EP4695018A1 - Anordnung und verfahren zur katalyse von mindestens zwei reaktionen, durchflussreaktor und verwendungen der anordnung und des durchflussreaktors - Google Patents

Anordnung und verfahren zur katalyse von mindestens zwei reaktionen, durchflussreaktor und verwendungen der anordnung und des durchflussreaktors

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EP4695018A1
EP4695018A1 EP24715462.8A EP24715462A EP4695018A1 EP 4695018 A1 EP4695018 A1 EP 4695018A1 EP 24715462 A EP24715462 A EP 24715462A EP 4695018 A1 EP4695018 A1 EP 4695018A1
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EP
European Patent Office
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layer
catalyst
group
arrangement
immobilized
Prior art date
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Pending
Application number
EP24715462.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Rehm
Michaela Müller
Jakob Philipp BARZ
Bettina Herbig
Claudia Stauch
Greta Nölke
Stefano Di Fiore
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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    • B01J2219/0892—Materials to be treated involving catalytically active material

Definitions

  • An arrangement which has a polymer-containing layer, a first catalyst and a second catalyst.
  • the two catalysts are suitable for catalyzing mutually different chemical reactions.
  • the polymer-containing layer is at least partially transparent to light of at least one specific wavelength in the range from 250 nm to 1000 nm.
  • a flow reactor and a method for catalyzing at least two reactions are provided and uses of the arrangement and the flow reactor are proposed. Chemical reactions can be accelerated and their product selectivity significantly improved using catalysts (or catalyst materials). As a rule, a particular catalyst can only catalyze a specific chemical reaction (ie, one reaction step).
  • Photocatalysis and especially the implementation of photocatalyzed syntheses with visible light has been a very active field of research for around 15 years.
  • the use of micro process engineering (pVT) leads above all to a significantly better light yield and process control.
  • the formation of thin liquid films in microchannels or capillaries enables complete and uniform irradiation of the reaction solution, which is not possible in a stirred tank. This guarantees a more stable process and better selectivity for the product, since the reaction solution is irradiated in a targeted manner and not repeatedly and uncontrolled as is usual in a stirred tank.
  • the catalysts are usually present in dissolved form or in nanoparticulate form in the reaction solution.
  • Fabry, D.C. et al. disclose a falling film flow reactor for catalyzing the blue light-mediated C-H arylation of heteroarenes by a TiO2 photocatalyst.
  • the TiO2 photocatalyst was immobilized on the front side of a stainless steel layer that was opaque to blue light, and blue light was irradiated onto the front side of the layer to cause the photochemical reaction.
  • the arrangement described by Fabry, DC et al. has several disadvantages: Firstly, it is not possible to carry out at least two chemical reactions (e.g. a cascade reaction) with this arrangement, as it only has a single catalyst (TiO2 photocatalyst). Secondly, it is not possible to carry out the photoreaction by irradiating the light required for the reaction (in this case blue light) onto the back of the layer, i.e. the side of the layer facing away from the immobilized TiCh photocatalyst, as the stainless steel of the layer is opaque to the light required for this.
  • the light required for the reaction in this case blue light
  • the disadvantage is that the photoreaction cannot be carried out due to a smaller amount of light hitting the photocatalyst cannot be carried out with high efficiency.
  • the reaction cannot be precisely controlled or monitored.
  • undesirable by-products may be formed, the subsequent separation of which from the desired reaction products can be time-consuming and costly, or which can reduce the overall yield of the desired products.
  • the object of the present invention was to provide an arrangement and a method which make it possible to carry out at least two chemical reactions with a maximum product yield per unit time, low time expenditure, low costs, high efficiency, precise controllability and without the risk of the occurrence of undesirable by-products.
  • an arrangement for catalyzing at least two (chemical) reactions comprising or consisting of: a) a layer with a front side and a back side, wherein the layer contains or consists of a polymer; b) a first catalyst which is suitable for catalyzing a first reaction and which is immobilized on the front side of the layer; and c) a second catalyst which is suitable for catalyzing a second reaction which is different from the first reaction; characterized in that the layer is at least partially transparent to light of at least one specific wavelength in the range from 250 nm to 1000 nm (optionally the layer is transparent to light of all wavelengths in this range).
  • the arrangement according to the invention has the advantage that it can be used to carry out at least two chemical reactions with a maximum product yield per unit time, with little time expenditure, low costs, high efficiency, precise controllability and without the risk of the occurrence of undesirable by-products.
  • the reason for this is that the arrangement contains a second catalyst.
  • the layer on the front side of which the first catalyst is immobilized is a layer that is transparent to light of at least one specific wavelength in the range from 250 nm to 1000 nm. This allows light to be irradiated onto the back side of the layer, so that the first catalyst immobilized on the front side of the layer and also the second catalyst can be exposed to a maximum and defined amount of light and a disruptive influence on the amount of light caused by the reaction liquid and/or reactants can be minimized.
  • first catalyst and/or second catalyst is a photocatalyst, since in this case the maximum product yield per time and the efficiency of the photochemical reaction are higher and the photochemical reaction can be controlled more precisely and can be carried out without the risk of undesirable by-products occurring.
  • the layer contains or consists of a polymer
  • the arrangement can be provided more cost-effectively than an arrangement containing a layer of stainless steel.
  • a further advantage over arrangements containing a layer of glass is that the arrangement is more resistant to mechanical stress and the orientation of the layer can be flexibly changed, i.e. the layer can, for example, be arranged as required in a geometric arrangement that deviates from the geometric arrangement of the original layer (e.g. from flat to curved, wavy or similar).
  • the light of the specific wavelength for which the layer is at least partially transparent is preferably light of a wavelength that is required to catalyze the first and/or second reaction (e.g. if the first and/or second reaction is/are a photochemical reaction catalyzed by a photocatalyst as first and/or second catalyst).
  • the layer of the arrangement according to the invention can be transparent, at least in regions, to light of at least one specific wavelength in the range from 300 to 800 nm (optionally the layer is transparent to light of all wavelengths in this range).
  • the light of the specific wavelength is preferably light of a wavelength that is required to catalyze the first and/or second reaction.
  • the layer can have a layer thickness, in a direction from the front to the back of the layer, in the range from 1 pm to 1500 pm, preferably 2 to 1000 pm, particularly preferably 5 to 500 pm, in particular 10 to 200 pm.
  • Smaller layer thicknesses have the advantage that the absorption of light is lower, so that when light is irradiated onto the back of the layer, a higher amount of light reaches the upper side of the layer, on which at least the first catalyst is immobilized.
  • the layer can be planar or non-planar on the front and/or on the back.
  • the front and/or back of the layer in particular the front of the layer
  • the channel-shaped structure can comprise a plurality of parallel microchannels (e.g.
  • microchannels each preferably have a width (ie an extension parallel to the surface of the layer and perpendicular to its running direction) in the range from 100 to 1000 pm (preferably 200 to 800 pm) and/or each preferably have a depth (ie an extension perpendicular to the surface of the layer) in the range from 50 to 500 pm (preferably 100 to 300 pm).
  • the channel-shaped structuring in the form of a large number of microchannels has the advantage that the reaction volume is kept very small and thus allows an efficient mixing of a reactive gas (e.g. O2) with the reaction liquid and thus with the catalysts and the at least one reactant.
  • a reactive gas e.g. O2
  • the layer can be designed as a film, preferably as a rigid or flexible film.
  • the layer has a transmittance of >50%, preferably >70%, particularly preferably >90%, in particular >95%, optionally >99%, for light of at least one specific wavelength in the range from 250 nm to 1000 nm, preferably in the range from 300 to 800 nm, optionally in the range from 320 to 800 nm, at least in some regions (the layer optionally has such a transmittance for light of all wavelengths in this range).
  • the light of the specific wavelength is preferably light of a wavelength that is required to catalyze the first and/or second reaction. The higher the transparency of the layer, the higher the proportion of incident light that arrives on the front side of the layer after passing through the layer and thus at the first catalyst (and also the second catalyst).
  • the polymer of the layer can be selected from the group consisting of polyolefin, polyester, polyamide, polyetherimide, polylactide, PEN, PVC, EVA, cellulose derivatives and combinations and copolymers thereof.
  • the polymer of the layer can have at least one functional group on the surface of the layer.
  • first catalyst (optionally also the second catalyst) can be covalently immobilized on the front side of the layer (optionally also on the back side of the layer), which prevents the catalysts from being washed out and thus increases the product purity and makes the arrangement more stable in the long term.
  • the at least one functional group is preferably selected from the group consisting of hydroxy group, amino group, azide group, Thiol group, aldehyde group, alkyne group, alkene group, carboxylic acid group, carboxylic acid anhydride group, epoxy group, sulfonic acid group, sulfonic acid chloride group, trinitriloacetic acid group and combinations thereof.
  • the functional group (preferably in the case of a trinitriloacetic acid group) is complexed with at least one metal ion, wherein the at least one metal ion is preferably selected from the group consisting of Ni ion, Co ion, Zn ion and combinations thereof.
  • the polymer of the layer can be functionalized on the surface of the layer by a method selected from the group consisting of liquid treatment methods, gas phase methods, plasma methods and combinations thereof, wherein the liquid treatment method is preferably selected from the group consisting of dipping, printing, spraying, doctor blade coating, grafting and combinations thereof.
  • the liquid treatment method is preferably selected from the group consisting of dipping, printing, spraying, doctor blade coating, grafting and combinations thereof.
  • at least one functional group can be generated on the surface of the layer by at least one of these methods.
  • the first catalyst can be selected from the group consisting of photocatalyst, noble metal catalyst, enzymatic catalyst and organic, non-enzymatic catalyst.
  • the first catalyst is preferably a photocatalyst. Since the first catalyst is immobilized on the front side of the layer, the advantage in the case of a photocatalyst is that the first catalyst can be exposed to the maximum possible amount of light when light is irradiated onto the back side of the layer.
  • the first catalyst may be a non-particulate catalyst or a particulate catalyst.
  • the first catalyst catalyzes a conversion of a reactant, which is a product of a catalysis by the second catalyst, into a product.
  • the first catalyst catalyzes a second stage of a cascade reaction, the first stage of which is catalyzed by the second catalyst.
  • the first catalyst can be immobilized on the surface of the layer via at least one non-covalent bond.
  • the advantage here is that the immobilization of the first catalyst on the front side of the layer can also be achieved without functionalizing the front side of the layer, which can make the provision of the arrangement more cost-effective.
  • the at least one non-covalent bond is preferably selected from the group consisting of hydrogen bonding, dipole-dipole interaction, 7i-7i interaction, van der Waals interaction, ionic interaction, hydrophobic interaction and combinations thereof.
  • the first catalyst can be immobilized on the surface of the layer via at least one covalent bond.
  • the advantage here is that the immobilization and thus the arrangement is long-term stable and detachment of the first catalyst from the layer can be prevented, thereby avoiding contamination of the product with the first catalyst.
  • the covalent bond is preferably established by a functional group selected from the group consisting of ketone, ester, carbamate, carbonate, ether, amide, urethane, disulfide, sulfonamide, sulfonic acid ester, thioether, triazole and combinations thereof.
  • the first catalyst can be immobilized on the surface of the layer via a spacer.
  • the spacer is preferably selected from the group consisting of n-alkane, heterocycle, oligomer, polymer, plasma polymer and combinations thereof, wherein the spacer is particularly preferably selected from the group consisting of polyetherimine, polyethylene glycol, functionalized polysaccharide, polyacrylic acid-like plasma polymer and combinations thereof.
  • the first catalyst can be immobilized on the surface of the layer by a wet-chemical process, wherein the wet-chemical process is preferably selected from the group consisting of Immersion processes, liquid pressure processes and combinations thereof.
  • the liquid pressure process has the advantage that the catalyst can be immobilized on the surface of the substrate in a very location-selective manner (ie with high spatial resolution).
  • the first catalyst can be immobilized evenly distributed on the surface of the layer (i.e. immobilized isotropically in all spatial directions of the surface). This has the advantage that the same catalysis conditions are provided with respect to the first catalyst over the entire surface of the substrate.
  • the second catalyst is also evenly distributed on the surface of the layer and immobilized at a certain distance from the first catalyst. This has the advantage that the same catalysis conditions are provided with respect to both catalysts over the entire surface of the substrate and a cascade reaction can proceed efficiently.
  • the specific distance from the first catalyst to the second catalyst is preferably in a range from 1 nm to 1000 pm, optionally in a range from 200 nm to 1000 pm, where the distance refers to a distance determined via confocal Raman microscopy or electron microscopy.
  • the person skilled in the art will select a suitable determination method (e.g. confocal Raman microscopy for organic catalysts and electron microscopy for inorganic catalysts). The smaller the distance, the higher the efficiency of the catalysis. However, the distance should not be too small to prevent the activity of the first catalyst from being negatively affected by the second catalyst, and vice versa.
  • the first catalyst can be immobilized in a first region of the surface of the layer and the second catalyst can be immobilized in a second region of the arrangement, which differs from the first region of the surface of the layer and which has a distance from the first region of the surface of the layer that is in the range of 1 pm to 20 cm, preferably 10 pm to 10 cm.
  • This arrangement has the advantage that the reactions of the first catalyst and the second catalyst take place in spatially separate regions on the layer, which can avoid undesirable side reactions in the case of a lower reactant selectivity of at least one of the two catalysts.
  • the second region can be a second region on the surface of the layer of the arrangement or a region on a surface of a further layer of the arrangement.
  • the further layer of the arrangement can have at least one feature (optionally all features) that the layer of the arrangement also has.
  • the second catalyst can be selected from the group consisting of photocatalyst, noble metal catalyst, enzymatic catalyst and organic, non-enzymatic catalyst, wherein the second catalyst is preferably an enzymatic catalyst.
  • the second catalyst may be a non-particulate catalyst or a particulate catalyst.
  • the second catalyst can catalyze a conversion of a reactant, which is a product of catalysis by the first catalyst, into a product.
