DE102005055866A1

DE102005055866A1 - Verfahren zur Herstellung von Aryl-Aryl gekoppelter Verbindungen

Info

Publication number: DE102005055866A1
Application number: DE102005055866A
Authority: DE
Inventors: Torsten Zech; Gunilla Bohner; Oliver KÖCHEL; Oliver Laus; Denis Hürtgen
Original assignee: HTE GmbH; HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Current assignee: HTE GmbH; HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2007-05-24
Also published as: WO2007059946A3; WO2007059946A2; JP2009516716A; EP1965901A2; US20100216964A1; WO2007059946B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung Aryl-Aryl gekoppelter Verbindungen. Das Verfahren wird kontinuierlich durchgeführt, wobei zumindest zwei nicht miteinander mischbare flüssige Phasen (M01) und (B01) optional zunächst in einem Mischer (020) vermischt werden, anschließend die Reaktion kontinuierlich in einem Festbettreaktor (030) durchgeführt wird und danach optional eine online-Analyse (060) der Produkte (P01) vorgenommen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Aryl-Aryl gekoppelten Verbindungen.
Die Herstellung Aryl-Aryl gekoppelter Verbindungen ist sowohl in den Bereichen der Pharma- und Agrochemikalien als auch im Bereich der Optoelektronik von großem wirtschaftlichen und technischen Interesse. Bezüglich optoelektronischen Anwendungen ist beispielhaft die Verwendung Aryl-Aryl gekoppelter Verbindungen als organische Halbleiter, organische Solarzellen oder Flüssigkristalle zu nennen.
Die Reinheit der Aryl-Aryl gekoppelten Verbindungen ist von zentraler Bedeutung für die genannten sowie für weitere technische Anwendungen. Insbesondere bei der Darstellung von höhermolekularen Verbindungen, insbesondere von Polymeren, ist eine Reinigung oftmals sehr aufwendig und dadurch kostenungünstig. Bei der Herstellung von Polymeren ist es notwendig, diese mit genau spezifizierten mittleren Molekulargewichten zu erhalten, wobei oftmals auch die Molekulargewichtsverteilung in engen Grenzen gehalten werden soll. Abweichungen von den Zielvorgaben bezüglich der Produktreinheit sowie der physikalischen und chemischen Eigenschaften können dazu führen, dass die Verbindungen nicht für die vorgesehenen Anwendungen genutzt werden können.

Das Prinzip der Kupplungsreaktionen zur Herstellung von Aryl-Aryl Verbindungen ist schon seit längerer Zeit bekannt. Als Beispiel für die Synthese von Aryl-Aryl gekoppelten Verbindungen ist die Suzuki-Kupplung zu nennen [Synthetic Communications, 11 (7) (1981) 513]. Hierbei handelt es sich um die Kupplung von aromatischen Verbindungen, die eine Halogenid- bzw. Sulfonoxy-Funktion aufweisen, mit aromatischen Verbindungen, die eine Borsäure-Gruppe aufweisen (Hetero-Kupplung). Dabei wird die Reaktion in flüssiger Phase unter katalytischer Wirkung eines Pd-haltigen Katalysators in Verbindung mit der Aktivierung durch eine Base durchgeführt.

In mehreren wissenschaftlichen Arbeiten, die sich auf die Kupplungsreaktionen zwischen zwei verschieden organischen aromatischen Molekülen beziehen, sind Kupplungsreaktion mittels eines kontinuierlichen Verfahrens beschrieben. Basheer et al. [Tetrahedron Letters 45 (2004) 7297-7300] beschreibt die Durchführung von Suzuki-Kupplungsreaktionen zur Verknüpfung von jeweils zwei aromatischen Verbindungen zur Herstellung von Biphenylen an Pd-haltigen Nanopartikeln. Dabei werden die Reaktionen in einem speziellen Kapillar-Mikroreaktor durchgeführt.

Lee et al. (Chem. Commun, 2005, 2175-2177) beschreibt Suzuki-Kupplungsreaktionen zur Verknüpfung von jeweils zwei verschiedenen einkernigen aromatischen Verbindung zur Herstellung von Biphenylverbindungen unter Verwendung eines speziellen Pd-haltigen Katalysators, wobei das Pd in Polyurethankapseln eingebettet ist. Dabei wird die Kupplungsreaktion unter anderem in einem kontinuierlichen Verfahren über eine mit dem Polymerkatalysator gefüllten HPLC-Säule durchgeführt.

He et al. [Appl. Catal. A: Gen., 274 (2004), 111-114] beschreibt Suzuki-Kupplungen zur Verknüpfung von einkernigen Aromaten zur Herstellung von Biphenylverbindungen, die mittels eines kontinuierlichen Verfahrens unter Verwendung von mit Pd beladenen, oxidischen Katalysatoren in einem Kapillarreaktor durchgeführt werden.

Als nachteilig der vorstehend genannten bekannten kontinuierlichen Verfahren zur (Hetero)kupplung ist zu nennen, dass während der Reaktion im (Kapil lar)reaktor nur geringe Mengen umgesetzt werden können und die Verfahrensführung auf niedermolekulare organische Verbindungen beschränkt ist und nicht auf Polymerisationsreaktionen übertragen werden kann, insbesondere nicht auf solche, die zu hohen Molekulargewichten führen sollen. Weiterhin lassen sich in den Reaktoren, die in diesem Stand der Technik beschrieben sind, mehrphasige Reaktionen nicht oder nur schlecht durchführen.

Eine Anwendung von Kupplungsreaktionen zur Polymerisation ist in WO 03/048225 beschrieben. Die Offenbarung der WO 03/048225 beschränkt sich dabei auf den nicht-kontinuierlichen Batch-Modus (Stirred-Tank-Reaktor). Dabei ist hier eine zweiphasige Reaktionsführung (wässrige Phase mit Base, organische Phase mit Aryl-Verbindungen) beschrieben. Nachteilig am in der WO 03/048225 beschriebenen Herstellungsverfahren sind die im Batch-Betrieb zwangsweise auftretenden Batch-zu-Batch-Variationen. Dies betrifft vor allem Polymerisationsreaktionen, bei denen es zum Ende der Reaktion zu einem starken, exponentiellen Anstieg der Kettenlänge kommen kann, der im Batch-Modus nur schwierig kontrolliert werden kann. Auch ist eine Beeinflussung einer einmal gestarteten Reaktion nur schwierig möglich.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, ein Verfahren zur Herstellung von gekoppelten organischen Verbindungen, vorzugsweise von (Hetero)Aryl-(Hetero)aryl-C-C-Bindungen, vorzugsweise von Polymeren mit solchen Bindungen, bereitzustellen, welches eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Prozess-Steuerung, Kontrolle der Endprodukte und Reproduzierbarkeit ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, diese Verfahren kostengünstiger und ressourcenschonender auszugestalten als dies nach den Verfahren des Standes der Technik möglich ist.

