Hydroformylierung oder Oxosynthese/-prozess

Die Hydroformylierung oder auch Oxosynthese wird bei der Umwandlung von Alkenverbindungen in Aldehyde eingesetzt. Die Reaktion wird durch Organo-Rhodium- oder Organo-Cobalt-Verbindungen katalysiert und fügt der C=C-Bindung ein Wasserstoffatom hinzu, um im Molekül eine C-C-Bindung und eine Formylgruppe zu bilden, wodurch ein Aldehyd entsteht. Durch Hydroformylierung gebildete Aldehydverbindungen bilden die Grundlage für die Synthese vieler weiterer Verbindungen, einschliesslich Alkohole, Amine, Carbonsäuren usw. Die Hydroformylierung bildet somit eine der wichtigsten chemischen Synthesen für die Produktion chemischer Grundstoffe. Zusätzlich wird die Hydroformylierung mithilfe von Katalysatoren mit spezifischen Metall-Ligand-Bindungen für die chirale Synthese komplexerer Feinchemikalien und Pharmazeutika eingesetzt. Obwohl die Hydroformylierung als eine wichtige Anwendung der homogenen Katalyse erachtet wird, existiert eine Vielzahl an in der Vergangenheit entwickelten heterogenen Hydroformylierungssystemen, die oft mit Rhodium-Komplexen auf verschiedenen Trägern einhergehen.

Die Hydroformylierung ist die Quelle für Millionen Tonnen an jährlich produzierten Industriechemikalien. Die grossen in der Petrochemieindustrie hergestellten Mengen an 1-Alkenen fördern den grossflächigen Einsatz der Hydroformylierung in industriellen chemischen Prozessen. Obwohl die meisten langkettigen, verzweigtkettigen und zyklischen Olefine hydroformyliert werden können, sind Ethylen und Propylen die gängigsten Ausgangschemikalien, welche die Grundlage für Propionaldehyd, n-Butyraldehyd und Iso-Butyraldehyd bilden. Propionaldehyd aus Ethylen lässt sich zur Bildung von Weichmachern wie z. B. Diethylphtalat hydrieren, Alkohole mit langen Kohlenstoffketten werden dagegen als Tenside und Reinigungsmittel verwendet. Die Entwicklung von asymmetrischen Hydroformylierungen, die zur Bildung von enantiomerspezifischen Aldehyden führen, ist von besonderem Interesse und wird vorangetrieben. Diese Aldehyde werden wiederum in verschiedene Moleküle mit spezifischer Chiralität umgewandelt, die verschiedene funktionelle Gruppen enthalten. 

Der allgemeine Hydroformylierungsmechanismus ist bereits gut erforscht und die verschiedenen Schritte im Mechanismus führen zur Bildung von linearen oder verzweigten Aldehyden. In den meisten Industrieanwendungen werden lineare Aldehyde bevorzugt. Der Fokus liegt also auf der Entwicklung einer chemischen Reaktion, die zu einer schnelleren Bildung des linearen Produkts führt. Der entscheidende Schritt bei der Bildung des linearen oder verzweigten Aldehyds ist die Zuführung von Hydrid- und Alkenliganden. Das Hydrid kann entweder an das interne Kohlenstoffatom der Doppelbindung oder an das endständige Kohlenstoffatom binden. Im ersten Fall wird das lineare Aldehyd gebildet; der zweite Fall führt zur Bildung des verzweigten Aldehyds. Das Hinzufügen sperriger Liganden zum Metallzentrum ist ein Mittel, um die Bildung des linearen Aldehyds zu begünstigen. Beispiel: Durch Hinzufügen eines Trialkyl-Phosphin-Ligands (PR3) zu einem HCo(CO)4-Katalysator steigt das Verhältnis bei der Bildung der Aldehyde zugunsten des linearen Aldehyds.

Im Hinblick auf den Katalysator wurden neue ligandspezifische Cobalt- und Rhodium-Komplexe/Prozesse entwickelt, mit denen es bereits bei geringeren Drücken und Temperaturen zu Hydroformylierungen kommt und eine längere Katalysatorlebenszeit erreicht werden kann. Ausserdem wird die Entwicklung von Katalysatoren und Prozessen vorangetrieben, mit denen die Regioselektivität und Enantioselektivität bei asymmetrischen Hydroformylierungen gesteuert werden kann. Rhodium-Katalysatoren sind hinsichtlich der Rate im Allgemeinen effektiver und bei niedrigeren Temperaturen und Drücken wirksam als Cobaltkatalysatoren. Es wurden allerdings neuere Organo-Cobalt-Katalysatoren entwickelt, die sich der Effektivität der deutlich kostspieligeren Rhodium-Komplexe annähern. 