  • the second catalyst catalyzes a second stage of a cascade reaction, the first stage of which is catalyzed by the first catalyst.
  • the second catalyst (like the first catalyst) can be immobilized on the front side of the layer.
  • the immobilization of the second catalyst has the advantage, firstly, that the second catalyst does not
  • reaction liquid tends to an activity-reducing aggregation (which can be the case with certain enzymatic catalysts, for example), because in this case the immobilization of the second catalyst can Prevent aggregation and thus a reduction in the activity of the second catalyst.
  • the immobilization on the front of the layer means that the second catalyst can experience a maximum and defined amount of light when light is shone on the back of the layer. This is not always the case in the case of a second catalyst flowing in the reaction medium.
  • the second catalyst can be immobilized on the surface of the layer via at least one non-covalent bond.
  • the at least one non-covalent bond is preferably selected from the group consisting of hydrogen bonding, dipole-dipole interaction, 7i-7i interaction, van der Waals interaction, ionic interaction, hydrophobic interaction and combinations thereof.
  • the second catalyst can be immobilized on the surface of the layer via at least one covalent bond.
  • the covalent bond is preferably established by a functional group selected from the group consisting of ketone, ester, carbamate, carbonate, ether, amide, sulfide, disulfide, and combinations thereof.
  • the second catalyst can be immobilized on the surface of the layer via a spacer.
  • the spacer is preferably selected from the group consisting of n-alkane, heterocycle, oligomer, polymer, plasma polymer and combinations thereof.
  • the spacer is particularly preferably selected from the group consisting of polyetherimine, polyethylene glycol, functionalized polysaccharide, polyacrylic acid-like plasma polymer and combinations thereof.
  • the second catalyst can be immobilized on the surface of the layer using a wet-chemical process.
  • the wet-chemical process is preferably selected from the group consisting of immersion processes, liquid pressure processes and combinations thereof.
  • the second catalyst can be immobilized on the surface of the layer and/or on a surface of another layer of the arrangement.
  • the further layer of the arrangement can have at least one feature (optionally all features) that the layer of the arrangement also has.
  • the second catalyst is immobilized uniformly distributed on the surface of the layer at a specific distance from the first catalyst.
  • the specific distance from the first catalyst to the second catalyst is preferably in a range from 1 nm to 1000 pm, optionally in a range from 200 nm to 1000 pm, where the distance refers to a distance determined via confocal Raman microscopy or electron microscopy.
  • the person skilled in the art will select a suitable determination method (e.g. confocal Raman microscopy for organic catalysts and electron microscopy for inorganic catalysts).
  • the second catalyst can be immobilized in a second region of the surface of the layer and the first catalyst can be immobilized in a first region of the surface of the layer which differs from the first region of the surface of the layer and which has a distance from the first region of the surface of the layer which is in the range of 1 pm to 20 cm, preferably 10 pm to 10 cm.
  • the second catalyst can be immobilized in a region of a surface of a further layer of the arrangement and the first catalyst can be immobilized on the surface of the layer, wherein the region of the surface of the further layer of the arrangement has a distance from the region of the surface of the layer of the arrangement which is in the range of 1 pm to 20 cm, preferably 10 pm to 10 cm.
  • the further layer of the arrangement can have at least one feature (optionally all features) which the layer of the arrangement also has.
  • the first catalyst and/or the second catalyst may be a particulate catalyst. It is possible for the particulate catalyst to comprise the first catalyst and not the second catalyst, to comprise the second catalyst and not the first catalyst, or to comprise the first and second catalyst. Furthermore, the first catalyst and/or the second catalyst can be a supraparticulate catalyst. It is possible for the supraparticulate catalyst to comprise the first catalyst and not the second catalyst, to comprise the second catalyst and not the first catalyst, or to comprise the first and second catalyst.
  • the supra-particulate catalyst can have a diameter in the range of 1 pm to 20 pm, preferably in the range of 1 pm to 10 pm.
  • the supraparticulate catalyst can contain or consist of a large number of catalytically active nanoparticles.
  • the nanoparticles preferably have a diameter in the range from 1 nm to 500 nm, particularly preferably 5 nm to 150 nm, very particularly preferably 5 nm to 100 nm.
  • the supraparticulate catalyst can contain or consist of a large number of catalytically inactive carrier particles whose surface is covered with catalytic particles containing or consisting of catalytically active molecules, ions and/or atoms.
  • the carrier particles preferably have a diameter in the range from 1 nm to 500 nm, particularly preferably 5 nm to 150 nm, very particularly preferably 5 nm to 100 nm.
  • the catalytic particles preferably have a diameter in the range from 1 pm to 20 pm, preferably 1 pm to 10 pm.
  • the supraparticulate catalyst can contain or consist of a large number of catalytically active nanoparticles and catalytically inactive carrier particles whose surface is covered with catalytic particles made of catalytically active molecules, ions and/or atoms.
  • the properties of the catalytically active nanoparticles and/or the catalytically inactive carrier particles can correspond to the above-mentioned properties of these particles.
  • the supra-particulate catalyst can be prepared by spray drying, preferably by spray drying at least one dispersion containing catalytically active nanoparticles and/or at least one dispersion containing catalytically inactive carrier particles and containing catalytic particles which contain or consist of catalytically active molecules, ions and/or atoms.
  • spray drying the individual nanoparticles in the sprayed liquid droplets accumulate by forced self-assembly to form densely packed, complex, supramolecular structures and thus determine the properties of the supraparticles.
  • Spray drying can be used to produce supraparticulate catalysts on a ton scale.
  • the arrangement may include a liquid contacting the front side of the layer.
  • the liquid preferably contains water.
  • catalysts e.g. enzymes
  • the liquid preferably contains water.
  • the liquid may also contain oxygen.
  • Oxygen plays a role in a variety of photochemical reactions, for example the presence of oxygen in the liquid enables photochemical production of in situ, ie, if the first and/or second catalyst is a photocatalyst, at the location of the photocatalyst or photocatalysts of the arrangement, whereby the 1 C>2 generated in situ is in turn available for a subsequent reaction with a reactant of the liquid.
  • the liquid can contain a nucleophilic reagent, preferably a cyanide salt, particularly preferably NaCN.
  • a nucleophilic reagent preferably a cyanide salt, particularly preferably NaCN.
  • the liquid can contain a halogenating agent, preferably a halogenating agent that contains fluorine as an electrophile or nucleophile. This enables catalysis of a halogenating reaction by the arrangement according to the invention.
  • the liquid may contain at least one organic solvent, which is preferably selected from the group consisting of alcohol, DMSO and mixtures thereof.
  • the alcohol is particularly preferably a Ci-Ce alcohol.
  • the alcohol is selected from the group consisting of methanol, ethanol, 2-propanol and mixtures thereof.
  • the liquid contains at least one reactant, optionally several reactants, the conversion of which to a product is catalyzed by the first and/or second catalyst. If the first and/or second catalyst catalyzes a photochemical reaction, this has the advantage that only light needs to be irradiated onto the catalysts of the arrangement in order to convert the at least one reactant or the several reactants to at least one product. In other words, the time required to produce the product is shortened.
  • the at least one reactant is preferably selected from the group consisting of ß-keto-carboxylic acid and alkylated benzene.
  • the liquid can contain the second catalyst.
  • This embodiment describes an arrangement in which the second catalyst is not immobilized on (the front side) of the layer of the arrangement.
  • This embodiment can be advantageous if the second catalyst is not a photocatalyst, the first catalyst is a photocatalyst and a maximum coverage density of the first catalyst (photocatalyst) on the front side of the layer of the arrangement is desired in order to enable maximum light capture of the first catalyst in the event of irradiation of the layer onto the back side of the layer and thus to achieve maximum efficiency of the photochemical reaction.
  • the liquid may be arranged at a height on the front side of the layer ("film thickness") which is in the range of 10 to 200 ⁇ m, preferably 20 to 100 ⁇ m, the height corresponding to a length from a lowest point of the front side of the layer to a point of the liquid which is furthest away from the lowest point of the front side of the layer.
  • the arrangement may comprise a support frame adapted to support the layer in a reversible manner, wherein the layer is preferably supported by the support frame.
  • the arrangement contains a light source that is configured to emit light of at least one specific wavelength in the range from 250 nm to 1000 nm, preferably in the range from 300 nm to 800 nm, optionally in the range from 320 nm to 800 nm, in the direction of the front and/or back of the layer, and optionally in the direction of the front and/or back of at least one further layer of the arrangement (optionally, the light source is configured to emit light in the entire specified wavelength range).
  • the light of the specific wavelength is preferably light of a wavelength that is required to catalyze the first and/or second reaction.
  • the light source is configured to emit light in the direction of the back of the layer and/or the at least one further layer.
  • the further layer of the arrangement can have at least one feature (optionally all features) that the layer of the arrangement also has.
  • the configuration of the light source to radiate light onto the back of the layer has the advantages that, in the case of reaction liquids, reactants and/or products that absorb in the wavelength range of the light source, the at least two reactions can be carried out with higher efficiency, more precise controllability and without the risk of the occurrence of undesirable by-products.
  • a flow reactor comprising a) an arrangement according to the invention; b) an inlet for a liquid; and c) an outlet for a liquid; wherein the inlet and outlet are each fluidically connected at least to the front the layer.
  • the flow reactor according to the invention it is possible to carry out at least two chemical reactions with a maximum product yield per unit time, little time expenditure, low costs, high efficiency, precise controllability and without the risk of undesirable by-products occurring.
  • the inlets and outlets for liquid allow the at least two chemical reactions to be carried out in a continuous manner, which - unlike batch reactions - allows continuous production of industrially relevant quantities of products. Furthermore, the cleaning steps required in batch processes can be omitted, which brings with it a time and cost advantage.
  • the first catalyst can be immobilized in a first region of the surface of the layer which faces the inlet and the second catalyst can be immobilized in a region of the arrangement which faces the outlet and which does not overlap with the first region of the surface of the layer.
  • This arrangement has the advantage that a sequential reaction (cascade reaction) of a specific reactant can be carried out without undesirable side reactions or a decrease in the reaction efficiency.
  • the liquid inlet of the flow reactor may be connected to a liquid source containing a liquid.
  • the liquid from the liquid source preferably contains water.
  • the liquid of the liquid source may contain a nucleophilic reagent, preferably a cyanide salt, particularly preferably NaCN.
  • the liquid of the liquid source may contain a halogenating agent, preferably a halogenating agent containing fluorine as an electrophile or nucleophile.
  • the liquid of the liquid source can contain at least one organic solvent.
  • the organic solvent is preferably a Ci-Ce alcohol.
  • the organic solvent is particularly preferably selected from the group consisting of methanol, ethanol, 2-propanol and mixtures thereof.
  • the liquid of the liquid source contains at least one reactant, optionally several reactants, the conversion of which to a product is catalyzed by the first and/or second catalyst.
  • the at least one reactant is preferably selected from the group consisting of ß-keto-carboxylic acid and alkylated benzene.
  • liquid of the liquid source may contain the second catalyst.
  • the flow reactor can be configured to direct the liquid from the liquid source over the front side of the layer of the arrangement such that the liquid flows over the front side of the layer at a height that is in the range of 10 to 200 pm, preferably 20 to 100 pm, the height corresponding to a length from a lowest point of the front side of the layer to a point of the liquid that is furthest away from the lowest point of the front side of the layer.
  • This configuration can be achieved by structuring the arrangement of the flow reactor and/or by transporting a suitable amount of liquid per unit time over the front side of the layer of the arrangement.
  • the flow reactor can have an inlet for a gas and an outlet for a gas. This configuration is advantageous if one of the at least two reactions catalyzed by the flow reactor is a reaction that requires a gas (e.g. oxygen).
  • a gas e.g. oxygen
  • the inlet for a gas and the outlet for a gas can each be fluidically connected at least to the front side of the layer. Furthermore, the inlet for a gas is preferably connected to a gas source which in particular contains oxygen. Oxygen plays an important role in a large number of photochemical reactions in order to generate a specific product, ie this embodiment is particularly advantageous if the first and/or second catalyst is a photocatalyst.
  • the flow reactor can have at least two, preferably at least three, particularly preferably at least four, in particular at least five, arrangements according to the invention.
  • the arrangements can be connected fluidically in parallel or fluidically in series in a direction from the inlet to the outlet of the flow reactor.
  • the parallel connection has the advantage that at least two reactions per arrangement can be catalyzed in parallel and thus the product yield per unit time can be increased.
  • a serial connection has the advantage that a cascade reaction of more than two stages from a reactant to a specific product is possible. In the case of a serial connection, the output of an upstream arrangement can be fluidically connected to the input of another arrangement located immediately downstream of the arrangement.
  • first and/or second catalysts may be the same or different.
  • the flow reactor can be a falling film flow reactor.
  • a method for catalyzing at least two (chemical) reactions comprising or consisting of the following steps: a) providing an arrangement according to the invention or a flow reactor according to the invention; and b) contacting at least the first surface of the layer with a liquid, wherein the liquid contains at least one reactant, the conversion of which to a product is catalyzed by the first and second catalyst, or the liquid contains at least one first reactant, the conversion of which to at least one first product is catalyzed by the first or second catalyst, and the liquid contains at least one second reactant, the conversion of which to at least one second product is catalyzed by one of the first or second catalysts which does not catalyze the conversion of the first reactant to a first product.
  • the light of the specific wavelength is preferably light of a wavelength that is required to catalyze the first and/or second reaction.
  • the light is preferably radiated in the direction of the back of the layer and/or the back of the at least one further layer of the arrangement.
  • a flow reactor can be provided and the liquid can be passed (or transported) from the inlet to the outlet of the flow reactor.
  • the liquid is first passed over the first catalyst, which is immobilized in a first region of the surface of the layer, which faces the inlet, and the liquid is then passed over the second catalyst, which is immobilized in a region of the arrangement, which faces the outlet and which does not overlap with the first region of the layer of the arrangement.
