersuchten [PF6]--basierten ionischen

Flüssigkeiten wird in [BMPL][FAP] ein wesentlich schnellerer Verlauf der Reaktion

Page 111: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

103

beobachtet. Darüber hinaus konnte Benzylalkohol mit ausgezeichneter Ausbeute und

Selektivität zu Benzaldehyd oxidiert werden. Die Geschwindigkeit der Reaktion ist

druckabhängig und konnte durch eine Steigerung des Druckes erhöht werden.

Zusätzlich konnte die katalytische Aktivität einer weiteren [FAP]--basierten ionischen

Flüssigkeit Cu[FAP]2 x 5 CH3CN bewiesen werden. Diese wies sogar eine höhere

katalytische Aktivität in der untersuchten Reaktion auf als das herkömmlich

verwendete Cu(ClO4)2. Die Rezyklierbarkeit des Katalysators Cu[FAP]2 x 5 CH3CN

muss durch Änderung der Aufarbeitungsmethode jedoch verbessert werden.

Page 112: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

104

4.3 Oxidation von Alkylaromaten

Das folgende Kapitel stellt die Ergebnisse der Oxidation von Alkylaromaten zu den

entsprechenden Carbonsäuren dar. Als Modellverbindungen für die Alkylaromaten-

Oxidation wurden Toluol und p-Xylol gewählt. Die Reaktionen wurden in den

ionischen Flüssigkeiten [EMIM][OTf], [BMPL][OTf], [BMPL][NTf2] und [BMPL][FAP]

durchgeführt. Die Vorversuche, die der Bestimmung der optimalen Katalysator-

konzentration dienten, wurden in der kostengünstigeren ionischen Flüssigkeit

[EMIM][OTf] durchgeführt, da sich diese ionische Flüssigkeit bereits bei der Oxidation

von Lignin als geeignetes Reaktionsmedium für Oxidationsreaktionen herausgestellt

hat.

4.3.1 Oxidation von Toluol zu Benzoesäure

Aus der Literatur[132, 137] ist bekannt, dass das Übergangsmetallsalz Co(OAc)2 den

höchsten Umsatz in der Oxidation von Toluol zu Benzoesäure liefert. Allerdings sind

hierbei Temperaturen von über 150 °C notwendig und der maximal erreichbare

Umsatz liegt bei etwa 40 %. Wie bereits in Kapitel 2.2.2.3 dargestellt, ist der Zusatz

von N-Oxylradikalen eine geeignete Methode um die Reaktionstemperatur zu senken

und den Umsatz zu erhöhen.

4.3.1.1 Katalysatorsystem Co(OAc)2, N-Hydroxyphthalimid (NHPI) in [EMIM][OTf]

Die in der Literatur beschriebenen Versuche der Oxidation von Toluol mit Co(OAc)2

und N-Hydroxyphthalimid (NHPI) wurden entweder in Essigsäure oder Acetonitril

durchgeführt. Um einen Vergleich mit diesen Daten ziehen zu können, wurden die

ersten Versuche in ionischer Flüssigkeit mit den in der Literatur angegebenen

Katalysatorkonzentrationen durchgeführt. Das Verhältnis von Substrat zu

Lösungsmittel wurde jedoch den Löslichkeitseigenschaften des Substrates und des

Katalysatorsystems in der ionischen Flüssigkeit angepasst. Als optimaler Wert stellte

sich ein Verhältnis von ionischer Flüssigkeit zu Toluol von 2:1 heraus. Damit ist die

Menge an benötigtem Reaktionsmedium bei Verwendung einer ionischen Flüssigkeit

weitaus geringer als bei herkömmlichen Lösungsmitteln wie Essigsäure oder

Acetonitril (Lösungsmittel: Substrat ~ 14:1).

Der Umsatz von Toluol zu Benzoesäure und Benzaldehyd wurde mittels 1H-NMR

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Ergebnisse und Diskussion

105

bestimmt. Sind alle Reaktionsprodukte bekannt, kann der Umsatz zusätzlich über

den gemessenen Sauerstoffverbrauch berechnet werden. Im Falle des verwendeten

Reaktorvolumens und der Ansatzgrößen entspricht ein Sauerstoffverbrauch von

10 NL in etwa einem Toluol-Umsatz von 100 %.

Oxidation von Toluol mit Co(OAc)2 und NHPI bei verschiedenen Sauerstoffdrücken

Die ersten Versuche wurden bei zwei verschiedenen Sauerstoffdrücken von 15 bzw.

30 bar und einer Temperatur von 70 °C durchgeführt. Die Katalysatorkonzentration

betrug 0,5 mol% Co(OAc)2 und 10 mol% NHPI (jeweils bezogen auf Toluol). Wie aus

Tabelle 19 ersichtlich ist, kann bei einem Druck von 15 bar eine Ausbeute an

Benzoesäure von 49,8 %, erzielt werden. Dabei werden nur zwei Reaktionsprodukte

gebildet.

Tabelle 19: Oxidation von Toluol mit 10 mol% NHPI und 0,5 mol% Co(OAc)2 in [EMIM][OTf] bei verschiedenen Drücken und 70°C

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), Toluol (m= 30 g), NHPI (m= 5,3 g), Co(OAc)2 (m= 0,29 g), 70°C, 15 bar O2, 600 mL Autoklav.

Der Umsatz aus dem zweiten Versuch bei 30 bar konnte anhand der NMR-Spektren

nicht bestimmt werden. Das 1H-Spektrum des Reaktionsgemisches wies keine Peaks

im aromatischen Bereich (δ= 7-8 ppm) auf. Dafür wurden mehrere Multipletts

zwischen 2,6 und 3,6 ppm und ein Singulett bei 5,4 ppm gefunden. 1H-NMR: δ (ppm)

= 2,65 (m), 2,87 (m), 2,99 (m), 3,28 (m), 3,62 (m), 5,42 (s), 8,29 (s).

Dies spricht für eine Oxidation der Doppelbindungen des Phenylringes von Toluol.

Das NMR-Spektrum des erhaltenen Produktgemisches spricht für eine Spezies, die

sowohl chinoide Strukturen als auch ein Epoxid enthält. Denkbar ist eine Oxidation

des Toluolringes zu einem Benzochinon, welches an einer Doppelbindung weiter

zum Epoxid oxidiert wird. Die Oxidation funktionalisierter Benzochinone zu Epoxiden

P (O2)

[bar]

t

[h]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzoesäure

(aus 1H-NMR)

[%]

15 6 51,3 1,5 49,8

Page 114: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

106

ist in der Literatur bekannt.[196-198]

In Abbildung 29 ist eine zum NMR-Spektrum passende Struktur dargestellt.

1H-NMR: δ (ppm) = 1,82 (H1, 3H), 2,21(H2,1H), 1,96 (H2,1H), 2,79 (H3,1H), 3,39 (H4,1H), 5,85

(H5,1H).

Abbildung 29: Mögliche Struktur eines Oxidationsproduktes der Toluoloxidation bei 30 bar mit Angabe der theoretischen chemischen Verschiebung im 1H-NMR aus ChemBioDraw

Ultra 12.0 Datenbank.

Die Auswertung der Integralstufenhöhen des 1H-NMR-Spektrums deuten jedoch auf

eine Mischung verschiedener strukturell ähnlicher Spezies hin, deren Peaks sich

überlagern. Die gefundenen Peaks weisen zum Beispiel auf das Vorhandensein von

Dibenzochinonen und phenolischen Gruppen hin. Außerdem deutet das Singulett

bei 8,29 ppm und die Abwesenheit eines Methylgruppenpeaks zwischen 1 und 2

ppm auf die zusätzliche Oxidation der Methylgruppe zur Säure hin.

Betrachtet man den Sauerstoffverbrauch während der Reaktion (siehe Abbildung

30), fällt auf, dass die Reaktion bei 15 bar ein wenig schneller abläuft als bei 30 bar.

Die Induktionsperiode fällt bei 15 bar mit einer Dauer von 10 min etwas kürzer aus

als bei 30 bar mit einer Dauer von 25 min.

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Ergebnisse und Diskussion

107

0 1 2 3 4 5 6

0

1

2

3

4

5

6

7

p(O2)=15 bar

p(O2)=30 bar

Sa

uers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Zeit [h]

Abbildung 30: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol mit NHPI in [EMIM][OTf] bei verschiedenen Drücken und 70°C

Ein Grund hierfür mag die bereits vermutete Oxidation des aromatischen Ringes

sein. Die Oxidation der Methylgruppe verläuft in der Regel über einen radikalischen

Mechanismus (siehe Kapitel 2.2.2.2). Zur Oxidation des aromatischen Ringes ist der

Angriff eines Elektrophils notwendig. Da die Sauerstofflöslichkeit in der ionischen

Flüssigkeit bei höherem Druck größer ist, kommt es durch die zu hohe

Sauerstoffkonzentration im Reaktionsmedium womöglich zu Nebenreaktionen mit

dem Katalysatorsystem. So könnte die Oxidation einer Komponente des

Katalysatorsystems zur Bildung einer elektrophilen Spezies führen, welche den

aromatischen Ring des Toluols angreift.

Da in dieser Arbeit die selektive Oxidation von Toluol zu Benzoesäure untersucht

werden sollte, wurden die folgenden Versuche bei einem Sauerstoffdruck von 15 bar

durchgeführt, um eine Überoxidation des Toluols zu vermeiden.

4.3.1.2 Katalysatorsystem Co(OAc)2, N-Hydroxysuccinimid (NHS) in [EMIM][OTf]

Löslichkeit von N-Hydroxyphthalimid und N-Hydroxysuccinimid

Da N-Hydroxyphthalimid eine relativ schlechte Löslichkeit in den meisten

organischen Lösungsmitteln, mit Ausnahme von Acetonitril und Essigsäure, besitzt

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Ergebnisse und Diskussion

108

sind seine Anwendungsmöglichkeiten stark begrenzt. So ist NHPI auch in den

meisten hydrophoben ionischen Flüssigkeiten wie zum Beispiel [BMPL][FAP] eher

schlecht löslich. Aus diesem Grund wurde versucht, NHPI durch das strukturell

ähnliche und besser lösliche N-Hydroxysuccinimid (NHS) zu ersetzen.

Vor Beginn der Oxidationsversuche wurde die Löslichkeit der beiden Imide in den

verwendeten ionischen Flüssigkeiten bei Raumtemperatur und bei 70°C untersucht.

Die Ergebnisse dieser Löslichkeitsversuche sind in Tabelle 20 wiedergegeben. Bei

Raumtemperatur ist NHPI in keiner der vier ionischen Flüssigkeiten analytisch

fassbar löslich. Bei Erhöhung der Temperatur auf 70°C können in den hydrophilen

ionischen Flüssigkeiten [EMIM][OTf] und [BMPL][OTf] maximal 12 Gew% NHPI

mittels NMR nachgewiesen werden. Eine deutlich höhere Löslichkeit von maximal 16

Gew% weist NHS in [EMIM][OTf] und [BMPL][OTf] bereits bei Raumtemperatur auf.

Eine weitere Verbesserung der Löslichkeit (über 16 Gew%) kann durch eine

Temperaturerhöhung auf 70°C erreicht werden. In [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2]

lösen sich bei 70°C maximal 9 Gew% NHS. Die Durchführung der

Oxidationsversuche ist daher mit NHS in allen vier ionischen Flüssigkeiten möglich.

Tabelle 20: Löslichkeit von NHPI und NHS in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten

Oxidation von Toluol mit Co(OAc)2 und NHS bei verschiedenen Sauerstoffdrücken

Zum Vergleich mit den vorhergehenden Versuchen mit NHPI wurde die Oxidation mit

NHS ebenfalls bei 15 und 30 bar in [EMIM][OTf] bei 70°C durchgeführt. Wie aus

Ionische

Flüssigkeit

NHPI

bei RT

NHPI

bei 70°C

NHS

bei RT

NHS

bei 70°C

[EMIM][OTf] Nicht löslich Löslich

(max. 12 Gew%)

Löslich

(max 16 Gew%)

Löslich

(> 16 Gew%)

[BMPL][OTf] Nicht löslich Löslich

(max. 12 Gew%)

Löslich

(max.16 Gew%)

Löslich

(>16 Gew%)

[BMPL][FAP] Nicht löslich Nicht löslich Nicht löslich Löslich

(max. 9 Gew%)

[BMPL][NTf2] Nicht löslich Nicht löslich Nicht löslich Löslich

(max. 9 Gew%)

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Ergebnisse und Diskussion

109

Tabelle 21 ersichtlich ist, können mit NHS bei 15 bar und bei 30 bar ähnliche

Umsätze wie mit NHPI erzielt werden. Die Reaktionen wurden jeweils abgebrochen,

wenn kein weiterer Sauerstoffverbrauch beobachtet wurde und sich ein konstanter

Druck eingestellt hat.

Tabelle 21: Oxidation von Toluol mit 10 mol% NHS und 0,5 mol% Co(OAc)2 in [EMIM][OTf] bei verschiedenen Drücken und 70°C

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), Toluol (m= 30 g), NHS (m= 3,7 g), Co(OAc)2 (m= 0,29 g), 70°C, 15-30 bar O2, 600 mL Autoklav.

Bei einem Druck von 15 bar wird ein Umsatz von 54,7 % mit einer Ausbeute an

Benzoesäure von 49,6 % erreicht. Der Umsatz bei einem Druck von 30 bar ist mit

52,8 % etwas geringer und die Ausbeute an Benzoesäure beträgt nur 45,2 %. Des

Weiteren kommt es bei Verwendung von NHS nicht zur Nebenreaktion der Oxidation

des aromatischen Ringes.

Im Gegensatz zu den Versuchen mit NHPI fällt die Induktionsperiode bei

Verwendung von NHS bei 15 bar deutlich länger aus (etwa 2,5 h) als bei 30 bar

(etwa 40 min) (Abbildung 31).

P (O2)

[bar]

t

[h]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzoesäure

(aus 1H-NMR)

[%]

15 19 54,7 5,1 49,6

30 3 52,8 7,6 45,2

Page 118: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

110

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

7

p(O2)= 15 bar

p(O2)= 30 bar

Sau

ers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Zeit [h]

Abbildung 31: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol mit NHS in [EMIM][OTf] bei verschiedenen Drücken und 70°C

Dieses, zu NHPI gegensätzliche Verhalten, lässt sich dadurch erklären, dass hier bei

30 bar keine Ringoxidation stattfindet. Darüber hinaus dauert das Erreichen eines

konstanten Enddruckes bei 15 bar wesentlich länger als bei 30 bar. Dies entspricht

der generellen Erwartung, dass die Reaktion bei einem höheren Sauerstoffdruck

schneller ablaufen sollte.

Die beiden Organokatalyatoren NHPI und NHS liefern hinsichtlich des Toluol

Umsatzes annähern die gleichen Ergebnisse. Die Induktionsperiode ist jedoch im

Falle von NHS bei einem Druck von 15 bar wesentlich länger als bei NHPI. Ein

Grund für die längere Induktionsperiode könnte eine schwerere Abstraktion des

H-Atoms des NHS durch den radikalischen Kobalt-Sauerstoff-Komplex sein. Die BDE

der NO-H-Bindung ist im Falle von NHS höher als bei NHPI (siehe Kapitel 2.2.2.3

Oxidation mit Aminoxylradikalen). Die Bildung des aktiven Radikals würde somit erst

verzögert erfolgen.

Ungeachtet der Reaktionsgeschwindigkeit liefern beide Organokatalysatoren einen

unvollständigen Umsatz. In den folgenden Versuchen soll durch Variation

verschiedener Parameter ein Grund für das plötzliche Erliegen der Reaktion nach

halbem Substratumsatz gefunden werden.

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Ergebnisse und Diskussion

111

4.3.1.3 Variation der Katalysatorkonzentration

Zunächst wurde der Einfluss der Konzentrationen der einzelnen Komponenten des

Katalysatorsystems untersucht. Die Versuche wurden, aufgrund der besseren

Löslichkeit, zunächst nur mit NHS durchgeführt. Da sich gezeigt hat, dass der Druck

keinen wesentlichen Einfluss auf den Umsatz hat, wurden alle folgenden Versuche

bei einem Sauerstoffdruck von 15 bar betrieben.

Variation der Konzentration von NHS

Die Konzentration von NHS wurde von 10 mol% auf 15 mol% erhöht, wobei die

Konzentration von Co(OAc)2 von 0,5 mol% beibehalten wurde. Die Reaktion wurde

abgebrochen sobald sich ein konstanter Druck eingestellt hat.

Wie aus Tabelle 22 zu entnehmen ist, steigt der Umsatz durch die Erhöhung der

Menge an NHS nur geringfügig von 54,7 % auf 59,2 %. Einen deutlichen Einfluss hat

die höhere NHS-Konzentration jedoch auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Aus Tabelle

22 und Abbildung 32 ist zu entnehmen, dass die Reaktion bei einer höheren

Konzentration bereits nach 2 h abgeschlossen ist.

Tabelle 22: Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit verschiedenen NHS-Konzentrationen und 0,5 mol% Co(OAc)2 bei 70°C und 15 bar O2

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), Toluol (m= 30 g), NHS (m= 3,7 g oder 5,6 g), Co(OAc)2 (m= 0,29 g), 70°C, 15 bar O2, 600 mL Autoklav.

Bei einer niedrigen Konzentration an NHS stellt sich dagegen erst nach etwa 19 h ein

konstanter Sauerstoffdruck im Reaktor ein. In bemerkenswerter Weise kann die

lange Induktionsperiode durch die Erhöhung der Konzentration von NHS vollständig

vermieden werden (siehe Abbildung 32).