Diese Aufgabe, sowie weitere Aufgaben, werden dadurch gelöst, dass ein Verfahren bereit gestellt wird, in welchem die Aryl-Aryl Kupplung in einem kontinuier lichen Prozess durchgeführt wird. Überraschend wurde im Rahmen von Versuchen (siehe Beispiele) gefunden, dass der kontinuierlich arbeitende Kapillarreaktor wie er für Kupplungsreaktionen niedermolekularer organischer Verbindungen bekannt ist, in Bezug auf den Stoffaustausch zwischen den zwei nicht-mischbaren Phasen limitiert ist. Diese Limitierung des kontinuierlichen Verfahrens kann durch den Einsatz eines Festbettreaktors (FBR) überwunden werden. Dieser FBR weist dabei die Vorteile eines kontinuierlichen Reaktors auf, d. h. erlaubt insbesondere die Online-Kontrolle der Produkte.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur kontinuierlichen Umsetzung von zumindest zwei flüssigen, nicht miteinander mischbaren Phasen umfaßt dabei vorzugsweise die folgenden Schritte:

i) Vereinigung von zumindest zwei flüssigen, nicht miteinander mischbaren Phasen in einem definierten relativen Mengenverhältnis;
iii) Einleiten der Mischung aus i), oder aus einem an i) anschließenden Schritt, in einen Festbettreaktor, der für eine bestimmte Verweilzeit bei einer definierten Temperatur von der Mischung durchströmt wird.

Vorzugsweise erfolgt die Vereinigung in Schritt i) in einem Mischpunkt. Weiter vorzugsweise ist dieser Mischpunkt dadurch gekennzeichnet, dass bei Austritt aus diesem Mischpunkt die zumindest zwei nicht miteinander mischbaren Phasen in einer Kapillare als "Pakete" oder als "Tröpfchen" vorliegen, die eine charakteristische Größe (Länge, Durchmesser) aufweisen, die nicht mehr als dreimal so groß ist wie der Kapillardurchmesser, vorzugsweise nicht mehr als zweimal so groß, weiter vorzugsweise nicht mehr als genauso groß (für beispielhafte "Pakete" von zwei nicht miteinander mischbaren Phasen: siehe 7). Es kann dabei auch eine Phasendurchmischung auf makroskopischer oder mikroskopischer Ebene stattfinden, die mit dem bloßen Auge nicht erkennbar ist.

Jede flüssige Phase kann eine beliebige Anzahl von Komponenten in gelöster oder in teilweise gelöster Form enthalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann zwischen den Schritten i) und iii) der Schritt ii) durchgeführt werden:

ii) Zuführen der Mischung aus i) in einen Mischer, in welchem eine Durchmischung der zumindest zwei flüssigen, nicht miteinander mischbaren Phasen erfolgt.

Bevorzugt als Mischer ist ein Mikromischer.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird optional nach Schritt iii) der Schritt iv) durchgeführt:

iv) Zuführen zumindest einer Phase der aus dem Festbettreaktor aus iii) zumindest ausströmenden zwei Phasen zu einem Online-Analysesystem; optional unter Zudosieren eines Lösungsmittels.

Unter "nicht mischbar" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist zu verstehen, dass die beiden Phasen zwar teilweise mischbar sein können, nicht aber vollständig. Solange im Gleichgewicht zwei getrennte flüssige Phasen wahrnehmbar sind, sind diese als "nicht mischbar" anzusehen. Jede flüssige Phase kann eine beliebige Zahl an Komponenten gelöst enthalten.

Ein Festbettreaktor im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jeder Reaktor, welcher zumindest eine Einrichtung zum Stoffaustausch zwischen zwei Phasen aufweist, d.h. den Stoffaustausch zwischen zwei Phasen, insbesondere zwischen zwei flüssigen Phasen im Vergleich zu einem leeren Reaktor, insbesondere zu einem leeren Rohr, verbessert. Hierzu kann jede Einrichtung, die dem Fachmann bekannt ist eingesetzt werden, beispielsweise Platten, Schichten, Waben, Kanäle etc.

Ein Sonderfall eines FBR im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Schüttgutreaktor, der eine Schüttung von Partikeln enthält, vorzugsweise von sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser von 1 μm bis 2000 μm, vorzugsweise von 50 μm bis 500 μm.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Festbettreaktor so ausgestaltet, dass nach dem Ausgang des Festbettreaktors die zumindest zwei nicht miteinander mischbaren Phasen, die aus dem Reaktor austreten, in einer Kapillare in Form von getrennten Paketen in einer Länge vorliegen, die nicht mehr als dreimal so groß ist wie der Kapillardurchmesser, vorzugsweise nicht mehr als zweimal so groß, weiter vorzugsweise nicht mehr als genauso groß wie der Kapillardurchmesser (siehe 7).

Ohne die Erfindung auf einen bestimmten Mechanismus festzulegen, soll der FBR so ausgelegt sein, dass dieser zur Intensivierung des Stoffaustausches zwischen den zwei nicht mischbaren flüssigen Phasen beiträgt.

Der Festbettreaktor ist bevorzugt rohrförmig. Ein FBR im Sinne der vorliegenden Erfindung weist zumindest einen Eingang und zumindest einen Ausgang auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Steuerung und Regelung der gesamten Anlage inklusive der Prozessdatenerfassung zumindest teilweise, vorzugsweise auch größtenteils, oder auch vollständig, automatisiert. Dies ist für Verfahren im Batch-Modus in diesem Umfang deutlich schwieriger.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden zur Steuerung der Flüssigkeitsströme Massendurchflussregler eingesetzt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es mittels eines stromabwärts vom Reaktorausgang angebrachten Druckreglers möglich, eine Druckeinstellung vorzunehmen, so dass der Druck im FBR oberhalb des Normaldruckes liegt. Dadurch können auch Reaktionen bei Temperaturen durchgeführt werden, die oberhalb des Siedepunktes/der Siedepunkte der Lösemittel und/oder Reaktanden bzw. Mischungen liegen. Ein Sieden von einzelnen Komponenten im Schüttgutreaktor ist somit wirkungsvoll unterbunden. Dies ist eine vorteilhafte Ausgestaltung, da es beim Sieden zu Gasblasenbildung und somit zur Entmischung von einzelnen Reaktionskomponenten kommen kann, wobei sich die zwei nicht mischbaren Phasen, insbesondere die organische und wässrige Phasen, voneinander trennen können.

Für den Stofftransport im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bevorzugt, dass geeignete Fördermittel – wie beispielsweise Pumpen oder Druckbeaufschlagung – eingesetzt werden, mit deren Hilfe die Ausgangskomponenten, beispielsweise die zwei flüssigen, nicht mischbaren Phasen, vorzugsweise über ein Leitungssystem in den Mischer bzw., direkt oder vom Mischer, in den Reaktor geleitet werden.

