DE102009045636A1

DE102009045636A1 - Verfahren zur Durchführung von sequentiellen Reaktionen mit Hilfe eines induktiv erwärmten Heizmediums

Info

Publication number: DE102009045636A1
Application number: DE102009045636A
Authority: DE
Inventors: Carsten Dr. Friese; Andreas Prof.Dr. Kirschning; Sascha Volkan Ceylan; Jens Wegner
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2009-10-13
Publication date: 2011-04-14
Also published as: EP2488292A2; US20120283449A1; WO2011045091A3; WO2011045091A2; CN102548649A

Abstract

Verfahren zum Durchführen von mindestens zwei aufeinander folgenden chemischen Reaktionen zur Herstellung einer Zielverbindung aus mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten und/oder einem weiteren Reaktanten, umfassend eine erste Reaktion und eine weitere Reaktion in einem Reaktor, der ein Reaktionsmedium enthält, wobei man das Reaktionsmedium in dem Reaktor in Kontakt mit einem durch elektromagnetische Induktion erwärmbaren festen Heizmedium bringt, das sich innerhalb des Reaktors befindet und das von dem Reaktionsmedium umgeben ist, und das Heizmedium durch elektromagnetische Induktion mit Hilfe eines Induktors erwärmt, wobei sich in einer ersten Reaktion eine Zwischenverbindung bildet, aus der in einer weiteren Reaktion die Zielverbindung entsteht, und wobei man zwischen der ersten und der weiteren Reaktion mindestens einen Reaktanten in den Reaktor zugibt, der vor der ersten Reaktion nicht im Reaktor vorhanden war und wobei man die Zielverbindung von dem Heizmedium abtrennt.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der chemischen Synthese und betrifft ein Verfahren zum Durchführen von sequentiellen, also nacheinander ablaufenden chemischen Reaktionen mit Hilfe eines induktiv erwärmten Heizmediums.
Zur Durchführung thermisch induzierbarer chemischer Reaktionen sind unterschiedliche Wege bekannt, um die Recktanten zu erwärmen. Am weitesten verbreitet ist ein Erwärmen durch Wärmeleitung. Dabei befinden sich die Recktanten in einem Reaktor, wobei entweder die Wände des Reaktors selbst erwärmt werden oder wobei in dem Reaktor Wärme übertragende Elemente wie beispielsweise Heizschlangen oder Wärmetauscherrohre bzw. -platten eingebaut sind. Dieses Verfahren ist vergleichsweise träge, so dass zum einen das Aufheizen der Recktanten langsam erfolgt und zum anderen die Wärmezufuhr nicht schnell unterbunden bzw. sogar durch eine Kühlung ersetzt werden kann. Eine Alternative hierzu besteht darin, die Recktanten durch Einstrahlen von Mikrowellen in die Recktanten selbst oder in ein Medium, das die Recktanten enthält, zu erwärmen. Mikrowellengeneratoren stellen jedoch ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar, da sie apparativ aufwendig sind und die Gefahr des Austritts von Strahlung besteht.
Im Gegensatz hierzu stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verfügung, bei dem man ein Reaktionsmedium dadurch erwärmt, dass man es in Kontakt mit einem durch elektromagnetische Induktion erwärmbaren Heizmedium bringt, das man „von außen” durch elektromagnetische Induktion mit Hilfe eines Induktors erwärmt.
Das Verfahren des induktiven Erhitzens wird schon länger in der Industrie verwendet. Die häufigsten Anwendungen sind Schmelzen, Härten, Sintern und die Wärmebehandlung von Legierungen. Aber auch Prozesse wie Kleben, Schrumpfen oder Verbinden von Bauteilen sind bekannte Anwendungen dieser Heiztechnik.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 198 00 294 sind Verfahren zur Isolierung und zur Analyse von Biomolekülen bekannt, wobei diese Biomoleküle an die Oberfläche von induktiv aufheizbaren Magnetpartikeln gebunden werden. Dieses Dokument führt aus:
„Das Wirkprinzip besteht darin, auf die Oberfläche einer funktionellen Polymermatrix, in die die induktiv aufheizbaren magnetischen Kolloide bzw. feindispersen Magnetteilchen eingekapselt sind, Biomoleküle adsorptiv oder covalent zu binden, die in der Lage sind, Analyten wie z. B. DNA/RNA-Sequenzen, Antikörper, Antigene, Proteine, Zellen, Bakterien, Viren oder Pilzsporen gemäß dem komplementären Affinitätsprinzip zu binden. Nach der Bindung der Analyten auf der Matrix können die Magnetpartikel in einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld auf die für die Analytik, Diagnostik und Therapie relevanten Temperaturen von vorzugsweise 40 bis 120°C aufgeheizt werden.” Im weiteren geht dieses Dokument auf die technische Auslegung von Spulensystemen und Hochfrequenzgeneratoren ein, die in diesem Verfahren verwendet werden können. Das genannte Dokument beschreibt also den Einsatz induktiv erwärmbarer Partikel bei der Analyse komplexer biologischer Systeme oder Biomoleküle.
DE 10 2005 051 637 beschreibt ein Reaktorsystem mit einem mikrostrukturierten Reaktor sowie Verfahren zur Durchführung einer chemischen Reaktion in einem solchen Reaktor. Dabei wird der Reaktor als solcher durch elektromagnetische Induktion aufgeheizt. Der Wärmeübergang in das Reaktionsmedium erfolgt über die aufgeheizten Reaktorwände. Dies begrenzt zum einen die Größe der Fläche, die zum Erwärmen des Reaktionsmediums zur Verfügung steht. Zum anderen ist es erforderlich, Teile des Reaktors mit zu erwärmen, die nicht in direktem Kontakt mit dem Reaktionsmedium stehen.
US 5,110,996 beschreibt die Herstellung von Vinylidenfluorid durch Umsetzung von Dichlordifluormethan mit Methan in der Gasphase in einem erhitzten Reaktor. Der Reaktor ist mit einem nicht-metallischen Füllmaterial gefüllt. Der Reaktionsraum, der dieses Füllmaterial enthält, ist von einer metallischen Hülle umgeben, die von außen durch elektromagnetische Induktion erhitzt wird. Der Reaktionsraum selbst wird also von außen beheizt, wodurch sich das Füllmaterial durch Wärmestrahlung und/oder Wärmeleitung mit der Zeit ebenfalls erhitzt. Eine unmittelbare Erwärmung des von den Recktanten umströmten Füllmaterials durch elektromagnetische Induktion erfolgt selbst dann nicht, wenn dieses Füllmaterial elektrisch leitend ist, da die metallische Reaktorwand die elektromagnetischen Felder der Induktionsspule abschirmt.
WO 95/21126 offenbart ein Verfahren für die Herstellung von Cyanwasserstoff in der Gasphase aus Ammoniak und einem Kohlenwasserstoff mit Hilfe eines metallischen Katalysators. Der Katalysator befindet sich innerhalb des Reaktionsraums, so dass er vor den Recktanten umströmt wird. Er wird von außen durch elektromagnetische Induktion mit einer Frequenz von 0,5 bis 30 MHz, also mit einem Wechselfeld im Hochfrequenzbereich, erwärmt. Dabei zitiert dieses Dokument das vorstehend genannte Dokument US 5,110,996 mit der Bemerkung, dass üblicherweise induktives Heizen im Frequenzbereich von etwa 0,1 bis 0,2 MHz durchgeführt wird. Diese Angabe ist jedoch in dem zitierten US 5,110,996 nicht enthalten, so dass unklar ist, worauf sie sich bezieht.
