DE10163168A1

DE10163168A1 - volume aeration

Info

Publication number: DE10163168A1
Application number: DE2001163168
Authority: DE
Inventors: Andreas Bommarius; Hans-Peter Krimmer; Dietmar Reichert; Perea Juan Jose Almena; Andreas Karau; Jens Woeltinger; Karlheinz Drauz; Andreas Liese; Greiner Lasse; Christian Wandrey; Stefan Buchholz
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Degussa GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Evonik Operations GmbH
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-07-03
Also published as: AU2002340939A1; WO2003053886A1

Abstract

The present invention relates to a process and a device for the gassing of a liquid phase with hydrogen. The process and the device are characterised by the form of the gassing of the solution with hydrogen. This is metered in without bubbles through a hydrogen-permeable membrane.

Description

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Begasen von flüssigen Medien mit Wasserstoff gerichtet. Insbesondere basiert das Verfahren bzw. die Vorrichtung auf der Tatsache, daß Wasserstoff dem flüssigen Medium über eine permeable Membran zugeführt wird. The present invention is based on a method and a Device for gassing liquid media with Hydrogen directed. In particular, the method or the device on the fact that hydrogen is the liquid medium is fed through a permeable membrane.

Katalytische Hydrierungen gehören zu den Standardmethoden der organischen Chemie. Auch im technischen Maßstab werden diese Methoden zur Synthese ggf. enantiomer-angereicherter Produkte eingesetzt. Diese dienen - wie im Falle des L-Dopa - u. U als wichtige bioaktive Wirkstoffe. Catalytic hydrogenations are standard methods of organic chemistry. Also on a technical scale these methods for the synthesis of possibly enantiomerically enriched Products used. These serve - as in the case of the L-Dopa - u. U as important bioactive agents.

Zum Hydrieren gelöster ungesättigter organischer Verbindungen in homogener oder heterogener Weise muss der dafür erforderlich Wasserstoff der Reaktion in irgendeiner Art zugeführt werden. Dafür stehen dem Fachmann verschiedene Verfahren zur Verfügung. For hydrogenating dissolved unsaturated organic Connections in a homogeneous or heterogeneous manner are necessary for this required hydrogen of the reaction in some way be fed. The skilled person is responsible for this Procedures available.

Man unterscheidet zum einen die Verwendung von Reduktionsmitteln, die den Wasserstoff als Reduktionsäquivalent enthalten, und bei denen aus dem Reduktionsmittel ein Nebenprodukt gebildet wird. Hierbei stellt die Abtrennung des Nebenprodukts und des im Überschuss einzusetzenden Wasserstoffspenders einen Nachteil dar. Im Falle von Alkoholen, z. B. 2-Propanol, oder von Formiat ist zusätzlich die Wahl des Lösungsmittels eingeschränkt. Dies folgt daraus, dass zur günstigen Verschiebung des Gleichgewichts die Wasserstoffspender in überstöchiometrischer Menge und im Fall der Alkohole meist sogar als Lösungsmittel eingesetzt werden müssen. Die begrenzende Löslichkeit von salzartigen Stoffen in hydrophoben Lösungsmitteln ist ein Nachteil des Einsatzes von Formiat. One differentiates between the use of Reducing agents that use the hydrogen as a reduction equivalent contain, and in which from the reducing agent By-product is formed. The separation of the By-product and the one to be used in excess Hydrogen donors are a disadvantage. In the case of alcohols, z. B. 2-propanol, or formate is also the choice of the solvent restricted. This follows from the fact that to shift the equilibrium favorably Hydrogen donors in a stoichiometric amount and in the case of Alcohols are usually used as solvents have to. The limiting solubility of salt-like substances in hydrophobic solvents is a disadvantage of Use of formate.

Die genannten Nachteile entfallen für die direkte Verwendung von Wasserstoff. Dieser kann in großem Überschuss eingesetzt werden, da er als bei Normalbedingungen gasförmiger Stoff leicht entfernt werden kann. Zum anderen ist die Hydrierung mit molekularem Wasserstoff atomökonomisch im Sinne einer vollständigen Übertragung auf das Zielprodukt ohne die Bildung von weiteren Nebenprodukten. The disadvantages mentioned do not apply to the direct Use of hydrogen. This can be in large excess be used because it is more gaseous than under normal conditions Fabric can be easily removed. On the other hand, it is Hydrogenation with molecular hydrogen atom economically in the sense a complete transfer to the target product without the formation of other by-products.

Der Einsatz von molekularem Wasserstoff hat jedoch verschiedene Nachteile:
Für die Hydrierung mit gasförmigem molekularen Wasserstoff ist es unumgänglich, daß sich der Wasserstoff über eine Gas/Flüssig-Phasengrenze im begasten flüssigen Medium lösen muss, damit die Reaktion in messbarer Geschwindigkeit stattfindet. Es kann vorkommen, dass diese Übergangsgeschwindigkeit limitierend für die gesamte Reaktion ist. Um dem zu begegnen sind verschiedene Methoden zur Verbesserung des Phasenübergangs gebräuchlich. Bei es, daß man durch Beaufschlagen von erhöhtem Druck im Reaktionsautoklaven den Wasserstoffgradienten als Treibkraft des Phasenübergangs erhöht oder man durch geeignete Rührer und Rührwerke die limitierende Phasengrenzfläche erhöht. Durch Rühren des flüssigen begasten Mediums wird die Phasengrenzfläche erhöht, was die Geschwindigkeit der Lösung von Wasserstoff in dem flüssigen Medium erhöht und damit zur schnelleren Versorgung der Reaktionslösung mit Wasserstoff beiträgt, was sich wiederum positiv auf die Geschwindigkeit der Hydrierung auswirken kann. However, the use of molecular hydrogen has several disadvantages:
For hydrogenation with gaseous molecular hydrogen, it is essential that the hydrogen must dissolve in the fumigated liquid medium over a gas / liquid phase boundary so that the reaction takes place at a measurable rate. It can happen that this transition rate is limiting for the entire reaction. To counter this, various methods for improving the phase transition are used. In that the hydrogen gradient as the driving force of the phase transition is increased by applying increased pressure in the reaction autoclave or the limiting phase interface is increased by suitable stirrers and agitators. The phase interface is increased by stirring the liquid gassed medium, which increases the rate of dissolution of hydrogen in the liquid medium and thus contributes to the faster supply of the reaction solution with hydrogen, which in turn can have a positive effect on the rate of hydrogenation.

