Doctoral Thesis
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Im Rahmen dieser Dissertation wurden nachhaltige Konzepte zur selektiven C-C, C-N, und C-S Bindungsknüpfung erarbeitet. Der Fokus lag dabei auf der Entwicklung katalytischer und ressourcenschonender Prozesse, die auf leicht zugänglichen und kostengünstigen Startmaterialien beruhen.
Im ersten Teilprojekt gelang es, eine abfallminimierte Eintopfsynthese von Amiden ausgehend von den entsprechenden Ammoniumcarboxylaten und einem niedermolekularen Alkin als Aktivator zu entwickeln. Entscheidend hierbei war die Identifikation eines hochaktiven und stabilen Rutheniumkatalysators, mit dem die Addition des Carboxylates an das Alkin selbst in Gegenwart von Aminen möglich ist. Eine Aminolyse der intermediär gebildeten Enolester liefert im Anschluss die gewünschten Amide zusammen mit einer niedermolekularen und leicht abtrennbaren Carbonylverbindung als einzigem Nebenprodukt.
In einem weiteren Projekt gelang es eine carboxylatdirigierte ortho-Arylierung von Benzoesäuren mit kostengünstigen und breit verfügbaren Arylhalogeniden zu entwickeln. Der bei diesem Verfahren eingesetzte Rutheniumkatalysator besticht dabei nicht nur durch seine hohe Aktivität, sondern ist im Vergleich zu bisher genutzten Katalysatoren um ein vielfaches günstiger und erlaubt selbst die Umsetzung von unreaktiveren Arylchloriden. Durch Kombination dieser neu entwickelten Methode mit einer Protodecarboxylierung bzw. einer decarboxylierenden Kreuzkupplung konnte weiterhin die Carboxygruppe als Ankerpunkt für weitere Funktionalisierungsschritte genutzt und so deren Überlegenheit im Vergleich zu anderen dirigierenden Gruppen demonstriert werden.
Daneben gelang in einem dritten Teilprojekt, welches zwei thematisch sehr verwandte Unterprojekte umfasst, die Einführung der pharmakologisch bedeutsamen Trifluormethylthiolgruppe in aliphatische Substrate unter Verzicht auf stöchiometrische Mengen an präformierten Metallspezies. Unter Verwendung der lagerstabilen Me4NSCF3 Vorstufe, welche aus den kommerziell erhältlichen Reagenzien Me4NF, elementarem Schwefel und TMS-CF3 zugänglich ist, konnten -Diazoester erstmals mit katalytischen Mengen eines Kupfersalzes zu den entsprechenden trifluormethylthiolierten Produkten umgesetzt werden. Zusätzlich hierzu gelang es, über eine indirekte Reaktionsführung aliphatische Kohlenstoffelektrophile, wie Halogenide oder Mesylate, in einer Eintopfreaktion zunächst zu thiocyanieren und anschließend über einen Langlois-Austausch mit kostengünstigem TMS-CF3 in die entsprechenden trifluormethylthiolierten Spezies umzuwandeln. Beide Verfahren bestechen mit einer hohen Toleranz gegenüber funktionellen Gruppen und einer deutlichen Reduktion der gebildeten Abfallmengen im Vergleich zu etablierten Verfahren.