WO 00/38831 befasst sich mit gesteuerten Adsorptions- und Desorptionsprozessen, wobei die Temperatur des Adsorbermaterials durch elektromagnetische Induktion gesteuert wird, Aus dem Zeitschriftenartikel „Induktives Heizen in der organischen Synthese..." von S. Ceylan, C. Friese, Ch. Lammel, K. Mazac und A. Kirschning, Angew. Chem 2008 (129), SS. 9083–086, Angew. Chem int. Ed. 2008 (47), SS. 8950–8953 ist es bekannt, dass chemische Reaktionen durch Erwärmen eines Heizmediums mit Hilfe elektromagnetischer Induktion durchgeführt werden können. Zwischenzeitlich wurden die deutsche Patentanmeldung DE 10 2007 059 967 und die Internationale Patentanmeldung WO 2009/074373 veröffentlicht, die den Gegenstand des genannten Zeitschriftenartikels näher beschreiben. Einige Reaktionen sind beispielhaft angeführt. Nacheinander ablaufende chemische Reaktionen, bei denen über mindestens eine Zwischenverbindung nach Zugabe eines weitern Recktanten eine Zielverbindung entsteht, befinden sich nicht darunter.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist in einer allgemeinen Ausführungsform ein Verfahren zum Durchführen von mindestens zwei aufeinander folgenden chemischen Reaktionen zur Herstellung einer Zielverbindung aus mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten und/oder einem weiteren Recktanten, umfassend eine erste Reaktion und eine weitere Reaktion in einem Reaktor, der ein Reaktionsmedium enthält, wobei man das Reaktionsmedium in dem Reaktor in Kontakt mit einem durch elektromagnetische Induktion erwärmbaren festen Heizmedium bringt, das sich innerhalb des Reaktors befindet und das von dem Reaktionsmedium umgeben ist, und das Heizmedium durch elektromagnetische Induktion mit Hilfe eines Induktors erwärmt, wobei sich in einer ersten Reaktion eine Zwischenverbindung bildet, aus der in einer weiteren Reaktion die Zielverbindung entsteht, und wobei man zwischen der ersten und der weiteren Reaktion mindestens einen Recktanten in den Reaktor zugibt, der vor der ersten Reaktion nicht im Reaktor vorhanden war und wobei man die Zielverbindung von dem Heizmedium abtrennt.
Dabei kann die Zielverbindung beispielsweise, aber nicht einschränkend, durch eine der folgenden Reaktionsabfolgen entstehen:

a) innerhalb des ersten Recktanten findet als eine erste Reaktion eine intramolekulare Bindungsumlagerung oder eine Fragmentierung zu einer Zwischenverbindung statt, die mit einem oder mehreren zweiten Recktanten in einer weiteren Reaktion zur Zielverbindung reagiert;
b) der erste Reaktant reagiert in einer ersten Reaktion mit einem zweiten Recktanten zu einer Zwischenverbindung, aus der sich in einer weiteren Reaktion mit einem weiteren Recktanten die Zielverbindung bildet;
c) der erste Reaktant reagiert in einer ersten Reaktion mit einem zweiten Recktanten zu einer ersten Zwischenverbindung, aus der sich in einer zweiten Reaktion durch eine intramolekulare Bindungsumlagerung oder eine Fragmentierung eine zweite Zwischenverbindung bildet, aus der in einer weiteren Reaktion mit einem weiteren Recktanten die Zielverbindung entsteht.

Unter einem „weiteren Recktanten” wird also ein Reaktant verstanden, der mit einer Zwischenverbindung reagiert. Die erste und die weitere Reaktion können zeitlich getrennt in demselben Reaktor ablaufen, wobei man nach zumindest weitgehender Bildung der Zwischenverbindung (beispielsweise bis zu nahe an dem Gleichgewichtszustand) einen weiteren Recktanten zugibt, um in einer weiteren Reaktion aus der Zwischenverbindung die Zielverbindung zu erhalten.
Dabei kann es zweckmäßig sein, die erste und die weitere Reaktion nicht nur zeitlich, sondern auch räumlich zu trennen, also in verschiedenen Reaktoren ablaufen zu lassen. Wie weiter unten ausgeführt, verwendet man in diesem Fall vorzugsweise hintereinander angeordnete Durchflussreaktoren. Daher besteht eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Verfahren zum Durchführen von mindestens zwei aufeinander folgenden chemischen Reaktionen zur Herstellung einer Zielverbindung aus mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten und/oder weiteren Recktanten, wobei die erste Reaktion in einem ersten Reaktor und die weitere Reaktion in einem zweiten Reaktor stattfindet, die jeweils ein Reaktionsmedium enthalten, wobei man das Reaktionsmedium in jedem Reaktor in Kontakt mit einem durch elektromagnetische Induktion erwärmbaren festen Heizmedium bringt, das sich innerhalb des Reaktors befindet und das von dem Reaktionsmedium umgeben ist, und das Heizmedium durch elektromagnetische Induktion mit Hilfe eines Induktors erwärmt, wobei man mindestens einen Recktanten in den zweiten Reaktor zugibt, der nicht im ersten Reaktor vorhanden war.
Dabei sind jeweils zusätzliche Reaktionsschritte nicht ausgeschlossen.
Unter der „Zielverbindung” wird diejenige Verbindung verstanden, die man als Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens als isolierte Substanz, als Komponente eines Substanzgemisches oder als Lösung in einem Lösungsmittel in makroskopischen Mengen erhält. Unter makroskopischen Mengen werden Mengen von mindestens 100 mg, vorzugsweise von mindestens 1 g und insbesondere von mindestens 100 g pro Arbeitstag verstanden. Demgegenüber wird die Zwischenverbindung nicht als solche isoliert, sondern in einem oder mehreren weiteren Reaktionsschritten zur Zielverbindung umgesetzt. Jedoch ist eine Zwischenverbindung gegenüber einem „Übergangszustand” einer chemischen Reaktion dadurch ausgezeichnet, dass sie stabil genug ist, um isoliert oder zumindest mit spektroskopischen Methoden (z. B. IR- oder Ramanspektrum, UV/vis. Spektrum, NMR- oder ESR-Spektrum) nachgewiesen werden zu können.
Die chemischen Reaktionen werden also durch Erwärmen eines Reaktionsmediums gestartet und gegebenenfalls unterhalten, das die jeweiligen Reaktanten enthält. Dies schließt die Möglichkeit mit ein, dass das Reaktionsmedium, beispielsweise eine Flüssigkeit, selbst an der Reaktion beteiligt ist und damit einen Reaktanten darstellt. Dabei kann ein Reaktant in dem Reaktionsmedium gelöst oder dispergiert sein, wobei das Reaktionsmedium selbst inert sein oder seinerseits einen Reaktanten darstellen kann. Oder ein, zwei oder mehr Reaktanten liegen gelöst oder dispergiert in einem Reaktionsmedium vor, das selbst nicht durch die chemischen Reaktionen verändert wird.
Das feste Heizmedium ist von dem Reaktionsmedium umgeben. Dies kann bedeuten, dass sich das feste Heizmedium, von möglichen Randzonen abgesehen, innerhalb des Reaktionsmediums befindet, z. B. wenn das Heizmedium in Form von Partikeln, Spänen, Drähten, Netzen, Wolle, Füllkörpern etc. vorliegt. Dies kann aber auch bedeuten, dass das Reaktionsmedium das Heizmedium durch eine Vielzahl von Hohlräumen im Heizmedium durchströmt, wenn dieses beispielsweise aus einer oder mehreren Membranen, einem Bündel von Rohren, einer aufgerollten Metallfolie, Fritten, porösen Füllkörpern oder aus einem Schaum besteht. Auch hierbei ist das Heizmedium im wesentlichen von dem Reaktionsmedium umgeben, da der größte Teil seiner Oberfläche (90% oder mehr) im Kontakt mit dem Reaktionsmedium steht. Im Gegensatz hierzu ist bei einem Reaktor, dessen Außenwand durch elektromagnetische Induktion erwärmt wird (wie beispielsweise gemäß dem zitierten Dokument US 5110996 ), nur die innere Reaktoroberfläche mit dem Reaktionsmedium in Kontakt.