NHS

[mol%]

t

[h]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzoesäure

(aus 1H-NMR)

[%]

10 19 54,7 5,1 49,6

15 2 59,2 5,2 54,0

Page 120: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

112

0 5 10 15 20

0

2

4

6

8

10

Sau

ers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Zeit [h]

10 mol% NHS

15 mol% NHS

Abbildung 32: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit 0,5 mol% Co(OAc)2 und 10 mol% bzw. 15 mol% NHS

Eine mögliche Erklärung für die lange Induktionsperiode bei einer geringeren

Konzentration von NHS ergibt sich aus dem Katalysezyklus der Reaktion (Schema

13). Einen Schlüsselschritt in der mit NHS oder NHPI katalysierten Oxidation von

Alkylaromaten stellt die Deprotonierung der N-Hydroxyimidverbindung durch den

gebildeten radikalischen Kobalt(III)-Sauerstoffkomplex (LnCoIIIOO.) dar. Bei einer zu

geringen Konzentration an NHS oder NHPI erfolgt möglicherweise die Reaktion eines

Kobalt(III)-Radikals (LnCoIIIOO.) mit der eingesetzten Kobalt(II)-Spezies (LnCoII)

schneller als die Deprotonierung des N-Hydroxyimids. Laut Yoshino et al.[103] ist die

Reaktion eines Kobalt(III)-Radikals mit der Kobalt(II)-Spezies zu einem µ-

Peroxokobalt(III)-Komplex (LnCoIII-O-O-CoIIILn) möglich.

Außerdem ist die Bildung eines PINO-Radikals aus der N-Hydroxyimidverbindung in

geringem Maße auch durch die Reaktion mit Sauerstoff möglich.[162] Bei einer hohen

Konzentration an NHS kommt es somit womöglich zu einer zusätzlichen Bildung von

Radikalen, wodurch der Start der Reaktion beschleunigt wird.

Variation der Konzentration von Co(OAc)2

Die Konzentration von Co(OAc)2 wurde von 0,5 mol% auf 1,0 mol% erhöht, wobei die

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Ergebnisse und Diskussion

113

erhöhte NHS-Konzentration von 15 mol% beibehalten wurde. Durch die Verdopplung

der Menge an Co(OAc)2 wird der Umsatz signifikant von 59,2 % auf 94,7 %

gesteigert (siehe Tabelle 23). Ein konstanter Druck wird mit 1,0 mol% erst nach 24 h

erreicht.

Tabelle 23: Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit verschiedenen Kobalt-Konzentrationen und 15 mol% NHS bei 70°C und 15 bar O2

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), Toluol (m= 30 g), NHS (m= 5,6 g), Co(OAc)2 (m= 0,29 g oder 0,57 g), 70°C, 15 bar O2, 600 mL Autoklav.

Wie aus Abbildung 33 ersichtlich, wird die Reaktion durch die zusätzliche Erhöhung

der Co(OAc)2 Menge jedoch deutlich verlangsamt und weist eine lange

Induktionsperiode von 5 h auf. Ein Grund hierfür könnte wiederum die Bildung von µ-

Peroxokobalt(III)-Komplexen durch die hohe Konzentration an Co(OAc)2 sein.

Erst nach 24 h Reaktionszeit nähert sich der Druck einem konstanten Wert. Auffällig

ist die starke Steigung der Kurve bis zu einem Sauerstoffverbrauch von 7 NL und

damit der beobachtete schnelle Sauerstoffverbrauch nach der fünfstündigen

Induktionsperiode.

Co(OAc)2

[mol%]

t

[h]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzoesäure

(aus 1H-NMR)

[%]

0,5 2,5 59,2 5,2 54,0

1,0 24 94,7 8,7 86,0

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Ergebnisse und Diskussion

114

0 5 10 15 20 25

0

2

4

6

8

10

12

Sau

ers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Zeit [h]

0,5 mol% Co(OAc)2

1,0 mol% Co(OAc)2

Abbildung 33: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit 0,5 mol% bzw. 1,0 mol% Co(OAc)2 und 15 mol% NHS

Der plötzliche, äußerst schnelle Reaktionsverlauf, mit einem Sauerstoffverbrauch von

etwa 7 NL innerhalb von 1,25 h, ist vermutlich auf die Bildung des

Benzylhydroperoxids und die anschließende Oxidation zum Benzaldehyd

zurückzuführen. Bei der Bildung des Benzaldehyds wird die Kobalt(III)-Spezies

wieder zur Kobalt(II)-Ausgangsspezies reduziert. Somit liegt genügend frisch

gebildetes Co(OAc)2 zur direkten Weiterreaktion mit Sauerstoff vor. Da die Reaktion

in diesem Moment äußerst schnell abläuft kommt es hier auch nicht mehr zur Bildung

von µ-Peroxokobalt(III)-Komplexen.

Der restliche wesentlich langsamere Sauerstoffverbrauch ab 7 NL wird

wahrscheinlich durch die Oxidation des Benzaldehyds zu Benzoesäure verursacht.

Gleichzeitig entsteht immer weniger neues Benzaldehyd wodurch auch die Reduktion

der Kobalt(III)-Spezies zur Kobalt(II)-Ausgangsspezies verlangsamt wird. Die

Konzentration an neugebildetem radikalischen Kobalt(III)-Sauerstoffkomplex sinkt

und die gesamte Reaktion wird deutlich langsamer.

Ähnliche Kurvenverläufe wurde von Yoshino et al.[103] bei der Oxidation

verschiedener Alkylaromaten mit dem Katalysatorsystem NHPI/Co(OAc)2 in

Essigsäure und Acetonitril beschrieben. In Acetonitril ist bei der Durenoxidation ein

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Ergebnisse und Diskussion

115

nahezu identischer Kurvenverlauf, mit einem sehr schnellen Reaktionsverlauf in der

Mitte der Kurve, beobachtet worden. Auch hier wurde angenommen, dass es in der

Anfangsphase hauptsächlich zur Bildung des entsprechenden Aldehyds kommt.

Damit ist der Reaktionsverlauf in ionischen Flüssigkeiten grundsätzlich ähnlich zu

dem Verlauf in Essigsäure.

Die Ausbeute an Benzaldehyd ist mit 8,7 %, im Vergleich zu 5,2 %, geringfügig höher

als bei niedrigerer Co(OAc)2-Konzentration. Dies weist auf eine noch nicht

abgeschlossene Reaktion hin. Bei Betrachtung der Kurve des Versuches mit

niedriger Konzentration an Co(OAc)2 (0,5 mol%) in Abbildung 33 fällt der plötzliche

Abbruch der Reaktion bei einem Sauerstoffverbrauch von etwa 5,8 NL auf. Es ist

selbst nach weiteren 2 Stunden Reaktionszeit kein weiterer Sauerstoffverbrauch zu

verzeichnen.

Anscheinend kommt bei einer zu geringen Kobaltkonzentration im Verhältnis zur

Konzentration an NHS die gesamte Reaktion plötzlich zum Erliegen. Eine Kobalt-

konzentration von 0,5 mol% würde damit nur ausreichen, um etwa die Hälfte des

Substrates zu oxidieren. Dafür müsste die Rückoxidation des Kobalt(III)-

Hydroperoxidkomplexes, der durch die Deprotonierung von NHS gebildet wird, zur

Kobalt(II)-Spezies gestört sein (siehe Schema 13). Somit würde der Katalysezyklus

unterbrochen werden.

4.3.1.4 Einfluss der Reaktionstemperatur

In den folgenden Versuchen wurde der Einfluss der Reaktionstemperatur auf den

Umsatz und die Reaktionsgeschwindigkeit untersucht. Die Temperatur wurde von

70 °C auf 80°C erhöht und während der exothermen Reaktion, durch Zuschalten

einer Kühlung, isotherm gehalten. Die Versuche wurden mit der optimalen

Katalysatorkonzentration (1,0 mol% Co(OAc)2, 15 mol% NHS) durchgeführt. Ein

Vergleich der Ergebnisse bei 70°C und 80°C ist in Tabelle 24 dargestellt.

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Ergebnisse und Diskussion

116

Tabelle 24: Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit 1,0 mol% Co(OAc)2 und 15 mol% NHS bei verschiedenen Temperaturen und 24 h Reaktionszeit

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), Toluol (m= 30 g), NHS (m= 5,6 g), Co(OAc)2 (m= 0,57 g), 70°C, 15 bar O2, 600 mL Autoklav.

Durch die Erhöhung der Temperatur kann die Ausbeute an Benzoesäure weiter

gesteigert werden. Die Ausbeute an Benzoesäure ist bei 80°C um 6,9 % höher als

bei 70°C. Da die Reaktion bereits bei 80°C stark exotherm verläuft und in der

Anfangsphase der Reaktion nur mit dauernder Gegenkühlung (10°C) isotherm

gehalten werden kann, wurde auf eine weitere Erhöhung der Temperatur verzichtet.

Die wichtigste Erkenntnis aus dem Versuch bei 80°C ist jedoch der vollständige

Wegfall der Induktionsperiode (siehe Abbildung 34).

0 5 10 15 20 25

0

2

4

6

8

10

12

70°C

80°C iso

Sau

ers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Zeit [h]

Abbildung 34: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit 1,0

mol% Co(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 70°C und 80°C

T

[°C]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzoesäure

(aus 1H-NMR)

[%]

70 94,7 8,7 86,0

80 99,8 6,9 92,9

Page 125: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

117

Eine Erklärung für das Ausbleiben der Induktionsperiode ist in der Literatur zu finden.

Zhang et al. fanden bei der Untersuchung des Katalysatorgemisches (NHQI,

Co(OAc)2, Acetonitril) mittels Fourier-Transformations-Infrarotspektrometrie (FTIR)

heraus, dass die Temperatur einen Einfluss auf die Wechselwirkungen zwischen

NHQI und dem Metallsalz hat. So wurden beim Aufheizen des Gemisches auf 100°C

zusätzliche Absorptionsbanden beobachtet. Daraus wurde geschlossen, dass bei

höherer Temperatur eine Koordination zwischen den C=O-Gruppen des NHQI und

dem Metall stattfindet.[154]

Variation der Katalysatorkonzentrationen bei optimaler Reaktionstemperatur

In den folgenden Versuchen wurde nochmals der Einfluss der einzelnen

Katalysatorkomponenten auf die Reaktion, bei der als optimal befundenen

Reaktionstemperatur von 80°C, bestimmt. Die Ergebnisse dieser vier Versuche sind

in Tabelle 25 dargestellt. Die Reaktionszeiten unterscheiden sich, da die Reaktion

jeweils bei Erreichen eines konstanten Sauerstoffdruckes abgebrochen wurde.

Tabelle 25: Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit Co(OAc)2 und NHS bei 80 °C und 15 bar O2 unter Variation der Katalysatorkonzentrationen

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), Toluol (m= 30 g), NHS (m= 3,7 g oder 5,6 g), Co(OAc)2 (m= 0,29 g oder 0,57 g), 80°C, 15 bar O2, 600 mL Autoklav.

Mit der in der Literatur verwendeten Konzentration (0,5 mol% Co und 10 mol% NHS)

konnte auch bei 80°C nur ein Umsatz von 59,0 % erreicht werden. Dies sind 4,3 %

mehr als in dem entsprechenden Versuch bei 70°C (vergleiche Tabelle 22). Bei

Co(OAc)2

[mol%]

NHS

[mol%]

t

[h]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzoesäure

(aus 1H-NMR)

[%]

1,0 15 25 99.8 6,9 92,9

0,5 15 6 72,7 5,2 67,5

1,0 10 3 27,6 6,9 20,7

0,5 10 22 59,0 6,7 52,3

Page 126: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Ergebnisse und Diskussion

118

Erhöhung der Kobalt-Konzentration auf 1,0 mol% aber Beibehaltung der NHS-

Konzentration von 10 mol% sinkt der Umsatz überraschenderweise auf 27,6 %. Wird

hingegen die NHS-Konzentration auf 15 mol% erhöht und die Kobalt-Konzentration

auf 0,5 mol% belassen, steigt der Umsatz von 59,0 % auf 72,7 %. Im Vergleich zum

Umsatz im entsprechenden Versuch bei 70°C (Tabelle 23) ist hierbei eine Steigerung

um 13,5 % zu verzeichnen. Die Reaktionsverläufe der einzelnen Versuche sind in

Abbildung 35 zusammengestellt. Eine Induktionsperiode kann durch die Verwendung

einer hohen NHS-Konzentration (15 mol%) vermieden werden. Die

Reaktionstemperatur von 80°C ermöglicht jedoch auch bei 10 mol % NHS einen

relativ schnellen Start der Reaktion nach etwa 30 Minuten. Im Falle der optimalen

Katalysatorkonzentration findet, nach einem schnellen Reaktionsablauf am Anfang,

eine langsame Annäherung an den Vollumsatz statt.

0 5 10 15 20 25

0

2

4

6

8

10

12

Sau

ers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Zeit [h]

1,0 mol% Co(OAc)2/ 15 mol% NHS

0,5 mol% Co(OAc)2/ 15 mol% NHS

1,0 mol% Co(OAc)2/ 10 mol% NHS

0,5 mol% Co(OAc)2/ 10 mol% NHS

Abbildung 35: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] bei

80°C und verschiedenen Katalysatorkonzentrationen

Der auffallend niedrige Umsatz bei einer alleinigen Erhöhung der Kobalt-

konzentration kann folgendermaßen erklärt werden: Durch einen Überschuss an

Co(OAc)2 kann es zu einer Reaktion der gebildeten Kobalt(III)-Radikale mit

Co(OAC)2 kommen (siehe Katalysezyklus Schema 13). Folglich stehen nicht mehr

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Ergebnisse und Diskussion

119

genügend Kobaltradikale für die Abstraktion eines H-Atoms von NHS zur Verfügung.

Die Bildung des aktiven PINO-Radikals ist dadurch nicht mehr möglich. Eine alleinige

Erhöhung der NHS-Konzentration steigert den Umsatz nur gering. Auch hier besteht

die Möglichkeit, dass bei einer zu großen Menge an gebildeten PINO-Radikalen, die

Reaktion eines PINO-Radikals mit NHS schneller abläuft als die Radikalbildung des

Substrates.

Einfluss des Organokatalysators bei optimalen Reaktionsbedingungen

Im Folgenden sollte die Aktivität der Organokatalysatoren NHS und NHPI verglichen

werden. Hierzu wurde zusätzlich ein Versuch mit 15 mol% NHPI und 1,0 mol%

Co(OAc)2 bei 80°C durchgeführt. Die Ergebnisse der Versuche sind in Tabelle 26

dargestellt. Mit NHPI wird, im Gegensatz zum Vollumsatz mit NHS, nur ein Umsatz

von 61,9 % erreicht.

Tabelle 26: Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit 1,0 mol% Co(OAc)2 und 15 mol% NHS oder NHPI bei 80 °C und 15 bar O2

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), Toluol (m= 30 g), NHS (m= 5,6 g) oder NHPI (m= 7,9 g), Co(OAc)2 (m= 0,57 g), 80°C, 15 bar O2, 600 mL Autoklav.

Wie aus Abbildung 36 ersichtlich verläuft die Reaktion mit beiden Organo-

katalysatoren zu Beginn gleich schnell. Im Fall von NHPI kommt es jedoch zu einer

starken Verlangsamung der Reaktion nach einem Sauerstoffverbrauch von nur etwa

3,7 NL. Die Reaktion läuft zwar langsam weiter, erreicht jedoch nur einen Umsatz

von 59,5 %. Bei der Verwendung von NHS setzt die Verlangsamung der Reaktion

erst wesentlich später bei einem Sauerstoffverbrauch von 5,7 NL ein. Und auch

danach ist hier eine geringere Abflachung der Kurve zu beobachten als beim

Versuch mit NHPI.

Co(OAc)2

[mol%]

Organo-katalysator

(15 mol%)

t

[h]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzoesäure

(aus 1H-NMR)

[%]

1,0 NHS 25 99.8 6,9 92,9

1,0 NHPI 22 61,9 2,4 59,5

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Ergebnisse und Diskussion

120

0 5 10 15 20 25

0

2

4

6

8

10

12

15 mol% NHS

15 mol% NHPI

Zeit [h]

Sau

ers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Abbildung 36: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] bei 80°C mit NHS und NHPI

Eine Erklärung hierfür ist aufgrund der relativ guten Löslichkeit beider

Organokatalysatoren in [EMIM][OTf] bei 80°C nicht in einer unvollständigen

Auflösung von NHPI in der ionischen Flüssigkeit zu suchen. Wie bereits in Kapitel

2.2.2.3 beschrieben wurde, ist für NHS, trotz der höheren Bindungs-Dissoziations-

Energie seiner NO-H-Bindung, meist eine höhere katalytische Aktivität zu

beobachten als für NHPI.

4.3.1.5 Einfluss der ionischen Flüssigkeit

Die folgenden Versuche zeigen den Vergleich der vier verschiedenen getesteten

ionischen Flüssigkeiten. Die Reaktionszeiten variieren, da die Versuche jeweils nach

der Einstellung eines konstanten Druckes abgebrochen wurden. Wie in Tabelle 27

dargestellt können die höchsten Umsätze in [EMIM][OTf] (99,8 %) und [BMPL][FAP]

(97,9 %) erreicht werden. Geringere Umsätze werden in [BMPL][OTf] (81,9 %) und

[BMPL][NTf2] (94,6 %) erzielt.

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Ergebnisse und Diskussion

121

Tabelle 27: Oxidation von Toluol in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten mit 1,0 mol% Co(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 80 °C und 15 bar O2

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), Toluol (30 g, 325 mmol), NHS (5,6 g, 30 mmol), Co(OAc)2 (0,57 g, 1,6 mmol), 80°C, 15 bar O2, 600 mL Autoklav.