Diesen Ansätzen ist gemeinsam, dass sie sich auf eine gewählte Geometrie beziehen, und bei der Maßstabsvergrößerung sich diese Geometrien zwangsläufig ändern müssen. Die Verwendung höherer Drücke in kleinen Volumina bedingt jedoch auch nicht zu vernachlässigende Sicherheitsaspekte. Bei der weiteren Handhabung der flüssigen Phase ist weiterhin zu beachten, dass diese unter dem beaufschlagten Druck steht. Common to these approaches is that they focus on one refer to the selected geometry, and to enlarge the scale these geometries inevitably have to change. The However, using higher pressures in small volumes is conditional security aspects that should not be neglected. In the further handling of the liquid phase is still too note that this is under the applied pressure.

Aufgrund der hohen Rührgeschwindigkeiten und der Maximierung der Phasenoberfläche werden meistens auch solche Reaktoren für die Hydrierung eingesetzt, die mehr als 30% Gasvolumen enthalten. Dieses Volumen ist bei der Erzielung von hohen Raum-Zeit-Ausbeuten unvorteilhaft. Weiterhin ist die technische Realisierung von Gasdruckkesseln mit hohem Aufwand verbunden, da die hohe Kompressibilität des Gases im Gegensatz zu dem von Flüssigkeiten zur explosionsartigen Expansion führen kann. Der Gasraum eines Druckkessels ist dabei besonders zu beachten. Because of the high stirring speeds and the Maximization of the phase surface usually also becomes such Reactors used for hydrogenation, which are more than 30% Gas volume included. This volume is in achieving high space-time yields disadvantageous. Furthermore, the technical realization of gas pressure boilers with high Effort connected because the high compressibility of the gas in the Contrary to that from liquids to explosive Expansion can result. The gas space of a pressure vessel is to pay particular attention to.

Die eingestellten hohen Rührergeschwindigkeiten führen weiterhin zu einem hohen Energieeintrag, der durch vermehrte Kühlung wieder ausgeglichen werden muss. Dabei steigt die benötigte Energie zur Versorgung einer Reaktion in einem Flüssigvolumen überproportional mit dem Volumen an, und erreicht je nach Reaktor- und Rührergeometrie diskrete Grenzwerte, die nicht überwunden werden können. The set high stirrer speeds lead continue to a high energy input by increased Cooling must be balanced again. The increases energy required to supply a reaction in one Liquid volume disproportionately to the volume, and achieves discrete depending on the reactor and stirrer geometry Limits that cannot be overcome.

Aus der DE 195 28 871 ist bekannt, in wässrigem Medium befindliche Zellkulturen mit Sauerstoff zu versorgen. Dazu wird der Sauerstoff diesen Medien über eine sauerstoffpermeable Membran zudosiert. From DE 195 28 871 is known in an aqueous medium to supply existing cell cultures with oxygen. To the oxygen is transferred to these media via a oxygen permeable membrane metered.

In Fortführung der Bemühungen, gasförmigen Wasserstoff einem flüssigen Medium zu applizieren, war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren sowie eine geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine optimierte Versorgung des flüssigen Mediums mit Wasserstoff gestattet. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung sollte ohne den Zusatz an weiteren wasserstoffproduzierenden Substanzen auskommen und dennoch apparativ im technischen Maßstab unter ökonomischen wie ökologischen Gesichtspunkten vorteilhaft anwendbar sein. Continuing efforts to gaseous hydrogen to apply a liquid medium was the task of present invention a method and a suitable To provide device that is optimized Permission to supply the liquid medium with hydrogen is permitted. The method or the device should be without the addition get along with other hydrogen-producing substances and yet in terms of equipment on a technical scale economically and ecologically advantageous be applicable.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst. Anspruch 1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Begasung von flüssigen Medien mit Wasserstoff. Ansprüche 2 bis 6 sind bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Anspruch 7 richtet sich auf eine spezielle Vorrichtung zur Begasung mit Wasserstoff, wohingegen Ansprüche 8 bis 10 bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung widerspiegeln. The task is solved according to the requirements. Claim 1 relates refer to a process for the gassing of liquid media with hydrogen. Claims 2 to 6 are preferred Embodiments of the method according to the invention. Claim 7 is aimed at a special device for fumigation with hydrogen, whereas claims 8 to 10 preferred Reflect configurations of the device.

