QuinoLight: Photokatalytische Chinolin-Produktion aus Nitroaromaten

Die heterogene Photokatalyse war lange vor allem für ihre Anwendungen beim Abbau von organischen Verunreinigungen und für die photokatalytische Wasserspaltung bekannt. Besonders in den letzten Jahren gewinnen photokatalytische Reaktionen jedoch auch in der organischen Synthese zunehmend an Bedeutung. Die Bestrahlung von Halbleitern mit Licht geeigneter Wellenlänge erzeugt sehr reaktive Zustände, Elektron-Loch-Paare, die für eine Vielzahl von Reaktionen wie beispielsweise Oxidationen, Reduktionen oder C-C-Kopplungen genutzt werden können.

In dem vorliegenden Forschungsvorhaben sollen zwei wichtige Entwicklungsrichtungen der Photokatalyse am Beispiel der Chinolinsynthese (Abbildung 1) adressiert werden. Es sollen sowohl verbesserte, für die organische Synthese optimierte, Photokatalysatoren als auch ein skalierbares Photoreaktorkonzept entwickelt werden, in dem der Prozess idealerweise kontinuierlich betrieben werden kann. Die Ergebnisse sollen derart aufbereitet werden, dass diese nicht nur für die gewählte Beispielreaktion anwendbar sind, sondern mit geringem Anpassungsaufwand auch auf andere heterogene photokatalytische Reaktionen übertragen werden können.

 Abbildung 1 : Photokatalytische Chinolinsynthese aus Nitroaromaten und Alkoholen.

Das Arbeitsprogramm wird von insgesamt drei Forschungsstellen bearbeitet:

An der Universität Bayreuth beschäftigt sich der Arbeitskreis Marschall mit der Weiterentwicklung von Photokatalysatoren. Das üblicherweise verwendete Titandioxid besitzt ein sehr hohes Oxidationspotential, was zu unerwünschten Nebenreaktionen führen kann und gegebenenfalls einen Teil des Substrates mineralisiert. Zudem kann es nur durch hochenergetisches UVA-Licht angeregt werden. Daher werden neue Photokatalysatormaterialien entwickelt, die ein deutlich milderes Oxidationspotential besitzen und bereits mit sichtbarem Licht angeregt werden können.

Am DECHEMA-Forschungsinstitut (DFI) wird die Kinetik der Reaktion untersucht um die Reaktionsführung zu optimieren. In bisherigen Laborversuchen konnte ein Umsatz von bis zu 54% erzielt werden. Durch die Variation von Stöchiometrie, Lichtintensität und Temperatur soll die Reaktion hinsichtlich Umsatz und Selektivität noch weiter optimiert und die kontinuierliche Betriebsführung getestet werden. Durch den Einsatz von substituierten Edukten soll das Spektrum an zugänglichen Produkten vergrößert werden.

Die Reaktorentwicklung wird im Arbeitskreis Ziegenbalg an der Universität Ulm durchgeführt. Dazu werden verschiedene Photoreaktorkonzepte entwickelt und mittels „rapid prototyping“ umgesetzt. Dabei werden sowohl Ansätze, in denen der Photokatalysator suspendiert vorliegt, als auch solche, wo er im Photoreaktor an den Wänden immobilisiert ist, erprobt und miteinander verglichen.

Das IGF-Vorhaben Nr. 18904 N-1 der Forschungsvereinigung DECHEMA e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.