Bei Betrachtung von Abbildung 37 fällt der äußerst schnelle Reaktionsablauf in

[BMPL][FAP] auf. Bereits nach etwa 1,5 h nähert sich der Sauerstoffverbrauch einem

konstanten Endwert. In [BMPL][FAP] kann mit 2,12 h-1 eine vier- bis fünffach höhere

TOF als in den anderen drei ionischen Flüssigkeiten erzielt werden. In [BMPL][NTf2]

kann ein ähnlich schneller Verlauf am Anfang der Reaktion beobachtet werden. Die

Annäherung an den Endwert des Sauerstoffverbrauches setzt hier jedoch wesentlich

später ein. Im Gegensatz zu [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2] weist die Reaktion in

den beiden OTf--basierten ionischen Flüssigkeiten keine Induktionsperiode auf. Der

steile Verlauf der beiden Kurven endet hier jedoch wesentlich früher als in den

beiden anderen ionischen Flüssigkeiten. Bereits bei einem Sauerstoffverbrauch von

etwa 5 NL nehmen die Kurven einen flacheren Verlauf an.

Der schnellere Reaktionsverlauf in [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2] lässt sich

einerseits durch die höhere Sauerstofflöslichkeit in diesen beiden ionischen

Flüssigkeiten erklären. Andererseits könnte der Reaktionsablauf in den

verschiedenen ionischen Flüssigkeiten auch grundsätzlich unterschiedlich sein. Wie

von Yoshino et al.[103] bei der Alkylaromatenoxidation in Essigsäure und Acetonitril

bereits beobachtet wurde unterscheidet sich sowohl die Reaktionsgeschwindigkeit

als auch der Verlauf der Produktbildung je nach Lösungsmittel. Zum Beispiel verlief

Ionische Flüssigkeit

t

[h]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzaldehyd

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute Benzoesäure

(aus 1H-NMR)

[%]

Turn Over Frequenzy (TOF)

[h-1]

[EMIM][OTf] 25 99.8 6,9 92,9 0,43

[BMPL][OTf] 22 81,9 2,1 79,8 0,40

[BMPL][FAP] 5 97,9 13,1 84,8 2,12

[BMPL][NTf2] 21 94,6 0,0 94,6 0,49

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Ergebnisse und Diskussion

122

in den Versuchen von Yoshino et al. die Oxidation der gebildeten Aldehyde zu den

entsprechenden Säuren in Acetonitril wesentlich schneller als in Essigsäure.

Allgemein konnte jedoch in Essigsäure ein wesentlich höherer Gesamtumsatz

erreicht werden.

0 5 10 15 20 25

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Sa

uers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Zeit [h]

[EMIM][OTf]

[BMPL][OTf]

[BMPL][FAP]

[BMPL][NTf2]

Abbildung 37: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf], [BMPL][FAP], [BMPL][OTf] und [BMPL][NTf2] bei 80°C

Die vergleichsweise hohe Ausbeute an Benzaldehyd, die bei der Oxidation von

Toluol in [BMPL][FAP] erreicht wird, lässt ebenfalls auf einen anderen

Reaktionsablauf in dieser ionischen Flüssigkeit schließen. Besonders auffällig ist der

Unterschied in den Kurvenverläufen in [BMPL][FAP] und in [BMPL][NTf2]. Die

Reaktion verlangsamt sich in [BMPL][NTf2] wesentlich früher als in [BMPL][FAP],

erreicht aber eine höhere Ausbeute an Benzoesäure bei geringerem Gesamtumsatz.

In [BMPL][FAP] verlangsamt sich die Reaktion erst, wenn schon fast der Endumsatz

von 97,9 % erreicht ist. Eine Erklärung hierfür müsste eine dauerhaft hohe

Konzentration an Benzaldehyd und damit eine äußerst schnelle Reduktion der

Kobalt(III)-Spezies zur Kobalt(II)-Ausgangsspezies über den gesamten Reaktions-

verlauf sein. Trotz weiterer 17,5 Stunden Reaktionszeit steigt der Umsatz jedoch

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Ergebnisse und Diskussion

123

nicht mehr merklich an. Die hohe Ausbeute an Benzaldehyd von 13,1 % spricht für

eine nicht vollständig abgeschlossene Reaktion. Möglicherweise ist in [BMPL][FAP]

durch den schnellen Reaktionsablauf (wie bereits in Kapitel 2.2.2.3 diskutiert) die

Weiteroxidation des Benzaldehyd zur Benzoesäure in gewissem Maße inhibiert.

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Ergebnisse und Diskussion

124

4.3.2 Oxidation von p-Xylol zu Terephthalsäure

Im Gegensatz zur Oxidation einfach alkylierter Aromaten zielt die Oxidation von

mehrfachalkylierten Aromaten darauf ab, einen möglichst hohen Umsatz zu den

entsprechenden Dicarbonsäuren zu erhalten.

4.3.2.1 Katalysatorsystem Co(OAc)2, Mn(OAc)2 und N-Hydroxysuccinimid

Aufgrund der Literaturergebnisse zur p-Xyloloxidation, die in Tabelle 6 bereits

dargestellt wurden, wurde für die folgenden Versuche ein Gemisch aus Co(OAc)2

und Mn(OAc)2 als Katalysator gewählt. Im Gegensatz zur Literatur wurden die

Versuche mit dem Organokatalysator NHS durchgeführt, der im Vergleich zu NHPI

eine größere Löslichkeit in den verwendeten ionischen Flüssigkeiten besitzt. Die

Oxidation von 30 g p-Xylol wurde in 60 g [EMIM][OTf] bei 80°C mit 15 mol% NHS

und jeweils 0,5 bzw. 1,0 mol% Co(OAc)2 und Mn(OAc)2 durchgeführt. Wie aus

Tabelle 28 ersichtlich ist, wird p-Xylol in beiden Fällen zu 100 % umgesetzt.

Tabelle 28: Oxidation von para-Xylol in [EMIM][OTf] mit je 0,5 mol% bzw. 1,0 mol% Co(OAc)2/Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 80°C und 15 bar O2

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), p-Xylol (m= 30 g), NHS (m= 4,88 g), Co(OAc)2 (m= 0,25 g oder 0,50 g ), Mn(OAc)2 (m= 0,24 g oder 0,49 g), 80°C, 15 bar O2, 600 mL Autoklav.

Die Erhöhung der Metallsalz-Konzentrationen von 0,5 mol% auf 1,0 mol% verdoppelt

die Ausbeute an Terephthalsäure. Aus Abbildung 38 wird ersichtlich, dass die

Erhöhung der Metallsalz-Konzentration die Anfangsgeschwindigkeit der Reaktion

nicht beeinflusst. Jedoch sorgt sie dafür, dass die gebildete p-Toluolsäure zu

Terephthalsäure weiter oxidiert werden kann. In Folgeversuchen, die hier nicht

dargestellt sind, hat sich gezeigt, dass eine weitere Erhöhung der NHS-Konzentration

Co(OAc)2/Mn(OAc)2

[mol%]

t

[h]

Umsatz

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute p-Toluylsäure

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute Terephthalsäure

(aus 1H-NMR)

[%]

0,5/0,5 23 100 83,0 17,0

1,0/1,0 24 100 69,0 31,0

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Ergebnisse und Diskussion

125

auf 20 mol% und der Temperatur auf 100°C keine maßgebliche Steigerung des

Umsatzes und der Ausbeute an Terephthalsäure bringt. Da die Reaktion jedoch auch

unter den untersuchten Bedingungen stark exotherm verläuft, wurde auf eine weitere

Erhöhung der Katalysatorkonzentrationen und der Temperatur verzichtet, um ein

thermisches Durchgehen der Reaktion zu verhindern.

0 5 10 15 20 25

0

2

4

6

8

10

12

14

Sau

ers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Zeit [h]

1,0 mol% Co(OAc)2, 1,0 mol% Mn(OAc)

2

0,5 mol% Co(OAc)2, 0,5 mol% Mn(OAc)

2

Abbildung 38: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von para-Xylol in [EMIM][OTf] mit Co(OAc)2/Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 80°C

Die einzige Möglichkeit zur weiteren Optimierung der Reaktion lag in der Änderung

des Mengenverhältnisses der ionischen Flüssigkeit zu p-Xylol. In den weiteren

Versuchen zum Vergleich der verschiedenen ionischen Flüssigkeiten wurde das

Verhältnis IL:Substrat von 2:1 auf 3:1 geändert.

4.3.2.2 Vergleich der verschiedenen ionischen Flüssigkeiten

Zum Vergleich der vier vorausgewählten ionischen Flüssigkeiten [EMIM][OTf],

[BMPL][OTf], [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2] wurden jeweils 20 g p-Xylol in 60 g

ionischer Flüssigkeit bei 80°C mit 15 mol% NHS und jeweils 1,0 mol% Co(OAc)2 und

Mn(OAc)2 umgesetzt. Wie die Ergebnisse aus Tabelle 29 zeigen führt die Reduktion

der Substratmenge von 30 g auf 20 g in [EMIM][OTf] zu einer Erhöhung der

Ausbeute an Terephthalsäure von 31,0 % auf 41,5 %. Die zweithöchste Ausbeute an

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Ergebnisse und Diskussion

126

Terephthalsäure kann mit 38,9 % in [BMPL][OTf], gefolgt von [BMPL][NTf2] mit

31,5 % erreicht werden. Die geringe Ausbeute von nur 5,0 % Terephthalsäure in

[BMPL][FAP] hängt wahrscheinlich mit der schlechten Löslichkeit von Mn(OAc)2 in

dieser ionischen Flüssigkeit zusammen.

Tabelle 29: Oxidation von para-Xylol in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten mit 1,0 mol% Co(OAc)2, 1,0 mol% Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 80 °C und 15 bar O2

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), p-Xylol (20 g, 188 mmol), NHS (3,25 g, 28 mmol), Co(OAc)2 (0,33 g, 1,9 mmol ), Mn(OAc)2 (0,32 g, 1,9 mmol), 80°C, 15 bar O2, 600 mL

Autoklav.

Bei Betrachtung des Reaktionsablaufes in den vier unterschiedlichen ionischen

Flüssigkeiten (Abbildung 39) fällt die nahezu identische Anfangsgeschwindigkeit der

Reaktion in allen vier Reaktionsmedien auf. Eine deutliche Verlangsamung der

Reaktion tritt zuerst in [BMPL][OTf] auf. Die Reaktion scheint in [BMPL][FAP] nach

vollständiger Oxidation der ersten Methylgruppe zu p-Toluolsäure relativ schnell zum

Erliegen zu kommen. Die schnellste Reaktion findet in [EMIM][OTf] statt und resultiert

damit auch in der höchsten Produktausbeute. Damit unterscheidet sich die

Reaktivität des p-Xylols in den ionischen Flüssigkeiten von der Reaktivität des

Toluols. Während bei der Toluoloxidation in den hydrophoben ionischen

Flüssigkeiten [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2] eine höhere Reaktivität zu beobachten

war, zeigt sich bei der p-Xyloloxidation in den hydrophilen ionischen Flüssigkeiten

[EMIM][OTf] und [BMPL][OTf] eine höhere Reaktivität. Dies hängt vermutlich mit der

Ionische Flüssigkeit

t

[h]

Umsatz

(aus1H-NMR)

[%]

Ausbeute p-Toluylsäure

(aus 1H-NMR)

[%]

Ausbeute Terephthalsäure

(aus 1H-NMR)

[%]

[EMIM][OTf] 16 100 58,5 41,5

[BMPL][OTf] 22 100 61,1 38,9

[BMPL][FAP] 4 100 95,0 5,0

[BMPL][NTf2] 14 100 68,5 31,5

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Ergebnisse und Diskussion

127

besseren Löslichkeit des Mangansalzes in den beiden hydrophilen ionischen

Flüssigkeiten zusammen. Die vollständige Oxidation des p-Xylols zur p-Toluolsäure

ist auch ohne die Zugabe von Mn(OAC)2 möglich.[199]

0 4 8 12 16 20 24

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

[BMPL][FAP]

[BMPL][OTf]

[BMPL][NTf2]

[EMIM][OTf]

Sau

ers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Zeit [h]

Abbildung 39: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von para-Xylol in verschiedenen ionische Flüssigkeiten mit 1,0 mol% Co(OAc)2 und 1,0 mol% Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS

bei 80°C

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Ergebnisse und Diskussion

128

4.4 Oxidation von Cyclohexan zu Adipinsäure

Im Vergleich zu den Alkylaromaten gelten zyklische Kohlenwasserstoffe als

wesentlich reaktionsträger. Wie aus Kapitel 2.2.2.2 ersichtlich ist, können jedoch

ähnliche Oxidationsmethoden angewandt werden.

4.4.1 Katalysatorsystem Co(OAc)2, Mn(OAc)2 und N-Hydroxysuccinimid

Wie aus der Literatur bekannt, kann auch bei der Oxidation von Cyclohexan die

Effizienz der Reaktion durch den kombinierten Einsatz von Kobalt- und

Mangansalzen gesteigert werden. Die in der Literatur[166] beschriebene Verwendung

von Mn(acac)2 zeigte jedoch in Vorversuchen zur Cyclohexanoxidation in den zu

testenden ionischen Flüssigkeiten keine katalytische Aktivität. Daher wurden die

folgenden Versuche unter den gleichen Bedingungen wie die p-Xyloloxidation

durchgeführt. Für die Oxidation von Cyclohexan ist laut Literatur[166] lediglich eine

etwas höhere Temperatur von 80-100°C notwendig. In Vorversuchen wurde die

Temperatur zwischen 80°C und 95°C variiert. Bei 95°C startete die Reaktion ohne

Induktionsperiode. Auf eine weitere Erhöhung der Temperatur wurde aufgrund der

hohen Exothermie der Reaktion verzichtet.

Tabelle 30: Oxidation von Cyclohexan in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten mit 1,0 mol% Co(OAc)2, 1,0 mol% Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 95 °C

Versuchsbedingungen: IL (m= 60 g), Cyclohexan (m= 10 g), NHS (m= 2,05 g), Co(OAc)2

(m= 0,21 g), Mn(OAc)2 (m= 0,21 g), 95°C, 15 bar O2, 600 mL Autoklav.

Ionische Flüssigkeit

t

[h]

Umsatz

(aus O2

Verbrauch)

[%]

[EMIM][OTf] 20 80,5

[BMPL][OTf] 17 79,3

[BMPL][FAP] 17 80,0

[BMPL][NTf2] 20 77,6

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Ergebnisse und Diskussion

129

Die Ergebnisse der Cyclohexanoxidation in den vier verschiedenen ionischen

Flüssigkeiten mit je 1,0 mol% Co(OAc)2 und Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 15 bar

Sauerstoffdruck und 95°C sind in Tabelle 30 dargestellt.

Die Isolierung der Produkte aus der ionischen Flüssigkeit und dem

Katalysatorsystem wurde auf unterschiedliche Weise versucht. Die Produkte konnten

jedoch weder mittels Extraktion mit unterschiedlichen Lösemitteln noch durch

Ausfällen der Adipinsäure mit Wasser vollständig abgetrennt werden. Für eine GC-

Analyse wurde darüber hinaus versucht die Produkte mittels Vakuumdestillation (bis

150°C und ca. 10-1 mbar) zu isolieren. Adipinsäure besitzt mit 330°C einen sehr

hohen Siedepunkt. Die Zersetzungspunkte von NHS und von wasserfreiem

Kobalt(II)-Acetat[200] liegen mit etwa 175°C (NHS) und 275-310 °C (Co(OAc)2) unter

dem Siedepunkt der Adipinsäure. Eine Vakuumdestillation konnte daher nicht ohne

die Zerstörung des Katalysatorsystems durchgeführt werden.

Daher war ausschließlich eine Analyse des Reaktionsgemisches mittels NMR

möglich. Der Umsatz und die Ausbeute der Hauptprodukte Cyclohexanon und

Adipinsäure konnte, aufgrund der starken Überlagerung verschiedener Peaks der

Produkte und der ionischen Flüssigkeiten, nicht mittels NMR-Analyse quantifiziert

werden. Ausschließlich das NMR-Spektrum des Versuches in [BMPL][OTf] konnte

qualitativ und quantitativ ausgewertet werden. Hier ergab sich eine Ausbeute an

Cyclohexanon von 5,1 % und eine Ausbeute an Adipinsäure von 74,2 %. Da hieraus

ersichtlich wurde, dass Cyclohexan selektiv zu Cyclohexanon und Adipinsäure

oxidiert wurde, konnte der Umsatz für die anderen ionischen Flüssigkeiten

annähernd anhand des Sauerstoffverbrauches berechnet werden.

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Ergebnisse und Diskussion

130

0 5 10 15 20

0

1

2

3

4

5

6

[EMIM][OTf]

[BMPL][OTf]

[BMPL][FAP]

[BMPL][NTf2]

Sau

ers

toff

verb

rau

ch

[N

L]

Zeit [h]

Abbildung 40: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Cyclohexan in verschiedenen ionische Flüssigkeiten mit 1,0 mol% Co(OAc)2 und 1,0 mol% Mn(OAc)2 und

15 mol% NHS bei 95°C

Dennoch soll hier eher ein Vergleich der Reaktionsverläufe in den verschiedenen

ionischen Flüssigkeiten erfolgen, da die 100%ige Genauigkeit der Umsatz-

bestimmung und der Produktzusammensetzungen nicht gewährleistet ist. Der

Gesamtverbrauch an Sauerstoff (siehe Abbildung 40) ist mit einem Betrag von etwa

5,6 NL in allen vier ionischen Flüssigkeiten annähernd gleich.