Die Wand des Reaktors ist aus einem Material, das das die vom Induktor erzeugte elektromagnetische Wechselfeld nicht abschirmt bzw. absorbiert und daher nicht selbst erwärmt wird. Metalle sind also ungeeignet. Beispielsweise kann es aus Kunststoff, Glas oder Keramik (wie beispielsweise Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid) bestehen. Letztere ist insbesondere für Reaktionen bei hoher Temperatur (50–600°C) und/oder unter Druck geeignet. Ein spezielles Reaktormaterial, das auch für Reaktionen unter mäßigem Druck (bis ca. 10 bar) verwendet werden kann, ist Polyetheretherketon (PEEK).
Die vorstehend beschriebene Verfahrensweise hat den Vorteil, dass die thermische Energie zur Auslösung und/oder Durchführung der chemischen Reaktionen nicht durch Oberflächen wie beispielsweise die Reaktorwände, Heizschlangen, Wärmetauscherplatten oder ähnliches in das Reaktionsmedium eingebracht wird, sondern direkt im Volumen des Reaktors erzeugt wird. Das Verhältnis von erwärmter Oberfläche zu Volumen des Reaktionsmediums kann dabei wesentlich größer werden als bei einer Heizung über Wärme übertragende Oberflächen, wie es beispielsweise auch gemäß der eingangs zitierten DE 10 2005 051 637 der Fall ist. Zusätzlich wird der Wirkungsgrad von elektrischem Strom zu Heizleistung verbessert. Durch Einschalten des Induktors kann die Wärme in dem gesamten festen Heizmedium, das über eine sehr große Oberfläche mit dem Reaktionsmedium in Kontakt steht, erzeugt werden. Bei Abschalten des Induktors wird der weitere Wärmeeintrag sehr rasch unterbunden. Dies erlaubt eine sehr gezielte Reaktionsführung.
Nach Bildung der Zielverbindung wird diese von dem Heizmedium abgetrennt. Im besten Fall wird dabei die Zielverbindung in reiner Form, also ohne Lösungsmittel (das durch Abdestillieren des Lösungsmittels oder durch Ausfällen der Zielverbindung aus dem Lösungsmittel abgetrennt werden kann) und mit nicht mehr als den üblichen Verunreinigungen isoliert. Die Zielverbindung kann aber auch im Gemisch mit Recktanten oder als Lösung im Reaktionsmedium vom Heizmedium abgetrennt und erst danach durch weitere Aufarbeitung isoliert oder in ein anderes Lösungsmittel überführt werden, sofern dies gewünscht wird. Das Verfahren dient also der präparativen Herstellung der Zielverbindung, um diese weiter verwenden zu können.
Im Gegensatz hierzu stehen Verfahren, bei denen zwar durch elektromagnetische Induktion eines Heizmediums ebenfalls eine chemische Reaktion gestartet wird, diese Reaktion jedoch nicht der Herstellung einer Zielverbindung dient, die nach Reaktionsende von dem Heizmedium abgetrennt wird. Ein Beispiel hierfür ist das Härten von Harzsystemen, wobei die Härtungsreaktion an Partikeln gestartet wird, die in dem Harzsystem dispergiert sind und die durch elektromagnetische Induktion erhitzt werden. Hierbei verbleiben diese Partikel im ausgehärteten Harzsystem und es wird keine definierte Zielverbindung isoliert. Dasselbe gilt für den umgekehrten Fall, dass eine Klebeverbindung durch das induktive Erhitzen von Partikeln wieder gelöst wird, die sich in der Klebstoffmatrix befinden. Hierbei kann zwar eine chemische Reaktion stattfinden, es werden jedoch keine Zielverbindungen isoliert.
Das Heizmedium besteht aus einem elektrisch leitfähigen und/oder magnetisierbaren Material, das sich bei Einwirken eines elektromagnetischen Wechselfelds erwärmt. Es ist vorzugsweise ausgewählt aus Materialien, die im Vergleich zu ihrem Volumen eine sehr große Oberfläche aufweisen. Beispielsweise kann das Heizmedium ausgewählt sein aus jeweils elektrisch leitfähigen Spänen, Drähten, Netzen, Wolle, Membranen, porösen Fritten, Rohrbündeln (aus drei oder mehr Rohren), aufgerollter Metallfolie, Schäumen, Füllkörper wie beispielsweise Granulat oder Kugeln, Raschig-Ringe und insbesondere aus Partikeln, die vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von nicht mehr als 1 mm aufweisen. Beispielsweise können als Heizmedium metallische Mischelemente eingesetzt werden, wie sie für Statikmischer verwendet werden. Um durch elektromagnetische Induktion erwärmbar zu sein, ist das Heizmedium elektrisch leitfähig, beispielsweise metallisch (wobei es diamagnetisch sein kann,) oder es zeigt eine gegenüber Diamagnetismus verstärkte Wechselwirkung mit einem Magnetfeld und ist insbesondere ferromagnetisch, ferrimagnetisch, paramagnetisch oder superparamagnetisch. Dabei ist es unerheblich, ob das Heizmedium organischer oder anorganischer Natur ist oder ob es sowohl anorganische als auch organische Komponenten enthält.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Heizmedium ausgewählt aus Partikeln elektrisch leitfähiger und/oder magnetisierbarer Festkörper, wobei die Partikel eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 1 bis 1000, insbesondere von 10 bis 500 nm haben. Die mittlere Teilchengröße und bei Bedarf auch die Teilchengrößenverteilung ist beispielsweise durch Lichtstreuung bestimmbar. Vorzugsweise wählt man magnetische Partikel, beispielsweise ferromagnetische oder superparamagnetische Partikel, die eine möglichst geringe Remanenz bzw. Restmagnetisierung aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Partikel nicht aneinander haften. Die magnetischen Partikel können beispielsweise in Form sogenannter „Ferrofluide” vorliegen, also Flüssigkeiten, in denen ferromagnetische Partikel im nano-Größenmaßstab dispergiert sind. Die flüssige Phase des Ferrofluids kann dann als Reaktionsmedium dienen.
Magnetisierbare Partikel, insbesondere ferromagnetische Partikel, welche die gewünschten Eigenschaften aufweisen, sind im Stand der Technik bekannt und kommerziell erhältlich. Beispielsweise seien die kommerziell erhältlichen Ferrofluide genannt. Beispiele für die Herstellung magnetischer nano-Partikel, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden können, können dem Aufsatz von Lu, Salabas und Schüth: „Magnetische nano-Partikel: Synthese, Stabilisierung, Funktionalisierung und Anwendung", Angew. Chem. 2007, 119, Seiten 1242 bis 1266 entnommen werden.