Im letzten Teilprojekt dieser Arbeit konnte eine abfallfreie Hydroxymethylierung terminaler Alkine unter Nutzung von CO2 als nachhaltigem C1-Baustein realisiert werden. Durch den Einsatz der organischen Base 2,2,6-6-Tetramethylpiperidin werden Phenylacetylenderivate in einem sequentiellen Eintopfverfahren zunächst carboxyliert und im Anschluss daran zu den entsprechenden Alkoholen hydriert, wobei die Base nach der Sequenz wieder freigesetzt und als einziges Nebenprodukt Wasser gebildet wird. Analog dazu gelang es durch die Nutzung von Kaliumphosphat als Base dieses Konzept auch auf die anspruchsvolleren aliphatisch substituierten Alkine zu übertragen. Als Schlüsselschritt dieser Reaktionssequenz gilt eine Veresterung der intermediär gebildeten Kaliumcarboxylate in Methanol unter CO2 Druck. Das zusammen mit dem Produkt gebildete Basengemisch aus Kaliumhydrogencarbonat und Dikaliumhydrogenphosphat kann anschließend durch thermische Behandlung wieder in Wasser, Kohlendioxid und die eingesetzte Base Kaliumphosphat umgewandelt werden, sodass in der Gesamtsequenz lediglich Wasser als Nebenprodukt anfällt.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Löslichkeit von Gasen in chemisch reagierenden wässrigen Lösungen. Dabei werden zwei Beispiele näher betrachtet: Die simultane Löslichkeit von Ammoniak und Schwefeldioxid in wässrigen salzhaltigen Lösungen und die Löslichkeit von Kohlendioxid in wässrigen Lösungen von N-Methyldiethanolamin (MDEA), Piperazin und deren Mischungen. Die Phasengleichgewichte in solchen Systemen werden wesentlich durch die in der flüssigen Phase auftretenden chemischen Reaktionen und die dabei entstehenden ionischen Spezies beeinflusst. Die Lösungen weisen auch aufgrund der weitreichenden Coulombschen Wechselwirkungen ein stark reales Verhalten auf. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit bauen auf früheren Arbeiten am Lehrstuhl für Technische Thermodynamik der Technischen Universität Kaiserslautern auf. In diesen Arbeiten wurden u.a. Modelle zur Beschreibung des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes in den Systemen NH3+SO2+((NH4)2SO4 oder Na2SO4)+Wasser und CO2+MDEA+Piperazin+Wasser entwickelt. Diese Modelle wurden hier weiterentwickelt und verbessert. Beim System Ammoniak+Schwefeldioxid+Wasser wurde mittels ATR-IR-spektroskopischer Untersuchungen festgestellt, dass Pyrosulfit in den wässrigen Lösungen in nicht zu vernachlässigbarem Umfang auftritt. Deshalb muss die chemische Reaktion der Pyrosulfitbildung berücksichtigt werden, wenn die thermodynamischen Eigenschaften solcher Lösungen zuverlässig beschrieben werden sollen. Die chemische Gleichgewichtskonstante für die Pyrosulfitbildungsreaktion wurde aus IR-spektroskopischen und kalorimetrischen Untersuchungen des Systems Na2S2O5+H2O ermittelt. Das Modell zur Beschreibung des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes und der Enthalpieänderung beim Verdünnen des Systems NH3+SO2+((NH4)2SO4 oder Na2SO4)+Wasser wurde zur Berücksichtigung sowohl der Pyrosulfitbildungsreaktion als auch der neuen experimentellen Daten für die Verdünnungsenthalpie von Meyer [70] erweitert. Das Modell ermöglicht Vorhersagen für das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht und Enthalpieänderungen der quaternären Systeme. Während die Gaslöslichkeit im System NH3+SO2+Na2SO4+Wasser zuverlässig beschrieben wird, sind die Vorhersagen für das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht des Systems NH3+SO2+(NH4)2SO4+Wasser nicht so gut. Ein Grund dafür mag darin liegen, dass bei den Untersuchungen an diesem System die Ionenstärke deutlich größer war (I=20 molal) als bei den Untersuchungen am System NH3+SO2+Na2SO4+Wasser (I=10 molal). Die Verdünnungsenthalpie wird für beide quaternäre Systeme gut vorhergesagt. Mithilfe NMR-spektroskopischer Untersuchungen am System CO2+Piperazin+D2O wurden die chemischen Gleichgewichtskonstanten der drei in diesem System auftretenden Carbamatbildungsreaktionen ermittelt. Außerdem wurde der Partialdruck von Kohlendioxid in den wässrigen Lösungen von MDEA oder Piperazin bzw. deren Mischungen bei 313 und 353 K gemessen. Das Modell zur Beschreibung des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes wurde unter Einbeziehung der neuen experimentellen Daten überarbeitet. Das überarbeitete Modell ermöglicht die zuverlässige Beschreibung des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtes der Systeme CO2+MDEA+Wasser und CO2+Piperazin+Wasser sowohl im Hochdruck- als auch im Niederdruckbereich. Das Modell ermöglicht auch Vorhersagen für das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht des Systems CO2+MDEA+Piperazin+Wasser. Die Vorhersagen für das Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht sind nicht so gut. Der Grund liegt vermutlich in der Vernachlässigung der Wechselwirkungen zwischen Piperazin- und MDEA- Spezies.