  • the flow reactor provided (and used) in the process may further comprise at least one inlet for a gas and at least one outlet for a gas.
  • the inlet for the gas and the outlet for the gas are each fluidically connected to the front side of the layer and/or to a front side of a further layer of the arrangement, wherein the gas is transported from the inlet for a gas to the outlet for a gas.
  • the flow reactor provided (and used) in the process can have at least two, preferably at least three, particularly preferably at least four, in particular at least five, arrangements according to the invention.
  • the arrangements are preferably connected fluidically in parallel or fluidically in series in a direction from the inlet to the outlet of the flow reactor.
  • the liquid is particularly preferably transported fluidically in parallel or in series from the inlet for a liquid to the outlet for a liquid.
  • a gas is (also) transported fluidically in parallel or in series from an inlet for a gas of the flow reactor to an outlet for a gas of the flow reactor.
  • the first and/or second catalysts may be the same or different.
  • a use of the arrangement according to the invention or of the flow reactor according to the invention for catalyzing at least two reactions is further proposed, preferably at least two interdependent reactions taking place in a cascade or two mutually independent reactions.
  • Figure 1 shows schematically an arrangement according to the invention for catalyzing at least two reactions.
  • the arrangement has a layer 1 with a front side 2 and a back side 3, wherein the layer 1 contains or consists of a polymer.
  • the arrangement has a first catalyst 4 which is suitable for catalyzing a first reaction and which is immobilized on the front side 2 of the layer 1.
  • the Arrangement has a second catalyst 5 which is suitable for catalyzing a second reaction which is different from the first reaction.
  • the first catalyst 4 is a photocatalyst and the second catalyst 5 is an enzyme.
  • the arrangement is characterized in that the layer 1 is at least partially transparent to light of a wavelength in the range from 250 nm to 1000 nm.
  • the layer 1 here has a layer thickness 6 of 100 pm.
  • the first catalyst 4 is immobilized via a spacer 7 on the front side 2 of the layer 1 and the second catalyst 5 is freely movable in the liquid F on the front side 2 of the layer 1.
  • gas G e.g. air or pure oxygen
  • the second catalyst 5 e.g. photochemical generation of singlet oxygen from oxygen.
  • Figure 2 shows a schematic view of another arrangement according to the invention.
  • the second catalyst 5 is also immobilized via a spacer 8 on the front side 2 of the layer 1. This creates a specific distance Al between the first catalyst 4 and the second catalyst 5 on the front side 2 of the layer 1.
  • the specific distance Al establishes a spatial separation between the first catalyst 4 and the second catalyst 5. This prevents the two catalysts 4, 5 from interfering with each other in their function.
  • Figure 3 shows a schematic view of a further arrangement according to the invention.
  • the first catalyst 4 is immobilized in a first region of the surface of the layer 1 and the second catalyst 5 is immobilized in a second region of the surface of the layer 1, with a certain distance A2 between the first region of the surface of the layer and the second region of the surface of the layer.
  • the certain distance A2 establishes an even greater spatial separation than in the arrangement in Figure 2 between the first catalyst 4 and the second catalyst 5. Due to this spatial separation, a direction can be imposed on a cascade reaction, i.e. liquid F (and optionally gas G) can first be passed over the first catalyst 4. and generate a first product and only then be passed over the second catalyst 5 to convert the first product into a final product. This can prevent the final product from reacting in an undesirable manner with the first catalyst 4 and forming undesirable by-products.
  • liquid F and optionally gas G
  • Figure 4 shows a schematic of another arrangement according to the invention.
  • the first catalyst 4 is immobilized on the surface of layer 1 and the second catalyst 5 is immobilized on the front side 10 and the surface of a further layer 9, and there is a certain distance A3 from the area of the surface of the further layer to the area of the surface of the layer.
  • the front side 2 of layer 1 is fluidically connected to the front side 10 of the further layer 9, i.e. liquid F and gas G can flow from the front side 2 of layer 1 to the front side 10 of the further layer 9.
  • this embodiment has a high degree of flexibility: since each of the layers 1, 9 only carries a specific catalyst 4, 5, each of the layers 1, 9 only catalyzes a specific reaction. If there is now a desire to produce a different product via a cascade reaction, for example, the further layer 9 of the arrangement can be exchanged in a quick and simple manner by another further layer 9 which carries a different type of second catalyst 5.
  • Figure 5 shows a schematic view of a flow reactor according to the invention.
  • the flow reactor has an arrangement as shown in Figure 1.
  • the flow reactor also has a liquid inlet FE and a liquid outlet FA for guiding the liquid F over the front side 2 of the layer 1, wherein the liquid inlet FE and the liquid outlet FA are each fluidically connected to the front side 2 of the layer 1.
  • the flow reactor also has a gas inlet GE and a gas outlet GE for guiding the gas G over the front side 2 of the layer 1, wherein the gas inlet GE and the gas outlet GA are each fluidically connected to the Front side 2 of layer 1.
  • the flow reactor has at least one light source (not shown) which radiates light in an irradiation direction BRU onto the back of the layer of the arrangement and, in the case shown, also radiates light in an irradiation direction BRO onto the front of the layer of the arrangement. It is preferred that the light source radiates light at least onto the back 3 of layer 1 of the arrangement. If the liquid F, the gas G, a reactant and/or a product attenuates the light radiated by the light source, it is particularly preferred if the light source radiates exclusively onto the back 3 of layer 1 of the arrangement, since the catalysis by the photocatalyst can then be carried out with greater efficiency, more precise controllability and without the risk of undesirable by-products occurring.
  • first catalyst e.g. photocatalyst
  • second catalyst e.g. enzyme
  • Al distance from the first catalyst to the second catalyst
  • A2 Distance from the first area of the surface of the layer to the second area of the surface of the layer;
  • A3 Distance from the area of the surface of the further layer to the area of the surface of the layer;
  • FA liquid outlet of the flow reactor
  • GE gas inlet of the flow reactor
  • GA gas outlet of the flow reactor
  • BRU irradiation direction to the back of the layer of the arrangement
  • BRO Irradiation direction to the front of the layer of the arrangement.

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Abstract

Es wird eine Anordnung bereitgestellt, die eine Polymer-haltige Schicht, einen ersten Katalysator und einen zweiten Katalysator aufweist. Die beiden Katalysatoren sind zur Katalyse von zueinander verschiedenen chemischen Reaktionen geeignet. Die Polymer-haltige Schicht ist zumindest bereichsweise für Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm transparent. Ferner werden ein Durchflussreaktor und ein Verfahren zur Katalyse von mindestens zwei Reaktionen bereitgestellt und Verwendungen der Anordnung und des Durchflussreaktors vorgeschlagen.

Description

Anordnung und Verfahren zur Katalyse von mindestens zwei Reaktionen, Durchflussreaktor und Verwendungen der Anordnung und des Durchflussreaktors Es wird eine Anordnung bereitgestellt, die eine Polymer-haltige Schicht, einen ersten Katalysator und einen zweiten Katalysator aufweist. Die beiden Katalysatoren sind zur Katalyse von zueinander verschiedenen chemischen Reaktionen geeignet. Die Polymer-haltige Schicht ist zumindest bereichsweise für Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm transparent. Ferner werden ein Durchflussreaktor und ein Verfahren zur Katalyse von mindestens zwei Reaktionen bereitgestellt und Verwendungen der Anordnung und des Durchflussreaktors vorgeschlagen. Chemische Reaktionen können mit Katalysatoren (bzw. Katalysatormaterialien) beschleunigt und in ihrer Produktselektivität erheblich verbessert werden. In der Regel kann ein bestimmter Katalysator nur eine spezifische chemische Reaktion (d.h. einen Reaktionsschritt) katalysieren.
In bekannten Anordnungen aus dem Stand der Technik werden chemische Reaktionen oft im sog. Batch-Verfahren durchgeführt. Dies ist zeitaufwändig und kostenintensiv, da die Anordnungen zumindest entladen und mit wässrigen oder organischen Lösungsmitteln gereinigt werden muss (häufig auch entlüftet und abgekühlt werden muss), bevor die Anordnungen für eine weitere chemische Reaktion genutzt werden kann, d.h. Zeiträume bestehen, in denen die Anordnungen nicht für eine gewünschte chemische Reaktion genutzt werden (können).
Um hier Abhilfe zu schaffen, wurden im Stand der Technik Anordnungen entwickelt, die einen kontinuierlichen Fluss von Reaktionslösung über die Katalysatoren erlauben (Kontinuierliches Verfahren). Hierfür muss mindestens einer der verwendeten Katalysatoren an einer Oberfläche der Anordnung immobilisiert werden, um ein Auslaugen aus der Anordnung zu vermeiden. Zur Immobilisierung von einem Katalysator auf einer Oberfläche sind in der Literatur zahlreiche Reaktionen beschrieben (z.B. Abdul-Wahab, R. et al., Reactive and Functional Polymers, 152:104613).
Die Photokatalyse und vor allem die Durchführung photokatalysierter Synthesen mit sichtbarem Licht ist seit ca. 15 Jahren ein sehr aktives Forschungsfeld. Dabei führt die Nutzung der Mikroverfahrenstechnik (pVT) vor allem zu einer wesentlich besseren Lichtausbeute und Prozesskontrolle. Die Bildung von dünnen Flüssigkeitsfilmen in Mikrokanälen oder Kapillaren ermöglichen eine komplette und gleichmäßige Durchstrahlung der Reaktionslösung, wie es in einem Rührkessel nicht möglich ist. Dies garantiert eine stabilere Prozessführung und eine bessere Selektivität zum Produkt, da die Reaktionslösung gezielt einfach und nicht unkontrolliert mehrfach, wie es im Rührkessel üblich ist, bestrahlt wird. In bekannten Anordnungen zur photochemischen Katalyse liegen die Katalysatoren in der Regel in gelöster Form oder in nanopartikulärer Form in der Reaktionslösung vor. Dies hat den Nachteil, dass die Katalysatoren nach der Durchführung der chemischen Reaktion in einem zeitintensiven und kostenintensiven Aufarbeitungsschritt aus der Reaktionslösung entfernt werden müssen, damit die Reaktionslösung für einen weiteren Syntheseschritt genutzt werden kann. Zur Lösung dieses Problems wurden bereits Photokatalysatoren unter Erhalt ihrer photophysikalischen und katalytischen Eigenschaften auf Oberflächen immobilisiert, um den Reinigungsschritt nach der chemischen Reaktion zu vermeiden. Dabei wurden entweder anorganische Materialien (z.B. TiOz oder SiOz) oder organische Materialien (Polymere, Schäume oder Baumwolle) als Oberfläche zur Immobilisierung verwendet. Es wurde jedoch beobachtet, dass sich bestimmte, auf diesen Oberflächen in einer hohen Dichte immobilisierte Photokatalysatoren zusammenlagern können, wodurch sie ihre Absorptionseigenschaften verändern bzw. unerwünschte Quenching-Effekte auftreten und somit der katalytische Effekt verschwindet.
Fabry, D.C. et al. (Green Chemistry, Bd. 19, S. 1911-1918) offenbaren einen Fallfilm-Durchflussreaktor zur Katalyse der Blaulicht-vermittelten C-H- Arylierung von Heteroarenen durch einem TiOz-Photokatalysator. Der TiOz- Photokatalysator wurde hierbei auf der Vorderseite einer für Blaulicht intransparenten Schicht aus Edelstahl immobilisiert und Blaulicht auf die Vorderseite der Schicht eingestrahlt wurde, um die photochemische Reaktion zu bewirken.
Die von Fabry, D.C. et al. beschriebe Anordnung hat mehrere Nachteile: Erstens ist es mit dieser Anordnung nicht möglich, mindestens zwei chemische Reaktionen (z.B. eine Kaskadenreaktion) durchzuführen, da sie nur einen einzigen Katalysator (TiOz-Photokatalysator) aufweist. Zweitens ist es mit dieser Anordnung nicht möglich, die Photoreaktion durchzuführen, indem das für die Reaktion benötigte Licht (in diesem Fall Blaulicht) auf die Rückseite der Schicht, d.h. die dem immobilisierten TiCh-Photokatalysator abgewandte Seite der Schicht, eingestrahlt wird, da der Edelstahl der Schicht für das hierfür benötigte Licht intransparent ist. Für Photokatalysen mit Flüssigkeiten und/oder Edukten, die bei einer Wellenlänge des benötigten Lichts absorbieren, ergibt sich dann der Nachteil, dass die Photoreaktion aufgrund einer geringeren, am Photokatalysator auftreffenden Lichtmenge nicht mit einer hohen Effizienz durchgeführt werden kann. Da in diesen Fällen die am Photokatalysator letztlich auftreffende Lichtmenge zudem nicht bekannt ist, kann die Reaktion auch nicht präzise gesteuert bzw. kontrolliert werden. Abgesehen davon kann es aufgrund der direkten Lichtexposition der absorbierenden Flüssigkeiten und/oder Edukte nicht ausgeschlossen werden, dass es zu einer Bildung von unerwünschten Nebenprodukten kommt, deren spätere Abtrennung von den gewünschten Reaktionsprodukten zeitintensiv und kostenintensiv sein kann bzw. welche die Gesamtausbeute an gewünschten Produkten verringern kann.
Ausgehend hiervon war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, mindestens zwei chemische Reaktionen mit einer maximalen Produktausbeute pro Zeit, geringem Zeitaufwand, geringen Kosten, hoher Effizienz, präziser Steuerbarkeit und ohne Risiko eines Auftretens von unerwünschten Nebenprodukten ablaufen zu lassen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1, den Durchflussreaktor mit den Merkmalen von Anspruch 15, das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 20 und die Verwendung mit den Merkmalen von Anspruch 25. Die abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.
Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur Katalyse von mindestens zwei (chemischen) Reaktionen angegeben, aufweisend oder bestehend aus: a) einer Schicht mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Schicht ein Polymer enthält oder daraus besteht; b) einen/einem ersten Katalysator, der zur Katalyse einer ersten Reaktion geeignet ist und der auf der Vorderseite der Schicht immobilisiert ist; und c) einen/einem zweiten Katalysator, der zur Katalyse einer zweiten Reaktion geeignet ist, die von der ersten Reaktion verschieden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zumindest bereichsweise für Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm transparent ist (optional ist die Schicht für Licht aller Wellenlängen in diesem Bereich transparent). Die erfindungsgemäße Anordnung hat den Vorteil, dass mit ihr mindestens zwei chemische Reaktionen mit einer maximalen Produktausbeute pro Zeit, geringem Zeitaufwand, geringen Kosten, hoher Effizienz, präziser Steuerbarkeit und ohne Risiko eines Auftretens von unerwünschten Nebenprodukten durchgeführt werden kann. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Anordnung einen zweiten Katalysator enthält.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die Schicht, auf deren Vorderseite der erste Katalysator immobilisiert ist, eine für Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm transparente Schicht ist. Dies erlaubt die Einstrahlung von Licht auf die Rückseite der Schicht, sodass der auf der Vorderseite der Schicht immobilisierte erste Katalysator und auch der zweite Katalysator einer maximalen und definierten Lichtmenge ausgesetzt werden können und ein störender Einfluss auf die Lichtmenge, die von der Reaktionsflüssigkeit und/oder von Edukten bewirkt werden, minimiert werden kann. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn der erste Katalysator und/oder zweite Katalysator ein Photokatalysator ist, da in diesem Fall die maximalen Produktausbeute pro Zeit und die Effizienz der photochemischen Reaktion höher ist und die photochemische Reaktion präziser steuerbar ist und ohne Risiko eines Auftretens von unerwünschten Nebenprodukten durchgeführt werden kann.
Da die Schicht ein Polymer enthält oder daraus besteht, besteht der zusätzliche Vorteil, dass die Anordnung kostengünstiger als eine Anordnung bereitgestellt werden kann, die eine Schicht aus Edelstahl enthält. Ferner besteht ein Vorteil gegenüber Anordnungen, die eine Schicht aus Glas enthalten darin, dass die Anordnung resistenter gegenüber mechanischen Belastungen ist und die Ausrichtung der Schicht flexibel verändert werden kann, d.h. die Schicht beispielsweise je nach Bedarf in geometrische Anordnung gebracht werden kann, die von der geometrischen Anordnung der Ursprungsschicht abweicht (z.B. von flach zu gebogen, wellenförmig o.ä.).
Das Licht der bestimmte Wellenlänge, für das die Schicht zumindest bereichsweise transparent ist, ist bevorzugt Licht einer Wellenlänge, die zur Katalyse der ersten und/oder zweiten Reaktion benötigt wird (z.B. falls die erste und/oder zweite Reaktion eine photochemische Reaktion ist/sind, die von einem Photokatalysator als erster und/oder zweiter Katalysator katalysiert wird).
Die Schicht der erfindungsgemäßen Anordnung kann zumindest bereichsweise für Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 300 bis 800 nm transparent sein (optional ist die Schicht für Licht aller Wellenlängen in diesem Bereich transparent). Das Licht der bestimmten Wellenlänge ist bevorzugt Licht einer Wellenlänge, die zur Katalyse der ersten und/oder zweiten Reaktion benötigt wird.
Ferner kann die Schicht eine Schichtdicke, in einer Richtung von der Vorderseite zur Rückseite der Schicht, im Bereich von 1 pm bis 1500 pm, bevorzugt 2 bis 1000 pm, besonders bevorzugt 5 bis 500 pm, insbesondere 10 bis 200 pm, aufweisen. Geringere Schichtdicken haben den Vorteil, dass die Absorption von Licht geringer ausfällt, sodass bei einer Einstrahlung von Licht auf die Rückseite der Schicht eine höhere Lichtmenge auf der oberen Seite der Schicht gelangt, an welcher zumindest der erste Katalysator immobilisiert ist.
Abgesehen davon kann die Schicht auf der Vorderseite und/oder auf der Rückseite planar oder nicht planar sein. Im Falle einer nicht-planaren Schicht weist die Vorderseite und/oder Rückseite der Schicht (insbesondere die Vorderseite der Schicht) optional eine Strukturierung auf, die bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe von wellenförmige Strukturierung, kanalförmige Strukturierung und Kombinationen hiervon. Die kanalförmige Strukturierung kann mehrere parallele Mikrokanäle (z.B. > 10, bevorzugt > 20, besonders bevorzugt > 30, parallele Mikrokanäle) umfassen, wobei die Mikrokanäle jeweils bevorzugt eine Breite (d.h. eine Ausdehnung parallel zur Oberfläche der Schicht und senkrecht zu Ihrer Laufrichtung) im Bereich von 100 bis 1000 pm (bevorzugt 200 bis 800 pm) aufweisen und/oder jeweils bevorzugt eine Tiefe (d.h. eine Ausdehnung senkrecht zur Oberfläche der Schicht) im Bereich von 50 bis 500 pm (bevorzugt 100 bis 300 pm) aufweisen. Die kanalförmige Strukturierung in Form einer Vielzahl von Mikrokanälen hat den Vorteil, dass das Reaktionsvolumen sehr gering gehalten wird und damit eine effiziente Mischung von einem Reaktivgas (z.B. O2) mit der Reaktionsflüssigkeit und damit mit den Katalysatoren und dem mindestens einen Edukt erlaubt. Dadurch kann das Reaktivgas wesentlich schneller verbraucht werden und im Falle einer Leckage kann verhindert werden, dass größere Mengen an gefährlichem Gas freigesetzt werden. Ferner besteht ein Vorteil in Bezug auf die Selektivität der zu katalysierenden Reaktion, da ein chemischer Prozess in einem kleinen Reaktionsvolumen wesentlich besser kontrolliert werden kann als in einem größeren Reaktionsvolumen.
Die Schicht kann als Folie, bevorzugt als starre oder flexible Folie, ausgestaltet sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform weist die Schicht zumindest bereichsweise einen Transmissionsgrad von >50%, bevorzugt >70%, besonders bevorzugt >90%, insbesondere >95%, optional >99%, für Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm, bevorzugt im Bereich von 300 bis 800 nm, optional im Bereich von 320 bis 800 nm, auf (optional weist die Schicht für Licht aller Wellenlängen in diesem Bereich eine solche Transmission auf). Das Licht der bestimmten Wellenlänge ist bevorzugt Licht einer Wellenlänge, die zur Katalyse der ersten und/oder zweiten Reaktion benötigt wird. Je höher die Transparenz der Schicht, desto höher ist der Anteil an eingestrahlter Lichtmenge, die nach dem Passieren der Schicht auf der Vorderseite der Schicht und damit bei dem ersten Katalysator (und auch dem zweiten Katalysator) ankommt.
Das Polymer der Schicht kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Polyolefin, Polyester, Polyamid, Polyetherimid, Polylactid, PEN, PVC, EVA, Cellulosederivate und Kombinationen und Copolymere hiervon.
Ferner kann das Polymer der Schicht mindestens eine funktionelle Gruppe an der Oberfläche der Schicht aufweisen. Der Vorteil hierbei ist, dass der erste Katalysator (optional auch der zweite Katalysator) kovalent auf der Vorderseite der Schicht (optional auch auf der Rückseite der Schicht) immobilisiert werden können, was ein Auswaschen der Katalysatoren verhindert und damit die Produktreinheit erhöht und die Anordnung langzeitstabiler macht.
Die mindestens eine funktionelle Gruppe ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Hydroxygruppe, Aminogruppe, Azidgruppe, Thiolgruppe, Aldehydgruppe, Alkingruppe, Alkengruppe, Carbonsäuregruppe, Carbonsäureanhydridgruppe, Epoxygruppe, Sulfonsäuregruppe, Sulfonsäurechloridgruppe, Trinitriloessigsäuregruppe und Kombinationen hiervon. Optional ist die funktionelle Gruppe (bevorzugt im Falle einer Trinitriloessigsäuregruppe) mit mindestens einem Metallion komplexiert, wobei das mindestens ein Metallion bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ni-Ion, Co-Ion, Zn-Ion und Kombinationen hiervon.
Das Polymer der Schicht kann an der Oberfläche der Schicht über ein Verfahren funktionalisiert sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Flüssigkeitsbehandlungsverfahren, Gasphasenverfahren, Plasmaverfahren und Kombinationen hiervon, wobei das Flüssigkeitsbehandlungsverfahren bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tauchen, Drucken, Sprühen, Rakeln, Grafting und Kombinationen hiervon. Anders ausgedrückt kann über mindestens eines dieser Verfahren mindestens eine funktionelle Gruppe an der Oberfläche der Schicht generiert werden.
Der erste Katalysator kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Photokatalysator, Edelmetallkatalysator, enzymatischer Katalysator und organischer, nicht-enzymatischer Katalysator. Bevorzugt ist der erste Katalysator ein Photokatalysator. Da der erste Katalysator auf der Vorderseite der Schicht immobilisiert ist, ergibt sich für den Fall eines Photokatalysators der Vorteil, dass der erste Katalysator bei einer Einstrahlung von Licht auf die Rückseite der Schicht einer maximal möglichen Lichtmenge ausgesetzt werden kann.
Der erste Katalysator kann ein nicht-partikulärer Katalysator sein oder ein partikulärer Katalysator sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform katalysiert der erste Katalysator eine Umsetzung von einem Edukt, das ein Produkt einer Katalyse des zweiten Katalysators darstellt, zu einem Produkt. Anders ausgedrückt katalysiert der erste Katalysator in diesem Fall eine zweite Stufe einer Kaskadenreaktion, deren erste Stufe von dem zweiten Katalysator katalysiert wird. Der erste Katalysator kann über mindestens eine nicht-kovalente Bindung an der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein. Der Vorteil hierbei ist, dass die Immobilisierung des ersten Katalysators auf der Vorderseite der Schicht auch ohne Funktionalisierung der Vorderseite der Schicht realisiert werden kann, was die Bereitstellung der Anordnung kostengünstiger gestalten kann. Die mindestens eine nicht-kovalente Bindung ist bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoffbrückenbindung, Dipol-Dipol- Wechselwirkung, 7i-7i-Wechselwirkung, van-der-Waals-Wechselwirkung, ionische Wechselwirkung, hydrophobe Wechselwirkung und Kombinationen hiervon.
Ferner kann der erste Katalysator über mindestens eine kovalente Bindung an der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein. Der Vorteil hierbei ist, dass die Immobilisierung und damit die Anordnung langzeitstabil ist und ein Ablösen vom ersten Katalysator von der Schicht verhindert werden kann, wodurch eine Verunreinigung vom Produkt mit dem ersten Katalysator vermieden wird. Die kovalente Bindung ist bevorzugt durch eine funktionelle Gruppe etabliert, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Keton, Ester, Carbamat, Carbonat, Ether, Amid, Urethan, Disulfid, Sulfonamid, Sulfonsäureester, Thioether, Triazol und Kombinationen hiervon.
Abgesehen davon kann der erste Katalysator über einen Spacer an der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein. Dies hat den Vorteil, dass ein möglicher störender Einfluss der Oberfläche der Schicht auf die Aktivität des Katalysators vermieden wird und der Katalysator trotz seiner Immobilisierung mehr Freiheitsgrade auf der Oberfläche des Substrats hat, was seine katalytische Wirksamkeit verbessern kann. Der Spacer ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus n-Alkan, Heterozyklus, Oligomer, Polymer, Plasmapolymer und Kombinationen hiervon, wobei der Spacer besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyetherimin, Polyethylenglykol, funktionalisiertes Polysaccharid, polyacrylsäureartiges Plasmapolymer und Kombinationen hiervon.
Darüber hinaus kann der erste Katalysator über ein nasschemisches Verfahren an der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein, wobei das nasschemische Verfahren bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tauchverfahren, Flüssigkeitsdruckverfahren und Kombinationen hiervon. Das Flüssigkeitsdruckverfahren hat den Vorteil, dass der Katalysator sehr ortsselektiv (d.h. mit hoher Ortsauflösung) auf der Oberfläche des Substrats immobilisiert werden kann.
Der erste Katalysator kann auf der Oberfläche der Schicht gleichmäßig verteilt immobilisiert sein (d.h. isotrop in alle Raumrichtungen der Oberfläche immobilisiert sein). Dies hat den Vorteil, dass auf der gesamten Oberfläche des Substrats gleiche Katalysebedingungen in Bezug auf den ersten Katalysator bereitgestellt werden. Bevorzugt ist auch der zweite Katalysator auf der Oberfläche der Schicht gleichmäßig verteilt und in einem bestimmten Abstand zum ersten Katalysator immobilisiert. Dies hat den Vorteil, dass auf der gesamten Oberfläche des Substrats gleiche Katalysebedingungen in Bezug auf beide Katalysatoren bereitgestellt werden und eine Kaskadenreaktion effizient ablaufen kann. Der bestimmte Abstand vom ersten Katalysator zum zweiten Katalysator liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 nm bis 1000 pm, optional in einem Bereich von 200 nm bis 1000 pm, wobei sich der Abstand auf einen Abstand bezieht, der über konfokale Ramanmikroskopie oder Elektronenmikroskopie bestimmt ist. Der Fachmann wird hierbei eine geeignete Bestimmungsmethode auswählen (z.B. konfokale Ramanmikroskopie bei organischen Katalysatoren und Elektronenmikroskopie bei anorganischen Katalysatoren). Je kleiner der Abstand, desto höher ist die Effizienz der Katalyse. Der Abstand sollte jedoch nicht zu klein sein, um eine negative Beeinträchtigung der Aktivität des ersten Katalysators durch den zweiten Katalysator, und vice versa, zu verhindern.