Geeignete magnetische nano-Partikel sind mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Phasen bekannt. Beispielsweise seien genannt: reine Metalle wie Fe, Co und Ni, Oxide wie Fe₃O₄ und gamma-Fe₂O₃, spinellartige Ferromagnete wie MgFe₂O₄, MnFe₂O₄ und CoFe₂O₄ sowie Legierungen wie CoPt₃ und FePt. Die magnetischen nano-Partikel können homogen aufgebaut sein oder eine Kern-Schale-Struktur besitzen. In letzterem Fall können Kern und Schale aus unterschiedlichen ferromagnetischen oder auch antiferromagnetischen Materialien bestehen. Es sind jedoch auch Ausführungsformen möglich, bei denen mindestens ein magnetisierbarer Kern, der beispielsweise ferromagnetisch, antiferromagnetisch, paramagnetisch oder superparamagnetisch sein kann, von einem nicht magnetischen Material umgeben ist. Dieses Material kann beispielsweise ein organisches Polymer darstellen. Oder die Schale besteht aus einem anorganischen Material wie beispielsweise Kieselsäure bzw. SiO₂. Durch eine solche Beschichtung kann eine chemische Wechselwirkung des Reaktionsmediums bzw. der Recktanten mit dem Material der magnetischen Partikel selbst verhindert werden. Weiterhin kann das Material der Schale oberflächlich funktionalisiert werden, ohne dass das Material des magnetisierbaren Kerns in Wechselwirkung mit der funktionalisierenden Spezies tritt. Dabei können auch mehrer Partikel des Kernmaterials gemeinsam in eine derartige Schale eingeschlossen sein.
Als Heizmedium können beispielsweise nanoskalige Teilchen aus superparamagnetischen Stoffen eingesetzt werden, die ausgewählt sind aus Aluminium, Cobalt, Eisen, Nickel oder deren Legierungen, Metalloxiden vom Typ des n-Maghemits (gamma-Fe₂O₃), n-Magnetits (Fe₃O₄) oder der Ferrite vom Typ des MeFe₂O₄, wobei Me ein zweiwertiges Metall ausgewählt aus Mangan, Kupfer, Zink, Cobalt, Nickel, Magnesium, Calcium oder Cadmium ist. Vorzugsweise haben diese Teilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von ≤ 100 nm, vorzugsweise ≤ = 51 nm und insbesondere bevorzugt ≤ 30 nm.
Beispielsweise ist ein Material geeignet, das von der Firma Evonik (früher Degussa) unter der Bezeichnung MagSilica^R erhältlich ist. Bei diesem Material sind Eisenoxidkristalle mit einer Größe von 5 bis 30 nm in eine amorphe Kieselsäurematrix eingebettet. Besonders geeignet sind solche Eisenoxid-Siliciumdioxid-Kompositpartikel, die in der deutschen Patentanmeldung DE 101 40 089 näher beschrieben sind.
Diese Partikel können superparamagnetische Eisenoxid-Domänen mit einem Durchmesser von 3 bis 20 nm enthalten. Hierunter sind räumlich von einander getrennte superparamagnetische Bereiche zu verstehen. In diesen Domänen kann das Eisenoxid in einer einheitlichen Modifikation oder in verschiedenen Modifikationen vorliegen. Eine besonders bevorzugte superparamagnetische Eisenoxid-Domäne ist gamma-Fe₂O₃, Fe₃O₄ und Mischungen hiervon.
Der Anteil der superparamagnetischen Eisenoxid-Domänen dieser Partikel kann zwischen 1 und 99,6 Gew.-% liegen. Die einzelnen Domänen sind durch eine nichtmagnetisierbare Siliciumdioxid-Matrix voneinander getrennt und/oder von dieser umgeben. Bevorzugt ist der Bereich mit einem Anteil an superparamagnetischen Domänen > 30 Gew.-%, besonders bevorzugt > 50 Gew.-%. Mit dem Anteil der superparamagnetischen Bereiche nimmt auch die erzielbare magnetische Wirkung der erfindungsgemäßen Partikel zu. Neben der räumlichen Trennung der superparamagnetischen Eisenoxid-Domänen kommt der Siliciumdioxid-Matrix auch die Aufgabe zu, die Oxidationsstufe der Domäne zu stabilisieren. So wird zum Beispiel Magnetit als superparamagnetische Eisenoxidphase durch eine Siliciumdioxidmatrix stabilisiert. Diese und weitere Eigenschaften dieser für die vorliegende Erfindung besonders geeigneten Partikel sind in DE 101 40 089 und in WO 03/042315 näher ausgeführt.
Weiterhin sind als Heizmedium nanoskalige Ferrite einsetzbar, wie sie beispielsweise aus der WO 03/054102 bekannt sind. Diese Ferrite weisen eine Zusammensetzung (M^a _1-x-y, M^b _xFe^II _y)Fe^III ₂O₄ auf, bei der
M^a ausgewählt ist aus Mn, Co, Ni, Mg, Ca, Cu, Zn, Y und V,
M^b ausgewählt ist aus Zn und Cd,
x für 0,05 bis 0,95, bevorzugt 0,01 bis 0,8 steht,
y für 0 bis 0,95 steht und
die Summe aus x und y höchstens 1 beträgt.
Dabei kann vorgesehen werden, dass das feste Heizmedium oberflächlich mit einer für zumindest eine der chemischen Reaktionen katalytisch wirkenden Substanz belegt ist. Führt man die Reaktionen, wie weiter unten beschrieben, in einem Durchflussreaktor durch, so kann man hintereinander unterschiedliche Heizmedien in dem Durchflussreaktor vorsehen. Diese können mit unterschiedlichen katalytisch wirkenden Substanzen belegt sein, die jeweils. für die erste oder eine weitere chemische Reaktion spezifisch sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Durchführung thermisch induzierbarer Reaktionen geeignet. Eine prinzipielle Begrenzung der möglichen Reaktionstypen besteht dabei nicht, sofern nicht Reaktionsbedingungen (wie beispielsweise pH-Wert) gewählt werden oder Edukte verwendet bzw. Produkte gebildet werden, die das Heizmedium zerstören. Beispielsweise sind Abfolgen chemischer Reaktionen durchführbar, bei denen in mindestens einer der chemischen Reaktionen mindestens eine chemische Bindung zwischen 2 C-Atomen oder zwischen einem C-Atom und einem Atom X gebildet, gespalten oder umgelagert wird, wobei X beispielsweise ausgewählt sein kann aus: H, B, O, N, S, P, Si, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi und Halogenen. Hierbei kann es sich auch um eine Umlagerung chemischer Bindungen handeln, wie es beispielsweise bei Cycloadditionen und Diels-Alder-Reaktionen geschieht. Es können aber auch Bindungen zwischen zwei gleichen oder verschiedenen Atomen X gebildet und/oder gelöst werden, wobei X die vorgenannte Bedeutung haben kann. Dabei wird allgemein unter einer „Bildung einer Bindung” auch eine Umwandlung einer Einfach- in eine Doppelbindung oder einer Einfach- oder Doppelbindung in eine Dreifachbindung usw. verstanden. Der umgekehrte Vorgang fällt unter den Begriff „Lösen einer Bindung”.
Beispielsweise kann die thermisch induzierbare Reaktion mindestens einen der folgenden Reaktionstypen entsprechen: Oxidation (einschließlich Dehydrierung), Reduktion (einschließlich Hydrierung), Fragmentierung, Addition an eine Doppel- oder Dreifachbindung (incl. Cycloaddition und Diels-Alder-Reaktion), Substitution (SN1 oder SN2, radikalisch), insbesondere aromatische Substitution, Eliminierung, Umlagerung, Kreuzkupplung, Metathesereaktion, Bildung von Heterocyclen, Etherbildung, Esterbildung bzw. Umesterung, Amin- oder Amidbildung, Urethanbildung, pericyclische Reaktion, Michael-Addition, Kondensation, Polymerisation (radikalisch, anionisch, kationisch), Pfropfung von Polymeren. („Polymer-Grafting”).