Dadurch, daß man bei einem Verfahren zur Begasung von flüssigen Medien mit molekularem Wasserstoff, diesen in das flüssige Medium über eine wasserstoffpermeable Membran eindosiert, gelangt man in sehr einfacher, dafür aber nicht minder vorteilhaften Art und Weise zur Lösung der gestellten Aufgabe. Der gasförmige Wasserstoff diffundiert dabei aus dem Gasraum über die Membran auf die mit dem flüssigen Medium in Kontakt stehenden Seite der Membran, an der der Wasserstoff direkt gelöst vorliegen. Dadurch werden die in Reaktionsautoklaven beschriebenen Phänomene der unvorteilhaften Koaleszenz von vornherein vermieden. The fact that in a process for fumigation of liquid media with molecular hydrogen, this in the liquid medium over a hydrogen permeable membrane dosed, it is very easy to get, but not less advantageous way to solve the task. The gaseous hydrogen diffuses from the gas space over the membrane to the one with the liquid Medium contacting side of the membrane on which the Hydrogen is directly dissolved. As a result, the in Reaction autoclaves described phenomena of unfavorable coalescence avoided from the outset.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise zur Hydrierung ungesättigter organischer Verbindungen in Gegenwart eines Hydrierkatalysators in dem flüssigen Medium dergestalt eingesetzt, daß man den Wasserstoff in das flüssige Medium über eine wasserstoffpermeable Membran zudosiert. Als Hydrierkatalysatoren können dabei alle dem Fachmann für diesen Zweck in Frage kommenden Katalysatoren ob chiral oder nicht chiral, homogen löslich oder heterogen oder mit Polymeren molekulargewichtsvergrößert benutzt werden. Als geeignete Katalysatoren sind insbesondere die aus Ojima, Catalytic Asymmetric Synthesis, Wiley-VCH, 1993, S. 1 bis 33; DE 100 02 976; DE 100 02 975; DE 100 02 973; DE 101 00 971; J. M. Brown, in Comprehensive asymmetric catalysis, Vol. 1 (Eds.: E. N. Jacobson, A. Pfaltz, H. Yamamoto), Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1999, pp. 121; M. J. Burk, M. F. Gross, T. G. P. Harper, C. S. Kalberg, J. R. Lee, J. P. Martinez, PureApplChem 1996, 68, 37; H. B. Kagan, in Comprehensive Organometallic Chemistry, Vol. 8 (Eds.: G. Wilkinson, F. G. A. Stone, E. W. Abel), Pergamon, London, 1982, pp. 463; W. S. Knowles, AccChemRes 1983, 16, 106; R. Noyori, Asymmetric Catalysis in Organic Synthesis, John Wiley & Sons, Tokyo, 1994; G. X. Zhu, A. L. Casalnuovo, X. M. Zhang, Journal of Organic Chemistry 1998, 63, 8100 bekannten zu nennen. Die Offenbarungen dieser Schriften gelten hier als mitumfaßt. The method according to the invention is preferably used for Hydrogenation of unsaturated organic compounds in the presence a hydrogenation catalyst in the liquid medium used in such a way that the hydrogen in the liquid Medium metered in via a hydrogen permeable membrane. Hydrogenation catalysts can all be used by those skilled in the art catalysts that are suitable for this purpose, whether chiral or not chiral, homogeneously soluble or heterogeneous or with Polymers increased molecular weight can be used. As suitable catalysts are in particular those from Ojima, Catalytic Asymmetric Synthesis, Wiley-VCH, 1993, pp. 1 to 33; DE 100 02 976; DE 100 02 975; DE 100 02 973; DE 101 00 971; J. M. Brown, in Comprehensive asymmetric catalysis, Vol. 1 (Eds .: E. N. Jacobson, A. Pfaltz, H. Yamamoto), Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1999, pp. 121; M. J. Burk, M.F. Gross, T.G.P. Harper, C.S. Kalberg, J.R. Lee, J.P. Martinez, PureApplChem 1996, 68, 37; H. B. Kagan, in Comprehensive Organometallic Chemistry, Vol. 8 (Eds .: G. Wilkinson, F.G.A. Stone, E. W. Abel), Pergamon, London, 1982, pp. 463; W. S. Knowles, AccChemRes 1983, 16, 106; R. Noyori, Asymmetric Catalysis in Organic Synthesis, John Wiley & Sons, Tokyo, 1994; G. X. Zhu, A.L. Casalnuovo, X. M. Zhang, Journal of Organic Chemistry 1998, 63, 8100 known to call. The revelations of these writings are considered included here.

Das einzusetzende flüssige Medium richtet sich nach den Löslichkeiten der Produkte, Edukte oder Katalysatoren, die während der Reaktion anwesend sind oder dem ggf. positiven Effekt mancher Lösungsmittel auf die Hydrierung selbst und können vom Fachmann ansonsten frei gewählt werden. The liquid medium to be used depends on the Solubilities of the products, starting materials or catalysts that are present during the reaction or the positive if necessary Effect of some solvents on the hydrogenation itself and can otherwise be freely chosen by a specialist.

Als ungesättigte organische Verbindungen können ebenfalls alle solche zum erfindungsgemäßen Verfahren herangezogen werden, die dem Fachmann für diesen Zweck geläufig sind. Im einzelnen können organische Verbindungen aufweisend eine C=C-, C~C-, C=O-, C=N-, C~N-, C~P-, C=P-, N=N-, N=O-, N~O-, N=P-, N~P-Bindung für das vorliegende Verfahren als Edukte eingesetzt werden. As unsaturated organic compounds can also all of these are used for the method according to the invention become familiar to those skilled in the art for this purpose. in the Individual organic compounds can have a C = C-, C ~ C-, C = O-, C = N-, C ~ N-, C ~ P-, C = P-, N = N-, N = O-, N ~ O-, N = P, N ~ P bond for the present process as starting materials be used.