Abgesehen davon kann der erste Katalysator in einem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein und der zweite Katalysator in einem zweiten Bereich der Anordnung immobilisiert sein, der sich von dem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht unterscheidet und der einen Abstand zum ersten Bereich der Oberfläche der Schicht aufweist, der im Bereich von 1 pm bis 20 cm, vorzugsweise 10 pm bis 10 cm liegt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Reaktionen des ersten Katalysators und des zweiten Katalysators in räumlich getrennten Bereichen auf der Schicht ablaufen, was unerwünschte Nebenreaktionen im Falle einer niedrigeren Eduktselektivität zumindest von einem der beiden Katalysatoren vermeiden kann. Ferner ist es damit möglich, im Falle einer Kaskadenreaktion der Reaktion eine Richtung vorzugeben, d.h. beispielsweise die Flüssigkeit enthaltend Edukt zunächst über den ersten Bereich (aufweisend den ersten Katalysator) strömen zu lassen und anschließend die Flüssigkeit (enthaltend das Produkt der Katalyse des ersten Katalysators und das Edukt für die Katalysereaktion mit dem zweiten Katalysator) über den zweiten Bereich strömen zu lassen. Diese Maßnahme kann mögliche Nebenreaktionen unterbinden und ein Produkt in höherer Reinheit bereitstellen. Der zweite Bereich kann hierbei ein zweiter Bereich auf der Oberfläche der Schicht der Anordnung sein oder ein Bereich auf einer Oberfläche einer weiteren Schicht der Anordnung sein. Die weitere Schicht der Anordnung kann mindestens ein Merkmal (optional alle Merkmale) aufweisen, das auch die Schicht der Anordnung aufweist.
Der zweite Katalysator kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Photokatalysator, Edelmetallkatalysator, enzymatischer Katalysator und organischer, nicht-enzymatischer Katalysator, wobei der zweite Katalysator bevorzugt ein enzymatischer Katalysator ist.
Ferner kann der zweite Katalysator ein nicht-partikulärer Katalysator sein oder ein partikulärer Katalysator sein.
Zudem kann der zweite Katalysator eine Umsetzung von einem Edukt, das ein Produkt einer Katalyse des ersten Katalysators darstellt, zu einem Produkt katalysieren. In diesem Fall katalysiert der zweite Katalysator eine zweite Stufe einer Kaskadenreaktion, deren erste Stufe von dem ersten Katalysator katalysiert wird.
Abgesehen davon kann der zweite Katalysator (wie der erste Katalysator) auf der Vorderseite der Schicht immobilisiert sein. Die Immobilisierung des zweiten Katalysators hat erstens den Vorteil, dass der zweite Katalysator nicht
Bestandteil der Reaktionsflüssigkeit sein muss und somit aus dem
Produktstrom nicht zeitaufwändig und kostenintensiv entfernt werden muss. Ferner besteht ein Vorteil, falls der zweite Katalysator in der
Reaktionsflüssigkeit zu einer aktivitätsmindernden Aggregation neigt (was z.B. bei bestimmten enzymatischen Katalysatoren der Fall sein kann), denn in diesem Fall kann die Immobilisierung des zweiten Katalysators eine Aggregation und damit eine Aktivitätsminderung des zweiten Katalysators verhindern. Auch im Falle eines Photokatalysators als zweiter Katalysator besteht ein Vorteil: Die Immobilisierung auf der Vorderseite der Schicht bewirkt, dass der zweite Katalysator bei einem Einstrahlen von Licht auf die Rückseite der Schicht eine maximale und definierte Lichtmenge erfahren kann. Im Falle eines im Reaktionsmedium strömenden zweiten Katalysators ist dies nicht immer der Fall.
Der zweite Katalysator kann über mindestens eine nicht-kovalente Bindung an der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein. Die mindestens eine nichtkovalente Bindung ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoffbrückenbindung, Dipol-Dipol-Wechselwirkung, 7i-7i-Wechsel- wirkung, van-der-Waals-Wechselwirkung, ionische Wechselwirkung, hydrophobe Wechselwirkung und Kombinationen hiervon.
Ferner kann der zweite Katalysator über mindestens eine kovalente Bindung an der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein. Die kovalente Bindung ist bevorzugt durch eine funktionelle Gruppe etabliert, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Keton, Ester, Carbamat, Carbonat, Ether, Amid, Sulfid, Disulfid, und Kombinationen hiervon.
Darüber hinaus kann der zweite Katalysator über einen Spacer an der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein. Der Spacer ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus n-Alkan, Heterozyklus, Oligomer, Polymer, Plasmapolymer und Kombinationen hiervon. Besonders bevorzugt ist der Spacer ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyetherimin, Polyethylenglykol, funktionalisiertes Polysaccharid, polyacrylsäureartiges Plasmapolymer und Kombinationen hiervon.
Darüber hinaus kann der zweite Katalysator über ein nasschemisches Verfahren an der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein. Das nasschemische Verfahren ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tauchverfahren, Flüssigkeitsdruckverfahren und Kombinationen hiervon.
Zudem kann der zweite Katalysator auf der Oberfläche der Schicht und/oder auf einer Oberfläche einer weiteren Schicht der Anordnung immobilisiert sein. Die weitere Schicht der Anordnung kann mindestens ein Merkmal (optional alle Merkmale) aufweisen, das auch die Schicht der Anordnung aufweist.
Bevorzugt ist der zweite Katalysator gleichmäßig verteilt auf der Oberfläche der Schicht in einem bestimmten Abstand zum ersten Katalysator immobilisiert. Der bestimmte Abstand vom ersten Katalysator zum zweiten Katalysator liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 nm bis 1000 pm, optional in einem Bereich von 200 nm bis 1000 pm, wobei sich der Abstand auf einen Abstand bezieht, der über konfokale Ramanmikroskopie oder Elektronenmikroskopie bestimmt ist. Der Fachmann wird hierbei eine geeignete Bestimmungsmethode auswählen (z.B. konfokale Ramanmikroskopie bei organischen Katalysatoren und Elektronenmikroskopie bei anorganischen Katalysatoren).
Ferner kann der zweite Katalysator in einem zweiten Bereich der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein und der erste Katalysator in einem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein, der sich von dem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht unterscheidet und der einen Abstand zum ersten Bereich der Oberfläche der Schicht aufweist, der im Bereich von 1 pm bis 20 cm, vorzugsweise 10 pm bis 10 cm liegt.
Abgesehen davon kann der zweite Katalysator in einem Bereich einer Oberfläche einer weiteren Schicht der Anordnung immobilisiert sein und der erste Katalysator auf der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein, wobei der Bereich der Oberfläche der weiteren Schicht der Anordnung einen Abstand zum Bereich der Oberfläche der Schicht der Anordnung aufweist, der im Bereich von 1 pm bis 20 cm, vorzugsweise 10 pm bis 10 cm liegt. Die weitere Schicht der Anordnung kann mindestens ein Merkmal (optional alle Merkmale) aufweisen, das auch die Schicht der Anordnung aufweist.
Der erste Katalysator und/oder der zweite Katalysator kann/können ein partikulärer Katalysator sein. Es ist dabei möglich, dass der partikuläre Katalysator den ersten Katalysator und nicht den zweiten Katalysator aufweist, den zweiten Katalysator und nicht den ersten Katalysator aufweist, oder den ersten und zweiten Katalysator aufweist. Ferner kann/können der erste Katalysator und/oder der zweite Katalysator ein suprapartikulärer Katalysator sein. Es ist dabei möglich, dass der suprapartikuläre Katalysator den ersten Katalysator und nicht den zweiten Katalysator aufweist, den zweiten Katalysator und nicht den ersten Katalysator aufweist, oder den ersten und zweiten Katalysator aufweist.
Ferner kann der supra partikuläre Katalysator einen Durchmesser im Bereich von 1 pm bis 20 pm, bevorzugt im Bereich von 1 pm bis 10 pm, aufweisen.
Abgesehen davon kann der suprapartikuläre Katalysator eine Vielzahl katalytisch aktiver Nanopartikeln enthalten oder daraus bestehen. Die Nanopartikel weisen bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt 5 nm bis 150 nm, ganz besonders bevorzugt 5 nm bis 100 nm, auf.
Darüber hinaus kann der suprapartikuläre Katalysator eine Vielzahl katalytisch inaktiver Trägerpartikel enthalten oder daraus bestehen, deren Oberfläche mit katalytischen Partikeln enthaltend oder bestehend aus katalytisch aktiven Molekülen, Ionen und/oder Atomen belegt ist. Bevorzugt weisen die Trägerpartikel einen Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt 5 nm bis 150 nm, ganz besonders bevorzugt 5 nm bis 100 nm, auf. Die katalytischen Partikel weisen bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 1 pm bis 20 pm, bevorzugt 1 pm bis 10 pm, auf.
Ferner kann der suprapartikuläre Katalysator eine Vielzahl katalytisch aktiver Nanopartikel und katalytisch inaktiver Trägerpartikel, deren Oberfläche mit katalytischen Partikeln aus katalytisch aktiven Molekülen, Ionen und/oder Atomen belegt ist, enthalten oder daraus bestehen. Die Eigenschaften der katalytisch aktiven Nanopartikel und/oder der katalytisch inaktiven Trägerpartikel können hierbei den oben genannten Eigenschaften dieser Partikel entsprechen.
Der supra partikuläre Katalysator kann mittels Sprühtrocknung hergestellt sein, bevorzugt mittels Sprühtrocknung mindestens einer Dispersion, die katalytisch aktive Nanopartikel enthält, und/oder mindestens einer Dispersion, die katalytisch inaktive Träge rpartikel enthält und katalytische Partikel enthält, die katalytisch aktive Moleküle, Ionen und/oder Atome enthalten oder daraus bestehen. Während der Sprühtrocknung lagern sich die einzelnen Nanopartikel in den gesprühten Flüssigkeitstropfen mittels erzwungener Selbstassemblierung zu dicht gepackten, komplexen, supramolekularen Strukturen an und bestimmen somit die Eigenschaften der Suprapartikel. Mit der Sprühtrocknung lassen sich suprapartikuläre Katalysatoren im Tonnen- Maßstab herstellen.
Die Anordnung kann eine Flüssigkeit aufweisen, welche die Vorderseite der Schicht kontaktiert.
Die Flüssigkeit enthält bevorzugt Wasser. Dies hat den Vorteil, dass bestimmte Katalysatoren (z.B. Enzyme) eine hohe katalytische Wirksamkeit aufweisen bzw. keinen Verlust ihrer katalytischen Wirksamkeit (z.B. durch eine Denaturierung im Falle eines Enzyms) erleiden.
Ferner kann die Flüssigkeit Sauerstoff enthalten. Sauerstoff spielt für eine Vielzahl von photochemischen Reaktionen eine Rolle, beispielsweise ermöglicht die Gegenwart von Sauerstoff in der Flüssigkeit eine photochemische Erzeugung von in situ, d.h., falls der erste und/oder zweite Katalysator ein Photokatalysator ist, am Ort des Photokatalysators bzw. der Photokatalysatoren der Anordnung, wobei das in situ erzeugte 1C>2 wiederrum für eine Folgereaktion mit einem Edukt der Flüssigkeit zu Verfügung steht.
Darüber hinaus kann die Flüssigkeit ein nukleophiles Reagenz, bevorzugt ein Cyanidsalz, besonders bevorzugt NaCN, enthalten. Der Vorteil hierbei ist, dass eine nukleophile Addition an ein bestimmtes Edukt von einem Katalysator der Anordnung katalysiert werden kann.
Abgesehen davon kann die Flüssigkeit ein Halogenierungsmittel enthalten, bevorzugt ein Halogenierungsmittel, das Fluor als Elektrophil oder Nukleophil enthält. Dies ermöglicht eine Katalyse einer Halogenierungsreaktion durch die erfindungsgemäße Anordnung.
Zudem kann die Flüssigkeit mindestens ein organisches Lösungsmittel enthält, das bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alkohol, DMSO und Mischungen hiervon. Dies hat den Vorteil, dass Edukte mit einer hohen Hydrophobizität in hoher Konzentration in der Flüssigkeit gelöst werden können, was die Effizienz der katalytischen Reaktionen erhöht. Bei dem Alkohol handelt es sich besonders bevorzugt um einen Ci-Ce-Alkohol. Insbesondere ist der Alkohol ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, 2-Propanol und Mischungen hiervon. Diese Alkohole haben den Vorteil, dass sie einerseits hydrophobe organische Substanzen gut lösen und andererseits eine relativ niedrige Viskosität unter Normalbedingungen (25 °C) aufweisen, was zu einer besseren Benetzung der Oberfläche der Schicht der Anordnung und einer besseren Dünnfilmbildung auf der Oberfläche der Schicht der Anordnung führt, so dass ein Lichtdurchgang und ein Gasmassetransfer effizienter werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform enthält die Flüssigkeit mindestens ein Edukt, optional mehrere Edukte, dessen/deren Umsetzung zu einem Produkt vom ersten und/oder zweiten Katalysator katalysiert wird. Katalysiert der erste und/oder zweite Katalysator eine photochemische Reaktion, hat dies den Vorteil, dass nur noch Licht auf die Katalysatoren der Anordnung gestrahlt werden muss, um das mindestens eine Edukt bzw. die mehreren Edukte zu mindestens einem Produkt umzusetzen. Anders ausgedrückt ist damit die Zeit zur Produktherstellung verkürzt. Das mindestens eine Edukt ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus, ß-keto-Carbonsäure und alkyliertes Benzol.
Die Flüssigkeit kann den zweiten Katalysator enthalten. Diese Ausgestaltungsform beschreibt eine Anordnung, bei welcher der zweite Katalysator nicht auf (der Vorderseite) der Schicht der Anordnung immobilisiert ist. Diese Ausgestaltungsform kann von Vorteil sein, falls der zweite Katalysator kein Photokatalysator ist, der erste Katalysator ein Photokatalysator ist und eine maximale Belegungsdichte des ersten Katalysators (Photokatalysator) auf der Vorderseite der Schicht der Anordnung angestrebt ist, um im Falle einer Bestrahlung der Schicht auf die Rückseite der Schicht einen maximalen Lichteinfang des ersten Katalysators zu ermöglichen und damit eine maximale Effizienz der photochemischen Reaktion zu erreichen. Ferner kann die Flüssigkeit in einer Höhe auf der Vorderseite der Schicht angeordnet sein („Filmdicke"), die im Bereich von 10 bis 200 um, bevorzugt 20 bis 100 um, liegt, wobei die Höhe einer Länge von einem tiefsten Punkt der Vorderseite der Schicht bis zu einem Punkt der Flüssigkeit entspricht, der von dem tiefsten Punkt der Vorderseite der Schicht am weitesten entfernt ist.