Zum Flüssigkeitstransport eignen sich beispielsweise HPLC-Pumpen. Bei größeren Ansätzen ist es möglich, die gelösten Ausgangskomponenten bzw. die flüssigen Phasen mittels größerer und/oder anderer Pumpen durch die Leitungen zu transportieren. Dabei sollen die Flussraten der einzelnen Eduktströme möglichst genau kontrolliert werden können. Hierzu ist beispielsweise ist der Einsatz von präparativen HPLC-Pumpen bevorzugt.

Vorzugsweise werden die zeitlichen und räumlichen Veränderungen der Stoffströme im hier vorliegenden kontinuierlichen Betrieb möglichst minimiert. Stabile Bedingungen lassen sich insbesondere dann einstellen, wenn die für die jeweilige Reaktion betrachteten optimalen Reaktionsbedingungen, beispielsweise in Vorversuchen, aufgefunden wurden. Bei der Verwendung von Massenflussreglern zur Steuerung bzw. Regelung werden die Flüssigkeitsströme bevorzugt mittels Druckbeaufschlagung durch das Leitungssystem der Vorrichtung bewegt.

Vorteilhaft beim erfindungsgemäßen kontinuierlichen Verfahren ist auch, dass zunächst Lösungsmittel durch die gesamte Anlage gespült werden kann, um entweder Sauerstoff aus der Anlage zu entfernen, oder um die Anlage von sonstigen Verunreinigungen zu reinigen.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren unter inerten Bedingungen durchgeführt, d.h. unter Bedingungen, bei denen die Anwesenheit von Sauerstoff weitgehend oder möglichst vollständig ausgeschlossen ist. Dies wird unter anderem dadurch ermöglicht, dass die flüssigen, nicht miteinander mischbaren Phasen mit den einzelnen Ausgangskomponenten vor dem Beginn des Verfahrens gemäß den üblichen Methoden inertisiert werden. Dies kann vorzugsweise mittels Durchleiten von Inertgasen wie Argon oder Stickstoff durch die Lösungen oder durch eine Behandlung mit Ultraschall erfolgen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren für zumindest eine Kupplungsreaktion zwischen zumindest zwei (Hetero)aryl-Verbindungen eingesetzt (d. h. Aryl-Aryl, Aryl-Heteroaryl, Heteroaryl-Heteroaryl).

Weiter bevorzugt ist ein Verfahren zur Umsetzung einer Halogen- oder Sulfonyloxy-funktionellen Aryl- oder Heteroarylverbindung mit einer aromatischen oder heteroaromatischen Borverbindung, bevorzugt in Gegenwart eines Katalysators, sowie in Gegenwart einer Base und eines Lösungsmittel(gemische)s, unter Bildung einer Aryl-Aryl- bzw. Aryl-Heteroaryl- oder Heteroaryl-Heteroaryl-C-C-Bindung.

Als Beispiel für eine solche Kupplungsreaktion ist die Suzuki-Kupplung genannt.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform werden als Ausgangskomponenten in einer flüssigen Phase vorliegende Monomere eingesetzt, welche dann in einer Vielzahl von Kupplungsreaktionen zu Polymeren reagieren.

Vorzugsweise werden – für den Fall, dass die im FBR durchgeführten Reaktionen Polymerisationsreaktionen sind – die unterschiedlichen Monomere, die an der Reaktion beteiligt sind, gemeinsam in flüssiger Phase vorgegeben.

Da das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich abläuft, erweist es sich gegenüber den bisher eingesetzten Batchprozessen auf dem Gebiet der Synthese von polymeren Verbindungen als überlegen. Dies liegt insbesondere auch daran, dass die Steuerung des Verfahrens mittels der nachgeschalteten Online-Analytik zu einer verbesserten Prozesssteuerung und Optimierung führt. So kann beispielsweise ein schneller Anstieg des Molekulargewichts sofort erkannt und die Reaktionsbedingungen können dann gegebenenfalls angepasst werden.

Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht auf die Durchführung von Polymerisationsreaktionen beschränkt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere auch für die organische Synthese von kleinen Molekülen.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Edukte unter Verwendung des optionalen Schrittes ii) in einer Reihenschaltung von statischen Mischern zusammengeführt. Vorzugsweise werden hierfür Mikromischer eingesetzt. Es ist möglich, den Mischvorgang sequentiell vorzunehmen. Vorzugsweise werden auch beim Mischvorgang bestimmte Sequenzen beachtet, die beispielsweise daraus bestehen, dass in der Regel erst die Monomere mit der Base vermischt werden und im nächsten Schritt der gegebenenfalls verwendete homogene Katalysator zugeführt wird.

Anstelle des (Mikro)mischers von Schritt ii), oder zusätzlich hierzu, kann auch im Schritt i) der oben beschriebene Mischpunkt zur Vormischung eingesetzt werden.

Vorzugsweise ist der Mischpunkt durch einen geringen Strömungsquerschnitt, ein geringes Totvolumen oder ein geringes inneres Volumen gekennzeichnet. All dies befördert Stoffaustausch und wirkt einer Phasentrennung entgegen.

Als Mischer werden bevorzugt statische Mikromischer eingesetzt. Diese enthalten keine beweglichen Teile. Dabei werden die zu vermischenden Fluide durch eine geeignete Anordnung von Mikrokanälen zunächst in eine große Anzahl von Teilvolumenströmen zerteilt und danach in engen Kontakt zueinander gebracht. Daraufhin vermischen sich diese vorzugsweise diffusiv.

Als Mikromischer können beispielsweise Mischer vom IMM (Institut für Mikrotechnologie Mainz) eingesetzt werden. Mikromischer zeichnen sich dadurch aus, dass sie auch das Vermischen von Volumina im Milliliter-Bereich zulassen, vorzugsweise im Mikroliter-Bereich. Werden Mikrokanäle eingesetzt, so haben diese einen Durchmesser von unter einem mm, vorzugsweise von unter 500 μm.

Bevorzugt eingesetzte Mischer sind unter den eingesetzten Reaktionsbedingungen sowohl druckbeständig als auch inert im Kontakt mit den eingesetzten Chemikalien. Edelstahl ist als Werkstoff für einen Mischer bevorzugt.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden (Mikro)mischer, genauso wie die Vorlagen und Pumpenköpfe, mittels Heiz- oder Kühlvorrichtung temperiert.