Einzig in der ionischen Flüssigkeit [BMPL][NTf2] ist der Verbrauch mit 5,3 NL etwas

geringer. Die höchste Anfangsgeschwindigkeit der Reaktion ist in [BMPL][FAP]

gefolgt von [BMPL][NTf2] zu beobachten. Obwohl die Reaktion in [EMIM][OTf] am

langsamsten verläuft, wird hier ein nahezu identischer Gesamtsauerstoffverbrauch

wie in [BMPL][FAP] erreicht. Die quantitative und qualitative Auswertung der

Reaktionsprodukte mittels 1H-NMR in [BMPL][OTf] zeigt eine hohe Ausbeute von

74,2 % an Adipinsäure.

Das Reaktionsverhalten in den vier ionischen Flüssigkeiten korreliert wiederum mit

dem in der Toluoloxidation beobachteten Verhalten. In den hydrophoben ionischen

Flüssigkeiten [BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2] zeigt sich eine höhere Reaktivität des

Cyclohexans als in den beiden hydrophilen ionischen Flüssigkeiten. Der im Vergleich

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Ergebnisse und Diskussion

131

zu den anderen ionischen Flüssigkeiten wesentlich schnellere Reaktionsablauf in

[BMPL][FAP] spricht auch hier wiederum für eine äußerst schnelle Reduktion der

Kobalt(III)-Spezies zur Kobalt(II)-Ausgangsspezies. Jedoch scheint die Weiter-

oxidation des Ketons zur Säure in [BMPL][FAP] inhibiert zu sein.

Bei einer zusammenfassenden Betrachtung der Ergebnisse aus Kapitel 4.3 und

Kapitel 4.4 fällt das von den anderen drei getesteten ionischen Flüssigkeiten

abweichende Reaktionsverhalten in [BMPL][FAP] auf. Da die Vermutung nahe liegt,

dass dieser Unterschied vor allem in der Bildung des Aldehyds/Ketons und der

Weiteroxidation zur Säure zu suchen ist, soll im Folgenden der entscheidende

Reaktionsschritt am Beispiel der Toluoloxidation näher betrachtet werden. Bereits in

Kapitel 2.2.2.3 wurde der Oxidationsschritt vom Benzylhydroperoxid zu Benzaldehyd

und weiter zu Benzoesäure anhand von Schema 10 und Schema 13 näher erläutert.

Zur Veranschaulichung ist in Abbildung 41 nochmals der Reaktionsverlauf der Toluol-

Oxidation in [BMPL][FAP] mit Unterteilung in zwei Reaktionsabschnitte dargestellt.

Der schnelle Reaktionsablauf in Abschnitt 1 ist folgendermaßen zu erklären: Mit einer

schnellen Reaktion des Benzylhydroperoxids zu Benzaldehyd (Schritt A) geht eine

schnelle Reduktion der Kobalt(III)-Spezies zum Kobalt(II)-Ausgangskomplex (Schritt

B) einher. Dies führt zu einem optimalen, raschen Ablauf des Katalysezyklus (Schritt

C), der sich in [BMPL][FAP] in dem extrem steilen Verlauf der Kurve am Anfang der

Reaktion wiederspiegelt (siehe Abbildung 37, Abbildung 39, Abbildung 40).

In Abschnitt 2 verlangsamt sich die Reaktion deutlich. Bei einem schnellen Ablauf

des Zyklus und der Oxidation zum Benzaldehyd steht jedoch für die Weiteroxidation

zur Benzoesäure (Schritt D) nur eine geringe Konzentration des Kobalt(II)-Salzes zur

Verfügung. Die Oxidation von Benzaldehyd zu Benzoesäure verläuft zwar auch ohne

Vorhandensein eines katalytischen Metallkomplexes, jedoch geschieht dies

wesentlich langsamer. Dies würde den vor allem in Abbildung 37 und Abbildung 39

beobachteten Abbruch der Reaktion in [BMPL][FAP] nach dem steilen Kurvenanstieg

erklären.

Daraus lässt sich schließen, dass der Schritt der Hydroperoxidoxidation und die

Reduktion der Kobalt(III)-Spezies in der ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP]

wesentlicher schneller abläuft als in den anderen untersuchten ionischen

Flüssigkeiten. Dies deutet daraufhin, dass der Ablauf der untersuchten

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Ergebnisse und Diskussion

132

Oxidationsreaktionen durch die ionische Flüssigkeit [BMPL][FAP] beeinflusst wird.

Der Vergleich mit der ionischen Flüssigkeit [BMPL][NTf2] zeigt, dass dieses Verhalten

nicht auf die hohe Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][FAP] zurückzuführen ist. Ein

möglicher Grund ist auch in der hohen Hydrophobizität der ionischen Flüssigkeit

[BMPL][FAP] zu finden. In der stark hydrophoben ionischen Flüssigkeit könnte die

Abspaltung des bei der Reaktion vom Peroxid zum Aldehyd entstehenden Wassers

begünstigt sein. Andererseits gibt es in der Literatur[201] Hinweise darauf, dass die

Anwesenheit von Wasser die Aktivität und Selektivität der Toluoloxidation zu

Benzoesäure erhöht. Dies würde eine weitere Erklärung für die geringere Ausbeute

an Benzoesäure in [BMPL][FAP] liefern.

Abbildung 41: Erläuterung des Reaktionsablaufes in [BMPL][FAP] anhand der Toluol-Oxidation

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Ergebnisse und Diskussion

133

4.5 Oxidation von Lignin

Die Oxidation von Lignin in ionischen Flüssigkeiten mit synthetischer Luft wurde im

Vorfeld, im Rahmen der eigenen Diplomarbeit,[16] bereits in Form eines Screenings

verschiedener ionischer Flüssigkeiten und Übergangsmetallsalze untersucht. Die

Ligninoxidation wurde mit unterschiedlichen Eisensalzen (Fe2(SO4)3, FeCl3),

Kupfersalzen (CuSO4, CuCl2) und Mangansalzen (MnSO4, MnCl2, Mn(NO3)2) in den

ionischen Flüssigkeiten [EMIM][EtSO4], [EMIM][MeSO3], [EMIM][NTf2],

[EMIM][OTos], [EMIM][OcSO4], [BMIM][Cl] und [EMIM][OTf] bei 100 °C und 80 bar

synthetischer Luft in einem Screeningreaktor durchgeführt. In allen Versuchen

konnten mit den Mangansalzen höhere Umsätze als mit den Kupfer- und Eisensalzen

erzielt werden. Das vielversprechendste Ergebnis lieferte die Kombination Mn(NO3)2

und [EMIM][OTf] mit einem Lignin-Umsatz von 41,0 %. Dieser Umsatz konnte in

Batch-Versuchen in einem 600 mL Parr-Autoklav auf bis zu 66,0 % erhöht werden.

4.5.1 Oxidation mit Mn(NO3)2

Aufgrund der guten Ergebnisse, die mit dem Katalysator Mn(NO3)2 in der ionischen

Flüssigkeit [EMIM][OTf] erreicht werden konnten, sollten weitere Untersuchungen

zum Einfluss der ionischen Flüssigkeit auf die Reaktion angestellt werden. Die

ionischen Flüssigkeiten wurden nach folgenden Kriterien ausgewählt: [EMIM][EtSO4]

lieferte das zweitbeste Ergebnis in den Screening Experimenten[16], [MMIM][MeSO4]

besitzt laut Literatur[202] eine der höchsten gemessenen Ligninlöslichkeiten und

[EMIM][MeSO3] wurde aufgrund seiner strukturellen Ähnlichkeit zu [EMIM][OTf]

ausgewählt. Die in Tabelle 31 dargestellten Versuche wurden in dem, in Kapitel 3.3.1

beschriebenen, 250 mL Autoklaven durchgeführt. Daher unterscheiden sich die

Versuchsergebnisse in [EMIM][OTf] von den, in der Diplomarbeit erhaltenen Werten,

die in einem 600 ML Parr-Autoklaven durchgeführt wurden. Mit einem Umsatz von

54,6 % kann jedoch auch in dieser Versuchsreihe das beste Ergebnis in [EMIM][OTf]

erzielt werden. Bemerkenswert ist, dass in [MMIM][MeSO4] nur ein Umsatz von 32,3

% erreicht werden kann, obwohl diese ionische Flüssigkeit eine ähnlich hohe

Ligninlöslichkeit wie [EMIM][OTf] besitzt. Die letzten beiden ionischen Flüssigkeiten

unterscheiden sich bezüglich des Lignin-Umsatzes von 30,0 % und 27,1 % nur wenig

voneinander.

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Ergebnisse und Diskussion

134

Tabelle 31: Oxidation von Lignin mit Mn(NO3)2 in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten

Versuchsbedingungen: Lignin (m= 4 g), Ionische Flüssigkeit (m= 40 g), Mn(NO3)2 (m=0,8 g),100°C, 80 bar synthetische Luft, 1000 U/min, 24 h, 250 mL Autoklav.

Interessanterweise kann die Massenbilanz der Reaktion jedoch nur in [EMIM][OTf]

und [EMIM][EtSO4] durch eine Reihe von Produktextraktionen annähernd

geschlossen werden. Das wässrige IL/Produktgemisch wurde zuerst mit Toluol, dann

mit Dichlormethan (DCM) und zuletzt mit Ethylacetat extrahiert. Dadurch ist in

[EMIM][OTf] und [EMIM][EtSO4] ein Zugriff auf das gesamte Produktspektrum der

Reaktion möglich.

Der Grund für eine offene Massenbilanz in den anderen beiden Systemen kann

einerseits die Bildung gasförmiger Produkte wie CO2 und andererseits die Bildung

stark wasserlöslicher Produkte wie unsubstituierter Phenole sein. In unabhängigen

Versuchen konnte gezeigt werden, dass sich geringe Mengen an Phenolen in den

Methylsulfonat- und Methylsulfatsystemen bilden. Diese Phenole konnten durch den

Einsatz von Trioctylamin in einer Reaktivextraktion aus der wässrigen Phase

separiert werden. Die Menge der extrahierten Phenole reichte jedoch nicht aus, um

die Massenbilanz vollständig zu schließen.

Die Ergebnisse der Produktanalyse der einzelnen Extraktionsphasen mittels GC-MS

sind in Tabelle 32 dargestellt.

Ionische Flüssigkeit

Umsatz

[%]

Ausbeute: mit

Toluol extrahiertes Produkt

[Gew%]

Ausbeute: mit

DCM extrahiertes Produkt

[Gew%]

Ausbeute: mit

Ethylacetat extrahiertes Produkt

[Gew%]

Ausbeute Produkt

[Gew%]

[EMIM][OTf] 54,6 5,9 26,9 19,8 52,6

[MMIM][MeSO4] 32,3 3,5 5,3 5,7 14,5

[EMIM][EtSO4] 30,0 7,7 14,3 6,8 28,8

[EMIM][MeSO3] 27,1 3,1 6,9 7,1 17,1

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Ergebnisse und Diskussion

135

Tabelle 32: Analyse der extrahierten Produkte mittels GC-MS

IL

Extraktions-

mittel

Retentions-

zeit [min]

m/z Substanzen

[EMIM][CF3SO3] Toluol 4.8, 8.4 157, 169 n.i.[a]

, DMBQ

DCM 5.8 ,6.5, 8.4,

9.3, 9.5

154, 152,169,

170, 183

Syringol, Vanillin, DMBQ, n.i.,

Syringaldehyd

EA 3.9, 8.6, 11.3 129, 151, 226 n.i., Coniferylfragment,

Sinapinsäure

[MMIM][MeSO4] Toluol 4.3, 6.5, 9.5 143, 153, 183 n.i., Vanillin, Syringaldehyd

DCM 5.8, 6.5, 9.5 154, 153, 183 Syringol, Vanillin,

Syringaldehyd

EA 3.2, 5.8, 9.5,

10.9

124, 154, 183,

199

Vanillinsäure-COOH, Syringol,

Vanillin, n.i.

[EMIM][EtSO4] Toluol 5.8, 6.5, 8.4,

8.6, 9.5, 11.3

154, 153, 169,

197, 183, 226

Syringol, Vanillin, DMBQ,

Syringasäure, Syringaldehyd,

Sinapinsäure

DCM 5.8, 6.5, 8.4,

9.5

154, 153, 169,

183

Syringol, Vanillin, DMBQ,

Syringaldehyd

EA 3.2, 5.9, 9,5 124, 154, 183 Vanillinsäure-COOH, Syringol,

Syringaldehyd

[EMIM][MeSO3] Toluol 4.8, 6.5, 8.4,

9.5

157, 153, 169,

183

n.i., Vanillin, DMBQ,

Syringaldehyd

DCM 3.2, 4.8, 5.8,

6.5, 8.4, 9.3,

9.5

124,157, 153,

169, 170, 183

Vanillinsäure-COOH, n.i.,

Vanillin, DMBQ, n.i.,

Syringaldehyd

EA 3.2, 5.8 124, 154 Vanillinsäure-COOH, Syringol

[a] nicht identifizierbares Ligninfragment

Bei Betrachtung der analysierten Produkte fällt auf, dass 2,6-Dimethoxy-1,4-

Benzochinon (DMBQ) in allen ionischen Flüssigkeiten außer in [MMIM][MeSO4]

gebildet wird. Darüber hinaus wurde nur in dem Produktgemisch von [EMIM][OTf]

keine Vanillinsäure detektiert. Ansonsten zeigen sich keine bemerkenswerten

Unterschiede in der Art der gebildeten Produkte. Eine Übersicht der chemischen

Strukturen aller Depolymerisationsprodukte befindet sich im Anhang (Kapitel 6.4.1

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Ergebnisse und Diskussion

136

Depolymerisationsprodukte).

Eine offene Frage ist, ob das Nitratsalz selbst eine aktive Rolle bei der Oxidation

einnimmt. So kann das Lignin prinzipiell entweder durch den gasförmigen Sauerstoff

der synthetischen Luft oxidativ gespalten werden oder durch den Sauerstoff des

Nitratanions. Um dieser Frage nachzugehen, wurde in einem weiteren Experiment

die Katalysatormenge um den Faktor 10 von 20 Gew% auf 2 Gew% reduziert. Der

Umsatz sollte hierbei deutlich sinken, falls das Nitratsalz eine oxidative Wirkung

besitzt. Aus Tabelle 33 wird ersichtlich, dass die Katalysatormenge keinen

erheblichen Einfluss auf den Lignin-Umsatz hat. Die Verringerung der

Katalysatormenge um den Faktor 10 führt lediglich zu einer Umsatzeinbuße von 3 %.

Tabelle 33: Oxidation von Lignin mit unterschiedlichen Katalysatormengen

Versuchsbedingungen: Lignin (m= 11,2 g), Ionische Flüssigkeit (m= 111,1 g), 100°C, 80 bar synthetische Luft, 1000 U/min, 24 h, 600 mL Parr-Autoklav.

Die Produktselektivität wird jedoch durch die Reduktion der Katalysatormenge stark

beeinflusst. In Tabelle 34 sind die mittels GC-MS identifizierten Hauptprodukte der

Versuche aus Tabelle 33 aufgeführt. Mit einer Katalysatormenge von 2,0 Gew%

werden hauptsächlich Vanillin, Syringaldehyd, DMBQ und geringe Mengen Syringol

gebildet. Bei Verwendung einer hohen Katalysatormenge ist das Hauptprodukt

DMBQ. Darüber hinaus konnte DMBQ in diesem Versuch als reine Substanz (>95 %)

durch Fällung mit Ethanol von den anderen Produkten separiert werden. Im

Gegensatz dazu konnte in dem Versuch mit geringer Katalysatormenge nur ein

kleiner Peak von DMBQ detektiert werden. Aufgrund der geringen Menge war hier

eine Separation von den anderen Produkten nicht möglich.

Die höchste Ausbeute von 11,5 Gew% (bezogen auf das eingesetzte Lignin) an

DMBQ konnte in weiteren Versuchen, durch eine optimierte Extraktion (mit DCM,

Mn(NO3)2

[g]

Mn(NO3)2

[Gew%]

Umsatz

[%]

Ausbeute:

Mit DCM extrahiertes Produkt

[Gew%]

2,22 20,0 66,3 32,5

0,22 2,0 63,0 27,2

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Ergebnisse und Diskussion

137

Toluol und Ethylacetat), erhalten und DMBQ als Reinstoff isoliert werden. Die

Selektivität für DMBQ wurde nach Formel 8 berechnet und ergab sich zu 21,0 %.

S [%] = [mDMBQ, isoliert / (m0,lignin-mlignin)] x 100 (Formel 8)

DMBQ dient als Synthon in der organischen Chemie und wird in der Literatur auch

als Anti-Tumormittel beschrieben.[203-204]

Tabelle 34: Produktanalyse mittels GC-MS bei Variation der Katalysatormenge

Mn(NO3)2 Extraktions-

mittel

Retentionszeit

[min]

m/z Substanzen

20 Gew% DCM 6.7

8.8

9.7

152

169

183

Vanillin

DMBQ

Syringaldehyd

2,0 Gew% DCM 5.9

6.7

8.6

9.7

154

153

169

183

Syringol

Vanillin

DMBQ

Syringaldehyd

Es wird vermutet, dass DMBQ durch die Überoxidation von Syringaldehyd entsteht.

Diese Annahme wurde in einem weiteren Experiment (siehe Anhang: Kapitel 6.4.2)

bestätigt, in dem pures Syringaldehyd unter den gleichen Bedingungen oxidiert

wurde wie Lignin. Die NMR-Analyse dieses Versuches ergab, dass Syringaldehyd

zwar nicht vollständig umgesetzt wird, aber DMBQ als einziges Produkt entsteht.