Die Anordnung kann einen Trägerrahmen aufweisen, der dazu geeignet ist, die Schicht auf reversible Art und Weise zu tragen, wobei die Schicht bevorzugt von dem Trägerrahmen getragen wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform enthält die Anordnung eine Lichtquelle, die konfiguriert ist, Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm, bevorzugt im Bereich von 300 nm bis 800 nm, optional im Bereich von 320 nm bis 800 nm, in Richtung der Vorderseite und/oder Rückseite der Schicht, und optional in Richtung der Vorderseite und/oder Rückseite mindestens einer weiteren Schicht der Anordnung, zu strahlen (optional ist die Lichtquelle konfiguriert, Licht im gesamten angegebenen Wellenlängenbereich zu strahlen). Das Licht der bestimmten Wellenlänge ist bevorzugt Licht einer Wellenlänge, die zur Katalyse der ersten und/oder zweiten Reaktion benötigt wird. Bevorzugt ist die Lichtquelle konfiguriert, in Richtung der Rückseite der Schicht und/oder der mindestens einen weiteren Schicht zu strahlen. Die weitere Schicht der Anordnung kann mindestens ein Merkmal (optional alle Merkmale) aufweisen, das auch die Schicht der Anordnung aufweist. Die Konfiguration der Lichtquelle zur Strahlung des Lichts auf die Rückseite der Schicht hat die Vorteile, dass im Falle von Reaktionsflüssigkeiten, Edukten und/oder Produkten, die im Wellenlängenbereich der Lichtquelle absorbieren, die mindestens zwei Reaktionen mit einer höheren Effizienz, präziseren Steuerbarkeit und ohne Risiko eines Auftretens von unerwünschten Nebenprodukten durchgeführt werden können.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Durchflussreaktor bereitgestellt, enthaltend a) eine erfindungsgemäße Anordnung; b) einen Einlass für eine Flüssigkeit; und c) einen Auslass für eine Flüssigkeit; wobei der Einlass und Auslass jeweils fluidisch zumindest mit der Vorderseite der Schicht verbunden sind.
Mit dem erfindungsgemäßen Durchflussreaktor ist es möglich, mindestens zwei chemische Reaktionen mit einer maximalen Produktausbeute pro Zeit, geringem Zeitaufwand, geringen Kosten, hoher Effizienz, präziser Steuerbarkeit und ohne Risiko eines Auftretens von unerwünschten Nebenprodukten durchzuführen. Durch die Einlässe und Auslässe für Flüssigkeit können die mindestens zwei chemischen Reaktionen in einer kontinuierlichen Art und Weise durchgeführt werden, was - anders als bei Batch-Reaktionen - eine kontinuierliche Produktion von industriell relevanten Mengen an Produkten erlaubt. Ferner können die bei Batch-Verfahren notwendigen Reinigungsschritte entfallen, was einen Zeitvorteil und einen Kostenvorteil mit sich bringt.
In dem Durchflussreaktor kann der erste Katalysator in einem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht immobilisiert sein, welcher dem Einlass zugewandt ist und der zweite Katalysator in einem Bereich der Anordnung immobilisiert ist, welcher dem Auslass zugewandt ist und welcher nicht mit dem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht überlappt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass eine sequentielle Reaktion (Kaskadenreaktion) eines bestimmten Edukts durchgeführt werden kann, ohne dass es zu unerwünschten Nebenreaktionen oder einer Abnahme der Reaktionseffizienz kommt.
Der Einlass für eine Flüssigkeit des Durchflussreaktors kann mit einer Flüssigkeitsquelle verbunden sein, die eine Flüssigkeit enthält.
Die Flüssigkeit der Flüssigkeitsquelle enthält bevorzugt Wasser.
Ferner kann die Flüssigkeit der Flüssigkeitsquelle ein nukleophiles Reagenz, bevorzugt ein Cyanidsalz, besonders bevorzugt NaCN, enthalten.
Zudem kann die Flüssigkeit der Flüssigkeitsquelle ein Halogenierungsmittel enthalten, bevorzugt ein Halogenierungsmittel, das Fluor als Elektrophil oder Nukleophil enthält. Darüber hinaus kann die Flüssigkeit der Flüssigkeitsquelle mindestens ein organisches Lösungsmittel enthalten. Das organische Lösungsmittel ist bevorzugt ein Ci-Ce-Alkohol. Besonders bevorzugt ist das organische Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, 2-Propanol und Mischungen hiervon.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform enthält die Flüssigkeit der Flüssigkeitsquelle mindestens ein Edukt, optional mehrere Edukte, dessen/deren Umsetzung zu einem Produkt vom ersten und/oder zweiten Katalysator katalysiert wird. Das mindestens eine Edukt ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ß-keto-Carbonsäure und alkyliertes Benzol.
Ferner kann die Flüssigkeit der Flüssigkeitsquelle den zweiten Katalysator enthalten.
Der Durchflussreaktor kann konfiguriert sein, die Flüssigkeit der Flüssigkeitsquelle dergestalt über die Vorderseite der Schicht der Anordnung zu leiten, dass die Flüssigkeit in einer Höhe über die Vorderseite der Schicht strömt, die im Bereich von 10 bis 200 pm, bevorzugt 20 bis 100 pm, liegt, wobei die Höhe einer Länge von einem tiefsten Punkt der Vorderseite der Schicht bis zu einem Punkt der Flüssigkeit entspricht, der von dem tiefsten Punkt der Vorderseite der Schicht am weitesten entfernt ist. Diese Konfiguration kann über eine Strukturierung der Anordnung des Durchflussreaktors und/oder durch eine geeignete Transportmenge an Flüssigkeit pro Zeit über die Vorderseite der Schicht der Anordnung erreicht werden.
Der Durchflussreaktor kann einen Einlass für ein Gas und einen Auslass für ein Gas aufweisen. Diese Ausgestaltung ist vorteilhaft, wenn eine der mindestens zwei von dem Durchflussreaktor katalysierten Reaktionen eine Reaktion ist, bei der ein Gas (z.B. Sauerstoff) benötigt wird.
Der Einlass für ein Gas und der Auslass für ein Gas können jeweils fluidisch zumindest mit der Vorderseite der Schicht verbunden sein. Ferner ist der Einlass für ein Gas bevorzugt mit einer Gasquelle verbunden, die insbesondere Sauerstoff enthält. Sauerstoff spielt in einer Vielzahl von photochemischen Reaktionen eine wichtige Rolle, um ein bestimmtes Produkt zu generieren, d.h. diese Ausgestaltungsform ist besonders von Vorteil, falls der erste und/oder zweite Katalysator ein Photokatalysator ist.
Der Durchflussreaktor kann mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, insbesondere mindestens fünf, erfindungsgemäße Anordnungen aufweisen. Die Anordnungen können, in einer Richtung vom Einlass zum Auslass des Durchflussreaktors, fluidisch parallel oder fluidisch in Serie geschaltet sein. Die parallele Schaltung hat den Vorteil, dass parallel jeweils mindestens zwei Reaktionen pro Anordnung katalysiert werden können und damit die Produktausbeute pro Zeit gesteigert werden kann. Eine serielle Schaltung hat den Vorteil, dass eine mehr als zweistufige Kaskadenreaktion von einem Edukt zu einem bestimmten Produkt möglich ist. Im Falle einer seriellen Schaltung kann der Ausgang einer stromaufwärts befindlichen Anordnung fluidisch mit dem Eingang einer unmittelbar stromabwärts von der Anordnung befindlichen, weiteren Anordnung verbunden sein.
Zwischen den jeweiligen Anordnungen können die ersten und/oder zweiten Katalysatoren gleich oder verschieden sein.
Bei dem Durchflussreaktor kann es sich um einen Fallfilm-Durchflussreaktor handeln.
Erfindungsgemäß wird zudem ein Verfahren zur Katalyse von mindestens zwei (chemischen) Reaktionen bereitgestellt, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Anordnung oder eines erfindungsgemäßen Durchflussreaktors; und b) Kontaktieren zumindest der ersten Oberfläche der Schicht mit einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit mindestens ein Edukt enthält, dessen Umsetzung zu einem Produkt von dem ersten und zweiten Katalysator katalysiert wird, oder die Flüssigkeit mindestens ein erstes Edukt enthält, dessen Umsetzung zu mindestens einem ersten Produkt von dem ersten oder zweiten Katalysator katalysiert wird, und die Flüssigkeit mindestens ein zweites Edukt enthält, dessen Umsetzung zu mindestens einem zweiten Produkt von einem der ersten oder zweiten Katalysatoren katalysiert wird, der nicht die Umsetzung von dem ersten Edukt zu einem ersten Produkt katalysiert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, mindestens zwei chemische Reaktionen mit einer maximalen Produktausbeute pro Zeit, geringem Zeitaufwand, geringen Kosten, hoher Effizienz, präziser Steuerbarkeit und ohne Risiko eines Auftretens von unerwünschten Nebenprodukten durchzuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm, bevorzugt im Bereich von 300 nm bis 800 nm, optional im Bereich von 320 nm bis 800 nm, in Richtung der Vorderseite und/oder Rückseite der Schicht, und optional in Richtung der Vorderseite und/oder Rückseite mindestens einer weiteren Schicht der Anordnung, gestrahlt. Das Licht der bestimmten Wellenlänge ist bevorzugt Licht einer Wellenlänge, die zur Katalyse der ersten und/oder zweiten Reaktion benötigt wird. Bevorzugt wird das Licht in Richtung der Rückseite der Schicht und/oder der Rückseite der mindestens einen weiteren Schicht der Anordnung gestrahlt wird.
In Schritt a) des Verfahrens kann ein Durchflussreaktor bereitgestellt werden und die Flüssigkeit von dem Einlass zu dem Auslass des Durchflussreaktors geleitet (bzw. transportiert) werden. Besonders bevorzugt wird die Flüssigkeit zunächst über den ersten Katalysator geleitet, der in einem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, welcher dem Einlass zugewandt ist, und die Flüssigkeit anschließend über den zweiten Katalysator geleitet, der in einem Bereich der Anordnung immobilisiert ist, welcher dem Auslass zugewandt ist und welcher nicht mit dem ersten Bereich der Schicht der Anordnung überlappt.
Der in dem Verfahren bereitgestellte (und eingesetzte) Durchflussreaktor kann ferner mindestens einen Einlass für ein Gas und mindestens einen Auslass für ein Gas aufweisen. Bevorzugt sind der Einlass für das Gas und der Auslass für das Gas jeweils fluidisch mit der Vorderseite der Schicht und/oder mit einer Vorderseite einer weiteren Schicht der Anordnung verbunden, wobei das Gas vom Einlass für ein Gas zum Auslass für ein Gas transportiert wird.
Der in dem Verfahren bereitgestellte (und eingesetzte) Durchflussreaktor kann mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, insbesondere mindestens fünf, erfindungsgemäße Anordnungen aufweisen. Bevorzugt sind die Anordnungen, in einer Richtung vom Einlass zum Auslass des Durchflussreaktors, fluidisch parallel oder fluidisch in Serie geschaltet. Besonders bevorzugt wird die Flüssigkeit fluidisch parallel oder in Serie vom Eingang für eine Flüssigkeit zum Ausgang für eine Flüssigkeit transportiert. Optional wird (auch) ein Gas fluidisch parallel oder in Serie von einem Eingang für ein Gas des Durchflussreaktors zu einem Ausgang für ein Gas des Durchflussreaktors transportiert.
Zwischen den jeweiligen Anordnungen des in dem Verfahren bereitgestellten (und eingesetzten) Durchflussreaktors können die ersten und/oder zweiten Katalysatoren gleich oder verschieden sein.
Erfindungsgemäß wird ferner eine Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung oder des erfindungsgemäßen Durchflussreaktors zur Katalyse von mindestens zwei Reaktionen vorgeschlagen, bevorzugt von mindestens zwei voneinander abhängigen, in einer Kaskade ablaufenden Reaktionen oder von zwei voneinander unabhängigen Reaktionen.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten, spezifischen Ausgestaltungsformen einschränken zu wollen.
Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung zur Katalyse von mindestens zwei Reaktionen. Die Anordnung weist eine Schicht 1 mit einer Vorderseite 2 und einer Rückseite 3 auf, wobei die Schicht 1 ein Polymer enthält oder daraus besteht. Ferner weist die Anordnung einen ersten Katalysator 4 auf, der zur Katalyse einer ersten Reaktion geeignet ist und der auf der Vorderseite 2 der Schicht 1 immobilisiert ist. Darüber hinaus weist die Anordnung einen zweiten Katalysator 5 auf, der zur Katalyse einer zweiten Reaktion geeignet ist, die von der ersten Reaktion verschieden ist. In der hier dargestellten Ausgestaltungsform ist der erste Katalysator 4 ein Photokatalysator und der zweite Katalysator 5 ein Enzym. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht 1 zumindest bereichsweise für Licht einer Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm transparent ist. Die Schicht 1 weist hier eine Schichtdicke 6 von 100 pm auf. In der dargestellten Ausgestaltungsform ist der erste Katalysator 4 über einen Spacer 7 auf der Vorderseite 2 der Schicht 1 immobilisiert und der zweite Katalysator 5 liegt frei beweglich in der Flüssigkeit F auf der Vorderseite 2 der Schicht 1 vor. Über der Flüssigkeit F ist Gas G angeordnet (z.B. Luft oder reiner Sauerstoff), das sich in der Flüssigkeit F lösen kann und zur Reaktion notwendig sein kann, die von dem ersten Katalysator 4 und/oder von dem zweiten Katalysator 5 beschleunigt wird (z.B. photochemische Generierung von Singulett-Sauerstoff aus Sauerstoff).