Die asymmetrische Hydroformylierung ist ziemlich attraktiv, da ohne Weiteres auf verfügbare Alkene oder Synthesegas zugegriffen werden kann, um Aldehyde mit einem Enantiomerenüberschuss zu synthetisieren, aus denen später enantiospezifische Verbindungen mit verschiedenen Funktionen synthetisiert werden können. Die asymmetrische Hydroformylierung bringt einige Herausforderungen mit sich, wie z B. geringere Reaktionsgeschwindigkeiten aufgrund der geringeren Reaktionstemperatur, die für die gewünschte Selektivität erforderlich ist. Um diese Probleme möglichst gering zu halten, erfordern asymmetrische Hydroformylierungen organometallische Katalysatoren mit Liganden, die sich von denen unterscheiden, die z. B. in Hydrierungsreaktionen verwendet werden. Ligandenklassen für asymmetrische Hydroformylierungen umfassen gemischte Phosphine/Phosphite, Diphosphite, Phospholane usw.

Zusätzlich zur Art des eingesetzten katalytischen Komplexes werden asymmetrische Hydroformylierungen durch die Reaktionstemperatur und den Kohlenstoffmonoxiddruck beeinflusst, die einzeln oder in Kombination die Kinetik der Reaktionen verändern können. Beispiel: Bei der asymmetrischen Hydroformylierung von Styrol begünstigt die Verwendung von höheren Kohlenstoffmonoxiddrücken die Bildung von verzweigten Isomeren, während ein geringerer Kohlenstoffmonoxiddruck zu linearen Isomeren führt. In-situ FTIR und Raman-Spektroskopie sind hilfreiche Techniken für die Ermittlung der Kinetik asymmetrischer Hydroformylierungen, die durch Metalle mit neuen Liganden katalysiert werden, sowie für die Bestimmung der Auswirkung von Reaktionsvariablen auf die erreichte Leistung. Ein umfangreiches Verständnis der Trade-Offs zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Enantiospezifität hilft bei der Bestimmung der optimalen Reaktionsvariablen für einen spezifischen Katalysatorkomplex. 

Untersuchung von Hydroformylierungskatalysatoren und des Einflusses von Reaktionsbedingungen auf die Reaktionsleistung

Bei homogenen Katalysatoren liefert die In-Situ-Spektroskopie strukturelle Informationen über vorhandene aktive Reaktionsspezies, von denen manche nur kurz vorkommen. Durch die Messung von Carbonylbandenverschiebungen bei Rhodium- und Cobalt-Hydroformylierungskatalysatoren können im Hinblick auf den Mechanismus und katalytische Wege wertvolle Kenntnisse abgeleitet werden. Die In-Situ-Spektroskopie misst ausserdem die Auswirkung von Reaktionsvariablen wie Temperatur und Druck auf die Aktivität und Selektivität der Hydroformylierung. Die ATR (attenuated total reflectance, abgeschwächte Totalreflexion)-Sensoren aus Diamant mit ReactIR-Technologie bewältigen die Reaktionsbedingungen der Hydroformylierung mühelos. Raman-Spektrometer können katalytische Reaktionen nicht-invasiv durch Quarzglas-Fenster in den Druckreaktoren messen. In beiden Fällen werden Informationen in Echtzeit gewonnen, ohne dass die Reaktionsbedingungen beeinträchtigt werden. Die Raman-Spektroskopie hat sich bei der Untersuchung von heterogenen Hydroformylierungsreaktionen als hilfreich erwiesen.

Chemische Reaktoren  der EasyMax-Serie sind mit Druckgefässen von 50 bis 100 ml verfügbar. Das 50-ml-Gefäss hält Drücken von bis zu 200 bar stand; das 100-ml-Gefäss widersteht Drücken bis 60 oder 100 bar. Die Gefässe für erhöhten Druck ermöglichen die Messung von katalytischen Prozessen, wie z. B. Hydrierungsreaktionen und Hydroformylierungen. Der EasyMax bietet eine unerreichte automatisierte Steuerung von Reaktionsbedingungen und ist ideal für die chemische Synthese sowie die Untersuchung der Parameter und die Charakterisierung geeignet. An In-Situ-Technologie für die Molekülspektroskopie sind sowohl ReactIR als auch ReactRaman mit EasyMax-Hochdruckgefässen kombinierbar. Die iC-Software verwaltet automatisch die Temperatur, den Druck, das Mischen sowie die Dosierrate des Reaktors und steuert die spektroskopischen Messungen.

