Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6874

Homogen katalysierte Reaktionen unter hohen Drücken

Jörn Albers

Zusammenfassung
Der Reaktionsdruck repräsentiert einen entscheidenden Prozessparameter bei chemischen Reaktionen unter der Beteiligung von Gasen. Bei Reaktionen unter sehr hohen Drücken (> 5000 bar) sind die physikalisch-chemischen Grundlagen jedoch vielfach noch nicht umfassend untersucht. Insbesondere im Bereich homogen katalysierter Reaktionen sind die Einflüsse hoher Drücke weitgehend unbekannt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Einfluss hoher Drücke auf Selektivitäten und Ausbeuten bei zwei homogen katalysierten Reaktionen untersucht. Sowohl bei der Hydroformylierung von Olefinen als auch bei der rhodiumkatalysierten Cooligomerisierung von 1,3-Butadien und CO2 wurden signifikante Änderungen in den Produktverteilungen beobachtet. Die experimentellen Arbeiten wurden in einem neu konstruierten Versuchsstand durchgeführt, der die Ausführung reproduzierbarer Experimente in verschiedenen Druckbereichen von bis zu 150 bar bzw. von bis zu 7000 bar unter Inertbedingungen ermöglicht.

Bei Versuchen zur Hydroformylierung von 1-Octen wird bei 70 bar eine Isomerisierung des Olefins beobachtet. Aufgrund dieser Isomerisierung entstehen neben den n- und iso-Produkten Nonanal 1 und 2-Methyloctanal 2 auch zwei weitere Aldehyde, 2-Ethylheptanal 3 und 2-Propylhexanal 4. Bei Experimenten mit höheren Drücken von bis zu 5500 bar wird die Isomerisierung stark zurückgedrängt, so dass lediglich 1 und 2 als Produkte nachweisbar sind. In-situ NMR-spektroskopische Messungen bei 60 bar und gaschromatographische Untersuchungen von Einzelproben wurden zur Stoffmengenbilanzierung eingesetzt und ermöglichten die Bestimmung von TON und TOF, wobei unter der Verwendung des Katalysatorsystems Rh(cod)(PPh3)2BF4in einem Versuch ohne Lösungsmittel eine TON von über 53000 erreicht wurde. Im Vergleich der Experimente zeigt sich generell, dass durch den Einsatz hoher statischer Reaktionsdrücke eine Steigerung der Ausbeuten und Selektivitäten erreichbar ist, auch an verzweigten, sterisch gehinderten Olefinen, wie beispielsweise 2,3-Dimethyl-2-buten 16.

Bei der rhodiumkatalysierten Cooligomerisierung von 1,3-Butadien und COwird unter hohen Reaktionsdrücken keine Steigerung der Ausbeute des C13-g-Lactons 28 erreicht. Stattdessen wird die Dimerisierung von 1,3-Butadien zu 4-Vinylcyclohexen zur Hauptreaktion. Das Verhältnis von C9-d-Lacton 5 zu 28 im Reaktionsgemisch ist druckunabhängig. Zur Vereinfachung der Stoffbilanzierung wurde die gelöste Menge an 1,3-Butadien mittels quantitativer13C-NMR-Spektroskopie bestimmt. Die prinzipielle Eignung der Methode wurde nachgewiesen, wobei Ergebnisse mit einer Genauigkeit von bis zu 8,5 % (relativ) erhalten wurden.

Homogeneously Catalyzed Reactions under High-Pressure Conditions

Abstract

One of the most important process parameters of chemical reactions with involvement of gaseous substrates is the pressure. In the range of high pressures (> 5000 bar) the physicalchemical principles have not been broadly investigated yet. In particular, the influence of high pressure on homogeneously catalyzed reactions is still widely unknown.

In this work the influence of high pressure on selectivities and yields is studied for two homogeneously rhodium catalyzed reactions. In both reactions, the hydroformylation of olefins and the cooligomerization of 1,3-butadiene and CO2significant changes in the product distribution are observed. The experiments have been performed in a newly constructed equipment, that enables to carry out experiments reproducibly under inert gas conditions in two different reactors at pressures up to 150 bar and up to 7000 bar, respectively.

In the hydroformylation of 1-octene at a pressure of 70 bar an isomerization of the olefin occurs. As a result of this isomerization, two further aldehydes are generated, 2-ethylheptanal 3 and 2-propylhexanal 4, additionally to the linear and branched products nonanal 1 and 2-methyloctanal 2. In the experiments at higher pressures up to 5500 bar the isomerization is nearly completely suppressed so that only the aldehydes 1 and 2 are detected.

In-situ NMR spectroscopic measurements at 60 bar and gas chromatographic analyses of samples prepared in separate experiments, have been used to determine the materials balance. This made possible the determination of TON and TOF, whereas a TON of more than 53000 was reached in an experiment without an additional solvent, using catalyst system Rh(cod)(PPh3)2BF47.

Comparing the experiments, it is shown that using high static pressure conditions enables increasing yields and selectivities. This effects could also be shown at branched, sterically hindered substrates like 2,3-dimethyl-2-butene 16.

For the rhodium catalyzed cooligomerization of 1,3-butadiene and COno increase in the yields of the C13-g-lactone 28 could be reached. Instead, the dimerization of 1,3-butadiene towards 4-vinylcyclohexene becomes the main reaction pathway. The ratio of C9-d-lactone 5 to 28 in the reaction solution is independent from the pressure. It was tried out to quantify the amount of 1,3-butadiene in the reaction solution by using quantitative 13C-NMR techniques. This method has been shown to be appropriate in general, obtaining results with a relative exactness of 8,5 %.


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