Ein besonderes Augenmerk bei der vorliegenden Erfindung ist auf die Auswahl eines geeigneten Membranmaterials zu legen. Prinzipiell ist der Fachmann frei in dessen Auswahl, doch sollten folgende Voraussetzung dabei beachtet werden. Wasserstoff muß einerseits ausreichend gut durch die Membran diffundieren können, ohne das Membranmaterial durch Reaktion zu schädigen. Particular attention is paid to the present invention on the selection of a suitable membrane material. In principle, the specialist is free to choose, but the following requirement should be observed. On the one hand, hydrogen must pass through the membrane sufficiently well can diffuse through without the membrane material Damage reaction.

Vorzugsweise wird eine Membran gewählt, die aus keramischem Material besteht (wie in M. Schmidt et. al. Chem. Ing. Techn. 1999, 71, 199-206 und M. Cheryan Ultrafiltration and microfiltration, Technomic Publ. & Co, Lancaster, 1998 erwähnt). Keramische Werkstoffe haben den Vorteil, daß sie sehr resistent gegen Reaktionsmedien sind und den hohen Anforderungen an einen robusten technischen Prozeß gut gerecht werden. A membrane is preferably selected which is made of ceramic Material consists (as in M. Schmidt et. Al. Chem. Ing. Techn. 1999, 71, 199-206 and M. Cheryan Ultrafiltration and microfiltration, Technomic Publ. & Co, Lancaster, 1998 mentioned). Ceramic materials have the advantage that they are very resistant to reaction media and the high Requirements for a robust technical process are good satisfy.

Alternativ können auch organische Polymermaterialien als Membranmaterialien eingesetzt werden. Diese besitzen den Vorteil, daß sie biegsam sind und dadurch der Reaktorgeometrie flexibel angepaßt werden können. Weiterhin sind mit diesen Materialien äußerst kleine Porengrößen zu erreichen, die dazu führen, dass auf der dem flüssigen Medium zugewandten Membranseite Wasserstoff in relativ kleinen Portionen abgegeben wird, was aufgrund des dadurch erhöhten Oberfläche/Volumenverhältnisses zu einer schnelleren Lösung des Wasserstoffs beiträgt. Vorteilhaft in diesem Zusammenhang ist der Einsatz von Membranen aus Perfluor- und Fluorpolymeren (PTFE), Polyimiden oder Silikonen. Solche sind beispielsweise in der DE 195 28 871 erwähnt. Diese Offenbarungen gelten hier als mitumfaßt. Alternatively, organic polymer materials can also be used as Membrane materials are used. These own the Advantage that they are flexible and therefore the Reactor geometry can be flexibly adapted. Furthermore are with to achieve extremely small pore sizes with these materials, which cause that on the the liquid medium facing membrane side hydrogen in relatively small Portions are given, which is due to the increased Surface / volume ratio for a faster solution of the Hydrogen contributes. Advantageous in this context is the use of membranes made of perfluoro- and Fluoropolymers (PTFE), polyimides or silicones. Such are mentioned for example in DE 195 28 871. These revelations are considered included here.

Das vorliegende Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man in dem flüssigen Medium möglichst keine Wasserstoffbläschen erzeugt. Aus diesem Grund sollte der Wasserstoffdruck im Gasraum dergestalt eingestellt sein, daß man unterhalb des Bubblepoints (Ausbildung mit dem Auge sichtbarer Blasen) des jeweiligen Membranmaterials arbeitet. Vorzugsweise stellt man zwischen Gasphase und flüssigem Medium eine Druckdifferenz von 100 und 0,1 bar, vorzugsweise zwischen 50 und 1 bar, besonders bevorzugt zwischen 25 und 1 bar, ein. The present method is characterized in that one in the liquid medium if possible Hydrogen bubbles created. For this reason, the hydrogen pressure be set in the gas space such that one below the bubble point (training visible to the eye Bubbles) of the respective membrane material works. Preferably one places between the gas phase and the liquid medium Pressure difference of 100 and 0.1 bar, preferably between 50 and 1 bar, particularly preferably between 25 and 1 bar, on.

Das vorliegende Verfahren kann in einem sogenannten Batch- Verfahren als auch kontinuierlich durchgeführt werden. Mittels sogenannter molekulargewichtsvergrößerter Katalysatoren (Lit. s. o.) läßt sich das Verfahren in einem Membranreaktor kontinuierlich durchführen. Unter kontinuierlicher Reaktion wird im Rahmen der Erfindung auch die repetitive Batch-Fahrweise (Batch-UF) verstanden. Dabei wird der Reaktor bis auf das Polymer entleert und das flüssige Medium durch die Reaktormembran gedrückt. Der Katalysator verbleibt im Reaktor und reagiert mit dem neu zugegebenen Substrat und der Katalysezyklus beginnt von vorn. The present method can be carried out in a so-called batch Process as well as be carried out continuously. By means of so-called molecular weight enhancers The process can be carried out in one catalyst (Lit. see above) Carry out membrane reactor continuously. Under continuous Reaction is also repetitive in the context of the invention Batch mode of operation understood (batch UF). The Emptied reactor down to the polymer and the liquid medium pushed through the reactor membrane. The catalyst remains in the reactor and reacts with the newly added Substrate and the catalytic cycle starts all over again.

Die kontinuierliche Fahrweise kann im sogenannten Cross- Flow-Filtrationsmodus (Fig. 2) oder als Dead-End-Filtration (Fig. 1) durchgeführt werden. The continuous mode of operation can be carried out in the so-called cross-flow filtration mode ( FIG. 2) or as dead-end filtration ( FIG. 1).