Ist dem Schritt iii) in einer bevorzugten Ausführungsform der Schritt ii) vorgeschaltet, so weist die Apparatur Mischer und FBR auf. Bezüglich der geometrischen Ausgestaltung der gesamten Apparatur umfassend Mischer und zumindest einen FBR ist es vorteilhaft, dass die Apparatur ein geringes Totvolumen, d. h. ein geringes Volumen zwischen Mischer und FBR, geringe Strömungsquerschnitte sowie hohe Strömungsgeschwindigkeiten zwischen Mischer und FBR aufweist. Diese Maßnahmen wirken einer Phasentrennung entgegen. Durch die Phasentrennung kann sich die in den Mikromischern generierte Mehrphasenströmung ent mischen, was in der Regel nicht erwünscht ist. Bevorzugt ist, dass die in den (Mikro)mischern generierte Mehrphasenströmung unter möglichst geringer Separation in den FBR transferiert wird. Werden zwischen Mischer und Reaktor Leitungen verwendet, so haben diese vorzugsweise einen Durchmesser von 0,1–2 mm, weiter vorzugsweise zwischen 0,5 und 1 mm. Vorzugsweise handelt es sich dabei um Kapillaren.

Es ist in diesem Zusammenhang auch denkbar, dass eine direkte Kombination zwischen Mischer und FBR in einem Bauteil vorliegt, was wiederum besonders vorteilhaft sein kann, um die Separation der Mehrphasenströmung nach Möglichkeit auszuschließen. In diesem Sinne bevorzugt ist es auch, dass FBR und Mischer räumlich möglichst nahe beieinander liegen.

Die Reihenfolge, in welcher die einzelnen Komponenten der flüssigen Phasen bzw. die flüssigen Phasen selber (miteinander) gemischt werden, ist wichtig, um unerwünschte Reaktionen zwischen den unterschiedlichen Eduktkomponenten zu vermeiden. Deshalb kann es bevorzugt sein, ein mehrstufiges Mischverfahren durchzuführen, bei welchem zunächst mehrere Zweikomponentenmischungen erzeugt werden, die anschließend zusammengeführt werden. Hierzu alternativ kann zu Beginn eine einstufige Mehrkomponentenmischung aller Komponenten in zumindest einer der zumindest zwei flüssigen Phasen durchgeführt werden.

In Zusammenhang mit dem für Schritt iii) des Verfahrens verwendeten FBR sind folgende Ausführungsformen bevorzugt:
Im Gegensatz zu einem Kapillarreaktor erlaubt ein kontinuierlich arbeitender FBR, dass der Stofftransport zwischen den beteiligten flüssigen Phasen bei der Durchströmung durch eine geeignete Auslegung eines Festbettes intensiviert werden kann. Dadurch liefert der FBR einen signifikanten Beitrag zur Durchmischung der Mehrphasenströme, die dadurch unter verbesserten Reaktionsbedingungen reagieren können. Die Zweiphasenströmung, welche die Partikel um strömt, führt zu einer stetigen Erneuerung der Grenzfläche zwischen den beiden nicht mischbaren Phasen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können – in einer besonders einfachen Ausführungsform – die aus der HPLC-Chromatographie bekannten Komponenten zum Einsatz kommen.

Bevorzugt sind die Reaktoren rohrförmig und weisen einen Innendurchmesser auf, der in einem Bereich von 1 bis 50 mm liegt, bevorzugt wird ein Bereich von 1 bis 20 mm; weiter bevorzugt wird ein Bereich von 1 bis 10 mm. Insgesamt sind die Innendurchmesser der eingesetzten Reaktoren vorzugsweise größer ist als diejenigen der in der Literatur beschriebenen Kapillarreaktoren.

Die Verweilzeiten (VWZ) von einzelnen Volumensegmenten des Stoffstromes im FBR sind liegen vorzugsweise zwischen 1 und 150 min, weiter vorzugsweise zwischen 1 und 60 min, weiter bevorzugt zwischen 1 und 30 min. Dabei ist die Verweilzeit die Zeit, in der z.B. ein definiertes Flüssigkeitsvolumen im Reaktor "verweilt". Die VWZ wird berechnet aus dem Quotienten des Reaktionsvolumens zum zugeführten Volumenstrom.

Partikelgrößen für die vorzugsweise zum Befördern des Stoffaustausches eingesetzten Partikel-Schüttung liegen in einem Bereich von 1 μm bis 2000 μm, bevorzugt in einem Bereich von 50 bis 500 μm, weiter bevorzugt wird in einem Bereich von 150 bis 300 μm. Eine etwas größere mittlere Partikelgröße ist nicht ausgeschlossen, insbesondere, wenn das Verfahren beispielsweise bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt wird.

Zur Herstellung des Festbetts eines Festbett- oder Schüttgutreaktors eignet sich jedes Material in jeder geometrischen Form, welches bei einer Mehrphasenströmung, insbesondere einer Zweiphasenströmung, zur Bildung/Vergrößerung der Grenzfläche zwischen diesen Phasen beträgt. Bevorzugt sind Materialien wie Glas, Keramik, Steatit, Aluminumoxid, Siliciumdioxid, Oxide von refraktären Metallen wie insbesondere Titanoxid, Zirkonoxid. Diese Materialien können porös oder nicht porös sein und mit Metallsalz-Lösungen getränkt und/oder beschichtet sein.

Das Schüttgut/Festbett kann vorbehandelt werden, insbesondere gewaschen und klassiert. Ein Schüttgut mit Partikeln läßt sich durch Waschen mit heißem Lösungsmittel besonders gut reinigen und von Feinstaub befreien. Dies wird durch den kontinuierlichen Betrieb besonders erleichtert.

Der FBR kann in jede beliebige Raumrichtung angeordnet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist er jedoch senkrecht angeordnet, so dass der Flüssigkeitsstrom den Reaktor von oben nach unten („down-flow") oder aber auch von unten nach oben („up-flow") durchströmen kann. Vorzugweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass der Reaktor von unten nach oben („up-flow") durchströmt wird. Der "up-flow"-Betrieb hat den Vorteil, dass – im Gegensatz zum "down-flow"-Betrieb – die flüssigen Phasen nicht durch den Reaktor "hindurchrieseln" können und somit Teile des Festbettes "trocken" lassen. Insgesamt vermindert der "up-flow"-Betrieb die Gefahr einer Phasentrennung.

Die Reaktionstemperatur liegt bevorzugt in einem Bereich von 20–180°C; weiter bevorzugt wird das Verfahren bei einer Temperatur in einem Bereich von 60-150°C und weiter bevorzugt in einem Bereich von 80-120°C durchgeführt. Zur Beheizung des Reaktors, beziehungsweise auch des/der Mischer sowie der gesamten Anlage, können prinzipiell alle gängigen Verfahren eingesetzt werden. Als beispielhaft sind hier die folgenden Heizmethoden genannt: elektrisch, insbesondere in Kaskadenregelung; durch Strahlung, insbesondere Mikrowellen oder IR-Strahlung; fluidisch, insbesondere im Wärmetausch mit Dampf, Wasser, Öl etc.