• Si-min Yu, William Snavely, Raghunath V. Chaudhari, Bala Subramanian, „Butadiene hydroformylation to adipaldehyde with Rh-based catalysts: Insights into ligand effects“, Molec. Katalyse, 2020, 484, 110721
• Drew M. Hood, Ryan A. Johnson, Alex E. Carpenter, Jarod M. Younker, David J. Vinyard, George G. Stanley, „Highly active cationic cobalt(II) hydroformylation catalysts“, Science, 2020, 367(6477), 542-548
• J. M. Dreimann, E. Kohls, H. F. W. Warmeling, M. Stein, L. F. Guo, M. Garland, T. N. Dinh, A. J. Vorholt, „In-situ infrared spectroscopy as a tool for monitoring molecular catalyst for hydroformylation in continuous processes“, ACS Catal., 2019, 9(5), 4308–4319
• Andreas Jörke, Andreas Seidel-Morgenstern, Christof Hamel, „Rhodium-BiPhePhos catalyzed hydroformylation studied by operando FTIR spectroscopy: Catalyst activation and rate determining step“, J. Mol. Catalysis A: Chem., 2017, 426 Part A, 10-14
• Sebastian Schmidt, Eszter Baráth, Christoph Larcher, Tobias Rosendahl, Peter Hofmann, „Rhodium-Catalyzed Hydroformylation of 1,3-Butadiene to Adipic Aldehyde: Revealing Selectivity and Rate-Determining Steps“, Organometallics 2015, 34, 5, 841–847
• László T. Mika, László Orha, Eddie van Driessche, Ron Garton, Katalin Zih-Perényi, István T. Horváth, „Water-Soluble-Phosphines-Assisted Cobalt Separation in Cobalt-Catalyzed Hydroformylation“, Organometallics 2013, 32, 19, 5326–5332
• Daniela Fuchs, Géraldine Rousseau,  Lisa Diab, Urs Gellrich, Bernhard Breit, „Tandem Rhodium‐Catalyzed Hydroformylation–Hydrogenation of Alkenes by Employing a Cooperative Ligand System“, Angew. Chem. 2012, 51(9), 2178-2182
• Jaroslav Keybl and Klavs F. Jensen “Microreactor System for High-Pressure Continuous Flow Homogeneous Catalysis Measurements”, Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 11013–11022
• Benjamin Hentschel, Gregor Kiedorf, Martin Gerlach, Christof Hamel, Andreas Seidel-Morgenstern, Hannsjörg Freund, Kai Sundmacher, „Model-Based Identification and Experimental Validation of the Optimal Reaction Route for the Hydroformylation of 1‑Dodecene“,  Ind. Eng. Chem. Res. 2015, 54, 1755−1765

ReactIR zeigt aktive Katalysatoren und bildet entscheidende Zwischenprodukte ab, so dass kinetische und mechanistische Informationen gewonnen werden können

Andreas Jörke, Andreas Seidel-Morgenstern, Christof Hamel, „Rhodium-BiPhePhos catalyzed hydroformylation studied by operando FTIR spectroscopy: Catalyst activation and rate determining step“, J. Mol. Catalysis A: Chem., 2017, 426 Part A, 10-14n.

ReactIR-Messungen wurden bei der Hydroformylierung von 1-Decan durch Rhodium-Katalysatoren durchgeführt, deren Liganden das Diphosphitmolekül BiPhePhos sind. In-Situ IR-Messungen der Umwandlung der Rh-Vorläuferverbindung Rh(acac)(CO)₂ zum aktivierten Katalysator HRh(BiPhePhos)(CO)₂ waren von besonderem Interesse. Der letztgenannte Komplex wurde bei fortgeführter Hydroformylierung als hauptsächliches Katalysator-Zwischenprodukt identifiziert, und es wurde kein Abbau des Katalysators durch Oxidation beobachtet, da im IR-Spektrum keine P=O-Bindungen sichtbar waren. Die Autoren berichten, dass die Frequenzwendung darauf hinweist, dass die durch Rh-BiPhePhos katalysierte Hydroformylierung im Hinblick auf die 1-Decan-Konzentration erster Ordnung ist, und dass die Olefin-Koordination der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist.