Für Reduktions- bzw. Hydrierungsreaktionen eignen sich als Reduktionsmittel bzw. Wasserstoffquelle beispielsweise: Cycloalkene wie Cyclohexen, Alkohole wie Ethanol, anorganische Hydrierungsreagenzien wie Natriumborhydrid oder Natriumaluminiumhydrid.
Zumindest eine der nacheinander ablaufenden chemischen Reaktionen kann beispielsweise eine Oxidationsreaktion darstellen. Hierfür gelten die sich hier anschließenden möglichen Ausführungsformen:
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einschluss einer Oxidationsreaktion ist dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel elektrisch leitfähiger und/oder magnetisierbarer Festkörper zumindest teilweise oxidische Gruppen enthalten und als Sauerstoffüberträger für die Oxidationsreaktion dienen. Beispielsweise können magnetisierbare Metalloxide mit gegenüber dem ersten Recktanten oxidierender Wirkung verwendet werden. In diesem Fall stellt also das Heizmedium selbst das Oxidationsmittel (Sauerstoffüberträger) dar. Beispiel hierfür sind induktiv erwärmbare Oxide wie die vorstehend genannten Ferrite vom Typ des MeFe₂O₄ oder (M^a _1-x-yM^b _xFe^II _y)Fe^III ₂O₄, gamma-Fe₂O₃, Fe₃O₄ und Mischungen hiervon.
Eine alternative Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium ausgewählt ist aus Partikel magnetisierbarer Festkörper und dass diese in Mischung mit weiteren Partikeln vorliegen, die zumindest teilweise oxidische Gruppen enthalten und als Sauerstoffüberträger für die Oxidationsreaktion dienen. Diese weitern Partikel müssen selbst nicht unmittelbar durch elektromagnetische Induktion erwärmbar sein. Vielmehr werden sie durch direkte (Partikel-Partikel-Kontakt) oder indirekte (unter Vermittlung des Reaktionsmediums) Wärmeübertragung von den beheizbaren Partikeln erwärmt und aktiviert. Hierfür sind beispielsweise Oxide von Halbmetallen und Metallen geeignet, die mehrere positive Oxidationsstufen aufweisen können, wenn in den Oxiden das Metall oder Halbmetall in einer höheren als der kleinstmöglichen positiven Oxidationsstufe vorliegt. Beispiele sind: Oxide von Ce(IV), Pb(IV), Sb(V), V(V), Cr(IV und höher), Mn(IV und höher), Fe(III), Co(III oder IV) und Cu(II). Metallperoxide sind ebenfalls geeignet, beispielsweise Selenperoxid oder Nickelperoxid, insbesondere in Form von Nanopartikeln mit einer mit Lichtstreumethoden bestimmten mittleren Teilchengröße unterhalb von 100.
In beiden Alternativen verarmen die Partikel mit Fortgang der Oxidationsreaktion an oxidischen Gruppen, so dass die Reaktion bald zum Stillstand kommen würde. Daher sieht man vorzugsweise vor, dass die Partikel, die zumindest teilweise oxidische Gruppen enthalten und als Sauerstoffüberträger für die Oxidationsreaktion dienen, während oder nach der Oxidationsreaktion durch Reaktion mit Sauerstoff erneut mit oxidischen Gruppen versehen werden. Dies heißt, man bringt entweder kontinuierlich Sauerstoff oder einen Sauerstoff-Überträger mit in den Reaktor ein, so dass die oxidischen Gruppen der Partikel sofort wieder regeneriert werden (so dass die Partikel ähnlich wie ein Katalysator wirken), oder man regeneriert die Partikel chargenweise durch einmalige oder mehrmalige, aber unterbrochene Zugabe von Sauerstoff oder einen Sauerstoff-Übertäger in den Reaktor. Beispiele von Sauerstoff-Überträger sind organische Peroxide oder organische Persäuren bzw. deren Anionen, anorganische Persäuren wie beispielsweise Peroxo-Schwefelsäure oder Peroxo-Dischwefelsäure bzw. deren Anionen, Oxosäuren von Halogenen bzw. deren Anionen wie beispielsweise Chlorate oder Perchlorate, oder H₂O₂ bzw. Verbindungen, die H₂O₂ abspalten können.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Einschluss einer Oxidationsreaktion besteht darin, dass der Reaktor keine Partikel enthält, die zumindest teilweise oxidische Gruppen enthalten, sondern dass das Reaktionsmedium selbst Sauerstoff enthält. Dies kann man beispielsweise dadurch erreichen, dass man den Sauerstoff in gelöster Form und/oder in Form möglichst feiner Gasblasen (beispielsweise durch Einspeisen durch eine Fritte) in das Reaktionsmedium einbringt. Vorzugweise erfolgt dies kontinuierlich, so dass eine kontinuierliche Reaktionsführung möglich ist. Das Einbringen von Sauerstoff kann aber auch chargenweise erfolgen. In dieser Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, die Oxidationsreaktion unter Druck durchzuführen. Daher besteht eine Variante dieser Ausführungsform darin, dass der Reaktor als Druckreaktor ausgelegt ist und die chemische Reaktion bei einem Druck von oberhalb Atmosphärendruck, vorzugsweise von mindestens 1,5 bar durchgeführt wird. Höhere Drucke als 20 bar dürften in der Praxis nicht erforderlich sein, sind aber nicht ausgeschlossen.
Wenn im Rahmen dieser Erfindung von „Sauerstoff” die Rede ist, kann damit reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoff-haltiges Gas, im einfachsten Falle Luft, gemeint sein.
Als Oxidationsmittel (Sauerstoff-Überträger) kann jedoch auch ein weiterer Reaktant dienen, der bei der Oxidationsreaktion seinerseits reduziert wird. Beispiele von Sauerstoff-Überträger sind auch für diese Ausführungsform: organische Peroxide oder organische Persäuren bzw. deren Anionen, anorganische Persäuren wie beispielsweise Peroxo-Schwefelsäure oder Peroxo-Dischwefelsäure bzw. deren Anionen, Oxosäuren von Halogenen bzw. deren Anionen wie beispielsweise Chlorate oder Perchlorate, oder H₂O₂ bzw. Verbindungen, die H₂O₂ abspalten können.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das feste Heizmedium oberflächlich mit einer für die Oxidationsreaktion katalytisch wirkenden Substanz belegt ist. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Schicht von Oxiden von Metallen handeln, die unter Aufnahme und Abgabe von Sauerstoff leicht ihre Oxidationsstufe ändern. Hierfür kommen beispielsweise die weiter oben genannten Metalloxide in Betracht. Diese können auf einer polaren Kieselgelschicht fixiert sein, die induktiv erwärmbare Metallverbindungen einhüllt, wie es beispielsweise beim weiter oben erwähnten Heizmaterial MagSilica^TM der Fall ist. Oder aber man stattet das Heizmaterial oberflächlich mir Ionenaustauschergruppen wie beispielsweise -SO^3– oder -NR₃ ⁺ aus aus, die über Ionenaustausch Kationen oder Anionen mit oxidierenden Eigenschaften binden können, beispielsweise RuO₄ ^–, OsO4^2–, MnO₄ ^–, IO₄ ^–, CIO₄ ^–, CIO₂ ^–, CIO^–. Diese oxidierenden Metalloxide, Kationen oder Anionen können stöchiometrisch als Oxidationsmittel wirken. Im Sinne eines Katalysators wirken sie dann, wenn sie nach ihrer Reduktion durch Sauerstoff oder Sauerstoffüberträger im Reaktionsmedium wieder in ihre oxidierte Form überführt werden, so dass sie erneut als Oxidationsmittel zur Verfügung stehen.