Ein charakteristisches Merkmal des für das Verfahren eingesetzten bevorzugten rohrförmigen FBR ist durch das Verhältnis aus der Länge des Reaktors zu dessen Durchmesser (d.h. L/D-Verhältnis) gegeben. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der für das Verfahren eingesetzte Reaktor ein L/D-Verhältnis auf, das im Bereich von 10:1 bis 200:1 liegt.

Ein weiteres charakteristisches Merkmal für das erfindungsgemäße Verfahren ist das Verhältnis von Partikelgröße zum Durchmesser des Reaktors (d.h. das P/D-Verhältnis). Dabei ist es bevorzugt, dass das P/D-Verhältnis in einem Bereich von 1:5 bis 1:200 liegt.

Eine möglichst geringe Breite der Partikelgrößenverteilung der Partikel der Schüttung des Festbettreaktors ist bevorzugt, weil damit eine günstigere und gleichmäßigere Verweilzeitverteilung der Flüssigkeitsströmung realisiert werden kann.

Rein prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren in einem Druckbereich durchgeführt werden, der von 1–50 bar reicht. Vorzugsweise liegt der Druck jedoch in einem Bereich von 1–10 bar und weiter bevorzugt im Bereich von 1-5 bar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Durchflussregelung für die einzelnen Eduktflussströme möglich. Es ist auch eine Regelung von Durchfluss und Temperatur als Resultat der anhand der Online-Analytik gewonnen Daten durch Rückkopplung denkbar.

Unter Online-Analytik wird im Sinne der vorliegenden Erfindung jede Analysemethode verstanden, die es ermöglicht, zumindest eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft zumindest eines Produktes aus dem FBR analytisch zu ermitteln. Diese Analyse soll es erlauben, über den Status der Reaktion Auskunft zu erhalten und soll es ermöglichen, auf die Reaktion Einfluß zu nehmen. Eine solche Rückkopplung zwischen Analyse und Reaktionsführung ist bei Batch-Verfahren üblicherweise nicht möglich.

Der Einsatz einer analytischen Methode, durch die online direkt die Reaktionsprodukte charakterisiert werden können ist ein bevorzugter Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu den Methoden für Online-Analytik im Sinne der vorliegenden Erfindung zählt auch die kontinuierliche Probennahme. Als bevorzugte Analysemethode für Polymere wird Gelpermeationschromatographie (GPC) eingesetzt.

Vor einer GPC-Analyse ist gegebenenfalls die Entgasung der Probe notwendig. Gegebenenfalls ist es zweckmäßig, den Reaktionsabbruch durch eine entsprechende Temperierung des Produktstromes herbeizuführen. Eine Verdünnung der Probe mit Lösungsmittel ist möglich, z.B. auf ein Verhältnis von Probe zu Lösungsmittel von 1:100.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden kleine Probemengen eingesetzt. GPC wird bevorzugt so durchgeführt, dass die Wasserphase vor der Analyse nicht abgetrennt werden muss, sondern bei Verwendung einer geeigneten Säule auch mit injiziert werden kann.

Die Analysestrecke kann abschnittsweise oder insgesamt temperiert sein. Optional kann auch vor der Durchführung der analytischen Bestimmung eine Phasentrennung vorgenommen werden.

Weitere beispielhafte Methoden zur Online-Analyse sind: FT-IR, vorzugsweise mit ATR-Kristall (Durchflusszelle), zur Umsatzbestimmung anhand ausgewählter Banden von funktionellen Gruppen der Monomere, Lichtstreuung (Light scattering), UV-VIS-Spektroskopie oder Viskositätsmessungen. Die vorgenannten Meßmethoden weisen gegenüber GPC allerdings unter Umständen den Nachteil auf, dass eine Kalibrierung für jede neue Reaktionsmischung erforderlich werden kann.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen zumindest einen der folgenden weiteren Schritte: a) Beheizung des Reaktors, vorzugsweise stufenweise Beheizung des Reaktors, weiter vorzugsweise in verschiedenen Heizzonen entlang der Strömungsrichtung mit unterschiedlicher Temperatur; b) nach dem Reaktorausgang Reaktionsabbruch durch Kühlung; c) Zusatz von Endcappern nach dem Reaktorausgang; d) Lösungsmittelzusatz zur Verringerung der Viskosität nach dem Reaktorausgang; e) Zusatz weiterer Monomere nach jedem Reaktorabschnitt; e) Reihenschaltung mehrerer Reaktoren; f) Parallelschaltung zur Durchsatzerhöhung.