Der Rh-Vorläuferkomplex zeigte Rh-CO-Banden bei 2085 cm^-1 und 2014 cm^-1, und diese Banden verschwinden, wenn BiPhePhos hinzugefügt wird, was auf den Austausch von CO durch den Diphosphit-Liganden hinweist. Nach der Hinzugabe von H₂ können CO-Schwingungen bei 2077 und 2017 beobachtet werden, wie es auch in den Literaturausführungen zum Rh-Hydridocarbonylkomplex dargestellt wird. Wenn das Olefin zugesetzt wird, wird eine C=C-Bande bei 1643 cm^-1 beobachtet, die verschwindet, wenn die Hydroformylierung unter Bildung der intensiven Undecanal-C=O-Bande bei 1729 cm^-1 fortgeführt wird. Das normalisierte Verhältnis dieser Banden ermöglicht die Umwandlungsmessung des 1-Decens und die Berechnung der Umsatzzahl. 

ReactIR Provides Insight into Reaction Pathways, Catalyst Selectivity and Activity

Si-min Yu, William Snavely, Raghunath V. Chaudhari, Bala Subramanian, „Butadiene hydroformylation to adipaldehyde with Rh-based catalysts: Insights into ligand effects“, Molec. Catalysis, 2020, 484, 110721

Die Autoren berichten, dass die Hydroformylierung von Butadien zu Adipaldehyd durch Organo-Rhodium-Katalyse eine Option für die Erzeugung von C₆-Verbindungen, wie z B. Adipinsäure und Hexamethylendiamin darstellt. Aus diesem Grund wollten sie die Adipaldehyd-Ausbeute durch einen besseren Einblick in die Reaktionswege verbessern und bestimmen, wie die Reaktionsbedingungen die Aktivität und Selektivität beeinflussen. Rh-Komplexe mit acht verschiedenen Liganden wurden mithilfe von Daten aus In-Situ-IR-Messungen systematisch untersucht. Sie berichten, dass bei der Hydroformylierung von Butadien bei 80 °C und 14 bar Synthesegasdruck (molar CO/H₂ = 1) das Verhältnis von Ligand und Rh, die Rhodiumkonzentration, die Butadien-Konzentration und der Synthesegasdruck die Adipaldehyd-Selektivität nicht beeinflussen. Sie fanden jedoch heraus, dass die Selektivität stark von der Art des verwendeten Liganden und dem Bindungswinkel abhängig ist. Auf Grundlage der ReactIR-Daten gehen sie davon aus, dass die geringere Selektivität auf der Bildung des stabilen Rhodium η³-Crotyl-Komplexes mit den verschiedenen Rh-Komplexen basiert.

ReactIR Provides Insight into Catalyst Species, Activity and Stability

Drew M. Hood, Ryan A. Johnson, Alex E. Carpenter, Jarod M. Younker, David J. Vinyard, George G. Stanley, “Highly active cationic cobalt(II) hydroformylation catalysts”, Science, 2020, 367(6477), 542-548

Die Autoren berichten von der Entwicklung von Cobalt-Katalysatoren für die Hydroformylierung von Alkenen zur Bildung von Aldehyden, die beinahe so aktiv sind wie kostspielige rhodiumbasierte Katalysatoren. Diese neuen kationischen Cobalt (II)-Biphosphin-Hydrido-Carbonyl-Katalysatoren sind hundertmal so aktiv wie neutrale Cobalt-Katalysatoren, HCo(CO)₄ und HCo(CO)₃(PR₃) und sind unter milderen Bedingungen wie z. B. geringeren Drücken wirksam. Die Autoren berichten, dass diese Katalysatoren bei einfachen linearen Alkenen eine geringe linear-verzweigt-Regioselektivität aufweisen, bei internen Alkenen mit Alkylverzweigungen jedoch eine hohe linear-verzweigt-Selektivität. Darüberhinaus konnten sie zeigen, dass die neuen Katalysatoren zersetzungsresistent sind und eine lange Nutzungsdauer aufweisen.

In-Situ-IR-Messungen unter tatsächlichen Reaktionsbedingungen zeigen das Vorhandensein verschiedener aktiver kationischer Katalysatorspezies, die Hinweise auf die Stabilität eines Katalysators als Funktion der Zeit liefern. ReactIR-Messungen zeigen wenig Veränderungen im Carbonylbereich des Spektrums zwischen 33 und 96 Stunden. Die resultierende Katalysatorlösung wurde getestet und für die Hexen-Hydroformylierung als so effektiv befunden wie eine frische Probe des Katalysator-Precursors.