Weitere Beispiele von Oxidationsmitteln sind das Dess-Martin-Periodinan oder Tetramethylpyridinium-Oxid. Stattet man diese mit -OH-Gruppen aus, können sie, gegebenenfalls über einen Linker, an polare Träger wie beispielsweise die Kieselgelschicht von MagSilica^TM fixiert werden. Die Molekülformeln dieser Verbindungen sind:
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einer der chemischen Reaktionen eine Metall-Kohlenstoff-Bindung entsteht oder gespalten wird. Dabei kann eine metallorganische Verbindung (d. h. die Verbindung, die eine Metall-Kohlenstoff-Bindung enthält) ein Ausgangsprodukt, eine Zwischenverbindung oder die Zielverbindung darstellen. Das Metall, an das ein Kohlenstoff-Atom gebunden ist oder gebunden wird, kann eines der für metallorganische Reaktionen typischen Metalle darstellen. Beispielsweise seien genannt: Li, Mg, Al, Sn, Pb, Fe, Co, Ni, Zn, Na, K, B, Si, Cr, Cu, Ce oder ein anderes Metall
Nach dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können beispielsweise als erste oder zweite Reaktion eine der folgende Reaktionen durchgeführt werden, wobei die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist:

a) Bildung von Metallalkylen wie beispielsweise Alkylmagnesiumverbindungen durch Umsetzung elementarer Metalle mit Alkylhalogeniden, einschließlich einer Reformatzki-Reaktion,
b) Metallierung von Aromaten durch Umsetzung mit Metallalkylen, beispielsweise die Lithiierung von Benzol mit Alkyllithium (z. B. Butyllithium),
c) Bildung von Organometallverbindungen durch Transmetallierung
d) Bildung von Organometallverbindungen durch Metall-Halogen-Austausch.
e) Bildung von Metallalkinen wie beispielsweise Alkinylkupfer-Verbindungen durch Umsetzung elementarer Metalle mit Alkinen, gegebenfalls in Anwesenheit einer Base (z. B. Triethylamin).
f) Additionsreaktionen von Metall-H, Metall-C bzw. Metall¹-Metall² (z. B. R₃Si-Metall) an Alkenen und Alkinen (Hydrometallierung, Carbometallierung, Metallometallierung).
g) Bildung von Metall-Aren-Komplexen wie beispielsweise Tricarbonyl(h6-Benzol)chrom(0) aus Benzol und Chromhexacarbonyl.
h) Umsetzung von Organometallverbindungen mit Elektrophilen unter Bildung von C-C Bindungen.

Weiterhin kann eine der chemischen Reaktionen eine Fragmentierung darstellen. Dies bedeutet, dass entweder eine Zwischenverbindung oder die Zielverbindung eine geringere Molmasse als die Ausgangsverbindung aufweist und dass zu ihrer Herstellung aus der Ausgangsverbindung mindestens eine kovalente Bindung der Ausgangsverbindung gespalten wird. Bei der zu spaltenden kovalenten Bindung kann es sich insbesondere um eine C-C-Bindung, eine C-O-Bindung, eine C-N Bindung, eine C-Se-Bindung oder eine C-S-Bindung handeln.
Beispielsweise kann eine der Reaktionen der folgenden Gruppe von Reaktionen angehören, wobei die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist.

a) Pyrolyse von Ölen
b) Depolymerisierungsreaktionen, beispielsweise die Spaltung von Polyolefinen oder von Cyanacrylat-Polymeren oder Oligomeren in kleinere Fragmente oder Monomere,
c) Retrocycloadditionen (wie Retro-Diels-Alder Reaktionen),
d) Grob'sche Fragmentierungen (in ihrer allgemeinen Form):

Die folgenden Ausführungen gelten wieder allgemein und erfordern nicht, dass eine der chemischen Reaktionen eine der vorstehend genannten Reaktionen darstellt. Sie treffen jedoch auch für diese Reaktionen zu.
Unabhängig davon, ob eine der chemischen Reaktionen eine Umsetzung mit Sauerstoff, Wasserstoff oder einem sonstigen Gas beinhaltet oder nicht, kann vorgesehen werden, zumindest eine der Reaktionen unter Druck durchzuführen. Daher besteht allgemein eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass mindestens einer der Reaktoren als Druckreaktor ausgelegt ist und zumindest eine der chemischen Reaktionen bei einem Druck von oberhalb Atmosphärendruck, vorzugsweise von mindestens 1,5 bar durchgeführt wird. Höhere Drucke als 20 bar dürften in der Praxis nicht erforderlich sein, sind aber nicht ausgeschlossen.
Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich oder chargenweise durchgeführt werden. Führt man es chargenweise durch, geht man vorzugsweise so vor, dass man während der Reaktion das Reaktionsmedium und das induktiv erwärmte feste Heizmedium relativ zu einander bewegt. Beim Verwenden eines partikelförmigen Heizmediums kann dies insbesondere dadurch erfolgen, dass man das Reaktionsmedium zusammen mit dem Heizmedium rührt oder das Heizmedium in dem Reaktionsmedium verwirbelt. Verwendet man beispielsweise Netze oder Wolle aus einem fadenförmig ausgestalteten Heizmedium, kann beispielsweise der Reaktionsbehälter, der das Reaktionsmedium und das Heizmedium enthält, geschüttelt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer chargenweise durchgeführten Reaktion besteht darin, dass sich das Reaktionsmedium zusammen mit Partikeln des Heizmediums in einem Reaktionsbehälter befindet und mit Hilfe eines im Reaktionsmedium befindlichen Bewegungselements bewegt wird, wobei das Bewegungselement als Induktor eingerichtet ist, durch den die Partikel des Heizmediums durch elektromagnetische Induktion erwärmt werden. In dieser Ausführungsform befindet sich also der Induktor innerhalb des Reaktionsmediums. Das Bewegungselement kann beispielsweise als Rührer oder als sich auf und ab bewegender Stempel ausgebildet sein.
Man kann zusätzlich vorsehen, dass der Reaktor während der chemischen Reaktion von außen gekühlt wird. Dies ist insbesondere bei Chargenbetrieb möglich, wenn, wie vorstehend angegeben, der Induktor in das Reaktionsmedium eintaucht. Das Einspeisen des elektromagnetischen Wechselfelds in den Reaktor wird dann nicht durch die Kühleinrichtung behindert.
Eine Kühlung des Reaktors kann von innen über Kühlschlangen oder Wärmetauscher oder vorzugsweise von außen erfolgen. Zur Kühlung kann man beispielsweise ggf. vorgekühltes Wasser oder auch eine Kühlmischung einsetzen, deren Temperatur unterhalb von 0°C liegt. Beispiele solcher Kühlmischungen sind Eis-Kochsalz-Gemische, Methanol/Trockeneis oder flüssiger Stickstoff. Durch die Kühlung lässt sich ein Temperaturgradient zwischen der Reaktorwand und dem induktiv erwärmten Heizmedium herstellen. Dieser ist besonders ausgeprägt, wenn man eine Kühlmischung mit einer Temperatur deutlich unterhalb von 0°C einsetzt, beispielsweise Methanol/Trockeneis oder flüssigen Stickstoff. Das Reaktionsmedium, das durch das induktiv erwärmte Heizmedium aufgewärmt wird, wird dann wieder extern abgekühlt. Die chemische Reaktion des Recktanten findet dann immer nur dann statt, wenn er Kontakt mit dem Heizmedium hat oder sich zumindest in dessen unmittelbarer Nähe befindet. Bei der Reaktion entstandene Produktspezies gelangen durch die Relativbewegung des Reaktionsmediums zum Heizmedium rasch in kühlere Bereiche des Reaktionsmediums, so dass ihre thermische Weiterreaktion gehemmt ist. Auf diese Weise kann man bei mehreren möglichen Reaktionswegen des oder der Recktanten einen erwünschten Reaktionsweg kinetisch selektieren.