Kurze Beschreibung der Figuren:
1 zeigt ein Flussdiagramm mit dem Grundschema des erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe Bezugszeichenliste am Ende der Beispiele);
2 zeigt ein Flussdiagramm mit einem komplexeren Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe Bezugszeichenliste am Ende der Beispiele);
3 zeigt ein Flussdiagramm mit einer seriellen Anordnung von Festbettreaktoren und mit stufenweiser Zugabe des Monomers (siehe Bezugszeichenliste am Ende der Beispiele);
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Reaktors, wie er im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird;
5 zeigt experimentelle Ergebnisse, die für eine in einem Batchreaktor durchgeführte Polymerisationsreaktion erhalten wurden; die y-Achse gibt das gemittelte Molekulargewicht der Polymerisationsreaktion an und die x-Achse die Reaktionszeit;
6 zeigt experimentelle Ergebnisse, die mittels kontinuierlicher Verfahren unter Verwendung eines Kapillarreaktor (B, C) sowie des erfindungsgemäßen FBR (A) erhalten wurden; die y-Achse gibt das gemittelte Molekulargewicht der Polymerisationsreaktion an und die x-Achse die Reaktionszeit;
7 ist eine fotografische Abbildung der Kapillarströmung am Ausgang eines erfindungsgemäßen FBR während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Polymerisationsexperiments;
8 zeigt Ergebnisse von schneller GPC als Nachweis dafür, dass im erfindungsgemäßen FBR online-Analytik (ca. 5 Minuten Zeitdauer) mit der gleichen Qualität möglich ist, wie konventionelle GPC (ca. 30 Minuten).
1 zeigt eine grundlegende Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Monomer M1 und Base B1 werden in einem Mikromischer (020) vereinigt und gemischt. In einem weiteren Mikromischer (021) wird ein Katalysator C1 zugemischt. Diese vorgemischte Mischung gelangt von unten, d.h. gegen die Gravitation in den Festbettreaktor (030). Das am Ausgang austretende Produkt wird der Online-Analysevorrichtung (060), (061) zugeführt (die vollständige Bezugszeichenliste ist am Ende der Beispiele abgedruckt).
2 zeigt eine komplexere Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Am Ausgang des Festbettreaktors (030) wird der Produktstrom über ein Multiportventil (090) wahlweise in einen Produktsammelbehälter oder zu einer Online-Analysenvorrichtung (060) befördert. Das Multiportventil (090) ist mit einer Probenschleife (ohne Bezugszeichen) und einer Lösungsmittelzuführung ausgestattet. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine definierte Menge an Probe aus dem Produktstrom zu entnehmen und diese anschließen mit Lösungsmittel (S02) über einen Mischer (10) in die Analyseneinheit (060) zu befördern, wobei zur Beförde rung des Lösungsmittels beziehungsweise des Lösungsmittel/Probengemisches die Pumpe (084) und die Pumpe (085) verwendet werden. Hierdurch lässt sich die Probe aus dem Polymerproduktstrom P1 direkt in den für die Analyse erforderlichen Verdünngungsgrad überführen, der beispielsweise für die GPC-Analytik notwendig ist. Der Sammelbehälter für das Polymerprodukt (P1), der in Figur ohne Bezugszeichen dargestellt, kann auch – wie in 2 dargestellt – mit einem Rührsystem ausgestattet sein.
3 zeigt ein Flussdiagramm mit einer seriellen Anordnung von Festbettreaktoren (030)-(032) und einer stufenweiser Zugabe des Monomers (siehe Bezugszeichenliste am Ende der Beispiele).
In 4 sind zwei mögliche Ausgestaltungsformen von Reaktoren (030) dargestellt, die für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden können, wobei für jeden einzelnen dieser Reaktoren eine Übersichtsskizze und eine Schnittzeichnung dargestellt sind. Der Reaktor, der in 2 auf der linken Seite dargestellt ist, weist ein geringeres Längen zu Durchmesser-Verhältnis auf als der Reaktor auf der rechten Seite. Bei den in der 4 dargestellten Reaktoren (030) sind die Reaktorrohre (0301) beispielsweise über Schraubverbindungsteile (071, 072 und 073) mit Leitungsabschnitten (07') verbunden, wobei die Schraubverbindungen mit Dichtungen (074' und 074'') abgedichtet sind.
Das Totvolumen eines solchen Reaktors ist gering. Die in 4 gezeigte Reaktorausführung ist analog zu einer HPLC-Säule.
Bei der Durchführung von Polymerisationsreaktionen besteht prinzipiell das Risiko, dass der Reaktor verstopfen kann, sofern die Reaktion außerhalb der geeigneten Reaktionsparameter abläuft. Dies kann bei der Prozessoptimierung bekannter Reaktionen auftreten oder auch bei der Durchführung von noch nicht erfassten Reaktionen, bei denen beispielsweise die Viskositätseigenschaften der entstehenden Stoffe nicht richtig eingeschätzt werden können. Die bei einer unkontrollier ten Polymerbildung auftretende Reaktorverstopfung ist jedoch unkritisch, da die Optimierung des Reaktionsprozesses zunächst unter Verwendung eines preiswerten Schüttgutes durchgeführt werden kann. Bei Dauerbetrieb ist es denkbar, mit einem strukturierten, erheblich teurerem Reaktor bzw. Schüttgut zu arbeiten. Es ist zu erkennen, dass das erfindungsgemäße Verfahren flexibel genutzt werden kann.
In 5 ist ein typischer Reaktionsverlauf im Batch-Betrieb dargestellt. Mit fortschreitender Reaktionszeit steigt das Molekuargewicht des produzierten Polymers stark an (bis auf ca. 250.000 g/mol im vorliegenden Beispiel). Die Problematik besteht dabei darin, die Reaktion zum richtigen Zeitpunkt abzubrechen, um genau das gewünschte Molekulargewicht zu erhalten. Wird zu früh abgebrochen, so ist das Molekuargewicht zu gering, wird die Reaktion zu spät beendet, ist das Molekulargewicht zu hoch. In beiden Fällen kann das Polymer nicht mehr wie vorgesehen verarbeitet werden. Durch den steilen (exponentiellen) Anstieg des Molekulargewichtes in diesem Bereich ist es sehr schwierig, den richtigen Abbruch-Zeitpunkt zu ermitteln, da im Batch-Betrieb keine adäquate Online-Analytik zur Verfügung steht.
In 6 sind die experimentellen Daten gezeigt, die bei einer Polymerisationsreaktion mittels Kapillarreaktor (Stand der Technik) sowie mittels erfindungsgemäßem FBR erhalten wurden. Bei den Versuchen wurden die Verweilzeit und die Reaktionstemperatur variiert. Zu erkennen ist, dass im Kapillarreaktor bei sehr geringen Verweilzeiten (0,5 min) nur sehr geringe Molekulargewichte an Polymer erreicht werden. Bei einer drastischen Erhöhung der Verweilzeit im Kapillarreaktor auf 60 min (durch Verlängerung der Kapillare und kleinere Volumenströme) kann eine signifikante Erhöhung des Molekulargewichtes erreicht werden. Bei einer Reaktionstemperatur von 98°C können Molekuargewichte bis ca. 75.000 g/mol (ermittelt durch GPC) erreicht werden. Im Gegensatz hierzu arbeitet der erfindungsgemäße FBR wesentlich effizienter: Bei einer Verweilzeit von nur 7 min werden wesentlich höhere Molekulargewichte als im Kapillarreaktor bei 60 min erreicht. Bei einer Reaktionstemperatur von 98°C wird ein Molekulargewicht von ca. 120.000 g/mol erreicht. Zudem ist eine starke Abhängigkeit des Molekulargewichtes von der Temperatur zu sehen: Steigende Temperatur führt zu einem deutlichen Anstieg des Molekulargewichtes. Ohne eine Festlegung auf einen bestimmten Mechanismus zu treffen, ist davon auszugehen, dass der Schüttgutreaktor deshalb effizienter arbeitet, weil der Stofftransport zwischen organischer und wässriger Phase intensiviert ist.
7 zeigt das Strömungsverhalten in der Kapillare am Ausgang des Reaktors. Das Foto zeigt die Mehrphasenströmung der Reaktionspartner in einer PTFE-Kapillare/Transferleitung nach dem Durchströmen des Schüttgutreaktors. Man erkennt das typische Verhalten für eine Mehrphasenströmung in einer Kapillare, das sogenannte Taylor-Flow-Regime. Als dunkel ist die wässrige Phase, als hell die organische Phase zu erkennen ("Pakete"). Der Innendurchmesser der PTFE-Kapillare beträgt 0,8 mm. Diese Form der Mehrphasenströmung in der Kapillare (vor allem die Gleichmäßigkeit) kann nur erreicht werden, wenn die zwei nicht-mischbaren flüssigen Phasen im FBR gut miteinander vermengt sind. Die im Bild erkennbare Auftrennung in die Pakete tritt zudem erst in der Kapillare auf.
Das Foto beweist also damit die gute Phasenvermischung im Reaktor. Würde im FBR eine Phasentrennung auftreten, wären die Plugs/Pakete von organischer und wässriger Phase am Reaktorausgang wesentlich größer und ungleichmäßiger. Das Strömungsbild entspricht im Prinzip dem Strömungsbild, welches in einer Kapillare gleichen Durchmessers direkt nach einem Mikromischer erreicht wird.
8 schließlich zeigt, dass schnelle GPC tatsächlich als nützliches Instrument zur Online-Analyse von Polymerisationsreaktionen taugt. Dabei sind die mit konventioneller GPC (ca. 30 Minuten Dauer pro Analyse) erhaltenen Ergebnisse für das Molekulargewicht ("ref") gegen die mit schneller GPC (ca. 6 Minuten Dauer pro Analyse) erhaltenen Molekulargewichte ("rapid") aufgetragen. Der lineare Verlauf bestätigt die Äquivalenz der beiden Methoden.
Beispiele
Die folgenden Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand konkreter Ausführungsformen illustrieren. Dabei wird das erfindungsgemäße kontinuierliche Verfahren (Beispiel 4) mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Batch-Verfahren (Beispiel 1) sowie Verfahren mit Kapillarreaktoren (Beispiele 2 und 3) verglichen. Da die Beispiele nur illustrativen Charakter haben, können sie die vorliegende Erfindung weder vollständig beschreiben noch auf die konkreten Ausführungsformen beschränken.
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel: Betrieb im Batch-Modus)
Für die Reaktion wird ein Dioxan/Toluol-Gemisch mit 0,1 mol-% Pd (c = 1·10^–4 mol/L) angesetzt. Als Reaktion wird die Copolymerisation von 50 mol-% Bisboronsäureester (M1) und 50 mol-% Bisbromid (M2) durchgeführt.
4,003 g (5 mmol) M1, 4,094 g (5 mmol) M2, 5,066 g (10 mmol) K₃PO₄·H₂O werden in 100 ml Toluol/Dioxan-Gemisch und 50 ml Wasser gelöst und durch Durchleiten von Argon oder Stickstoff 30 min inertisiert. Die Lösung wird unter Schutzgas auf 87°C Innentemperatur erwärmt, und anschließend werden 2,2 mg (10 μmol) Palladiumacetat und 9,1 mg (60 μmol) Tris-o-tolylphosphin gelöst in 1 ml des Lösungsmittelgemisches zugesetzt. Die Reaktionsmischung wird im Batch-Ansatz für 2 h unter Rückfluss erhitzt, bis die angestrebte Viskosität erreicht ist.
Beispiele 2 bis 4 (kontinuierliches Herstellungsverfahren)
Den Beispielen 2 bis 4 liegt jeweils derselbe Ansatz zugrunde: Dioxan/Toluol-Gemisch mit 0,4 mol-% Pd.; Copolymerisation von 50 mol-% Bisboronsäureester (M1) und 50 mol-% Bisbromid (M2).