Im Dead-End-Betrieb wird Katalysator und flüssiges Medium im Reaktor vorgelegt und anschließend das gelöste Substrat zudosiert, wobei gleichzeitig die erfindungsgemäße Wasserstoffzufuhr gewährleistet sein sollte. Das Substrat wird über den Katalysator ggf. enantio- oder regioselektiv reduziert und anschließend über die Filtrationsmembran mit dem flüssigen Medium zusammen aus dem Membranreaktor ausgetragen. In dead-end operation, the catalyst and liquid medium become submitted in the reactor and then the dissolved substrate metered in, at the same time the invention Hydrogen supply should be guaranteed. The substrate will possibly enantio- or regioselective via the catalyst reduced and then over the filtration membrane with the liquid medium together from the membrane reactor discharged.

In der Cross-Flow-Fahrweise wird das flüssige Medium, beinhaltend Substrat, Produkt und Katalysator sowie erfindungsgemäß zugeführten Wasserstoff, an einer Membran an der eine Druckdifferenz anliegt, vorbeigeführt. In the cross-flow mode, the liquid medium, including substrate, product and catalyst as well Hydrogen supplied according to the invention, on a membrane on one Pressure difference is present, led past.

Für beide Fälle erfolgt das Zudosieren des gelösten Substrats in einer solchen Geschwindigkeit, daß das permeierte flüssige Medium überwiegend ggf. enantio- oder regioselektiv hydriertes Produkt enthält. Beide Verfahrensvarianten sind im Stand der Technik beschrieben (Engineering Processes for Bioseparations, Ed.: L. R. Weatherley, Heinemann, 1994, 135-165). In both cases, the solution is added Substrate at such a speed that the permeated liquid medium mainly enantio- or contains regioselectively hydrogenated product. Both process variants are described in the state of the art (engineering Processes for Bioseparations, Ed .: L. R. Weatherley, Heinemann, 1994, 135-165).

Im Rahmen der Erfindung wird unter Membranreaktor jedwedes Reaktionsgefäß verstanden, bei dem der molekulargewichtsvergrößerte Katalysator in einem Reaktor eingeschlossen wird, während niedermolekulare Stoffe dem Reaktor zugeführt werden oder ihn verlassen können. Dabei kann die Reaktormembran direkt in den Reaktionsraum integriert werden oder außerhalb in einem separaten Filtrationsmodul eingebaut sein, bei der die Reaktionslösung kontinuierlich oder intermittierend durch das Filtrationsmodul strömt und das Retentat in den Reaktor zurückgeführt wird. Geeignete Ausführungsformen sind u. a. in der WO 98/22415 und in Wandrey et al. in Jahrbuch 1998, Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen, VDI S. 151 ff.; Wandrey et al. in Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic Compounds, Vol. 2, VCH 1996, S. 832 ff.; Kragl et al., Angew. Chem. 1996, 6, 684f.; U. Kragl et al., Trends Biotechnology 2001, 19, 442 ff; S. Laue et al., Adv. Cat. Synth. 2001, 343, 711 ff. beschrieben. In the context of the invention, anything under membrane reactor Understanding the reaction vessel in which the molecular weight-increased catalyst enclosed in a reactor is fed to the reactor while low molecular weight substances will or can leave him. The Reactor membrane can be integrated directly into the reaction space or installed outside in a separate filtration module be in which the reaction solution is continuous or flows intermittently through the filtration module and that Retentate is returned to the reactor. suitable Embodiments are u. a. in WO 98/22415 and in Wandrey et al. in 1998 yearbook, process engineering and Chemical engineering, VDI p. 151 ff .; Wandrey et al. in Applied Homogeneous Catalysis with Organometallic Compounds, Vol. 2, VCH 1996, pp. 832 ff .; Kragl et al., Angew. Chem. 1996, 6, 684f .; U. Kragl et al., Trends Biotechnology 2001, 19, 442 ff; S. Laue et al., Adv. Cat. Synth. 2001, 343, 711 ff. described.

In einer nächsten Ausgestaltung beschäftigt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung zur Begasung von Flüssigkeiten mit molekularem Wasserstoff aufweisend

- ein offenes oder geschlossenes Hydriergefäß (21), welches
- mit einem gegebenenfalls gerührten flüssigen Medium (22) gefüllt ist,
- das durch eine wasserstoffpermeablen Membran (23) von einem Wasserstoff aufweisenden Gasraum (24) abgetrennt ist, und bei der
- Wasserstoff in die flüssige Phase über die wasserstoffpermeable Membran dosiert wird (Fig. 3).

In a next embodiment, the invention is concerned with a device for the gassing of liquids with molecular hydrogen

- An open or closed hydrogenation vessel ( 21 ), which
- is filled with an optionally stirred liquid medium ( 22 ),
- Which is separated by a hydrogen-permeable membrane ( 23 ) from a hydrogen-containing gas space ( 24 ), and in which
- Hydrogen is metered into the liquid phase over the hydrogen-permeable membrane ( Fig. 3).

Mittels einer solchen Vorrichtung, die in analoger Weise wie die in US 5,601,757 ausgebildet sein kann, ist die erfindungsgemäße Begasung mit den bei dem Verfahrensaspekten beschriebenen Vorteilen möglich. By means of such a device, in an analogous manner how that can be formed in US 5,601,757 is the Gassing according to the invention with the in the process aspects described advantages possible.