In allen Experimenten konnte keine Zersetzung der ionischen Flüssigkeiten in der

NMR-Analyse und mittels GC-MS beobachtet werden. Daher wurden Versuche

unternommen, die ionische Flüssigkeit zu rezyklieren. Dazu wurde die saure,

wässrige Lösung, die nach der Produktextraktion übrig blieb, mit CaCO3 neutralisiert

und das gebildete CaSO4 abfiltriert. Von der restlichen neutralen Lösung wurde am

Rotationsverdampfer das Wasser abgezogen, wobei es zur Fällung von weiterem

CaSO4 kam, welches wiederum abfiltriert werden musste. Durch die wiederholten

Filtrationsschritte kam es zu einem Verlust an ionischer Flüssigkeit. Die NMR-

Analyse der getrockneten ionischen Flüssigkeit zeigte zwar, aufgrund des

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Ergebnisse und Diskussion

138

zurückbleibenden Mangansalzes, ein paramagnetisches Spektrum, ansonsten

jedoch keine Produktreste oder Zersetzungsprodukte. Eine Rezyklierung der

ionischen Flüssigkeit ist daher grundsätzlich möglich.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass hier eine Methode gefunden wurde, um

Organosolv-Lignin mit guten Umsätzen und hohen Ausbeuten an Monomeren zu

oxidieren. Als geeignetes Reaktionssystem stellte sich die Kombination aus der

ionischen Flüssigkeit [EMIM][OTf] und dem Katalysator Mn(NO3)2 heraus, mit

welchem ein maximaler Ligninumsatz von 66.3 % erreicht werden konnte.

Durch den Katalysator Mn(NO3)2 und die Variation der eingesetzten Katalysator-

menge konnte die Selektivität der Produktbildung beeinflusst werden. Ein hoher

Katalysatorgehalt begünstigte die Bildung von 2,6-Dimethoxy-1,4-benzochinon, ein

niedriger Gehalt die Entstehung von Syringaldehyd. Aus dem komplexen

Produktgemisch konnten 11,5 Gew. % (bezogen auf die eingesetzte Ligninmenge)

der Reinsubstanz 2,6-Dimethoxy-1,4-benzochinon isoliert werden.

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Zusammenfassung und Ausblick

139

5. Zusammenfassung/Summary

5.1 Zusammenfassung und Ausblick

Diese Arbeit hatte die Untersuchung katalytischer Oxidationsreaktionen von

organischen Substraten in oxidationsstabilen ionischen Flüssigkeiten zum Ziel. Es

sollten die Eignung der von der Firma Merck entwickelten neuartigen ionischen

Flüssigkeiten mit [FAP]--Anion als Reaktionsmedium für verschiedene

Oxidationsreaktionen gezeigt werden. Dies sollte anhand von industrierelevanten

Oxidationsreaktionen, deren Produkte wichtige Rohstoffe für die Polymer-, Farbstoff-,

Parfüm- und Lebensmittelindustrie darstellen, erfolgen. Darüber hinaus sollte eine

Methode zur Wertschöpfung aus dem nachwachsenden Rohstoff Lignin ebenfalls

unter Verwendung einer ionischen Flüssigkeit als Reaktionsmedium optimiert

werden.

Zunächst wurde gezeigt, dass die neu entwickelte ionische Flüssigkeit [BMPL][FAP]

ein ähnlich hohes Vermögen besitzt, Sauerstoff zu lösen, wie die ionische Flüssigkeit

[BMPL][NTf2]. Für [BMPL][FAP] konnte eine niedrigere Henry-Konstante als für

[BMPL][NTf2] ermittelt werden. Da [BMPL][FAP] eine wesentlich höhere Viskosität

und damit der Sauerstoff einen geringeren Diffusionskoeffizienten in diese ionische

Flüssigkeit hinein besitzt als in [BMPL][NTf2], verläuft die Absorption des

Sauerstoffes in [BMPL][FAP] langsamer.[195]

In Oxidationsreaktionen konnten die Vorteile der ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP]

gegenüber den üblicherweise für Oxidationsreaktionen eingesetzten [PF6]--basierten

ionischen Flüssigkeiten gezeigt werden. Anhand der selektiven Oxidation von

Benzylalkohol zu Benzaldehyd konnte eine höhere Aktivität des Katalysatorsystems

Acetamido-TEMPO/DMAP/Cu(ClO4)2 in der ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP] im

Vergleich zu den drei untersuchten [PF6]--basierten ionischen Flüssigkeiten belegt

werden. In der ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP] verlief die untersuchte Reaktion

deutlich schneller als in den [PF6]--basierten ionischen Flüssigkeiten. Der Vollumsatz

zu Benzaldehyd wurde in [BMPL][FAP] bereits nach 18 Minuten Reaktionszeit

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Zusammenfassung und Ausblick

140

erreicht. In den ionischen Flüssigkeiten [B-4-MPy][PF6] und [B-3-MPy][PF6] betrug

die Reaktionszeit bis zum Vollumsatz zu Benzaldehyd 65 bzw. 70 Minuten. Des

Weiteren wurde die Druckabhängigkeit der Reaktion in [BMPL][FAP] untersucht. Die

Reaktionszeit verlängert sich durch die Senkung des Anfangsdruckes von 10 bar auf

5 bar kaum. In beiden Fällen war die Reaktion nach 18 Minuten beendet. Jedoch

verläuft die Druckabnahme bei 10 bar deutlich steiler als bei 5 bar. Somit weist die

Reaktion eine etwas höhere Reaktionsgeschwindigkeit bei höherem Druck auf. Da

die gelöste Menge an Sauerstoff in [BMPL][FAP] bei 10 bar höher sein sollte als bei 5

bar, scheint die Reaktion in geringen Maße von der zur Verfügung stehenden

Sauerstoffkonzentration abzuhängen. Diese Beobachtung konnte durch Betrachtung

des Katalysezyklus der Reaktion erklärt werden. Da der Sauerstoff ausschließlich zur

Regeneration des TEMPO-Radikals aus der protonierten TEMPO-Spezies benötigt

wird, kann ein Teil des Alkohols auch ohne Sauerstoff zum Aldehyd reagieren. Liegt

jedoch nur noch die protonierte TEMPO-Spezies vor, kommt die Reaktion zum

Erliegen. Für den Ablauf der Reaktion ist daher nur eine geringe Konzentration an

Sauerstoff nötig. Eine weitere Erhöhung der Sauerstoffkonzentration beschleunigt die

Reaktion nur geringfügig. Jedoch muss insgesamt genug Sauerstoff vorhanden sein,

um die vollständige Umsetzung des Substrates zu gewährleisten.

Anhand der Durchführung der Reaktion mit synthetischer Luft anstelle von Sauerstoff

konnte dies noch einmal verdeutlicht werden.

Bei den Versuchen mit synthetischer Luft schien diese minimal nötige

Sauerstoffkonzentration auch bei einem Druck von 25 bar nicht vollständig erreicht

zu werden. Trotz des gleichen Sauerstoffpartialdruckes von 5 bar wie bei den

Versuchen mit reinem Sauerstoff verläuft die Reaktion mit synthetischer Luft

langsamer (100 min anstatt 18 min). Ein Grund hierfür könnte die zusätzliche Lösung

von Stickstoff in der ionischen Flüssigkeit sein, welche die Aufnahme von Sauerstoff

verlangsamt.

Darüber hinaus konnte das katalytisch aktive Cu(ClO4)2 durch den Komplex

Cu[FAP]2 x 5 CH3CN ersetzt werden, was wiederum zu einem schnelleren

Reaktionsverlauf führte. Somit konnte bewiesen werden, dass Cu[FAP]2 x 5 CH3CN

eine höhere katalytische Aktivität aufweist als Cu(ClO4)2. Als Grund hierfür wurde

einerseits die bessere Löslichkeit von Cu[FAP]2 x 5 CH3CN in der [FAP]--basierten

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Zusammenfassung und Ausblick

141

ionischen Flüssigkeit angenommen. Andererseits wurde vermutet, dass das im

Vergleich zum Perchloratanion voluminösere [FAP]--Anion die Bildung der

Cu[DMAP]2-Spezies erleichtert.

Da die Nachhaltigkeit katalytischer Prozesse stark von der Rezyklierbarkeit des

katalytischen Systems abhängt, wurden darüber hinaus Rezyklierungsversuche mit

Cu(ClO4)2 und Cu[FAP]2 x 5 CH3CN durchgeführt. Dazu wurden das katalytische

System und die ionische Flüssigkeit, nach extraktiver Abtrennung der

Reaktionsprodukte, wiederverwendet. Die katalytische Aktivität nahm bei beiden

Katalysatoren im Verlauf von 3 Zyklen ab. Die Abschwächung der katalytischen

Aktivität und Zunahme der Reaktionsdauer fiel jedoch mit Cu[FAP]2 x 5 CH3CN

wesentlich stärker aus als mit Cu(ClO4)2. Als Erklärung für die stärkere Deaktivierung

von Cu[FAP]2 x 5 CH3CN im Vergleich zu Cu(ClO4)2 wurde die höhere Löslichkeit

von Cu[FAP]2 x 5 CH3CN im Extraktionsmittel n-Pentan angenommen. Ein

deutliches Anzeichen hierfür war die leichte Grünfärbung der n-Pentan-Phase, die im

Falle von Cu[FAP]2 x 5 CH3CN stärker ausfiel als bei Verwendung von Cu(ClO4)2.

Durch diese Ergebnisse konnte bereits gezeigt werden, dass die [FAP]--basierten

ionischen Flüssigkeiten gegenüber den [PF6]--basierten ionischen Flüssigkeiten

deutliche Vorteile in der Effizienz von Oxidationsreaktionen aufweisen. Da die

untersuchte Reaktion nur gering von der Sauerstofflöslichkeit abhängig zu sein

scheint, muss die ionische Flüssigkeit einen anderen positiven Effekt auf den

Reaktionsablauf aufweisen.

Anhand der Oxidation von Alkylaromaten und zyklischen Kohlenwasserstoffen sollte

die ionische Flüssigkeit [BMPL][FAP] weiterhin mit anderen ionischen Flüssigkeiten,

aber auch mit herkömmlichen Reaktionsmedien wie Essigsäure und Acetonitril

verglichen werden. Für die Oxidation dieser Substrate hat sich in der Literatur bereits

das katalytische System Co(OAc)2/NHPI bewährt. Für die Herstellung von

Dicarbonsäuren ist zusätzlich die Zugabe von Mn(OAc)2 förderlich. Als

grundsätzliche Vorteile der getesteten ionischen Flüssigkeiten gegenüber

herkömmlichen Reaktionsmedien haben sich die folgenden Aspekte herausgestellt:

Die benötigte Menge an Reaktionsmedium im Verhältnis zum Substrat war bei den

ionischen Flüssigkeiten wesentlich geringer als bei Essigsäure und Acetonitril. Die

ionischen Flüssigkeiten waren sowohl thermisch stabil als auch oxidationsstabil. Laut

Page 150: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Zusammenfassung und Ausblick

142

Yoshino et al. ist die Oxidation von einfach alkylierten Aromaten mit Co(OAc)2 und

NHPI in den Reaktionsmedien Essigsäure und Acetonitril schon bei Raumtemperatur

möglich.[103] In anderen literaturbekannten Arbeiten werden die gleichen Reaktionen

in Acetonitril jedoch bei 100°C durchgeführt und zeigen auch erst ab dieser

Temperatur eine zusätzliche Aktivierung des Katalysatorsystems.[154] Über die

Oxidation von para-Xylol und Cyclohexan bei Raumtemperatur gibt es hingegen

keine Berichte, die übliche Reaktionstemperatur beträgt hier meist 100°C. Für die

Versuche in den ionischen Flüssigkeiten hat sich bei der Alkylaromatenoxidation eine

Reaktionstemperatur von 80°C, bei der Cyclohexanoxidation eine Temperatur von

95°C als optimal herausgestellt. Die Umsätze waren in den ionischen Flüssigkeiten in

der Regel höher als die in der Literatur beschriebenen Ergebnisse in Essigsäure und

Acetonitril.

Zuerst wurden anhand der Toluoloxidation der Einfluss der verschiedenen

Katalysatorkomponenten und deren Konzentrationen auf die Reaktion untersucht.

Als optimal stellte sich eine Konzentration von 1,0 mol% Co(OAc)2 und 15 mol%

NHS heraus. Darüber hinaus konnte durch eine Erhöhung der Reaktionstemperatur

von 70°C auf 80°C der Umsatz weiter gesteigert und eine Induktionsphase der

Reaktion vermieden werden. Das leichter lösliche NHS zeigte im Vergleich zu NHPI

eine höhere Aktivität.

Bei der Oxidation von Toluol und Cyclohexan konnte in der ionischen Flüssigkeit

[BMPL][FAP] ein deutlich schnellerer Reaktionsverlauf als in [EMIM][OTf],

[BMPL][OTf] und [BMPL][NTf2] beobachtet werden. Bei der p-Xyloloxidation zeigte

sich in den hydrophilen ionischen Flüssigkeiten [EMIM][OTf] und [BMPL][OTf]

dagegen eine höhere Reaktivität als in den hydrophoben ionischen Flüssigkeiten

[BMPL][FAP] und [BMPL][NTf2].

Bei einer zusammenfassenden Betrachtung aller Versuche ist aufgefallen, dass in

der ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP] ein anderes Reaktionsverhalten als in den

drei anderen untersuchten ionischen Flüssigkeiten zu beobachten war. Besondere

Merkmale der Reaktion in [BMPL][FAP] sind:

- Äußerst schnelle Reaktion bis zum annähernden Endumsatz

- Höhere Ausbeute an Zwischenprodukten (Benzaldehyd, p-Toluolsäure) im

Vergleich zu den anderen ionischen Flüssigkeiten

- Geringere Ausbeute an den gewünschten Säuren

Page 151: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Zusammenfassung und Ausblick

143

Anhand des Reaktionsablaufes in [BMPL][FAP] wurde versucht, die einzelnen

Schritte der Reaktion anhand der Touoloxidation nachzuvollziehen.

Der schnelle Reaktionsablauf am Anfang der Reaktion wurde auf eine schnelle

Reaktion des Benzylhydroperoxids zu Benzaldehyd und eine damit einhergehende

schnelle Reduktion der Kobalt(III)-Spezies zum Kobalt(II)-Ausgangskomplex

zurückgeführt. Dies ermöglicht vermutlich einen optimalen, raschen Ablauf des

Katalysezyklus. Die plötzliche deutliche Verlangsamung der Reaktion war durch den

schnellen Ablauf des Zyklus und der Oxidation zum Benzaldehyd zu erklären,

wodurch für die Weiteroxidation zur Benzoesäure nur eine geringe Konzentration des

Kobalt(II)-Salzes zur Verfügung steht. Die Oxidation von Benzaldehyd zu

Benzoesäure verläuft zwar auch ohne Vorhandensein eines katalytischen

Metallkomplexes, jedoch geschieht dies wesentlich langsamer. Daraus lässt sich

schließen, dass der Schritt der Hydroperoxidoxidation und die Reduktion der

Kobalt(III)-Spezies in der ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP] wesentlicher schneller

abläuft als in den anderen untersuchten ionischen Flüssigkeiten. Dies deutet

daraufhin, dass der Ablauf der untersuchten Oxidationsreaktionen durch die ionische

Flüssigkeit [BMPL][FAP] beeinflusst wird. Der Vergleich mit der ionischen Flüssigkeit

[BMPL][NTf2] zeigt, dass dieses Verhalten nicht auf die hohe Sauerstofflöslichkeit in

[BMPL][FAP] zurückzuführen ist. Ein möglicher Grund ist auch in der hohen

Hydrophobizität der ionischen Flüssigkeit [BMPL][FAP] zu finden. In der stark

hydrophoben ionischen Flüssigkeit könnte die Abspaltung des bei der Reaktion vom

Peroxid zum Aldehyd entstehenden Wassers begünstigt sein. Andererseits gibt es in

der Literatur[201] Hinweise darauf, dass die Anwesenheit von Wasser die Aktivität und

Selektivität der Toluoloxidation zu Benzoesäure erhöht. Dies würde eine weitere

Erklärung für die geringere Ausbeute an Benzoesäure in [BMPL][FAP] liefern.

In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die neuartige ionische Flüssigkeit

[BMPL][FAP] ein geeignetes Reaktionsmedium für verschiedene industriell relevante

Oxidationsreaktionen darstellt. Dabei besitzt die ionische Flüssigkeit einige Vorteile

gegenüber herkömmlichen Reaktionsmedien wie Essigsäure und Acetonitril. Die

untersuchten Oxidationsreaktionen wiesen in [BMPL][FAP] allgemein hohe

Reaktionsgeschwindigkeiten und höhere Umsätze als in Essigsäure und Acetonitril

Page 152: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Zusammenfassung und Ausblick

144

auf. Darüber hinaus konnte die ionische Flüssigkeit im Vergleich zu Essigsäure und

Acetonitril in einem geringeren Reaktionsmedium/Substrat-Verhältnis eingesetzt

werden. Aufgrund ihrer hohen Sauerstofflöslichkeit kann [BMPL][FAP] darüber

hinaus als Ersatz für herkömmliche ionische Flüssigkeiten mit fluorierten Anionen wie

[PF6]-, [OTf]- und [NTF2]

- dienen.

Durch die Versuche zur Optimierung der Ligninoxidation konnte die Eignung der

ionischen Flüssigkeit [EMIM][OTf] für diesen Prozess bestätigt werden. Der Vergleich

von [EMIM][OTf] mit anderen ionischen Flüssigkeiten, die entweder eine ähnlich

hohe Ligninlöslichkeit oder eine starke strukturelle Ähnlichkeit aufwiesen, konnte

zeigen, dass es in keiner anderen ionischen Flüssigkeit möglich war annähernd die

gleichen Ergebnisse bezüglich des Ligninumsatzes und der Produktselektivität zu

erzielen. Von der Reinsubstanz 2,6-Dimethoxy-1,4-benzochinon konnte aus dem

komplexen Produktgemisch 11,5 Gew% (bezogen auf die eingesetzte Ligninmenge)

isoliert werden. Es sind in der Literatur keine Methoden zur Spaltung von Lignin

bekannt, mit denen eine ähnlich hohe Ausbeute einer isolierten Reinsubstanz erzielt

wurde.

