In dieser durch Mittel des Europäischen Sozialfonds geförderten Gruppe sollen Nachwuchsforschende aus vier Arbeitskreisen im Rahmen ihres Promotionsvorhabens gezielt in dem zukunftsträchtigen Technologiefeld „Heterogen-katalysierten Syntheseprozesse in Durchfluss-Systemen“ weitergebildet werden. Diese Maßnahme soll den Wissenstransfer direkt von der Universität in das industrielle Umfeld im Freistaat Sachsen unterstützen.

Heterogen-katalysierte Syntheseprozesse in Durchfluss-Systemen

 (01.01.2020 – 31.12.2022)

Das durch Mittel des Europäischen Sozialfonds und von der Sächsischen Aufbaubank geförderte Forschungsvorhaben „Heterogen-katalysierte Syntheseprozesse in Durchfluss-Systemen“ beabsichtigt, neue Prozesse für die stereoselektive Synthese von Feinchemikalien zu entwickeln, die gegenwärtig genutzten Verfahren ökonomisch und auch ökologisch erheblich überlegen sind. Feinchemikalien sind z. B. als Pharmaka, Pflanzenschutzmittel, Farb- oder Duftstoffe unverzichtbar im alltäglichen Leben. Dazu sollen chirale Katalysatoren an feste Träger gebunden und anschließend in kontinuierlich betriebenen Durchfluss-Systemen eingesetzt werden und die Reaktionen auch spektroskopisch verfolgt werden. Durch den permanenten und exakt steuerbaren Fluss der Reaktionsmischung über den immobilisierten Katalysator soll der Prozess insgesamt besser gesteuert, die Reaktionszeit verkürzt, die Reaktionsausbeute erhöht und die Standzeit des Katalysators verlängert werden. Insbesondere kann das Produkt in einem solchen Setup direkt vom Katalysator abgetrennt und damit auf einen aufwändigen Trennschritt verzichtet werden. Darüber hinaus erlaubt ein solches Schema die Implementierung des Prozesses auf einem Mikrochip mit allen Vorteilen der Mikroreaktionstechnik und auch eine schnelle analytische Verfolgung der Reaktionen, um im Verlauf der Reaktionen auftretende kurzlebige Reaktionsintermediate charakterisieren zu können. Das langfristige Ziel dieser Untersuchungen ist es, einen wesentlichen Beitrag zu einer nachhaltigen, zeitgemäßen und ressourcenschonenden Feinchemikalienherstellung zu leisten.

Vorstellen der konkreten Projektbereiche

Das Bild zeigt einen chiralen, an eine heterogene Oberfläche gebundenen Katalysator, der in Durchflussverfahren eingesetzt werden soll.
Heterogen-gebundener chiraler Katalysator in Durchflusssystemen. Abb.: Marcel Sickert

Im Projektbereich 1 sollen chirale BINOL-Phosphorsäuren an geeigneten Trägermaterialien immobilisiert und dann in einem Durchfluss-Reaktor zur kontinuierlichen Synthese auch größerer Mengen komplexer, enantiomerangereicherter Sauerstoff- und Stickstoff-Heterocyclen eingesetzt werden. Wir erwarten von einem solchen Verfahren schnellere Prozessoptimierungen, kürzere Reaktionszeiten, erhöhte Ausbeuten, eine bessere Reproduzierbarkeit der Resultate sowie vor allem auch eine bessere Abtrennbarkeit des Katalysators.

AK Schneider

Prof. Dr. Christoph Schneider

Prof. Dr. Christoph Schneider

Universitätsprofessor und Sprecher der Nachwunchsforschergruppe

Organische Chemie/ Heterocyclenchemie
Johannisallee 29, Raum 157
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36559
Telefax: +49 341 97-36599

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Maximilian Schneider

Organische Chemie/ Heterocyclenchemie
Johannisallee 29
04103 Leipzig

 In der Abbildung ist der Mikro-Reaktor mit Kopplung zur Analyseeinheit modelliert
Lab-on-a-Chip, Abb.: Rico Warias

Im Projektbereich 2 soll ein miniaturisiertes Analysesystems entwickelt werden, mit dem heterogen katalysierte Reaktionen im Mikrodurchfluss in nahezu Echtzeit mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie und Massenspektrometrie (HPLC/MS) untersucht werden können. Auf Basis der lab-on-a-chip Technologie soll dazu ein integriertes Chiplabor realisiert werden, in dem ein oder mehrere Mikroreaktoren mit immobilisierten Katalysatoren, eine druckbetriebene chromatographische Trenneinheit mit partikulärer Säule sowie eine Schnittstelle zur Massenspektrometrie nahtlos miteinander gekoppelt sind.

AK Belder

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Prof. Dr. Detlev Belder

Universitätsprofessor

Konzentrationsanalytik
Hauptgebäude Chemie
Johannisallee 29, Raum 1-265
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36091
Telefax: +49 341 97-36115

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Hannes Westphal

Konzentrationsanalytik
Johannisallee 29
04103 Leipzig

In der Abbildung ist die Sol-Gel Synthese und die pseudomorphe Transformation der Silica-Partikel zu erkennen.
Sol-Gel Synthese und pseudomorphe Transformation, Abb.: Markus Gebauer

Im Projektbereich 3 sollen monolithische Silicaträger mit einem hierarchischen System von Mesoporen mit zwei voneinander unabhängig einstellbaren Porenweiten hergestellt und für die gezielte Anbindung enantioselektiver Organokatalysatoren modifiziert werden. Darüber hinaus wird die Kontrolle von Form und Größe der Monolithe angestrebt. Die immobilisierten Katalysatoren sollen in Durchflussreaktoren sowie auf Mikrochips für enantioselektive Umsetzungen erprobt werden. Insbesondere soll der Anteil der beiden Mesoporensysteme auf Aktivität, Selektivität und Stabilität der Katalysatoren untersucht werden.

AK Gläser

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Prof. Dr. Roger Gläser

Universitätsprofessor

Heterogene Katalyse
Linnéstraße 3, Raum 509
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36301
Telefax: +49 341 97-36349

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Markus Gebauer

Heterogene Katalyse
Linnéstraße 3, Raum 520
04103 Leipzig

Das Bild zeigt das IRPD-Messinstrument mit Quadrupol-Massenfilter, Ionenfalle und TOF
IRPD-Modell, Abb. Sonja Schmahl

Im Projektbereich 4 sollen kurzlebige Reaktionsintermediate aus Durchfluss-Mikroreaktoren mittels hochempfindlicher massenspektrometrischer und laserspektroskopischer Methoden kontinuierlich verfolgt, enantiospezifisch nachgewiesen und mit Hilfe quantenchemischer Rechenverfahren strukturell charakterisiert werden. Daraus ergeben sich molekulare Einblicke in die zu Grunde liegenden Reaktionsmechanismen, welche dann systematisch ausgenutzt werden können, um das Katalysatordesign zu optimieren.

AK Asmis

Prof. Dr. Knut R. Asmis

Prof. Dr. Knut R. Asmis

Universitätsprofessor

Physikalische Chemie - kondensierte inhomogene Materie
Linnéstraße 3, Raum 436
04103 Leipzig

Telefon: +49 341 97-36421
Telefax: +49 341 97-36399

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Sonja Schmahl

Physikalische Chemie - kondensierte inhomogene Materie
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