Ganz besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform, in der die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Wasserstoffverbrauchsmesseinrichtung (28) besitzt, über die der Wasserstoffdruck im Gasraum konstant gehalten werden kann. The embodiment in which the device according to the invention has a hydrogen consumption measuring device ( 28 ) via which the hydrogen pressure in the gas space can be kept constant is very particularly advantageous.

Im Hinblick auf die Auswahl des Membranmaterials wird auf das bezüglich des Verfahrens Gesagte verwiesen. Auch hier verwendet man vorteilhafterweise Membranen aus Keramik oder einem organischen Polymermaterial. With regard to the selection of the membrane material is on referred to what was said about the procedure. Here too one advantageously uses membranes made of ceramic or an organic polymer material.

Ganz vorteilhaft ist eine Membranen aus Perfluor- und Fluorpolymeren (PTFE), Polyimiden oder Silikonen für diesen Zweck geeignet. A membrane made of perfluoro- and is very advantageous Fluoropolymers (PTFE), polyimides or silicones for this Suitable purpose.

Im Hinblick auf die Batch- bzw. kontinuierliche Fahrweise gilt diesbezüglich das oben für das Verfahren Angemerkte entsprechend. With regard to batch or continuous driving In this regard, the comments made above for the procedure apply corresponding.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, sowohl im Batch- als auch bei kontinuierlicher Betriebsart mit molekulargewichtsvergrößerten Katalysatoren eine Versorgung der Reaktion im flüssigen Medium zu erreichen, die in vorteilhafter Art und Weise dazu geeignet ist, auf Transferhydrierbedingungen und damit einhergehenden Nachteile zu verzichten und trotzdem nicht die für die Hydrierung mit gasförmigem Wasserstoff beschriebenen Schwierigkeiten in Kauf nehmen zu müssen. With the device according to the invention it is possible both in batch and continuous mode with molecular weight-increased catalysts Supply the reaction in the liquid medium to achieve that is advantageously suitable for Transfer hydrogenation conditions and associated To forego disadvantages and still not for those Described hydrogenation with gaseous hydrogen Having to put up with difficulties.

Es sei angemerkt, daß die wasserstoffpermeable Membran bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem Fachmann geläufigen Vorstellungen ausgebildet sein kann. Es kann sich insbesondere um eine verschlossenes Rohr oder einen verschlossenen Schlauch handeln. Gleichfalls kommen jedoch auch Module zum Einsatz, wie sie in der DE 195 28 871 vorgeschlagen werden. D. h. sie sind an beiden Seiten offen mit einer Wasserstoffzufuhr und einer Wasserstoffabfuhr, zwischen denen die wasserstoffpermeable Membran in Kontakt mit den flüssigen Medium steht. It should be noted that the hydrogen permeable membrane at the inventive method or the inventive Device according to ideas familiar to a person skilled in the art can be trained. In particular, it can be a sealed tube or hose act. However, modules are also used, as proposed in DE 195 28 871. I.e. she are open on both sides with a hydrogen supply and a hydrogen discharge, between which the hydrogen permeable membrane is in contact with the liquid medium.

Die zitierten Schriften gelten als von der Beschreibung mitumfaßt. The cited writings are considered from the description incorporated.

Description of the figures

Fig. 1 zeigt einen Membranreaktor mit Dead-End-Filtration. Das Substrat 1 wird über eine Pumpe 2 in den Reaktorraum 3 überführt, der eine Membran 5 aufweist. Im rührerbetriebenen Reaktorraum befinden sich neben dem Lösungsmittel der Katalysator 4, das Produkt 6 und nicht umgesetztes Substrat 1. Über die Membran 5 wird hauptsächlich niedermolekulares 6 abfiltriert. Über die Leitung 7 wird dem Reaktor der Wasserstoff zugeführt. Fig. 1 shows a membrane reactor with dead-end filtration. The substrate 1 is transferred via a pump 2 into the reactor space 3 , which has a membrane 5 . In addition to the solvent, the stirrer-operated reactor space contains the catalyst 4 , the product 6 and unreacted substrate 1 . Mainly low molecular weight 6 is filtered off through the membrane 5 . The hydrogen is fed to the reactor via line 7 .

Fig. 2 zeigt einen Membranreaktor mit Cross-Flow- Filtration. Das Substrat 7 wird hier über die Pumpe 8 in den gerührten Reaktorraum überführt, in dem sich auch Lösungsmittel, Katalysator 9 und Produkt 14 befindet. Über die Pumpe 16 wird ein Fluß an flüssigem Medium eingestellt, der über einen ggf. vorhandenen Wärmetauscher 12 in die Cross-Flow-Filtrationszelle 15 führt. Hier wird das niedermolekulare Produkt 14 über die Membran 13 abgetrennt. Hochmolekularer Katalysator 9 wird anschließend mit dem Lösungsmittelfluß ggf. wieder über einen Wärmetauscher 12 ggf. über das Ventil 11 zurück in den Reaktor 10 geleitet. Über die Leitung 17 wird dem Reaktor der Wasserstoff zugeführt. Fig. 2 shows a membrane reactor with cross-flow filtration. The substrate 7 is transferred here via the pump 8 into the stirred reactor space, in which the solvent, catalyst 9 and product 14 are also located. A flow of liquid medium is set via the pump 16 and leads into the cross-flow filtration cell 15 via a heat exchanger 12 which may be present. Here the low molecular weight product 14 is separated off via the membrane 13 . High molecular weight catalyst 9 is then passed back into the reactor 10 with the solvent flow, if necessary again via a heat exchanger 12 and possibly via the valve 11 . The hydrogen is fed to the reactor via line 17 .