In getrennten Vorratsbehältern werden die Monomere M1 und M2, Base (K₃PO₄·H₂O) und Katalysator (Palladiumacetat und Tris-o-tolylphosphin) vorgelegt und anschließend durch Durchleiten von Argon oder Stickstoff für 30 Minuten von Sauerstoff befreit. Monomer und Katalysator werden durch Zugabe von inertisiertem Dioxan/Toluol-Gemisch und die Base durch Zugabe von inertisiertem Wasser gelöst. Somit liegen eine organische Lösungsmittelphase und eine hiermit nicht mischbare wässrige Phase mit Base nebeneinander vor. HPLC- oder Spritzen-Pumpen fördern die jeweiligen Edukte bei definiertem Volumenstrom. Zuerst werden die Edukt-Ströme kontinuierlich in einem Mikromischer vermischt. Danach erfolgt die Reaktion (T = 70–120°C und p = 5–10 bar) im jeweils im Beispiel angegebenen Reaktor. Hieran schließt sich die Probenahme an. Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel: Kapillarreaktor):

Monomere:	50 mol-% M1, 50 mol-% M2 c = 0,08 mol/L V = 0,0547 ml/min
Base:	2,2 Äquivalente K₃PO₄ c = 0,352 mol/L V = 0,0391 ml/min
Katalysator:	0,4 mol-% Pd(OAc)₂, 2,4 mol-% P(o-tolyl)₃ c = 3,2·10^–4 mol/L Pd(OAc)₂, c = 1,92·10^–3 mol/L P(o-tolyl)₃ V = 0,0235 ml/min
Reaktor:	Kapillarreaktor: 3000 mm Länge × ∅ 0,15 mm τ = 0,5 min (Verweilzeit)

Beispiel 3 (Vergleichsbeisepiel: Kapillarreaktor):

Monomere:	50 mol-% M1, 50 mol-% M2 c = 0,08 mol/L V = 0,0547 ml/min
Base:	2,2 Äquivalente K₃PO₄ c = 0,352 mol/L V = 0,0391 ml/min
Katalysator:	0,4 mol-% Pd(OAc)₂, 2,4 mol-% P(o-tolyl)₃ c = 3,2·10^–4 mol/L Pd(OAc)₂, c = 1,92·10^–3 mol/L P(o-tolyl)₃ V = 0,0235 ml/min
Reaktor:	Kapillarreaktor: 14000 Länge mm × ∅ 0,8 mm τ = 60 min (Verweilzeit)

Beispiel 4 erfindungsgemäßer kontinuierlicher Betrieb im Festbettreaktor):

Monomere:	50 mol-% M1, 50 mol-% M2 0,08 mol/L V = 0,0547 ml/min
Base:	4,4 Äquivalente K₃PO₄ C = 0,704 mol/L V = 0,0391 ml/min
Katalysator:	0,4 mol-% Pd(OAc)₂, 2,4 mol-% P(o-tolyl)₃ 3,2·10–4 mol/L Pd(OAc)₂, 1,92·10^–3 mol/L P(o-tolyl)₃ V = 0,0235 ml/min
Reaktor:	Edelstahl-Rohrreaktor: 250 mm × ∅ 3,2 mm Steatit-Schüttung im Festbett (Partikelgröße 160–250 μm) τ = 7 min (Verweilzeit)

Die Ergebnisse sind in 6 gezeigt, Dort ist das gewichts-gemittelte Molekulargewicht Mw des erzeugten Polymers (in Einheiten von g/mol) als Funktion der Reaktortemperatur (in Grad Celsius) aufgetragen. Es ist klar ersichtlich, dass der kurze Kapillarreaktor (offene Kreise) mit der entsprechend geringen Verweilzeit (VWZ) nicht zu einer nennenswerten eigentlich erwünschten Polymerisation führt. Der längere Kapillarreaktor (offene Rauten) mit einer zwölffach längeren VWZ erreicht zwar Molekulargewichte von einigen Zehntausend, jedoch deutlich geringere Molekulargewichte als der erfindungsgemäße Festbettreaktor (gefüllte Quadrate), der zudem eine deutlich geringere, d. h. kostengünstigere VWZ aufweist.