Bei diesem chargenweisen Vorgehen kann zunächst eine erste chemische Reaktion unter Bildung einer Zwischenverbindung durchgeführt werden, bevor man einen oder mehrere weitere Recktanten zugibt, mit dem oder denen die entstandene Zwischenverbindung zur Zielverbindung reagiert.
In einer alternativen Ausführungsform führt man die chemischen Reaktionen kontinuierlich in hintereinander angeordneten Durchflussreaktoren durch, wobei jeder Durchflussreaktor zumindest teilweise mit dem festen Heizmedium gefüllt ist und hierdurch mindestens eine durch elektromagnetische Induktion erwärmbare Heizzone aufweist, wobei das Reaktionsmedium den Durchflussreaktor kontinuierlich durchströmt und wobei sich der Induktor außerhalb des Reaktors befindet. Hierbei umströmt das Reaktionsmedium das Heizmedium, z. B. wenn dieses in Form von Partikeln, Spänen, Drähten, Netzen, Wolle, Füllkörpern etc. vorliegt. Oder das Reaktionsmedium durchströmt das Heizmedium durch eine Vielzahl von Hohlräumen im Heizmedium, wenn dieses beispielsweise aus einer oder mehreren Membranen, Fritten, porösen Füllkörpern oder aus einem Schaum besteht.
Vorzugsweise ist jeder Durchflussreaktor als Rohrreaktor ausgeführt. In diesem Fall kann der Induktor den Reaktor vollständig oder zumindest teilweise umgeben. Das vom Induktor erzeugte elektromagnetische Wechselfeld wird dann allseitig oder zumindest von mehreren Stellen aus in den Reaktor eingeleitet.
Unter „kontinuierlich” wird hierbei wie üblich eine Reaktionsführung verstanden, bei der das Reaktionsmedium den Reaktor zumindest über einen solchen Zeitraum durchströmt, dass ein Gesamtvolumen an Reaktionsmedium, das groß ist im Vergleich zum inneren Volumen des Reaktors selbst, den Reaktor durchströmt hat, bevor man den Fluss des Reaktionsmediums unterbricht. „Groß” in diesem Sinne bedeutet: „mindestens doppelt so groß”. Selbstverständlich hat auch eine solche kontinuierlich durchgeführte Reaktion einen Beginn und ein Ende.
Das Heizmedium kann in beiden Reaktoren gleich sein. Je nach Reaktionstyp und Anforderungen an die Reaktionsführung können die Heizmedien in den beiden Reaktoren aber auch unterschiedlich sein. Analog können die Induktoren für beide Reaktoren baugleich oder unterschiedlich sein und bei denselben oder verschiedenen Leistungen betrieben werden. Dementsprechend können die Temperaturen in den beiden Reaktoren gleich oder unterschiedlich sein. Idealerweise werden die Reaktionsbedingungen in den beiden Reaktoren so aufeinander abgestimmt, dass das Produkt der ersten Reaktion im ersten Reaktor quantitativ aus dem ersten Reaktor in den zweiten Reaktor gelangt, so dass es im zweiten Reaktor für eine weitere Reaktion zur Verfügung steht.
Dabei können die beiden Reaktoren durch ein Verbindungselement voneinander getrennt sein, durch das das Reaktionsmedium von dem ersten in den zweiten Reaktor fließt. Die beiden Reaktoren können jedoch auch unmittelbar ineinander übergehen, wobei die Grenze zwischen dem ersten und dem zweiten Reaktor dadurch definiert ist, dass sich an ihr die Reaktionsbedingungen (Temperatur, Art des Heizmediums, Katalysator, Zugabe eines weiteren Recktanten) ändern. Beispielsweise können unterschiedliche Heizzonen unterschiedlich stark erwärmt werden, wodurch ein „erster Reaktor” und ein „zweiter Reaktor” entsteht. Dies kann entweder durch die Anordnung unterschiedlicher Heizmedien in dem Durchflussreaktor oder durch unterschiedlich ausgelegte Induktoren entlang des Reaktors erfolgen. Hierdurch können für die Bildung der Zwischenverbindung und der Zielverbindung unterschiedliche Heizbedingungen eingestellt werden.
Falls gewünscht, kann nach der (letzten) Heizzone eine Kühlzone vorgesehen werden, beispielsweise in Form eines Kühlmantels um den Reaktor.
Weiterhin kann vorgesehen werden, dass das Reaktionsmedium nach Verlassen der Heizzone des zweiten Reaktors mit einer Absorbersubstanz in Kontakt gebracht wird, die Nebenprodukte oder Verunreinigungen aus dem Reaktionsmedium entfernt. Beispielsweise kann es sich hierbei um ein Molekularsieb handeln, das von dem Reaktionsmedium nach Verlassen der Heizzone durchströmt wird. Hierdurch ist eine Produktreinigung unmittelbar nach dessen Herstellung möglich.
Je nach Geschwindigkeit der chemischen Reaktion kann man die Produktausbeute ggf. dadurch erhöhen, dass das Reaktionsmedium nach Durchströmen des festen Heizmediums in einem der Reaktoren zumindest teilweise zum erneuten Durchströmen des festen Heizmediums in diesen Reaktor zurückgeführt wird. Dabei kann man nach dem jeweiligen Durchströmen des festen Heizmediums vorsehen, dass Verunreinigungen, Nebenprodukte oder auch das erwünschte Hauptprodukt aus dem Reaktionsmedium entfernt werden. Hierfür sind die bekannten unterschiedlichen Abtrennverfahren geeignet, beispielsweise Absorption auf einer Absorbersubstanz, Separation durch ein Membranverfahren, Ausfällen durch Kühlung oder destillative Abtrennung. Hierdurch kann letztlich eine vollständige Umsetzung des oder der Recktanten erreicht werden.
Die zweckmäßigerweise zu wählende gesamte Kontaktzeit des Reaktionsmediums mit dem jeweiligen induktiv erwärmten Heizmedium hängt von der Kinetik der jeweiligen chemischen Reaktion ab. Die Kontaktzeit ist umso länger zu wählen, je langsamer die erwünschte chemische Reaktion ist. Dies ist im Einzelfall empirisch anzupassen und kann durch Abstimmen der Strömungsgeschwindigkeit, des freien (also nicht durch das Heizmedium belegten) Reaktordurchmessers und der Reaktorlänge für jeden Reaktor erfolgen. Als Anhaltspunkt kann gelten, dass vorzugsweise das Reaktionsmedium den Durchflussreaktor mit einer solchen Geschwindigkeit einmal oder mehrmals durchströmt, dass die gesamte Kontaktzeit des Reaktionsmediums mit dem induktiv erwärmten Heizmedium in jedem Reaktor im Bereich von etwa 1 Sekunde bis etwa 2 Stunden liegt, bevor man die Zielverbindung abtrennt. Kürzere Kontaktzeiten sind denkbar, jedoch schwerer zu steuern. Längere Kontaktzeiten können bei besonders trägen chemischen Reaktionen erforderlich sein, verschlechtern jedoch zunehmend die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.
Vorzugsweise führt man das erfindungsgemäße Verfahren so durch, dass das Reaktionsmedium im jeweiligen Reaktor unter den eingestellten Reaktionsbedingungen (insbesondere Temperatur und Druck) als Flüssigkeit vorliegt. Hierdurch sind, bezogen auf das Reaktorvolumen, in der Regel bessere Volumen/Zeit-Ausbeuten möglich als bei Reaktionen in der Gasphase.