Figur 2 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Anordnung. Ein Unterschied zur Anordnung der Figur 1 ist, dass hier auch der zweite Katalysator 5 über einen Spacer 8 auf der Vorderseite 2 der Schicht 1 immobilisiert ist. Dadurch entsteht ein bestimmter Abstand Al zwischen dem ersten Katalysator 4 und dem zweiten Katalysator 5 auf der Vorderseite 2 der Schicht 1. Durch den bestimmten Abstand Al wird eine räumliche Trennung zwischen dem ersten Katalysator 4 und dem zweiten Katalysator 5 etabliert. Dadurch kann vermieden werden, dass sich die beiden Katalysatoren 4, 5 gegenseitig in ihrer Funktion stören.
Figur 3 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Anordnung. Ein Unterschied zur Anordnung der Figur 2 ist, dass der erste Katalysator 4 in einem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht 1 immobilisiert ist und der zweite Katalysator 5 in einem zweiten Bereich der Oberfläche der Schicht 1 immobilisiert ist, wobei vom ersten Bereich der Oberfläche der Schicht zum zweiten Bereich der Oberfläche der Schicht ein bestimmter Abstand A2 besteht. Durch den bestimmten Abstand A2 wird eine noch stärkere räumliche Trennung als bei der Anordnung der Figur 2 zwischen dem ersten Katalysator 4 und dem zweiten Katalysator 5 etabliert. Aufgrund dieser räumlichen Trennung kann einer Kaskadenreaktion eine Richtung auferlegt werden, d.h. Flüssigkeit F (und optional Gas G) können zunächst über den ersten Katalysator 4 geleitet werden und ein erstes Produkt generieren und erst dann über den zweiten Katalysator 5 geleitet werden, um das erste Produkt in ein Endprodukt umzuwandeln. Dadurch kann vermieden werden, dass das Endprodukt auf unerwünschte Weise mit dem ersten Katalysator 4 reagiert und unerwünschte Nebenprodukte entstehen.
Figur 4 zeigt schematisch eine weitere erfindungsgemäße Anordnung. Ein Unterschied zur Anordnung der Figur 3 ist, dass der erste Katalysator 4 auf der Oberfläche der Schicht 1 immobilisiert ist und der zweite Katalysator 5 auf der Vorderseite 10 und der Oberfläche einer weiteren Schicht 9 immobilisiert ist, vom Bereich der Oberfläche der weiteren Schicht zum Bereich der Oberfläche der Schicht ein bestimmter Abstand A3 besteht. Die Vorderseite 2 der Schicht 1 ist mit der Vorderseite 10 der weiteren Schicht 9 fluidisch verbunden, d.h. Flüssigkeit F und Gas G kann von der Vorderseite 2 der Schicht 1 zur Vorderseite 10 der weiteren Schicht 9 strömen. Aufgrund des bestimmten Abstands A3 kann eine räumliche Trennung zwischen dem ersten Katalysator 4 und dem zweiten Katalysator 5 etabliert werden, die von den Abmessungen der Schicht 1 unabhängig ist und damit auch sehr hoch gestaltet werden kann, was eine Bildung unerwünschter Nebenprodukte noch besser sicherstellen kann. Ferner weist diese Ausgestaltungsform eine hohe Flexibilität auf: Da jede der Schichten 1, 9 nur einen bestimmten Katalysator 4, 5 trägt, katalysiert jede der Schichten 1, 9 nur eine bestimmte Reaktion. Besteht nun der Wunsch, über eine Kaskadenreaktion ein anderes Produkt herzustellen, kann beispielsweise die weitere Schicht 9 der Anordnung auf schnelle und einfache Art und Weise durch eine andere weitere Schicht 9 ausgetauscht werden, die einen andersartigen zweiten Katalysator 5 trägt.
Figur 5 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Durchflussreaktor. Der Durchflussreaktor weist hier eine Anordnung auf, wie sie in der Figur 1 dargestellt ist. Ferner weist der Durchflussreaktor zum Leiten der Flüssigkeit F über die Vorderseite 2 der Schicht 1 einen Flüssigkeitseinlass FE und einen Flüssigkeitsauslass FA auf, wobei der Flüssigkeitseinlass FE und der Flüssigkeitsauslass FA jeweils fluidisch mit der Vorderseite 2 der Schicht 1 verbunden sind. Zudem weist der Durchflussreaktor zum Leiten des Gases G über die Vorderseite 2 der Schicht 1 einen Gaseinlass GE und einen Gasauslass GE auf, wobei der Gaseinlass GE und der Gasauslass GA jeweils fluidisch mit der Vorderseite 2 der Schicht 1 verbunden sind. Darüber hinaus weist der Durchflussreaktor mindestens eine Lichtquelle auf (nicht gezeigt), die Licht in einer Bestrahlungsrichtung BRU auf die Rückseite der Schicht der Anordnung strahlt und in dem gezeigten Fall auch in einer Bestrahlungsrichtung BRO auf die Vorderseite der Schicht der Anordnung strahlt. Bevorzugt ist, dass die Lichtquelle Licht zumindest auf die Rückseite 3 der Schicht 1 der Anordnung strahlt. Falls die Flüssigkeit F, das Gas G, ein Edukt und/oder ein Produkt das von der Lichtquelle eingestrahlte Licht abschwächt, ist es besonders bevorzugt, wenn die Lichtquelle ausschließlich auf die Rückseite 3 der Schicht 1 der Anordnung strahlt, da dann die Katalyse durch den Photokatalysator mit einer höheren Effizienz, präziserer Steuerbarkeit und ohne Risiko eines Auftretens von unerwünschten Nebenprodukten durchgeführt werden kann.
1: Schicht der Anordnung;
2: Vorderseite der Schicht der Anordnung;
3: Rückseite der Schicht der Anordnung;
4: erster Katalysator (z.B. Photokatalysator);
5: zweiter Katalysator (z.B. Enzym);
6: Schichtdicke der Schicht der Anordnung;
7: Spacer an erstem Katalysator;
8: Spacer an zweitem Katalysator;
9: weitere Schicht der Anordnung;
10: Vorderseite der weiteren Schicht der Anordnung;
11: Rückseite der weiteren Schicht der Anordnung;
12: Schichtdicke der weiteren Schicht der Anordnung;
F: Flüssigkeit (Reaktionslösung);
G: Gas;
Al: Abstand vom ersten Katalysator zum zweiten Katalysator;
A2: Abstand vom ersten Bereich der Oberfläche der Schicht zum zweiten Bereich der Oberfläche der Schicht;
A3: Abstand vom Bereich der Oberfläche der weiteren Schicht zum Bereich der Oberfläche der Schicht;
FE: Flüssigkeitseinlass des Durchflussreaktors;
FA: Flüssigkeitsauslass des Durchflussreaktors; GE: Gaseinlass des Durchflussreaktors;
GA: Gasauslass des Durchflussreaktors;
BRU: Bestrahlungsrichtung auf die Rückseite der Schicht der Anordnung;
BRO: Bestrahlungsrichtung auf die Vorderseite der Schicht der Anordnung.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Katalyse von mindestens zwei Reaktionen, aufweisend oder bestehend aus: a) einer Schicht mit einer Vorderseite und einer Rückseite, wobei die Schicht ein Polymer enthält oder daraus besteht; b) einen ersten Katalysator, der zur Katalyse einer ersten Reaktion geeignet ist und der auf der Vorderseite der Schicht immobilisiert ist; und c) einen zweiten Katalysator, der zur Katalyse einer zweiten Reaktion geeignet ist, die von der ersten Reaktion verschieden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht zumindest bereichsweise für Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm transparent ist.
2. Anordnung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht i) zumindest bereichsweise für Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 300 bis 800 nm transparent ist, wobei das Licht der bestimmten Wellenlänge bevorzugt Licht einer Wellenlänge ist, die zur Katalyse der ersten und/oder zweiten Reaktion benötigt wird; und/oder ii) eine Schichtdicke, in einer Richtung von der Vorderseite zur Rückseite der Schicht, im Bereich von 1 pm bis 1500 pm, bevorzugt 2 bis 1000 pm, besonders bevorzugt 5 bis 500 pm, insbesondere 10 bis 200 pm, aufweist; und/oder iii) auf der Vorderseite und/oder auf der Rückseite planar oder nicht planar ist, wobei die Vorderseite und/oder Rückseite optional eine Strukturierung aufweist, die bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe von wellenförmige Strukturierung, kanalförmige
Strukturierung und Kombinationen hiervon; und/oder iv) als Folie, bevorzugt als starre oder flexible Folie, ausgestaltet ist; und/oder v) zumindest bereichsweise einen Transmissionsgrad von >50%, bevorzugt >70%, besonders bevorzugt >90%, insbesondere >95%, optional >99%, für Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm, bevorzugt im Bereich von 300 bis 800 nm, optional im Bereich von 320 bis 800 nm, aufweist, wobei das Licht der bestimmten Wellenlänge bevorzugt Licht einer Wellenlänge ist, die zur Katalyse der ersten und/oder zweiten Reaktion benötigt wird.
3. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer der Schicht i) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyolefin, Polyester, Polyamid, Polyetherimid, Polylactid, PEN, PVC, EVA, Cellulosederivate und Kombinationen und Copolymeren hiervon; und/oder ii) mindestens eine funktionelle Gruppe an der Oberfläche der Schicht aufweist, wobei die mindestens eine funktionelle Gruppe bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Hydroxygruppe, Aminogruppe, Azidgruppe, Thiolgruppe, Aldehydgruppe, Alkingruppe, Alkengruppe, Carbonsäuregruppe, Carbonsäureanhydridgruppe, Epoxygruppe, Sulfonsäuregruppe, Sulfonsäurechloridgruppe, Trinitriloessigsäuregruppe und Kombinationen hiervon, wobei die funktionelle Gruppe optional mit mindestens einem Metallion komplexiert ist, wobei das mindestens eine Metallion bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ni-Ion, Co-Ion, Zn-Ion und Kombinationen hiervon; und/oder iii) an der Oberfläche der Schicht über ein Verfahren funktionalisiert ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Flüssigkeitsbehandlungsverfahren, Gasphasenverfahren, Plasmaverfahren und Kombinationen hiervon, wobei das Flüssigkeitsbehandlungsverfahren bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tauchen, Drucken, Sprühen, Rakeln, Grafting und Kombinationen hiervon.
4. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator i) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Photokatalysator, Edelmetallkatalysator, enzymatischer Katalysator und organischer, nicht-enzymatischer Katalysator, wobei der erste Katalysator bevorzugt ein Photokatalysator ist; und/oder ii) ein nicht-partikulärer Katalysator ist oder ein partikulärer Katalysator ist; und/oder iii) eine Umsetzung von einem Edukt, das ein Produkt einer Katalyse des zweiten Katalysators darstellt, zu einem Produkt katalysiert.
5. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator i) über mindestens eine nicht-kovalente Bindung an der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, wobei die mindestens eine nichtkovalente Bindung bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoffbrückenbindung, Dipol-Dipol- Wechselwirkung, 7i-7i-Wechselwirkung, van-der-Waals- Wechselwirkung, ionische Wechselwirkung, hydrophobe Wechselwirkung und Kombinationen hiervon; und/oder ii) über mindestens eine kovalente Bindung an der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, wobei die kovalente Bindung bevorzugt durch eine funktionelle Gruppe etabliert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Keton, Ester, Carbamat, Carbonat, Ether, Amid, Urethan, Disulfid, Sulfonamid, Sulfonsäureester, Thioether, Triazol und Kombinationen hiervon; und/oder iii) über einen Spacer an der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, wobei der Spacer bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus n-Alkan, Heterozyklus, Oligomer, Polymer, Plasmapolymer und Kombinationen hiervon, wobei der Spacer besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyetherimin, Polyethylenglykol, funktionalisiertes Polysaccharid, polyacrylsäureartiges Plasmapolymer und Kombinationen hiervon; und/oder iv) über ein nasschemisches Verfahren an der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, wobei das nasschemische Verfahren bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tauchverfahren, Flüssigkeitsdruckverfahren und Kombinationen hiervon.
6. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator i) auf der Oberfläche der Schicht gleichmäßig verteilt immobilisiert ist, wobei bevorzugt auch der zweite Katalysator auf der Oberfläche der Schicht gleichmäßig verteilt und in einem bestimmten Abstand zum ersten Katalysator immobilisiert ist, wobei der bestimmte Abstand vom ersten Katalysator zum zweiten Katalysator bevorzugt in einem Bereich von 1 nm bis 1000 pm, optional in einem Bereich von 200 nm bis 1000 pm, liegt, wobei sich der Abstand auf einen Abstand bezieht, der über konfokale Ramanmikroskopie oder Elektronenmikroskopie bestimmt ist; oder ii) in einem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist und der zweite Katalysator in einem zweiten Bereich der Anordnung immobilisiert ist, der sich von dem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht unterscheidet und der einen Abstand zum ersten Bereich der Oberfläche der Schicht aufweist, der im Bereich von 1 pm bis 20 cm, vorzugsweise 10 pm bis 10 cm liegt, wobei der zweite Bereich optional ein zweiter Bereich auf der Oberfläche der Schicht der Anordnung ist oder ein Bereich auf einer Oberfläche einer weiteren Schicht der Anordnung ist.
7. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator i) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Photokatalysator, Edelmetallkatalysator, enzymatischer Katalysator und organischer, nicht-enzymatischer Katalysator, wobei der zweite Katalysator bevorzugt ein enzymatischer Katalysator ist; und/oder ii) ein nicht-partikulärer Katalysator ist oder ein partikulärer Katalysator ist; und/oder iii) eine Umsetzung von einem Edukt, das ein Produkt einer Katalyse des ersten Katalysators darstellt, zu einem Produkt katalysiert.
8. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator auf der Vorderseite der Schicht immobilisiert ist, bevorzugt i) über mindestens eine nicht-kovalente Bindung an der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, wobei die mindestens eine nichtkovalente Bindung bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoffbrückenbindung, Dipol-Dipol- Wechselwirkung, 7i-7i-Wechselwirkung, van-der-Waals- Wechselwirkung, ionische Wechselwirkung, hydrophobe Wechselwirkung und Kombinationen hiervon; und/oder ii) über mindestens eine kovalente Bindung an der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, wobei die kovalente Bindung bevorzugt durch eine funktionelle Gruppe etabliert ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Keton, Ester, Carbamat, Carbonat, Ether, Amid, Sulfid, Disulfid, und Kombinationen hiervon; und/oder iii) über einen Spacer an der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, wobei der Spacer bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus n-Alkan, Heterozyklus, Oligomer, Polymer, Plasmapolymer und Kombinationen hiervon, wobei der Spacer besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyetherimin, Polyethylenglykol, funktionalisiertes Polysaccharid, polyacrylsäureartiges Plasmapolymer und
Kombinationen hiervon; und/oder iv) über ein nasschemisches Verfahren an der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, wobei das nasschemische Verfahren bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tauchverfahren, Flüssigkeitsdruckverfahren und Kombinationen hiervon.
9. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Katalysator auf der Oberfläche der Schicht und/oder auf einer Oberfläche einer weiteren Schicht der Anordnung immobilisiert ist, wobei der zweite Katalysator bevorzugt i) gleichmäßig verteilt auf der Oberfläche der Schicht in einem bestimmten Abstand zum ersten Katalysator immobilisiert ist, wobei der bestimmte Abstand vom ersten Katalysator zum zweiten Katalysator bevorzugt in einem Bereich von 1 nm bis 1000 pm, optional in einem Bereich von 200 nm bis 1000 pm, liegt, wobei sich der Abstand auf einen Abstand bezieht, der über konfokale Ramanmikroskopie oder Elektronenmikroskopie bestimmt ist; oder ii) in einem zweiten Bereich der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist und der erste Katalysator in einem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, der sich von dem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht unterscheidet und der einen Abstand zum ersten Bereich der Oberfläche der Schicht aufweist, der im Bereich von 1 pm bis 20 cm, vorzugsweise 10 pm bis 10 cm liegt; oder iii) in einem Bereich einer Oberfläche einer weiteren Schicht der Anordnung immobilisiert ist und der erste Katalysator auf der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, wobei der Bereich der Oberfläche der weiteren Schicht der Anordnung einen Abstand zum Bereich der Oberfläche der Schicht der Anordnung aufweist, der im Bereich von 1 pm bis 20 cm, vorzugsweise 10 pm bis 10 cm liegt.
10. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator und/oder der zweite Katalysator ein partikulärer Katalysator ist, wobei der partikuläre Katalysator bevorzugt den ersten Katalysator und nicht den zweiten Katalysator aufweist, den zweiten Katalysator und nicht den ersten Katalysator aufweist, oder den ersten und zweiten Katalysator aufweist.
11. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator und/oder der zweite Katalysator ein suprapartikulärer Katalysator ist, wobei der supra partikuläre Katalysator bevorzugt i) einen Durchmesser im Bereich von 1 pm bis 20 pm, bevorzugt im Bereich von 1 pm bis 10 pm, aufweist; und/oder ii) eine Vielzahl katalytisch aktiver Nanopartikel enthält oder daraus besteht, wobei die Nanopartikel bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt 5 nm bis 150 nm, ganz besonders bevorzugt 5 nm bis 100 nm, aufweisen; und/oder iii) eine Vielzahl katalytisch inaktiver Trägerpartikel enthält oder daraus besteht, deren Oberfläche mit katalytischen Partikeln enthaltend oder bestehend aus katalytisch aktiven Molekülen, Ionen und/oder Atomen belegt ist, wobei die Trägerpartikel bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 1 nm bis 500 nm, besonders bevorzugt 5 nm bis 150 nm, ganz besonders bevorzugt 5 nm bis 100 nm, aufweisen, und/oder die katalytischen Partikel einen Durchmesser im Bereich von 1 pm bis 20 pm, bevorzugt 1 pm bis 10 pm, aufweisen; und/oder iv) eine Vielzahl katalytisch aktiver Nanopartikel und katalytisch inaktiver Trägerpartikel, deren Oberfläche mit katalytischen Partikeln enthaltend oder bestehend aus katalytisch aktiven Molekülen, Ionen und/oder Atomen belegt ist, enthält oder daraus besteht; und/oder v) mittels Sprühtrocknung hergestellt ist, bevorzugt mittels Sprühtrocknung von mindestens einer Dispersion, die katalytisch aktive Nanopartikel enthält, und/oder von mindestens einer Dispersion, die katalytisch inaktive Trägerpartikel enthält und katalytische Partikel enthält, die katalytisch aktive Moleküle, Ionen und/oder Atome enthalten oder daraus bestehen.
12. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Flüssigkeit aufweist, welche die Vorderseite der Schicht kontaktiert, wobei die Flüssigkeit bevorzugt i) Wasser enthält; und/oder ii) Sauerstoff enthält; und/oder iii) ein nukleophiles Reagenz enthält, bevorzugt ein Cyanidsalz, besonders bevorzugt NaCN; und/oder iv) ein Halogenierungsmittel enthält, bevorzugt ein Halogenierungsmittel, das Fluor als Elektrophil oder Nukleophil enthält; und/oder v) mindestens ein organisches Lösungsmittel enthält, das bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Alkohol, DMSO und Mischungen hiervon, wobei der Alkohol besonders bevorzugt ein Ci-Ce-Alkohol ist, und wobei der Alkohol insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, 2-Propanol und Mischungen hiervon; und/oder vi) mindestens ein Edukt, optional mehrere Edukte, enthält, dessen/deren Umsetzung zu einem Produkt vom ersten und/oder zweiten Katalysator katalysiert wird, wobei das mindestens eine Edukt bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ß- keto-Carbonsäure und alkyliertes Benzol; und/oder vii) den zweiten Katalysator enthält; und/oder viii) in einer Höhe auf der Vorderseite der Schicht angeordnet ist, die im Bereich von 10 bis 200 pm, bevorzugt 20 bis 100 pm, liegt, wobei die Höhe einer Länge von einem tiefsten Punkt der Vorderseite der Schicht bis zu einem Punkt der Flüssigkeit entspricht, der von dem tiefsten Punkt der Vorderseite der Schicht am weitesten entfernt ist.
13. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung einen Trägerrahmen aufweist, der dazu geeignet ist, die Schicht auf reversible Art und Weise zu tragen, wobei die Schicht bevorzugt von dem Trägerrahmen getragen wird.
14. Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Lichtquelle enthält, die konfiguriert ist, Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm, bevorzugt im Bereich von 300 bis 800 nm, optional im Bereich von 320 bis 800 nm, in Richtung der Vorderseite und/oder Rückseite der Schicht, und optional in Richtung der Vorderseite und/oder Rückseite mindestens einer weiteren Schicht der Anordnung, zu strahlen, wobei das Licht der bestimmten Wellenlänge bevorzugt Licht einer Wellenlänge ist, die zur Katalyse der ersten und/oder zweiten Reaktion benötigt wird, wobei die Lichtquelle bevorzugt konfiguriert ist, in Richtung der Rückseite der Schicht und/oder der mindestens einen weiteren Schicht zu strahlen.
15. Durchflussreaktor, enthaltend a) eine Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche; b) einen Einlass für eine Flüssigkeit; und c) einen Auslass für eine Flüssigkeit; wobei der Einlass und Auslass jeweils fluidisch zumindest mit der Vorderseite der Schicht verbunden sind.
16. Durchflussreaktor gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Katalysator in einem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, welcher dem Einlass zugewandt ist und der zweite Katalysator in einem Bereich der Anordnung immobilisiert ist, welcher dem Auslass zugewandt ist und welcher nicht mit dem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht überlappt.
17. Durchflussreaktor gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass für eine Flüssigkeit mit einer Flüssigkeitsquelle verbunden ist, wobei die Flüssigkeitsquelle eine Flüssigkeit enthält, wobei die Flüssigkeit bevorzugt i) Wasser enthält; und/oder ii) ein nukleophiles Reagenz enthält, bevorzugt ein Cyanidsalz, besonders bevorzugt NaCN; und/oder iii) ein Halogenierungsmittel enthält, bevorzugt ein Halogenierungsmittel, das Fluor als Elektrophil oder Nucleophil enthält; und/oder iv) mindestens ein organisches Lösungsmittel enthält, das bevorzugt ein Ci-Ce-Alkohol ist, wobei das organische Lösungsmittel besonders bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, 2-Propanol und Mischungen hiervon; und/oder v) mindestens ein Edukt, optional mehrere Edukte, enthält, dessen/deren Umsetzung zu einem Produkt vom ersten und/oder zweiten Katalysator katalysiert wird, wobei das mindestens eine Edukt bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus ß- keto-Carbonsäure und alkyliertes Benzol; und/oder ii) den zweiten Katalysator enthält.
18. Durchflussreaktor gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussreaktor einen Einlass für ein Gas und einen Auslass für ein Gas aufweist, wobei bevorzugt i) der Einlass für ein Gas und der Auslass für ein Gas jeweils fluidisch zumindest mit der Vorderseite der Schicht verbunden sind; und/oder ii) der Einlass für ein Gas bevorzugt mit einer Gasquelle verbunden ist, die insbesondere Sauerstoff enthält.
19. Durchflussreaktor gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussreaktor mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, insbesondere mindestens fünf, Anordnungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist, wobei bevorzugt i) die Anordnungen, in einer Richtung vom Einlass zum Auslass des Durchflussreaktors, fluidisch parallel oder fluidisch in Serie geschaltet sind, wobei insbesondere der Ausgang einer stromaufwärts befindlichen Anordnung fluidisch mit dem Eingang einer unmittelbar stromabwärts von der Anordnung befindlichen, weiteren Anordnung verbunden ist; und/oder ii) zwischen den jeweiligen Anordnungen die ersten und/oder zweiten Katalysatoren gleich oder verschieden sind.
20. Verfahren zur Katalyse von mindestens zwei Reaktionen, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 oder eines Durchflussreaktors gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19; und b) Kontaktieren zumindest der ersten Oberfläche der Schicht mit einer Flüssigkeit, wobei die Flüssigkeit mindestens ein Edukt enthält, dessen Umsetzung zu einem Produkt von dem ersten und zweiten Katalysator katalysiert wird, oder die Flüssigkeit mindestens ein erstes Edukt enthält, dessen Umsetzung zu mindestens einem ersten Produkt von dem ersten oder zweiten Katalysator katalysiert wird, und die Flüssigkeit mindestens ein zweites Edukt enthält, dessen Umsetzung zu mindestens einem zweiten Produkt von einem der ersten oder zweiten Katalysatoren katalysiert wird, der nicht die Umsetzung von dem ersten Edukt zu einem ersten Produkt katalysiert.
21. Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass Licht zumindest einer bestimmten Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 1000 nm, bevorzugt im Bereich von 300 bis 800 nm, optional im Bereich von 320 bis 800 nm, in Richtung der Vorderseite und/oder Rückseite der Schicht, und optional in Richtung der Vorderseite und/oder Rückseite mindestens einer weiteren Schicht der Anordnung, gestrahlt wird, wobei das Licht der bestimmten Wellenlänge bevorzugt Licht einer Wellenlänge ist, die zur Katalyse der ersten und/oder zweiten Reaktion benötigt wird, wobei das Licht bevorzugt in Richtung der Rückseite der Schicht und/oder der Rückseite der mindestens einen weiteren Schicht der Anordnung gestrahlt wird.
22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) ein Durchflussreaktor bereitgestellt wird und die Flüssigkeit von dem Einlass zu dem Auslass des Durchflussreaktors geleitet wird, wobei besonders bevorzugt die Flüssigkeit zunächst über den ersten Katalysator geleitet wird, der in einem ersten Bereich der Oberfläche der Schicht immobilisiert ist, welcher dem Einlass zugewandt ist, und die Flüssigkeit anschließend über den zweiten Katalysator geleitet wird, der in einem Bereich der Anordnung immobilisiert ist, welcher dem Auslass zugewandt ist und welcher nicht mit dem ersten Bereich der Schicht der Anordnung überlappt.
23. Verfahren gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussreaktor ferner mindestens einen Einlass für ein Gas und mindestens einen Auslass für ein Gas aufweist, die bevorzugt jeweils fluidisch mit der Vorderseite der Schicht und/oder mit einer Vorderseite einer weiteren Schicht der Anordnung verbunden sind, wobei das Gas vom Einlass für ein Gas zum Auslass für ein Gas transportiert wird.
24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussreaktor mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier, insbesondere mindestens fünf, Anordnungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist, wobei bevorzugt i) die Anordnungen, in einer Richtung vom Einlass zum Auslass des Durchflussreaktors, fluidisch parallel oder fluidisch in Serie geschaltet sind und wobei die Flüssigkeit fluidisch parallel oder in Serie vom Eingang für eine Flüssigkeit zum Ausgang für eine Flüssigkeit transportiert wird und optional ein Gas fluidisch parallel oder in Serie von einem Eingang für ein Gas des Durchflussreaktors zu einem Ausgang für ein Gas des Durchflussreaktors transportiert wird; und/oder ii) zwischen den jeweiligen Anordnungen die ersten und/oder zweiten Katalysatoren gleich oder verschieden sind.
25. Verwendung der Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 oder des Durchflussreaktors gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19 zur Katalyse von mindestens zwei Reaktionen, bevorzugt von mindestens zwei voneinander abhängigen, in einer Kaskade ablaufenden Reaktionen oder von zwei voneinander unabhängigen Reaktionen.
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