Fig. 3 das über die Pumpe 27 in das Reaktionsgefäß eindosierte flüssige Medium 22 enthält Substrat und Katalysator. Das flüssige Medium 22 wird optional mittels Rührer 26 in Bewegung versetzt, während ihm durch die Wasserstoffzufuhr 25, welche in den Gasraum 24 mündet, über die wasserstoffpermeable Membran 23 Wasserstoff zugeführt wird. Der Wasserstoffdruck wird über eine Meßeinrichtung 28, die mit der Pumpe 29 gekoppelt ist, möglichst konstant gehalten. Über den Austrag 28 kann nach erfolgter Hydrierung das flüssige Medium 22 mit Katalysator und Produkt abgezogen werden. Fig. 3, the metered into the reaction vessel via the pump 27 liquid medium 22 comprises the substrate and catalyst. The liquid medium 22 is optionally set in motion by means of a stirrer 26 , while hydrogen is supplied to it through the hydrogen supply 25 , which opens into the gas space 24 , via the hydrogen-permeable membrane 23 . The hydrogen pressure is kept as constant as possible via a measuring device 28 , which is coupled to the pump 29 . After the hydrogenation has taken place, the liquid medium 22 with catalyst and product can be drawn off via the discharge 28 .

Fig. 4 Umsatz-Zeit-Verlauf der volumenbegasten Reaktion
Kreise: Umsatz nach Wasserstoffmenge, Quadrate Umsatz nach Stoffmenge (siehe auch Beispiel 1)
Ordinate: Umsatz (ohne Einheit)
Abszisse: Zeit in Stunden Fig. 4 sales-time curve of the volume-gassed reaction
Circles: sales by amount of hydrogen, squares sales by amount of substance (see also example 1)
Ordinate: turnover (without unit)
Abscissa: time in hours

Fig. 5 Umsatz-Zeit-Verlauf
Quadrate: Umsatz nach Stoffmenge (siehe auch Beispiel 2)
Ordinate: Umsatz (ohne Einheit)
Abszisse: Zeit in Stunden Fig. 5 sales-time curve
Squares: Sales by amount of substance (see also example 2)
Ordinate: turnover (without unit)
Abscissa: time in hours

Fig. 6 Umsatz-Zeit Verlauf Membranreaktor (Beispiel 3)
Kreise: Umsatz nach Stoffmenge (Kapillarelektrophorese)
Ordinate: Umsatz (ohne Einheit)
Abszisse: Zeit in Stunden Beispiele Beispiel 1

Fig. 6 Turnover Time History membrane reactor (Example 3)
Circles: Sales by amount of substance (capillary electrophoresis)
Ordinate: turnover (without unit)
Abscissa: time in hours examples example 1

In einem 500 mL Glasbehälter mit tefloniertem Magnetrührstab werden 12 mM N-Acetylzimtsäuremethylester (1), 1,2 mM BPPM (3) und 1,1 mM Rhodium-biscyclooctadientetraflourosulfonat in 250 mL 2-Propanol unter Argonatmosphäre vorgelegt. Die Lösung wird entgast. Ein Polytetraflouroethylen-(PTFE)-Schlauch mit 5 m Länge (Innendurchmesser 0,8 mm; Außendurchmesser 1,6 mm) wird so in die Lösung eingebracht, das er vollständig bedeckt ist. Der Schlauch wird mit 0,8 MPa Wasserstoff beaufschlagt, und der Massenfluss der zum Aufrechterhalten des Drucks wird verfolgt und aufgezeichnet. Proben zur Reaktionskontrolle werden dem drucklosen Behälter entnommen und per Gaschromatographie bezüglich Ausbeute und Selektivität untersucht wie in H. Frank, G. J. Nicholson, E. Bayer, Journal of Chromatography 1978, 146, 197 oder T. Dwars, J. Haberland, I. Grassert, G. Oehme, U. Kragl, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 2001, 168, 81. beschrieben. Der Verlauf der Umsätze nach Wasserstoffübergang und Gaschromatographie ist in der Fig. 4 gezeigt. Es zeigt sich, dass der Umsatz durch den Wasserstoffübergang begrenzt ist, und die Wasserstoffzufuhr über die Membran erfolgt. Es wird quantitativer Umsatz bei einem Enantiomerenverhältnis von er = 19 (Enantiomerenüberschuß ee = 90%) erreicht. Beispiel 2

12 mM N-acetylcinnamic acid methyl ester (1), 1.2 mM BPPM (3) and 1.1 mM rhodium-biscyclooctadiene tetrafluorosulfonate in 250 mL 2-propanol are placed in an argon atmosphere in a 500 mL glass container with a teflon-coated magnetic stir bar. The solution is degassed. A 5 m long polytetraflouroethylene (PTFE) tube (inner diameter 0.8 mm; outer diameter 1.6 mm) is placed in the solution so that it is completely covered. The hose is charged with 0.8 MPa of hydrogen and the mass flow to maintain the pressure is monitored and recorded. Reaction control samples are taken from the unpressurized container and analyzed by gas chromatography for yield and selectivity as in H. Frank, GJ Nicholson, E. Bayer, Journal of Chromatography 1978, 146, 197 or T. Dwars, J. Haberland, I. Grassert, G. Oehme, U. Kragl, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical 2001, 168, 81. The course of the conversions after hydrogen transfer and gas chromatography is shown in FIG. 4. It can be seen that the conversion is limited by the hydrogen transfer and the hydrogen is supplied via the membrane. Quantitative conversion is achieved with an enantiomer ratio of er = 19 (enantiomeric excess ee = 90%). Example 2

