Thermomorphic multiphase system

In de laatste 20 jaar zijn thermomorphic multiphase systems (TMS) gebruikt als veelzijdige techniek voor het herwinnen en daarna hergebruiken van homogene katalysator en dit zowel in batch als in continue processen. Bij TMS, schematisch weergegeven in Figuur 10, gaat de reactie bij de

reactietemperatuur T1 door in een éénfasig reactiemengsel dat zowel reagentia als katalysator bevat,

terwijl het herwinnen van de katalysator gebeurt door vloeistof-vloeistofscheiding bij een lagere temperatuur T0. Hiervoor zijn minstens twee solventen nodig die een sterk temperatuurafhankelijk

ontmengingsgebied bezitten waardoor na ontmenging de reactieproducten aanwezig zijn in de ene fase, terwijl de katalysator in de andere fase zit. Om dit te bewerkstelligen is de ene fase meestal polair, terwijl de andere apolair is. Omdat commercieel beschikbare solventen kunnen voldoen aan de gestelde eisen voor gebruik in TMS, is deze techniek interessant om te gebruiken op industriële schaal. Beperkingen door het vloeistof-vloeistof scheidingsvlak kunnen daarentegen nadelig zijn voor

20 de performantie van het proces. Zo kan het zijn dat niet al de katalysator en reactieproducten naar de gewenste fase overgaan. De grootste uitdaging is het vinden van een geschikt compromis tussen factoren die verband houden met de reactie, zoals selectiviteit en opbrengst, en factoren in verband met de scheiding, bijvoorbeeld weinig katalysator in de fase met de reactieproducten bij T0. [39]

Figuur 10: Werkingsprincipe van TMS met in het blauw de polaire fase, geel de apolaire fase en groen een homogeen reactiemengsel [39]

Een belangrijk en succesvol voorbeeld van het gebruik van TMS om homogene katalysator te herwinnen is het Ruhrchemie/Rhône–Poulenc proces. Hierbij wordt propeen gehydroformyleerd tot n-butanal en iso-butanal. [40] Als katalysator wordt rhodium gebruikt dat is gecomplexeerd door een wateroplosbaar fosfineligand. De oplosbaarheid van propeen in het bij de reactietemperatuur homogene mengsel is voldoende om hoge conversie te bereiken. De lage oplosbaarheid van de reactieproducten in de waterige fase die na ontmenging de katalysator zal bevatten, leidt tot een efficiënte afscheiding van zowel de katalysator als de reactieproducten. [39]

De mogelijkheid om TMS te gebruiken bij Suzuki-reacties werd succesvol onderzocht door

Manjunatha et al. [41] Er werden drie commercieel beschikbare homogene katalysatoren getest die zijn weergegeven in Figuur 11. Dit zijn van links naar rechts dichloorbis(trifenylfosfine)palladium(II) of Pd-100, dichloor[1,1’-bis(difenylfosfino)ferroceen]palladium(II)dichloromethaan adduct of Pd-106 en [1,1’-bis(di-tertbutylfosfino)ferroceen]dichloorpalladium(II) of Pd-118. Het opzet was een proces te ontwikkelen dat simpel op te schalen valt naar een industrieel proces. Uit voorafgaand onderzoek bleek voor de hier gebruikte katalysatoren en reagentia 5 mol% aan katalysator optimaal te zijn. Dit is een redelijk grote hoeveelheid katalysator, aangezien in het werk van Van Vaerenbergh et al. [16] bij koppeling van het weliswaar licht reactievere joodbenzeen met fenylboorzuur met een

harskatalysator, na drie uur 94,2 % conversie wordt bekomen bij gebruik van 1 mol% Pd. Daarnaast kan de bedenking worden gemaakt of het gebruik van een katalysator die fosfine bevat een goed alternatief voor andere katalytische systemen vormt. Stel dat dit fosfine bijvoorbeeld los komt van het katalysatorcomplexcomplex, kan dit achterblijven in de reactieproducten. Het is geweten dat fosfineliganden toxisch zijn en zo zou ook het koppelingsproduct vervuild kunnen worden. [42] Volgens de SDS-fiche van het Pd-100 is dit geen stof die men kan beschouwen als persistent,

21 bioaccumulatief en toxisch (PBT) of als zeer persistent en zeer bioaccumulatief (vPvB) op niveaus van 0,1 % of hoger.

Figuur 11: Structuur van de geteste homogene katalysatoren, van links naar rechts Pd-100, Pd-106 en Pd-118 [41]

Een Suzuki-reactie tussen 4-broombenzoëzuur en fenylboorzuur werd uitgevoerd met K2CO3 als base

bij 50-60 °C. Het koppelingsproduct zal dus een zuurgroep afkomstig van het benzoëzuur bevatten. Met deze reactie werd Pd-100 als katalysator getest in een mengsel van 2-methyltetrahydrofuraan en water. Bij afkoelen tot kamertemperatuur zal de organische laag dan katalysator bevatten, terwijl de waterige laag het koppelingsproduct bevat. Nadelig voor gebruik op industriële schaal wegens de meerkosten is dat de reactie werden uitgevoerd onder stikstofatmosfeer. Daarnaast werden alle solventen ontgast voor de reactie. Dit wordt gedaan als voorzorg tegen onvoorziene oxidatie en bijgevolg desactivatie van de katalysator. [43] Na 4 uur bleek er 94,3 % van het koppelingsproduct te zijn gevormd. Het reactiemengsel werd dan gekoeld tot kamertemperatuur en de waterige laag werd afgescheiden van de organische. Een waterige en ontgaste oplossing van K2CO3 werd vervolgens