Page 153: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Summary and Outlook

145

5.2 Summary and Outlook

This thesis was targeted on the investigation of catalytic oxidation reactions of

organic substrates in oxygen stable ionic liquids. The applicability of novel ionic

liquids, containing a [FAP]- anion, as reaction media for different oxidation reactions

has been studied. The products of the investigated oxidation reactions represent

relevant raw materials for the polymer, dye, cosmetic and food industry. Furthermore,

the optimization of a method for the valorization of the renewable raw material lignin

should be enabled by using an ionic liquid as reaction medium.

In the first part of this work the higher oxygen solubility of the novel ionic liquid

[BMPL][FAP] in comparison to [BMPL][NTf2] has been demonstrated. For

[BMPL][FAP] a lower Henry’s law constant than for [BMPL][NTf2] was determined.

The viscosity of [BMPL][FAP] is much higher than the viscosity of [BMPL][NTf2]. Due

to the higher viscosity of [BMPL][FAP], the oxygen has a lower diffusion coefficient

into this ionic liquid. Consequently the absorption of oxygen proceeds slower in

[BMPL][FAP]. [195]

The advantages of [BMPL][FAP] as a reaction medium for oxidation reactions

compared to commonly used [PF6]- ionic liquids could be shown in the next part. By

means of the selective oxidation of benzylic alcohol to benzaldehyde a higher activity

of the catalytic system acetamido-TEMPO/DMAP/Cu(ClO4)2 in [BMPL][FAP] has

been determined in comparison to different [PF6]- based ionic liquids. After a reaction

time of 18 minutes complete conversion of benzylic alcohol to benzaldehyde was

detected in [BMPL][FAP]. In the investigated ionic liquids [B-4-MPy][PF6] und [B-3-

MPy][PF6] complete conversion was reached after 65 respectively 70 minutes.

Furthermore the pressure dependence of the reaction was tested in [BMPL][FAP] by

lowering the initial pressure from 10 bar down to 5 bar. The variation of the initial

pressure has no influence on the reaction time. But the pressure drop is a bit steeper

at the higher initial pressure. This means that the reaction shows a slightly higher

reaction rate at a higher initial pressure. The amount of dissolved oxygen in the ionic

liquid should be higher at an initial oxygen pressure of 10 bar. The reaction seems to

depend on the available concentration of oxygen in the ionic liquid. This observation

Page 154: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Summary and Outlook

146

could be interpreted by studying the catalytic cycle of the reaction. The oxygen is

necessary for the regeneration of the TEMPO radical from the protonated TEMPO

species. Hence a part of the alcohol is able to react to the aldehyde in the absence of

oxygen. But the reaction is disrupted if only the protonated TEMPO species is

available. Thus, for the process of the reaction only a low oxygen concentration is

required. A further increase in oxygen concentration leads only to a slight

acceleration of the reaction. However, the oxygen concentration has to be high

enough to ensure total conversion of the substrate.

This could be demonstrated by using synthetic air instead of oxygen as oxidant. The

reaction sequence with synthetic air showed that the minimal required oxygen

concentration for the complete conversion of the substrate cannot be reached with

synthetic air. Even at a pressure of 25 bar synthetic air, which corresponds to an

oxygen partial pressure of 5 bar, the reaction proceeds much slower with synthetic air

(100 minutes) than with pure oxygen (18 minutes). A reason for this observation may

be the additional dissolution of nitrogen in the ionic liquid, which leads to a slower

uptake of oxygen.

In the following the catalytic active Cu(ClO4)2 was replaced by a Cu[FAP]2 x 5 CH3CN

complex. A faster reaction progress was observed by using the system acetamido-

TEMPO/DMAP/Cu[FAP]2 x 5 CH3CN as catalyst. Thus Cu[FAP]2 x 5 CH3CN offers a

higher catalytic activity than Cu(ClO4)2. On the one hand, a higher solubility of

Cu[FAP]2 x 5 CH3CN in the [FAP]- based ionic liquid seemed to be reasonable for

this behaviour. On the other hand, it was supposed that the more voluminous [FAP]-

anion facilitates the generation of the Cu[DMAP] species.

The sustainability of catalytic processes strongly depends on the recyclability of the

catalytic system. For this purpose the recyclability of Cu(ClO4)2 and Cu[FAP]2 x 5

CH3CN was proven over three cycles. After extractive separation of the reaction

products by using n-pentane, the catalytic system and the ionic liquid were utilized

again in the next run. The decrease in catalytic activity and the increase in reaction

time was higher with Cu[FAP]2 x 5 CH3CN than with Cu(ClO4)2. A reason for this

might be the slightly higher solubility of Cu[FAP]2 x 5 CH3CN in the extracting solvent

n-pentane.

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Summary and Outlook

147

According to these results, a first conclusion could be drawn. The utilization of [FAP]-

based ionic liquids can increase the efficiency of oxidation reactions. The positive

influence of the ionic liquid on the reaction progress seems not to depend exclusively

on their higher oxygen solubility.

The next part of this work contained a comparison of the ionic liquid [BMPL][FAP] as

a reaction media in contrast to other ionic liquids and common solvents like acetic

acid and acetonitrile. The oxidation of alkyl aromatics and cyclic hydrocarbons served

as model reactions for these studies. For the oxidation of these substrates the

application of the catalytic system Cu(ClO4)2/NHPI is described in literature. The

addition of Mn(OAC)2 supports the production of dicarboxylic acids.

Some fundamental advantages of the investigated ionic liquids could be highlighted

in contrast to the commonly used solvents. First of all, in the case of using ionic

liquids the required amount of reaction medium in ratio to the substrate is much

lower. Moreover the ionic liquids showed a higher thermal stability and a higher

stability against oxidation. According to Yoshino et al., the oxidation of alkyl aromatics

with the catalytic system Cu(ClO4)2/NHPI already takes place at room temperature.

[103] In other publications the same reactions are described in acetonitrile at 100°C.

Furthermore it is shown that an additional activation of the catalytic system can be

reached above 100°C.[154] In the case of para-xylene and cyclohexane the common

reaction temperature is 100°C. For the experiments described in this work, a reaction

temperature of 80°C for the oxidation of alkyl aromatics and of 95°C for the oxidation

of cyclohexanone turned out to be optimal. The conversions that could be reached

for these reactions in ionic liquids were generally higher than the literature results in

acetic acid and acetonitrile. Primarily the influence of the different catalyst

components and their concentration on the reaction was investigated on the basis of

toluene oxidation. A catalyst concentration of 1 mol% Co(OAc)2 and 15 mol% NHS

proved to be ideal. The conversion could be further increased and the appearance of

an induction period could be avoided by rising the temperature from 70°C up to 80°C.

The more soluble NHS showed a higher activity compared to NHPI.

In the oxidation of toluene and cyclohexane a significant faster reaction progress

could be observed in the ionic liquid [BMPL][FAP] compared to [EMIM][OTf],

[BMPL][OTf] and [BMPL][NTf2]. In the case of p-xylene oxidation the reactivity was

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Summary and Outlook

148

higher in the hydrophilic ionic liquids [BMPL][OTf] and [EMIM][OTf] than in the

hydrophobic ionic liquids [BMPL][NTf2] and [BMPL][FAP].

Summing up all experiments, it becomes obvious that the ionic liquid [BMPL][FAP]

exhibits another reaction behaviour than the other three tested ionic liquids.

Specific properties of the reaction in [BMPL][FAP] are the following:

- a remarkable fast reaction until complete conversion of the substrate

- higher yield of intermediate products like benzaldehyde and p-toluic acid than in

other ionic liquids

- lower yield of the desired acids.

On the basis of the reaction progress of the toluene oxidation, the single steps of the

reaction were studied. The fast progress in the beginning of the reaction was led

back to the quick reduction of the benzylic hydroperoxide to benzaldehyde. This

gives rise to a rapid reduction of the cobalt(II) species to the initial cobalt(II) complex.

Probably this enables an optimal and efficient flow of the catalytic cycle. The rapid

decrease of the reaction rate could be explained by fast flow of the cycle and the

generation of benzaldehyde. Therefor only a low concentration of the cobalt(II) salt is

available to keep up the oxidation to benzaldehyde. The oxidation of benzaldehyde to

benzoic acid also takes place in the absence of any metal complex, but it happens

very slowly. From this it can be concluded that the oxidation of the hydroperoxide and

the reduction of the cobalt(II) species proceed much faster in [BMPL][FAP] than in

the other ionic liquids. This indicates an influence of the ionic liquid [BMPL][FAP] on

the reaction progress of the investigated oxidation reactions. The comparison with

[BMPL][NTf2] makes obvious that the reason for this influence cannot be found in the

high oxygen solubility of [BMPL][FAP]. Another argument might be the high

hydrophobicity of [BMPL][FAP]. In this strongly hydrophobic ionic liquid the

dissociation of the water, occurring by the reaction of the peroxide to the aldehyde,

might be promoted. Additionally the literature[201] provides indications that the

absence of water increases the activity and selectivity of the oxidation of toluene to

benzoic acid. This would be another explanation for the low yield of benzoic acid

using [BMPL][FAP] as reaction medium.

This work represented the novel ionic liquid [BMPL][FAP] as adequate reaction

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Summary and Outlook

149

medium for different industrial relevant oxidation reactions. The ionic liquid

[BMPL][FAP] showed some advantages in comparison to common reaction media

like acetic acid and acetonitrile. The investigated oxidation reactions generally

showed high reaction rates and higher conversions than in acetic acid and

acetonitrile could be reached in [BMPL][FAP]. Moreover a lower ratio of reaction

medium to substrate was necessary in the case of [BMPL][FAP] compared to

common solvents. Because of its high oxygen solubility, [BMPL][FAP] can replace

common ionic liquids containing fluorinated anions like [PF6]-, [OTf]- and [NTF2]

-.

The applicability of [EMIM][OTf] as a reaction medium for the oxidation of lignin could

be demonstrated in the optimization experiments. The comparison of [EMIM][OTf]

with other ionic liquids that possess a similar solubility of lignin or a structural affinity

showed the significant advantages of [EMIM][OTf]. The highest conversion of lignin

and the highest product selectivity could only be reached by using [EMIM][OTf].

Furthermore the pure substance 2,6-dimethoxy-1,4-benzoquinone could be isolated

in a yield of 11,5 wt% from the complex product mixture. There are no methods for

the depolymerization of lignin described in literature that could yield such a high

amount of an isolated pure substance.

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Anhang

150

6. Anhang

6.1 Verzeichnisse

6.1.1 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Gebräuchliche Kationen und Anionen zur Bildung ionischer

Flüssigkeiten ............................................................................................................. 13

Abbildung 2: Reichardt‘s Farbstoff ............................................................................ 16

Abbildung 3: TEMPO Radikale ................................................................................. 28

Abbildung 4: N-Hydroxyimid-Derivate ....................................................................... 43

Abbildung 5: Konversion von Lignin zu Wertstoffen ................................................. 49

Abbildung 6: Grundbausteine der Ligninstruktur ....................................................... 50

Abbildung 7: Ausschnitt der Struktur eines Buchenlignins nach Nimz (übernommen

aus [169]) .................................................................................................................... 51

Abbildung 8: Einteilung des para-Hydroxyzimtalkoholgerüstes für mögliche

Bindungsarten .......................................................................................................... 52

Abbildung 9: Strukturen der eingesetzten ionischen Flüssigkeiten ........................... 61

Abbildung 10: Fließbild der verwendeten Druckmesszelle zur Bestimmung von

Gaslöslichkeiten in Flüssigkeiten .............................................................................. 62

Abbildung 11: Fließbild des verwendeten Batch-Autoklaven .................................... 66

Abbildung 12: Fließbild Semi-Batch-Autoklav ........................................................... 71

Abbildung 13: Foto des Semi-Batch-Autoklaven: 1 Reaktoreinheit, 2 Vorlagebehälter,

4 MFC, 5 Sicherheitsventile, 6 Spüleinheit. .............................................................. 72

Abbildung 14: Druckabnahmekurve in [BMPL][FAP] bei einem Anfangsdruck von

1,07 bar .................................................................................................................... 78

Abbildung 15: Druckabnahmekurve in [BMPL] [NTf2] bei einem Anfangsdruck von

1,065 bar .................................................................................................................. 80

Abbildung 16: [PF6]--basierte ionische Flüssigkeiten mit verschiedenen Pyridinium-

Kationen ................................................................................................................... 84

Abbildung 17: Druckverlauf der Benzylalkoholoxidation in [BMPL][FAP] und

[BMPL][PF6] .............................................................................................................. 88

Abbildung 18: Temperaturverlauf der Benzylalkoholoxidation in [BMPL][FAP] und

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Anhang

151

[BMPL][PF6] .............................................................................................................. 89

Abbildung 19: Druckverlauf in [BMPL][FAP] bei verschiedenen Anfangsdrücken .... 90

Abbildung 20: Temperaturverlauf in [BMPL][FAP] bei verschiedenen Anfangsdrücken

................................................................................................................................. 91

Abbildung 21: Druckabnahme während der Oxidation von Benzylalkohol mit

synthetischer Luft bei verschiedenen Anfangsdrücken. ............................................ 93

Abbildung 22: Temperaturverlauf während der Oxidation von Benzylalkohol mit

synthetischer Luft bei verschiedenen Anfangsdrücken. ............................................ 94

Abbildung 23: Vergleich der Druckverläufe der Oxidation von Benzylalkohol mit 5 bar

O2 und 25 bar synthetischer Luft. ............................................................................. 95

Abbildung 24: Vergleich der Temperaturverläufe der Oxidation von Benzylalkohol mit

5 bar O2 und 25 bar synthetischer Luft. .................................................................... 96

Abbildung 25: Druckverlauf der Reaktion mit Cu[FAP]2 und Cu(ClO4)2 in [BMPL][FAP]

bei Raumtemperatur und isothermer Reaktionsführung ........................................... 97

Abbildung 26: Druckverläufe der Rezyklierungsversuche mit Cu(ClO4)2 in

[BMPL][FAP] bei Raumtemperatur und isothermer Reaktionsführung ................... 100

Abbildung 27: Druckverläufe der Rezyklierungsversuche mit Cu[FAP]2 in

[BMPL][FAP] bei Raumtemperatur und isothermer Reaktionsführung ................... 101

Abbildung 28: Rezyklierbarkeit des katalytischen Systems über 3 Reaktionszyklen in

[BMPL][FAP] bei Raumtemperatur und 2,5 bar O2 ................................................. 102

Abbildung 29: Mögliche Struktur eines Oxidationsproduktes der Toluoloxidation bei

30 bar mit Angabe der theoretischen chemischen Verschiebung im 1H-NMR aus

ChemBioDraw Ultra 12.0 Datenbank. ..................................................................... 106

Abbildung 30: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol mit NHPI in

[EMIM][OTf] bei verschiedenen Drücken und 70°C ................................................ 107

Abbildung 31: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol mit NHS in

[EMIM][OTf] bei verschiedenen Drücken und 70°C ................................................ 110

Abbildung 32: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf]

mit 0,5 mol% Co(OAc)2 und 10 mol% bzw. 15 mol% NHS ..................................... 112

Abbildung 33: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf]

mit 0,5 mol% bzw. 1,0 mol% Co(OAc)2 und 15 mol% NHS .................................... 114

Abbildung 34: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf]

mit 1,0 mol% Co(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 70°C und 80°C .............................. 116

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Anhang

152

Abbildung 35: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf]

bei 80°C und verschiedenen Katalysatorkonzentrationen ...................................... 118

Abbildung 36: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf]

bei 80°C mit NHS und NHPI ................................................................................... 120

Abbildung 37: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf],

[BMPL][FAP], [BMPL][OTf] und [BMPL][NTf2] bei 80°C ......................................... 122

Abbildung 38: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von para-Xylol in

[EMIM][OTf] mit Co(OAc)2/Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 80°C ......................... 125

Abbildung 39: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von para-Xylol in

verschiedenen ionische Flüssigkeiten mit 1,0 mol% Co(OAc)2 und 1,0 mol%

Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 80°C ................................................................... 127

Abbildung 40: Sauerstoffverbrauch während der Oxidation von Cyclohexan in

verschiedenen ionische Flüssigkeiten mit 1,0 mol% Co(OAc)2 und 1,0 mol%

Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 95°C ................................................................... 130

Abbildung 41: Erläuterung des Reaktionsablaufes in [BMPL][FAP] anhand der Toluol-

Oxidation ................................................................................................................ 132

6.1.2 Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Polaritätsmessungen von ionischen Flüssigkeiten bei 25°C [27, 38] ........... 17

Tabelle 2: Gaslöslichkeiten in ionischen Flüssigkeiten bei 25°C [51-52] ...................... 21

Tabelle 3: Sauerstoffstabilität von ionischen Flüssigkeiten[4] .................................... 24

Tabelle 4: Flüssigphasenoxidation von Toluol mit heterogenem Katalysator[135] ...... 39

Tabelle 5: Oxidation von Toluol mit 10 mol% NHPI/ 0,5 mol% Co(II) bei

Raumtemperatur[103] ................................................................................................. 45

Tabelle 6: Oxidation von p -Xylol mit NHPI/ 0,5 mol% Co(OAc)2/ 0,5 mol % Mn(OAc)2

bei 100°C[163] ............................................................................................................ 45

Tabelle 7: Oxidation von Cyclohexan mit 10 mol% NHPI und Kobalt- oder

Mangansalz in Essigsäure[166] .................................................................................. 46