In einer geschlossenen Umlaufapparatur mit Membraneinheit (10 m PTFE-Schlauch, Innendurchmesser 1,0 mm; Aussendurchmesser 1,6 mm aufgewickelt auf einen massiven Block) und Umlaufpumpe wird entgastes Methanol mit 250 mM N- Acetylzimtsäure (1 für Me = H) und 0,6 mM Pyrphos- Rhodiumcyclooctadientetraflouroborat (4-RhCODBF₄) eingebracht. Das Gesamtvolumen der flüssigen Phase beträgt 0,15 L. Es wird ein Druck von 8 bar auf der flüssigen Phase und zunächst ein Druck von 11 bar H₂ auf der Innenseite des Schlauchs beaufschlagt. Nach 2,5 h (senkrechte Linie in Fig. 5) wird der gasseitige Innendruck auf 12 bar erhöht. Es wird quantitativer Umsatz erreicht, mit einem Enantiomerenverhältnis er = 32 (ee = 94%). Auch für dieses Beispiel ist die Reaktionsrate durch die Wasserstoffaufnahme begrenzt. Degassed methanol with 250 mM N-acetylcinnamic acid (1 for Me = H) and 0 is placed in a closed circulation apparatus with a membrane unit (10 m PTFE hose, inner diameter 1.0 mm; outer diameter 1.6 mm wound on a solid block) and circulation pump , 6 mM Pyrphos-Rhodiumcyclooctadientetraflouroborat (4-RhCODBF ₄ ) introduced. The total volume of the liquid phase is 0.15 L. A pressure of 8 bar is applied to the liquid phase and first a pressure of 11 bar H ₂ on the inside of the hose. After 2.5 h (vertical line in Fig. 5) the gas-side internal pressure is increased to 12 bar. Quantitative conversion is achieved with an enantiomer ratio of er = 32 (ee = 94%). For this example, too, the reaction rate is limited by the hydrogen uptake.

Kapillarelektrophorese-Bedingungen: U = 30 kV; pH = 10,2; c(Phosphatpuffer) = 125 mM; c(DIME-beta-Cyclodextrin) = 25 mM, T = 16°C, Beckman Pace/MDQ Capillary electrophoresis conditions: U = 30 kV; pH = 10.2; c (phosphate buffer) = 125 mM; c (DIME-beta-cyclodextrin) = 25 mM, T = 16 ° C, Beckman Pace / MDQ

Beispiel 3Example 3

In die Apparatur aus Beispiel 2, ergänzt um eine Vorrichtung zur Nanofiltration mit einer keramischen Membran (Prototyp des Hermstorfer Instituts) wird mit Methanol und 250 mM N-Acetylzimtsäure (1 für Me = H) und 60 mg des polymervergrößerten Katalysators (0,003082 mmol/Polymer zu 10% funktionalisiert hergestellt nach den Beispielen der DE 100 02 975) in den Reaktor eingebracht. (Bedingungen wie in Beispiel 2). Mit einer Dosierpumpe werden 25 ml/h der Substratlösung nachdosiert (entsprechend einer Verweilzeit von 10 h; V = 0,25 L). Der Umsatz und die Selektivität werden mittels Kapillarelektrophorese bestimmt. In the apparatus from Example 2, supplemented by one Device for nanofiltration with a ceramic membrane (Prototype of the Hermstorfer Institute) is made with methanol and 250 mM N-acetylcinnamic acid (1 for Me = H) and 60 mg of the polymer-enlarged catalyst (0.003082 mmol / polymer at 10% Functionalized manufactured according to the examples of DE 100 02 975) introduced into the reactor. (Conditions as in Example 2). With a dosing pump, 25 ml / h of Subsequent addition of substrate solution (corresponding to a residence time of 10 h; V = 0.25 L). Sales and selectivity will be determined by capillary electrophoresis.

Claims

1. A process for the gassing of liquid media with molecular hydrogen, characterized in that the hydrogen is metered into the liquid medium via a hydrogen-permeable membrane.

2. The method according to claim 1 characterized in that unsaturated organic compounds in the presence a hydrogenation catalyst in the liquid medium hydrogenated in such a way that the hydrogen in the liquid medium over a hydrogen permeable membrane dosed.

3. The method according to claim 1 and / or 2, characterized in that the membrane made of ceramic or an organic Polymer material is made.

4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that membranes made of perfluoropolymers and fluoropolymers (PTFE), Polyimides or silicones are used.

5. The method according to one or more of claims 1 to characterized in that one below the bubble point of each Membrane material works.

6. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that one between gas phase and liquid medium Pressure difference of 100 and 0.1 bar, preferably between 50 and 1 bar, particularly preferably between 25 and 1 bar, established.

7. Device for fumigating liquids with molecular hydrogen
an open or closed hydrogenation vessel ( 21 ), which
is filled with an optionally stirred liquid phase ( 22 ),
which is separated from a hydrogen-containing gas space ( 24 ) by a hydrogen-permeable membrane ( 23 ), and in which
Hydrogen is metered into the liquid phase via the hydrogen-permeable membrane ( FIG. 3).

8. The device according to claim 7, characterized in that it has a hydrogen consumption measuring device ( 28 ), via which the hydrogen pressure in the gas space can be kept constant.

9. The device according to claim 7 and / or 8, characterized in that the membrane made of ceramic or an organic Polymer material is made.

10. The device according to one or more of claims 7 till 9, characterized in that one made of perfluorinated and. Fluoropolymers Polyimides or silicones are used.