samen met vers 4-broombenzoëzuur en fenylboorzuur toegevoegd aan de afgescheiden organische laag die de katalysator bevat, waarna de reactie onder dezelfde omstandigheden als voorheen werd uitgevoerd. Opnieuw na 4 uur werd nu 96,0 % koppelingsproduct gevormd. De scheiding van beide lagen werd uitgevoerd en alle benodigde componenten werden opnieuw toegevoegd aan de afgescheiden organische laag voor een derde Suzuki-reactie. Deze leverde na 3 uur 94,5 %

koppelingsproduct op. Deze resultaten tonen aan dat de katalysator zijn activiteit behoudt, ook bij twee maal hergebruik. Ook bij gebruik van de andere twee katalysatoren werden hoge conversies bij twee maal hergebruik verkregen. Dit gold ook bij gebruik van andere reagentia. Uit een AAS-analyse bleek dat 70 tot 80 % van de katalysator door middel van de organische laag kon herwonnen worden, terwijl 15 tot 20 % achterbleef in de waterige laag, en dit bij elk hergebruik. Dit zijn goede

percentages, maar niet uitstekend. In de methodes die verderop worden besproken, liggen de percentages herwonnen katalysator hoger. Doordat telkens 15 tot 20 % van de katalysator niet wordt herwonnen, zou na het tweede hergebruik de conversie zo’n 30 tot 40 % lager kunnen liggen. Dit is hier niet het geval, waardoor kan worden besloten dat er inderdaad bij de eerste reactie meer katalysator dan nodig werd toegevoegd of een lange reactietijd werd gekozen.

De mogelijkheid tot hergebruik van de katalysator na contact met zuur voor de scheiding werd vervolgens onderzocht. Hiervoor werd een Suzuki-reactie tussen 4-broomaniline en

2-fluorfenylboorzuur gebruikt, hetgeen zal leiden tot een koppelingsproduct met een fluor en NH2-groep. Dezelfde base, solvent en reactietemperatuur als voorheen werden gebruikt, maar nu

22 werd Pd-118 als katalysator getest. Al na 1 uur was 98 % van het limiterend reagens omgezet naar het koppelingsproduct. Het reactiemengsel werd dan opnieuw afgekoeld tot kamertemperatuur, met een verdunde HCl-oplossing aangezuurd tot pH 1 à 2 en gedurende een kwartier geroerd. Het

koppelingsproduct vormde op deze manier een hydrochloridezout en werd na ontmenging

geëxtraheerd in de waterige laag, waardoor enkel de katalysator in de organische laag achterbleef. Aan deze organische laag werden dan opnieuw een waterige en ontgaste oplossing van K2CO3

toegevoegd, samen met verse reagentia voor een tweede Suzuki-reactie. Opnieuw werd na 1 uur 98 % omzetting naar het koppelingsproduct bereikt. Dezelfde procedure werd herhaald voor herwinnen van de katalysator en het opzetten van een derde Suzuki-reactie en deze leidde tot een omzetting naar het koppelingsproduct van 92 % na 1 uur. Hieruit kan worden besloten dat Pd-118 zijn activiteit behoudt, ook na contact met zuur voor hergebruik. Bij gebruik van Pd-100 onder dezelfde omstandigheden bleek het herwinnen wel succesvol, maar slechts matige conversies werden bereikt bij twee maal hergebruik: 85 % na 2 uur, 72 % na 4 uur bij het eerste hergebruik en 57 % na 4 uur bij het tweede hergebruik. Dit zou kunnen liggen aan een lagere reactiviteit van de katalysator onder deze omstandigheden. Een belangrijke opmerking is wel dat er altijd wat niet-omgezet 4-broomaniline achter bleef in de organische laag, hetgeen leidt tot een lagere berekende conversie bij het eerste en tweede hergebruik van de katalysator.

Het hergebruik van katalysator onder zure omstandigheden werd nadien gecontroleerd met andere reagentia, namelijk 2-amino-5-broompyrazine en 2-fluorfenylboorzuur. Bij gebruik van Pd-118 als katalysator leverde dit voldoende conversie op, namelijk 90 % na 4 uur, 88 % na 5 uur bij het eerste hergebruik en 72 % na 5 uur bij het tweede hergebruik. Voor Pd-100 was dit opnieuw een stuk lager, namelijk 71 % , 53 % bij het eerste hergebruik en 27 % bij het tweede hergebruik, telkens na 24 uur. Het is dus perfect mogelijk om een TMS te gebruiken voor het herwinnen en hergebruik van Pd katalysatoren bij Suzuki-reacties. Een belangrijk nadeel van deze methode is dat de katalysator wordt gebonden aan een substraat om hem grotendeels te laten overgaan naar de gewenste fase. Van een heterogene drager uitgeloogde katalysator zal zich in zijn elementaire vorm of in de vorm van nanodeeltjes bevinden en is dus niet gebonden. Bijgevolg is het voorspellen en sturen van de oplosbaarheid in een van de fases moeilijk, hetgeen de bruikbaarheid van een TMS sterk beperkt.