M01, M02 ...: Monomer 1, 2, ...
B01: Base
C01: Katalysator
P01: Polymer
S01, S02 ...: Lösungsmittel 1, 2, ...
G01: Inertgas
010: Mischer
011–015: Massenflussregler
020, 023: Mikromischer
030–032: Festbettreaktor
040–042: Heizung
050: Druckregler
060, 061: Online-Analysenvorrichtung
07: Leitungssystem
07': Leitungsabschnitt
080–085: Pumpen 1 bis 5
090: Multiportventil mit Probenschleife
91–93: Ventile
10: Mischer
0301: Reaktionsrohr
071–073: Schraubverbindungsteile
074', 074'': Dichtungen

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Umsetzung von zumindest zwei flüssigen, nicht miteinander mischbaren Phasen umfassend zumindest die folgenden Schritte: i) Vereinigung von zumindest zwei flüssigen, nicht miteinander mischbaren Phasen in einem definierten relativen Mengenverhältnis; iii) Einleiten der Mischung aus i), oder aus einem an i) anschließenden Schritt, in einen Festbettreaktor, der für eine bestimmte Verweilzeit bei einer definierten Temperatur von dieser Mischung durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Vereinigung von Schritt i) in zumindest einem Mischpunkt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der zumindest eine Mischpunkt so ausgestaltet ist, dass nach diesem Mischpunkt die zumindest zwei nicht miteinander mischbaren Phasen in einer Kapillare in Form von getrennten Paketen oder Tröpfchen vorliegen, wobei die besagten Pakete oder Tröpfchen in einer Länge oder einem Durchmesser vorliegen, die bzw. der nicht mehr als dreimal so groß ist wie der Kapillardurchmesser, vorzugsweise nicht mehr als zweimal so groß, weiter vorzugsweise nicht mehr als genauso groß wie der Kapillardurchmesser.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der Festbettreaktor so ausgestaltet ist, dass nach dem Ausgang des Festbettreaktors zumindest zwei nicht miteinander mischbaren Phasen, die aus dem Reaktor austreten, in einer Kapillare in Form von getrennten Paketen oder Tröpfchen vorliegen, wobei diese getrennten Pakete oder Tröpfchen in einer Länge oder einem Durchmesser vorliegen, die oder der nicht mehr als dreimal so groß ist wie der Kapillardurchmesser, vorzugsweise nicht mehr als zweimal so groß, weiter vorzugsweise nicht mehr als genauso groß wie der Kapillardurchmesser.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei zwischen den Schritten i) und iii) der Schritt ii) durchgeführt wird: ii) Zuführen der Mischung aus i) in einen Mischer, in welchem eine zumindest teilweise Durchmischung der zumindest zwei flüssigen, nicht miteinander mischbaren Phasen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei nach Schritt iii) der Schritt iv) durchgeführtwird: iv) Zuführen zumindest einer Phase der aus dem Festbettreaktor aus iii) ausströmenden zumindest zwei Phasen zu einem Online-Analysesystem.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der zu analysierenden Phase ein Lösungsmittel zudosiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Festbettreaktor ein Schüttgutreaktor ist, der eine Schüttung von Partikeln enthält, vorzugsweise von sphärischen Partikeln, weiter vorzugsweise von sphärischen Partikeln mit einem Durchmesser von 1 μm bis 2000 μm, vorzugsweise von 50 μm bis 500 μm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei das erfindungsgemäße Verfahren für zumindest eine Kupplungsreaktion zwischen zumindest zwei (Hetero)aryl-Verbindungen eingesetzt wird, d. h. Aryl-Aryl, Aryl-Heteroaryl oder Heteroaryl-Heteroaryl-Kupplung, wobei die zwei Verbindungen gleich oder verschieden sein können.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren zur Umsetzung einer Halogen- oder Sulfonyloxy-funktionellen Aryl- oder Heteroarylverbindung mit einer aromatischen oder heteroaromatischen Borverbindung, bevorzugt in Gegenwart eines Katalysators, sowie in Gegenwart einer Base und eines Lösungsmittel(gemische)s, unter Bildung einer Aryl-Aryl- bzw. Aryl-Heteroaryl- oder Heteroaryl-Heteroaryl-C-C-Bindung dient.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei zumindest eine Kupplungsreaktion eine Suzuki-Kupplung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9-11, wobei als zumindest eine Ausgangskomponente in zumindest einer der zumindest zwei flüssigen Phasen ein Monomer eingesetzt wird, welches dann in einer Vielzahl von Kupplungsreaktionen zu zumindest einem Polymer reagiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, wobei die Steuerung des Verfahrens mittels einer dem Festbettreaktor nachgeschalteten Online-Analytik durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, wobei im Schritt ii) ein statischer- Mikromischer eingesetzt wird, vorzugsweise eine Reihenschaltung von zumindest zwei solcher statischer Mikromischer.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein mehrstufiges Mischverfahren durchgeführt wird, bei welchem zunächst mehrere Zweikomponentenmischungen erzeugt werden, die anschließend im oder vor dem Festbettreaktor zusammengeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-15, wobei der zumindest eine Festbettreaktor rohrförmig ist und einen Innendurchmesser aufweist, der in einem Bereich von 1 bis 50 mm liegt, bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 20 mm, weiter bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 10 mm.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-16, wobei die Verweilzeiten von- einzelnen Volumensegmenten des Stoffstromes im Festbettreaktor zwischen 1 und 150 min liegen, vorzugsweise zwischen 1 und 60 min, weiter bevorzugt zwischen 1 und 30 min.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei als Online-Analysemethode Gelpermeationschromatographie (GPC) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-18, wobei die zumindest zwei nicht miteinander mischbaren flüssigen Phasen den Festbettreaktor von unten nach oben durchfließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-19, wobei zumindest einer der folgenden Schritte zusätzlich ausgeführt wird: a) Beheizung des Reaktors, vorzugsweise stufenweise Beheizung des Reaktors, weiter vorzugsweise in verschiedenen Heizzonen entlang der Strömungsrichtung mit unterschiedlicher Temperatur; b) Reaktionsabbruch durch Kühlung nach dem Reaktorausgang; c) Zusatz von Endcappern nach dem Reaktorausgang; d) Lösungsmittelzusatz zur Verringerung der Viskosität nach dem Reaktorausgang; e) Zusatz weiterer Monomere nach jedem Reaktorabschnitt; e) Reihenschaltung mehrerer Reaktoren; f) Parallelschaltung mehrerer Reaktoren zur Durchsatzerhöhung.