Tabelle 8: Daten des verwendeten GC/MS-Gerätes ................................................ 76

Tabelle 9: Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][FAP] ........................................................ 78

Tabelle 10: Sauerstofflöslichkeit in [BMPL][NTf2] ..................................................... 80

Tabelle 11: Vergleich der gemessenen Henry-Konstanten von [BMPL][NTf2] mit

Literaturwerten .......................................................................................................... 81

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Anhang

153

Tabelle 12: Oxidation von Benzylalkohol in der ionischen Flüssigkeit [B-4-MPy][PF6]

................................................................................................................................. 86

Tabelle 13: Oxidation von Benzylalkohol in [B-4-MPy][PF6] und [B-3-MPy][PF6] bei 10

bar O2 und Raumtemperatur .................................................................................... 86

Tabelle 14: Oxidation von Benzylalkohol in zwei verschiedenen ionischen

Flüssigkeiten bei 10 bar O2 und Raumtemperatur .................................................... 87

Tabelle 15: Oxidation von Benzylalkohol in [BMPL][FAP] bei Raumtemperatur und

verschiedenen Drücken ............................................................................................ 90

Tabelle 16: Oxidation von Benzylalkohol in [BMPL][FAP] mit synthetischer Luft bei

Raumtemperatur und 300 min Versuchsdauer ......................................................... 92

Tabelle 17: Oxidation von Benzylalkohol mit Cu[FAP]2 und Cu(ClO4)2 bei

Raumtemperatur und 2,5 bar O2 und 120 min Reaktionszeit ................................... 97

Tabelle 18: Rezyklierungsversuche mit Cu[FAP]2 und Cu(ClO4)2 bei Raumtemperatur

und 2,5 bar O2 .......................................................................................................... 99

Tabelle 19: Oxidation von Toluol mit 10 mol% NHPI und 0,5 mol% Co(OAc)2 in

[EMIM][OTf] bei verschiedenen Drücken und 70°C ................................................ 105

Tabelle 20: Löslichkeit von NHPI und NHS in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten

............................................................................................................................... 108

Tabelle 21: Oxidation von Toluol mit 10 mol% NHS und 0,5 mol% Co(OAc)2 in

[EMIM][OTf] bei verschiedenen Drücken und 70°C ................................................ 109

Tabelle 22: Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit verschiedenen NHS-

Konzentrationen und 0,5 mol% Co(OAc)2 bei 70°C und 15 bar O2......................... 111

Tabelle 23: Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit verschiedenen Kobalt-

Konzentrationen und 15 mol% NHS bei 70°C und 15 bar O2 ................................. 113

Tabelle 24: Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit 1,0 mol% Co(OAc)2 und 15 mol%

NHS bei verschiedenen Temperaturen und 24 h Reaktionszeit ............................. 116

Tabelle 25: Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit Co(OAc)2 und NHS bei 80 °C

und 15 bar O2 unter Variation der Katalysatorkonzentrationen ............................... 117

Tabelle 26: Oxidation von Toluol in [EMIM][OTf] mit 1,0 mol% Co(OAc)2 und 15 mol%

NHS oder NHPI bei 80 °C und 15 bar O2 ............................................................... 119

Tabelle 27: Oxidation von Toluol in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten mit 1,0

mol% Co(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 80 °C und 15 bar O2 ................................. 121

Tabelle 28: Oxidation von para-Xylol in [EMIM][OTf] mit je 0,5 mol% bzw. 1,0 mol%

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Anhang

154

Co(OAc)2/Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 80°C und 15 bar O2 ........................... 124

Tabelle 29: Oxidation von para-Xylol in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten mit

1,0 mol% Co(OAc)2, 1,0 mol% Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 80 °C und 15 bar O2

............................................................................................................................... 126

Tabelle 30: Oxidation von Cyclohexan in verschiedenen ionischen Flüssigkeiten mit

1,0 mol% Co(OAc)2, 1,0 mol% Mn(OAc)2 und 15 mol% NHS bei 95 °C ................. 128

Tabelle 31: Oxidation von Lignin mit Mn(NO3)2 in verschiedenen ionischen

Flüssigkeiten ........................................................................................................... 134

Tabelle 32: Analyse der extrahierten Produkte mittels GC-MS ............................... 135

Tabelle 33: Oxidation von Lignin mit unterschiedlichen Katalysatormengen .......... 136

Tabelle 34: Produktanalyse mittels GC-MS bei Variation der Katalysatormenge ... 137

6.1.3 Schemataverzeichnis

Schema 1: Synthese von FAP-basierten ionischen Flüssigkeiten[66] ........................ 25

Schema 2: Oxidation von Alkoholen zu Carbonylverbindungen ............................... 26

Schema 3: Angenommener Katalysezyklus der Alkoholoxidation mit Acetamido-

TEMPO, DMAP und Cu(II)[99] .................................................................................... 30

Schema 4: Oxidation von Toluol, p -Xylol und Cyclohexan ...................................... 33

Schema 5: Synthese von Polyethylenterephthalat ................................................... 35

Schema 6: Herstellung von 6,6-Nylon aus Adipinsäure ............................................ 36

Schema 7: Herstellungsprozess von Adipinsäure[112] ............................................... 38

Schema 8: Autooxidation von Alkylaromaten und Kohlenwasserstoffen[140] ............. 40

Schema 9: Oxidation von Alkylaromaten mit Kobaltkatalysator[140, 146-147] ................ 41

Schema 10: Übergangsmetallkatalysierte Oxidation von Toluol[139] ......................... 42

Schema 11: Oxidation von Kohlenwasserstoffen unter Zusatz von

Bromverbindungen[149] .............................................................................................. 42

Schema 12: H-Atomtransfer-Reaktion am Beispiel von Benzylalkohol[151] ............... 44

Schema 13: Oxidation von Alkylaromaten mit NHPI und Cobalt(II)salz[103] .............. 47

Schema 14: Angenommener Reaktionsmechanismus der Oxidation von Lignin mit

molekularem Sauerstoff.[14] ....................................................................................... 56

Schema 15: Oxidation von Benzylalkohol zu Benzaldehyd mit dem

Katalysatorsystem Cu(ClO4)2, DMAP und Acetamido-TEMPO in [B-4-MPy][PF6].[99]

................................................................................................................................. 85

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Anhang

155

6.2 Strukturen ionischer Flüssigkeiten

[BMPL][PF6] 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium -hexafluorophosphat

[BMPy][PF6] N-Butyl-4-methylpyridinium -hexafluorophosphat

[B-3-MPy][PF6] N-Butyl-3-methylpyridinium -hexafluorophosphat

[BMPL][FAP] 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium-tris(pentafluorethyl)trifluorphophat

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Anhang

156

6.3 Sauerstofflöslichkeit-Druckabnahmekurven

[BMPL][NTf2]

Pmess: 1,229 bar

0 5 10 15

1,20

1,21

1,22

1,23

1,24

1,25

Dru

ck (

ba

r)

Zeit (h)

Pmess: 1,464 bar

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

1,44

1,45

1,46

1,47

Dru

ck [

bar]

Zeit [h]

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Anhang

157

[BMPL][FAP]

Pmess: 1,193 bar

0 5 10 15 20

1,170

1,175

1,180

1,185

1,190

1,195

Dru

ck (

ba

r)

Zeit (h)

Pmess: 1,86 bar

0 10 20

1,82

1,83

1,84

1,85

1,86

Dru

ck (

ba

r)

Zeit (h)

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Anhang

158

6.4 Lignin

6.4.1 Depolymerisationsprodukte

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Anhang

159

6.4.2 Oxidation von Syringaldehyd-Versuchsbeschreibung

Die Oxidation von Syringaldehyd wurde in einem 250 mL Autoklaven mit einem

Gaseintragsrührer durchgeführt. Für dieses Experiment wurden 0,5 g Syringaldehyd

in 40,0 g ionischer Flüssigkeit ([EMIM][OTf]) gelöst. Zu dieser Lösung wurden 20

Gew% (bezogen auf Syringaldeyhd) des Katalysators Mn(NO3)2 gegeben und das

Gemisch in den Reaktor gefüllt. Der Reaktor wurde bei Raumtemperatur mit 65 bar

synthetischer Luft gefüllt, auf 100°C hochgeheizt und der Rührer auf 1000 U/min

eingestellt. Der Druck im Reaktor stieg durch das Hochheizen auf 80 bar an. Nach 24

h Reaktionszeit wurde der Reaktor auf Raumtemperatur heruntergekühlt und der

Druck abgelassen. Das Reaktionsgemisch wurde mittels 1H- und 13C-NMR analysiert.

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Literaturverzeichnis

160

7. Literaturverzeichnis

[1] Verband der Chemischen Industrie e.V., https://www.vci.de/Nachhaltigkeit/Seiten/Startseite.aspx, 15.11.2012.

[2] T. Punniyamurthy, L. Rout, Coord. Chem. Rev. 2008, 252, 134-154.

[3] T. Predel, E. Schlücker, Chem. Eng. Technol. 2009, 32, 1183-1188.

[4] T. Predel, Optimierung der Effizienz von Prozessmaschinen durch den Einsatz von ionischen Flüssigkeiten, Dissertation, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2011.

[5] B. Kamm, M. Kamm, Mitteilung der Fachgruppe Umweltchemie und Ökotoxikologie 2003, 9. Jahrgang.

[6] O. Müller, Die Angewandte Makromolekulare Chemie 1976, 52, 85-99.

[7] H.H. Nimz, R.Casten, Holz Roh- Werkst 1986, 44, 207-212.

[8] S. Fernando, S. Adhikari, C. Chandrapal, N. Murali, Energy & Fuels 2006, 20, 1727-1737.

[9] M. Kleinert, T. Barth, Energ. Fuel 2008, 22, 1371-1379.

[10] J. Parkas, G. Brunow, K. Lundquist, BioResources 2007, 2, 169-178.

[11] K. Kürschner, Journ. Prakt. Chem. 1928, 118, 238.

[12] T. Kishimoto, J. F. Kadla, H. Chang, H. Jameel, Holzforschung 2003, 57, 52-58.

[13] G. Wu, M. Heitz, E. Chornet, Ind. Eng. Chem. Res. 1994, 33, 718-723.

[14] G. Wu, M. Heitz, J. Wood Chem. Technol. 1995, 15, 189-202.

[15] K.-S. Shin, Y.-J. Lee, Biotechnol. Lett. 1999, 21, 585-588.

[16] K. Stärk, Depolymerisation von Lignin in ionischen Flüssigkeiten, Diplomarbeit, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2009.

[17] P. Wasserscheid, W. Keim, Angew. Chem. Int. Ed. 2000, 39, 3772-3789.

[18] J. S. Wilkes, Green Chem. 2002, 4, 73-80.

[19] R. Giernoth, Top. Curr. Chem. 2007, 276, 1-23.

[20] O. Aschenbrenner, S. Supasitmongkol, M. Taylor, P. Styring, Green Chem. 2009, 11, 1217-1221.

[21] P. Bonhôte, A.-P. Dias, N. Papageorgiou, K. Kalyanasundaram, M. Grätzel, Inorg. Chem. 1996, 35, 1168-1178.

[22] A. B. McEwen, H. L. Ngo, K. LeCompte, J. L. Goldman, J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 1687-1695.

[23] H. L. Ngo, K. LeCompte, L. Hargens, A. B. McEwen, Thermochim. Acta 2000, 357-358, 97-102.

[24] J. G. Huddleston, A. E. Visser, W. M. Reichert, H. D. Willauer, G. A. Broker, R.

Page 169: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Literaturverzeichnis

161

D. Rogers, Green Chem. 2001, 3, 156-164.

[25] M. Kosmulski, J. Gustafsson, J. B. Rosenholm, Thermochim. Acta 2004, 412, 47-53.

[26] J. S. Wilkes, J. A. Levisky, R. A. Wilson, C. L. Hussey, Inorg. Chem. 1982, 21, 1263-1264.

[27] P. Wasserscheid, T. Welton, Ionic liquids in synthesis, Second Edition, Wiley ,Weinheim 2008.

[28] D. R. Linde, Handbook of Chemistry and Physics, 82nd Edition, 2001, 182-186.

[29] A. A. Fannin, D. A. Floreani, L. A. King, J. S. Landers, B. J. Piersma, D. J. Stech, R. L. Vaughn, J. S. Wilkes, L. Williams John, J. Phys. Chem. 1984, 88, 2614-2621.

[30] R. L. Perry, K. M. Jones, W. D. Scott, Q. Liao, C. L. Hussey, J. Chem. Eng. Data 1995, 40, 615-619.

[31] J. Sun, M. Forsyth, D. R. MacFarlane, J. Phys. Chem. B 1998, 102, 8858-8864.

[32] M. Ma, K. E. Johnson, The Electrochemical Society: Pennington NJ 1994, 94, 179-186.

[33] C. Reichardt, Solvents and Solvent Effects in Organic Chemistry, 3rd Edition, Wiley-VCH, Weinheim 2003.

[34] K. Dimroth, C. Reichardt, T. Siepmann, F. Bohlmann, Justus Liebigs Annalen der Chemie 1963, 661, 1-37.

[35] C. Reichardt, Chem. Soc. Rev. 1992, 21, 147-153.

[36] C. Reichardt, Chem. Rev. 1994, 94, 2319-2358.

[37] C. Reichardt, Green Chem. 2005, 7, 339-351.

[38] I. Persson, Pure Appl. Chem. 1986, 58, 1153-1161.

[39] L. Crowhurst, P. R. Mawdsley, J. M. Perez-Arlandis, P. A. Salter, T. Welton, Phys. Chem. Chem. Phys. 2003, 5, 2790-2794.

[40] K. R. Seddon, A. Stark, M.-J. Torres, Pure Appl. Chem. 2000, 72, 2275-2287.

[41] C. F. Poole, B. R. Kersten, S. S. J. Ho, M. E. Coddens, K. G. Furton, J. Chromatogr., A 1986, 352, 407-425.

[42] C. Graenacher, Vol. 1943176, U.S. Patent, 1934.

[43] H. Wang, G. Gurau, R. D. Rogers, Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 1519-1537.

[44] D. A. Fort, R. C. Remsing, R. P. Swatloski, P. Moyna, G. Moyna, R. D. Rogers, Green Chem. 2007, 9, 63-69.

[45] N. Sun, M. Rahman, Y. Qin, M. L. Maxim, H. Rodriguez, R. D. Rogers, Green Chem. 2009, 11, 646-655.

[46] W. Li, N. Sun, B. Stoner, X. Jiang, X. Lu, R. D. Rogers, Green Chem. 2011, 13, 2038-2047.

Page 170: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Literaturverzeichnis

162

[47] P. Dyson, Transition Met. Chem. 2002, 27, 353-358.

[48] J. Dupont, R. F. de Souza, P. A. Z. Suarez, Chem. Rev. 2002, 102, 3667-3691.

[49] R. T. Carlin, J. S. Wilkes, J. Mol. Catal. 1990, 63, 125-129.

[50] P. Wasserscheid, H. Waffenschmidt, J. Mol. Catal. A 2000, 164, 61-67.

[51] J. L. Anderson, J. K. Dixon, J. F. Brennecke, Acc. Chem. Res. 2007, 40, 1208-1216.

[52] J. L. Anthony, J. L. Anderson, E. J. Maginn, J. F. Brennecke, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 6366-6374.

[53] P. Husson-Borg, V. Majer, M. F. Costa Gomes, J. Chem. Eng. Data 2003, 48, 480-485.

[54] C. Cadena, J. L. Anthony, J. K. Shah, T. I. Morrow, J. F. Brennecke, E. J. Maginn, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5300-5308.

[55] M. J. Muldoon, S. N. V. K. Aki, J. L. Anderson, J. K. Dixon, J. F. Brennecke, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 9001-9009.

[56] M. F. Costa Gomes, A. A. H. Pádua, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 14020-14024.

[57] Y.-F. Hu, Z.-C. Liu, C.-M. Xu, X.-M. Zhang, Chemical Society Reviews 2011, 40, 3802-3823.

[58] A. B. Pereiro, J. M. M. Araújo, S. Martinho, F. Alves, S. Nunes, A. Matias, C. M. M. Duarte, L. P. N. Rebelo, I. M. Marrucho, ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2013, 1, 427-439.

[59] A. B. Pereiro, L. C. Tomé, S. Martinho, L. P. N. Rebelo, I. M. Marrucho, Industrial & Engineering Chemistry Research 2013, 52, 4994-5001.

[60] M. S. Shannon, J. M. Tedstone, S. P. O. Danielsen, M. S. Hindman, A. C. Irvin, J. E. Bara, Industrial & Engineering Chemistry Research 2012, 51, 5565-5576.

[61] X. Zhang, F. Huo, Z. Liu, W. Wang, W. Shi, E. J. Maginn, The Journal of Physical Chemistry B 2009, 113, 7591-7598.

[62] N. V. Ignat’ev, H. Willner, P. Sartori, Journal of Fluorine Chemistry 2009, 130, 1183-1191.

[63] X. Huang, C. J. Margulis, Y. Li, B. J. Berne, Journal of the American Chemical Society 2005, 127, 17842-17851.

[64] Y. J. Heintz, L. Sehabiague, B. I. Morsi, K. L. Jones, H. W. Pennline, Energy & Fuels 2008, 22, 3824-3837.

[65] R. P. Swatloski, J. D. Holbrey, R. D. Rogers, Green Chem. 2003, 5, 361-363.

[66] N. V. Ignat’ev, U. Welz-Biermann, A. Kucheryna, G. Bissky, H. Willner, J. Fluorine Chem. 2005, 126, 1150-1159.

[67] N. Ignatyev, M. Schmidt, U. Heider, P. Sartori, A. Kucheryna, WO 02/098844 A1, Merck Patent GmbH, 2002.

