An experimental assessment of model-based solvent selection for enhancing chemical reactions

  • Experimentelle Bewertung der modellbasierten Lösungsmittelauswahl zur Beschleunigung chemischer Reaktionen

Tsichla, Angeliki; Marquardt, Wolfgang (Thesis advisor); Liauw, Marcel (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Wissenschaftliche Fortschritte auf dem Gebiet der Chemie haben gezeigt, dass Lösungsmittel die Geschwindigkeit einer breiten Palette chemischer Reaktionen entscheidend beeinflussen. Dies hat das Interesse von Wissenschaft und Industrie an der Suche nach (geeigneten) Lösungsmitteln zur Optimierung der Reaktionskinetik ausgelöst. Es gibt jedoch nur wenige systematische Ansätze, um die Lösungsmittelauswahl in diese Richtung zu lenken, und bis heute wurde kein systematischer modellbasierter Ansatz beschrieben, der eine direkte Anwendbarkeit auf industrielle Reaktionsfragestellungen berücksichtigt. In dieser Studie wird eine hybride experimentell/modellbasierte Methode basierend auf der solvatochromen Gleichung zur Vorhersage des besten Lösungsmittels für einen industriellen chemischen Prozess bei minimalem experimentellen Aufwand etabliert. Zur schnellen Datenerzeugung und -quantifizierung wurde ein modularer kontinuierlicher Reaktor in Verbindung mit Echtzeitanalytik aufgebaut. Die solvatochrome Gleichung wurde verwendet, um die Lösungsmitteleffekte auf die Reaktionsgeschwindigkeiten zu modellieren. Die experimentell untersuchten Lösungsmittel wurden aus einer Lösungsmitteldatenbank ausgewählt, die aus gängigen organischen Lösungsmitteln und aus Strukturen bestand, die mit Hilfe von Computer-Aided-Molecular-Design (CAMD) -Techniken erzeugt wurden. Die Datenbank wurde weiter verfeinert, um die spezifischen Anforderungen der Reaktion, Umwelt- und Gesundheitsauflagen sowie Limitierungen der Anlage zu erfüllen. Die Auswahl (der Lösungsmittel) war diversitätsorientiert, mit dem Ziel, die größtmögliche Information bei möglichst geringem experimentellen Aufwand zu erhalten. Die Methodik wurde auf die Aminierung von Ethyltrichloracetat mit flüssigem Ammoniak angewendet, eine Reaktion von industriellem Interesse. Zwei der als vielversprechend vorhergesagten Lösungsmittel wurden experimentell verifiziert und damit die Vorhersagekraft der Methodik belegt. Die etablierte Methodik kann als Ausgangspunkt für weitere Verbesserungen dienen. Die Aufnahme von ionischen Flüssigkeiten, überkritischen Fluiden und mit Hilfe von (CAMD) -Techniken erzeugten Strukturen in die Lösungsmitteldatenbank kann neue vielversprechende Lösungsmittelkandidaten aufdecken und dadurch neue Optionen in der chemischen Synthese eröffnen. Die Kopplung mit Modellidentifikations- und -unterscheidungstechniken kann den experimentellen Aufwand weiter minimieren. Der gegenwärtige Ansatz verfolgt die Erhöhung der Geschwindigkeit der Reaktion, die zu den gewünschten Produkten führt, und die Verringerung der Geschwindigkeit der Nebenreaktionen als zwei unabhängige Ziele. In zukünftigen Arbeiten könnten beide Ziele als eine Einheit behandelt werden.

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