The Activation of Small Molecules on the Surface of Nanoscopic, Highly Lewis-Acidic Aluminium Fluorides

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde die Reaktivität von außergewöhnlich Lewis-sauren festen Katalysatoren: Aluminiumchlorofluorid (ACF) und high-surface Aluminiumfluorid (HS-AlF3) unter moderaten Reaktionsbedingungen untersucht. Die Katalysatoren konnten erfolgreich für die Aktivierung von C-F- und C-Cl-Bindungen (CH3F, CH2F2, CHF3, CH3Cl, CH2Cl2 und ClCH2-CH2Cl) in der Anwesenheit von Silanen eingesetzt werden. Bei Hydrodehalogenierungsreaktionen in Batch-Reaktoren (NMR-Röhrchen) wurden höhere Umsätze mit ACF als mit HS-AlF3 erreicht. Dieser Befund lässt sich mit sterischen Effekten erklären. Die kleineren Mikroporen des ACFs sind besser geeignet für die Aktivierung von kleinen Molekülen als die Mesoporen von HS-AlF3. Die sterischen Aspekte wurden mit Hilfe von FTIR-Experimenten ausführlich untersucht. Unterschiedliche Beobachtungen wurden gemacht, wenn ein zusätzliches Substrat anwesend war, z.B. C6D6 zur Synthese des Friedel-Crafts-Produktes. HS-AlF3 führte zu höheren Umsätzen bei fluorierten Substraten, während bei chlorierten Substraten ACF sich als der bessere Katalysator erwies. Die Herausforderung bestand darin, die Katalysatoren unter sehr anspruchsvollen Bedingungen wie kurze Kontaktzeiten im Flow-Reaktor zu testen. Die Aktivierung von fluorierten und chlorierten Substraten war möglich. Der Unterschied in der Reaktivität der Katalysatoren war nicht so ausgeprägt wie bei Reaktionen in Batch-Reaktor. Aufgrund der kurzen Kontaktzeiten können nur kurze Diffusionswege ausgenutzt werden, was zu ähnlichen Reaktivitäten führt. Mit Hilfe von Experimenten im Flow-Reaktor als auch MAS NMR-, EA-, NH3-TPD-, XRD-, FTIR-, PulseTA®-Experimenten konnte der Mechanismus aufgeklärt werden. Der Katalysator muss zunächst mit Silan gesättigt werden, welcher eine Schutzfunktion hat und die Fluorierung des Katalysators unterdrückt. Ausserdem konnten die Katalysatoren erfolgreich für die Hydrosilylierungsreaktionen und weiterhin zu Deoxygenierung von Ketonen eingesetzt werden.

This thesis investigated the reactivity of extraordinarily lewis-acidic solid catalysts under moderate reaction conditions: aluminium chorofluoride (ACF) und high-surface aluminium fluoride (HS-AlF3).The catalysts could be successfully applied in the activation of C-F and C-Cl bonds (CH3F, CH2F2, CHF3, CH3Cl, CH2Cl2 und ClCH2-CH2Cl) in the presence of silanes. Higher conversions were reached for hydrodehalogenation batch-reactions (NMR tubes) with ACF than for HS-AlF3. This finding can be explained by steric effects. The smaller micropores of ACF are better suited for the activation of small molecules than mesopores of HS-AlF3. Steric aspects were examined extensively by FTIR experiments. Different observations were made in cases where an additional substrate was present, for example C6D6 led to the formation of the Friedel-Crafts product. In this case HS-AlF3 showed higher conversions of fluorinated substrates, while for chlorinated substrates ACF was found to be more efficient. The challenge of this work was to optimize conditions under which the catalysts are not only efficient in batch reactors with long contact times but also under short contact times in flow reactors. Experiments demonstrated that fluorinated and chlorinated substrates can be activated under such conditions. The difference in reactivity of both catalysts was not as extensive as for reactions in a batch reactor. Short contact times require short diffusion pathways, thus more similar reactivities. Experiments in a flow reactor, supported by further analyses by MAS NMR, EA, NH3-TPD, XRD, FTIR and PulseTA® led to the elucidation of the catalytic mechanism. The catalyst must first be saturated by silane, which inhibits and protects the catalyst from fluorination. The catalysts were also successfully applied for hydrosilylation reactions and deoxy-genation of ketones.