Page 171: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Literaturverzeichnis

163

[68] N. V. Ignatyev, M. Schmidt, A. Kuehner, V.Hilarius, U. Heider, A. Kucheryna, P. Sartori, H. Willner, WO 03/002579, Merck Patent GmbH, 2003.

[69] N. Ignatyev, U. Welz-Biermann, G. Bissky, H. Willner, DE 10325050, Merck Patent GmbH, 2003.

[70] M. Schmidt, N. Ignatyev, U. Heider, P. Sartori, A. Kucheryna, WO 03/053918 A2, Merck Patent GmbH, 2003.

[71] N. Ignatyev, U. Welz-Biermann, G. Bissky, H. Willner, WO 04/106287, Merck Patent GmbH, 2004.

[72] M. Hudlicky, in ACS Monograph, Washington D.C., 1990.

[73] F. Cavani, J. H. Teles, ChemSusChem 2009, 508-534.

[74] A. A. Fokin, P. R. Schreiner, Chem. Rev. 2002, 102, 1551-1594.

[75] C. Hamblett, A. MacAlevy, US 2557282, DuPont, 1951.

[76] M.Goldbeck, F.Johnson, US 2703331, DuPont, 1953.

[77] T. Maki, K. Takeda, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000.

[78] I. Osada, A. Imai, A. Miki, JP-Kokai 5-255 181, Nippon Kokan, 1991.

[79] D. J. Loder, US 2245 528, DuPont, 1938.

[80] R. A. Sheldon, Pure Appl. Chem. 2000, 72, 1233-1246.

[81] W. S. Trahanovsky, Oxidation in Organic Chemistry, Academic Press: New York, 1978.

[82] M. J. Schultz, C. C. Park, M. S. Sigman, Chem. Commun. 2002, 3034-3035.

[83] I. E. Marko , P. R. Giles , M. Tsukazaki , I. Chelle-Regnaut , C. J. Urch , S. M. Brown, J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 12661-12662,.

[84] P. Gamez, I.W.C.E. Arends, R.A. Sheldon, J. Reedijk, Adv. Synth. Catal. 2004, 805-811.

[85] C. Kohlpaintner, M. Schulte, J. Falbe, P. Lappe, J. Weber, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000.

[86] H.-J.-. Arpe, Industrial Organic Chemistry 5th ed., Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2010.

[87] H. W. Knol, Manuf. Chem. Aerosol News 1966, 37, 42-45.

[88] F. Brühne, E. Wright, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000.

[89] S.N. Massie, H. S. Bloch, US 3790624, Universal Oil Products, 1972.

[90] M. P. R. Ciriminna, Org. Process Res. Dev. 2010, 14, 245-251.

[91] A. Studer, T. Vogler, Synthesis 2008, 2008, 1979-1993.

[92] I. E. Markó, P. R. Giles, M. Tsukazaki, S. M. Brown, C. J. Urch, Science 1996, 274, 2044-2046.

[93] I. A. Ansari, R. Gree, Org. Lett. 2002, 4, 1507-1509.

Page 172: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Literaturverzeichnis

164

[94] Y. Wang, J. L. DuBois, B. Hedman, K. O. Hodgson, T. D. P. Stack, Science 1998, 279, 537-540.

[95] P. Chaudhuri, M. Hess, J. Müller, K. Hildenbrand, E. Bill, T. Weyhermüller, K. Wieghardt, J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 9599-9610.

[96] N. Jiang, A. J. Ragauskas, ChemSusChem 2008, 823-825.

[97] J. M. Hoover, S. S. Stahl, J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 16901-16910.

[98] N. Jiang, A. J. Ragauskas, ChemSusChem 2008, 1, 823-825.

[99] N. Jiang, A. J. Ragauskas, Org. Lett. 2005, 7,

3689-3692.

[100] L.-X. Gao, X.-E. Wu, L. Ma, M.-X. Ding, Synlett 2005, 607-610.

[101] A. Caneschi, A. Grand, J. Laugier, P. Rey, R. Subra, J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 2307-2309.

[102] J. Laugier, J. M. Latour, A. Caneschi, P. Rey, Inorg. Chem. 1991, 30, 4474-4477.

[103] Y. Yoshino, Y. Hayashi, T. Iwahama, S. Sakaguchi, Y. Ishii, J. Org. Chem. 1997, 62, 6810-6813.

[104] F. Rosowski, S. Altwasser, C. K. Dobner, S. Storck, J. Zühlke, H. Hibst, Catal. Today 2010, 157, 339-344.

[105] W.T. Reichle, F.M. Konrad, J.R. Brooks, in Benzene and its Industrial Derivatives (Ed.: E. G. Hancock), Benn, London, 1975.

[106] Y. Kamiya, Oxidation of Organic Compounds 1968, 76, 193-206.

[107] J. R. Whinfield, J. T. Dickson, GB 578 079, 1941.

[108] W. A. Partheimer, M. Poliakoff, (Ed.: R. H. Crabtree), Handbook of Green Chemistry, Volume 1: Homogeneous Catalysis, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2009, p. 375.

[109] W. Partenheimer, Catal. Today 1995, 23, 69-158.

[110] W. Partenheimer, Adv. Synth. Catal. 2004, 346, 297-306.

[111] R. J. Sheehan, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000.

[112] F. Cavani, J. H. Teles, ChemSusChem 2009, 2, 508-534.

[113] M. T. Musser, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000.

[114] G. Riegelbauer, A. Wegerich, A. Kuerzinger, E. Haarer, GB 1092603, BASF, 1969.

[115] E. Haarer, G. Wenner, US 3564051, BASF, 1971.

[116] W. J. van Asselt, D. W. van Krevelen, Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas 1963, 82, 51-67.

[117] W. J. van Asselt, D. W. van Krevelen, Chem. Eng. Sci. 1963, 18, 471-483.

[118] H. C. Shen, H. S. Weng, Ind. Eng. Chem. Res. 1988, 27, 2246-2254.

Page 173: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Literaturverzeichnis

165

[119] A. Shimizu, K. Tanaka, H. Ogawa, Y. Matsuoka, M. Fujimori, Y. Nagamori, H. Hamachi, K. Kimura, Bull. Chem. Soc. Jpn. 2003, 76, 1993-2001.

[120] D. G. Rao, T. S. Raghunathan, J. Chem. Technol. Biotechnol. a-Chemical Technology 1984, 34, 381-386.

[121] P. Bernard, US 3 305 586, Stamicarbon, 1967.

[122] J. F. van Peppen, W. B. Fisher, US 4 092 360, Allied Chemical Corp., 1978.

[123] J. F. v. Peppen, US 5 015 787, Allied Chemical Corporation, 1991.

[124] K. Pugi, US 3 530 185, Du Pont 1970.

[125] M. Rapoport, J. O. White, US 3 957 876, Du Pont, 1976.

[126] M. Tojo, O. Mitsui, EP 162 475, Asahi, 1985.

[127] O. Mitsui, H. Goto, JP 63 154 636, Asahi, 1988.

[128] W. C. Drinkard, G. C. Grunewald, US 5 321 155, Du Pont, 1994

[129] T. Shirafuji, K. Sakai, K. Hirose, US 4 716 253, Sumitomo, 1987.

[130] H. Hock, S. Lang, Ber. Dtsch. Chem. Ges. (A and B Series) 1944, 77, 257-264.

[131] M. T. Musser, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000.

[132] P. Tan, S. Tang, B. Liang, Chem. Eng. Commun. 2010, 197, 953-962.

[133] D. A. Bulushev, F. Rainone, L. Kiwi-Minsker, Catal. Today 2004, 96, 195-203.

[134] M. Hronec, Z. Hrabe, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 1986, 25, 257-261.

[135] X. Li, J. Xu, F. Wang, J. Gao, L. Zhou, G. Yang, Catal. Lett. 2006, 108, 137-140.

[136] S. Tang, B. Liang, Ind. Eng. Chem. Res. 2007, 46, 7826-7829.

[137] C.F. Hendriks, H.C.A. van Beek, P. M. Heertjes, Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 1978, 17, 256-259.

[138] A. Gizli, G. Aytimur, E. Alpay, S. Atalay, Chem. Eng. Technol. 2008, 31, 409-416.

[139] W. Partenheimer, Appl. Catal., A: General 2011, 409-410, 48-54.

[140] A. S. Hay, H. S. Blanchard, Can. J. Chem. 1965, 43, 1306-1317.

[141] N. M. F. Carvalho, A. Horn Jr, O. A. C. Antunes, Appl. Catal., A: General 2006, 305, 140-145.

[142] A. C. Silva, T. L. Fernández, N. M. F. Carvalho, M. H. Herbst, J. Bordinhão, A. H. Jr, J. L. Wardell, E. G. Oestreicher, O. A. C. Antunes, Appl. Catal., A: General 2007, 317, 154-160.

[143] F.P. Canhota, G.C. Salomão, N.M.F. Carvalho, O. A. C. Antunes, Catal. Commun. 2007, 9 182-185.

[144] C. Detoni, N. M. F. Carvalho, D. A. G. Aranda, B. Louis, O. A. C. Antunes, Appl. Catal., A: General 2009, 365, 281-286.

Page 174: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Literaturverzeichnis

166

[145] I. Hermans, J. Peeters, P. A. Jacobs, Top. Catal. 2008, 50, 124-132.

[146] P. Raghavendrachar, S. Ramachandran, Ind. Eng. Chem. Res. 1992, 31, 453-462.

[147] T. Morimoto, Y. Ogata, J. Chem. Soc. B: Physical Organic 1967, 1353-1357.

[148] Y. Kamiya, Journal of Catalysis 1974, 33, 480-485.

[149] J. H. Raley, F. F. Rust, W. E. Vaughan, J. Am. Chem. Soc. 1948, 70, 1336-1338.

[150] M. Ilyas, M. Sadiq, Catal. Lett. 2008, 128, 337-342.

[151] C. Galli, P. Gentili, O. Lanzalunga, Angew. Chem. 2008, 120, 4868-4874.

[152] P. P. Toribio, A. Gimeno-Gargallo, M. C. Capel-Sanchez, M. P. de Frutos, J. M. Campos-Martin, J. L. G. Fierro, Appl. Catal., A: General 2009, 363, 32-39.

[153] P. Astolfi, P. Brandi, C. Galli, P. Gentili, M. F. Gerini, L. Greci, O. Lanzalunga, New J. Chem. 2005, 29, 1308-1317.

[154] Q. Zhang, C. Chen, J. Xu, F. Wang, J. Gao, C. Xia, Adv. Synth. Catal. 2011, 353, 226-230.

[155] E. Grochowski, T. BolesŁAwska, J. Jurczak, Synthesis 1977, 1977, 718-720.

[156] M. Masui, S. Hara, S. Ozaki, Chem. Pharm. Bull. 1986, 34, 975-979.

[157] M. Masui, S. Hara, T. Ueshima, T. Kawaguchi, S. Ozaki, Chem. Pharm. Bull. 1983, 31, 4209-4211.

[158] M. Masui, K. Hosomi, K. Tsuchida, S. Ozaki, Chem. Pharm. Bull. 1985, 33, 4798-4802.

[159] M. Masui, T. Kawaguchi, S. Yoshida, S. Ozaki, Chem. Pharm. Bull. 1986, 34, 1837-1839.

[160] J. Foricher, C. Furbringer, K. Pfoertner, EP Patent 0198351, 1986.

[161] J. Foricher, C. Furbringer, K. Pfoertner, U.S. Patent 5030739, 1991.

[162] Y. Ishii, K. Nakayama, M. Takeno, S. Sakaguchi, T. Iwahama, Y. Nishiyama, J. Org. Chem. 1995, 60, 3934-3935.

[163] Y. Tashiro, T. Iwahama, S. Sakaguchi, Y. Ishii, Adv. Synth. Catal. 2001, 343, 220-225.

[164] S. A. Chavan, S. B. Halligudi, D. Srinivas, P. Ratnasamy, J. Mol. Catal. A: Chemical 2000, 161, 49-64.

[165] D. A. S. Ravens, Trans. Faraday Soc. 1959, 55, 1768-1776.

[166] T. Iwahama, K. Syojyo, S. Sakaguchi, Y. Ishii, Org. Process Res. Dev. 1998, 2, 255-260.

[167] E. Adler, Wood Sci. Technol. 1977, 11, 169-217.

[168] R. Whetten, R. Sederoff, Plant Cell 1995, 7, 1001-1013.

[169] H. H. Nimz, Angew. Chem. 1974, 9, 336-344.

[170] K. Freudenberg, A. C. Neish, Constitution and Biosynthesis of Lignin, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1968.

Page 175: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Literaturverzeichnis

167

[171] K. Freudenberg, A. Janson, E. Knopf, A. Haag, Ber. Deutsch. Chem. Ges. 1936, 1415.

[172] K. Freudenberg, W. Lautsch, K. Engler, Ber. Deutsch. Chem. Ges. B 1940 73, 167-293.

[173] R. H. J. Creighton, R. D. Gibbs, H. Hibbert, J. Amer. Chem. Soc. 1944, 66, 32.

[174] M. Erickson, S. Larsson, G. E. Miksche, Acta Chem. Scand. 1973, 27, 127-140.

[175] T.P. Schultz, M. C. Templeton, Holzforschung 1986, 40, 93-97.

[176] F. Haber, J. Weiss, P. Soc. Lond. A Mat 1934, 147, 332-351.

[177] V.E. Taraban’ko, N.V. Koropatchinskaya, A.V. Kudryashev, B. N. Kuznetsov, Russ. Chem. Bull. 1995, 44, 367-371.

[178] L. L. Landucci, Trans. Tech. Sect. Can. Pulp Pap. Assoc. 1978, 4, 25-29.

[179] R. Riffer, Proc. Sugar Process Res. Conf. 1984, 231.

[180] S. K. Bhargava, H. J. J. Tardio, D.B. Akolekar, K. Föger, M. Hoang, Catal. Surv. Asia 2007, 11, 70-86.

[181] F. G. Sales, L. C. A. Maranhao, N. M. Lima Filho, C. A. M. Abreu, Chem. Eng. Sci. 2007, 62, 5386-5391.

[182] Y. Pu, N. Jiang, A. J. Ragauskas, J. Wood Chem. Technol. 2007, 27, 23-33.

[183] J. B. Binder, M. J. Gray, J. F. White, Z. C. Zhang, J. E. Holladay, Biomass Bioenerg. 2009, 33, 1122-1130.

[184] S.H. Lee, T.V. Doherty, R.J. Linhardt, J. S. Dordick, Biotechnol. Bioeng. 2009, 102, 1368-1376.

[185] B. J. Cox, S. Jia, Z. C. Zhang, J. G. Ekerdt, Polym. Degrad. Stab. 2011, 96, 426-431.

[186] J. Zakzeski, P. C. A. Bruijnincx, B. M. Weckhuysen, Green Chem. 2011, 13, 671-680.

[187] S. Jia, B. J. Cox, X. Guo, Z. C. Zhang, J. G. Ekerdt, ChemSusChem 2010, 3, 1078-1084.

[188] T. Predel, E. Schlücker, P. Wasserscheid, D. Gerhard, W. Arlt, Chemical Engineering & Technology 2007, 30, 1475-1480.

[189] D. R. MacFarlane, P. Meakin, J. Sun, N. Amini, M. Forsyth, The Journal of Physical Chemistry B 1999, 103, 4164-4170.

[190] J.L. Anthony, J.L. Anderson, E.J. Maginn, J. F. Brennecke, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 6366-6374.

[191] S. N. V. K. Aki, B. R. Mellein, E. M. Saurer, J. F. Brennecke, J. Chem. Phys. B 2004, 108, 20355-20365.

[192] www.merck-chemicals.com/showBrochure?id=200905.060, 2010.

[193] D. Camper, C. Becker, C. Koval, R. Noble, Industrial & Engineering Chemistry Research 2005, 45, 445-450.

Page 176: Katalytische Oxidationsreaktionen in hochgradig ... · Gew% Gewichtsprozent g Gramm h Stunden HMIM+ 1-Hexyl-3-methylimidazolium HMPy+ N-Hexyl-3-methylpyridinium IL Ionische Flüssigkeit

Literaturverzeichnis

168

[194] D. Morgan, L. Ferguson, P. Scovazzo, Industrial & Engineering Chemistry Research 2005, 44, 4815-4823.

[195] M. C. Buzzeo, O. V. Klymenko, J. D. Wadhawan, C. Hardacre, K. R. Seddon, R. G. Compton, J. Phys. Chem. A 2003, 107, 8872-8878.

[196] A. Bundu, N. G. Berry, C. D. Gill, C. L. Dwyer, A. V. Stachulski, R. J. K. Taylor, J. Whittall, Tetrahedron: Asymmetry 2005, 16, 283-293.

[197] C. L. Dwyer, C. D. Gill, O. Ichihara, R. J. K. Taylor, Synlett 2000, 2000, 0704-0706.

[198] A. Rashid, G. Read, Journal of the Chemical Society C: Organic 1967, 0, 1323-1325.

[199] Y. Ishii, S. Sakaguchi, Catalysis Today 2006, 117, 105-113.

[200] R. W. Grimes, A. N. Fitch, Journal of Materials Chemistry 1991, 1, 461-468.

[201] J. Zhu, S. L. T. Andersson, Appl. Catal. 1989, 53, 251-262.

[202] S. H. Lee, T. V. Doherty, R. J. Linhardt, J. S. Dordick, Biotechnol. Bioeng. 2009, 102, 1368-1376.

[203] S. Hayashi, H. Ueki, H. Aoki, K. Tanaka, F. Kanji, K. Junjiro, M. Kozo, Chem. Pharm. Bull. 1963, 11, 948-951.

[204] E. Jones, e. al., J. Nat. Prod. 1981, 44, 493-494.