Es versteht sich von selbst, dass die Natur der Heizmedien und die Auslegung der Induktoren so an einander angepasst werden müssen, dass sich die erwünschte Aufheizung des Reaktionsmediums realisieren lässt. Eine kritische Größe hierfür ist einerseits die in Watt ausdrückbare Leistung des Induktors sowie die Frequenz des vom Induktor erzeugten Wechselfelds. Prinzipiell muss die Leistung umso höher gewählt werden, je größer die Masse des induktiv zu erwärmenden Heizmediums ist. In der Praxis ist die erzielbare Leistung insbesondere durch die Möglichkeit begrenzt, den zur Versorgung des Induktors erforderlichen Generator zu kühlen.
Besonders geeignet sind Induktoren, die ein Wechselfeld mit einer Frequenz im Bereich von etwa 1 bis etwa 100 kHz, vorzugsweise von 10 bis 80 kHz und insbesondere im Bereich von etwa 10 bis etwa 50 kHz, besonders bis 30 kHz erzeugen. Solche Induktoren sowie die zugehörigen Generatoren sind kommerziell erhältlich, beispielsweise von der IFF GmbH in Ismaning (Deutschland).
Man führt also die induktive Erwärmung vorzugsweise mit einem Wechselfeld im Mittelfrequenz-Bereich durch. Gegenüber einer Anregung mit höheren Frequenzen, beispielsweise mit solchen im Hochfrequenzbereich (Frequenzen oberhalb von 0,5, insbesondere oberhalb von 1 MHz) hat dies den Vorteil, dass der Energieeintrag in das Heizmedium besser steuerbar ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Reaktionsmedium unter den Reaktionsbedingungen als Flüssigkeit vorliegt. Daher ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass das Reaktionsmedium als Flüssigkeit vorliegt und dass Induktoren eingesetzt werden, die ein Wechselfeld im vorstehend genannten Mittelfrequenz-Bereich erzeugen. Dies erlaubt eine wirtschaftliche und gut kontrollierbare Reaktionsführung.
Als Heizmedium können beispielsweise verwendet werden:

a) MagSilica^® 58/85 der Firma Evonik (früher Degussa),
b) Manganferrit-Pulver,
c) Bayferrox^® 318 M: synthetisches alpha-Fe₃O₄ von Harold Scholz & Co. GmbH,
d) Mangan-Zink-Ferrit, mit Ölsäure oberflächenbeschichtet, Ferritanteil 51,7 Gew.-%,
e) Kugeln oder andere Formkörper, aufgerollte Bleche, Späne, aufgerollte Netze oder Wolle aus Metall.
f) Fe₂O₃, insbesondere in Form von Nanopartikel mit einer Partikelgröße im Bereich von 20 bis 200 nm oder Fe₃O₄, insbesondere in Form von Nanopartikel mit einer Partikelgröße im Bereich von 20 bis 200 nm (jeweils erhältlich von der DKSH GmbH, Deutschland),
g) Stahlkugeln, beispielsweise Kugellagerkugeln, vorzugsweise mit einem Durchmesser von maximal 1 mm, z. B. zwischen 0,5 und 1 mm

In einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Heizmedium ferromagnetisch und weist eine Curie-Temperatur im Bereich von etwa 40 bis etwa 250°C auf, die man so auswählt, dass sich die Curie-Temperatur um nicht mehr als 20°C, vorzugsweise nicht mehr als 10°C von der ausgewählten Reaktionstemperatur unterscheidet. Dies führt zu einem inhärenten Schutz vor einer unbeabsichtigten Überhitzung. Das Heizmedium lässt sich durch elektromagnetische Induktion nur bis zu seiner Curie-Temperatur aufheizen, während es bei einer darüber liegenden Temperatur nicht weiter durch das elektromagnetische Wechselfeld erwärmt wird. Selbst bei einer Fehlfunktion des Induktors kann auf diese Weise verhindert werden, dass die Temperatur des Reaktionsmediums unbeabsichtigt auf einen Wert deutlich oberhalb der Curie-Temperatur des Heizmediums ansteigt. Fällt die Temperatur des Heizmediums wieder unter seine Curie-Temperatur ab, lässt es sich erneut durch elektromagnetische Induktion erwärmen. Dies führt zu einer Selbstregelung der Temperatur des Heizmediums im Bereich der Curie-Temperatur.
Als Rohrreaktoren können beispielsweise Glasrohre oder PEEK-Reaktoren von 10 bis 20 cm Länge, beispielsweise von 12 cm Länge, und unterschiedlichen Innen- und Außendurchmesser benutzt werden. An beiden Enden können die Rohre mit Verschraubungen versehen werden, um HPLC-Anschlüsse und die passenden Schläuche anbringen zu können.
Ein verwendbarer Induktor hat folgende Leistungsmerkmale: Induktivität: 134 μHenry, Windungszahl der Spule: = 2·16, Querschnittsfläche = 2,8 mm² (Die Querschnittsfläche ergibt sich aus der Anzahl der verwendeten Leiterdrähte in dem Induktor und ihrem Durchmesser.) Der Durchmesser des Spalts zur Aufnahme der Rohrreaktoren kann 12 mm betragen. Der Induktor wird beispielsweise mit einer Frequenz von 25 kHz betrieben. Ausführungsbeispiel:
Ein PEEK-Reaktor (12 cm lang, 8.5 mm innerer Durchmesser) wird mit MagSilica^TM und einem Palladium-auf-Kohle-Katalysator gefüllt und beidseitig mit Watte abgeschlossen. Das eine Ende des Reaktors wird an eine HPLC-Pumpe angeschlossen, das andere Ende wird über einen T-Mischer und ein Druckventil (7 bar) mit einem zweiten Reaktor aus PEEK (12 cm lang, 8.5 mm innerer Durchmesser) verbunden. Der zweite Zulauf des T-Mischers wird mit einer zweiten HPLC-Pumpe verbunden. Der zweite PEEK-Reaktor wird mit MagSilica^TM gefüllt. Das andere Ende des PEEK-Reaktors wird an ein Druckventil (7 bar) angeschlossen, welches in ein Auffanggefäß endet. Beide Reaktoren werden in Induktoren eingesetzt und das gesamte System wird mit Ethanol gespült. An beiden Induktoren wird eine Temperatur von 100°C eingestellt (Anregungsfrequenz jeweils 250 Promille). Es wird an beiden HPLC-Pumpen eine Flussrate von 0.1 mL/min eingestellt. Nachdem sich eine konstante Flussrate und Temperatur eingestellt hat wird mit der ersten HPLC-Pumpe eine Lösung von Arylbromid 1, Boronsäure 2 und Cäsiumfluorid in Ethanol (5 mL) durch das System gepumpt. Über die zweite HPLC-Pumpe wird eine Lösung von Wittigreagenz 4 in Ethanol in den T-Mischer eingebracht. Dort vermischt sich die Reaktionslösung mit dem Produkt 3 der ersten Reaktion und wird im zweiten Reaktor zur Reaktion gebracht. Anschließend werden weitere 15 mL Ethanol über die erste HPLC-Pumpe und 15 mL Ethanol über die zweite HPLC-Pumpe durch das System gepumpt. Die vereinigten organischen Phasen werden im Vakuum eingeengt und der Rückstand mehrmals mit Wasser gewaschen. Die wässrige Phase wird zweimal mit Essigsäureethylester extrahiert und die vereinigten organischen Phasen über MgSO₄ getrocknet. Nach Einengen der organischen Phase wird der Rückstand säulenchromatographisch (SiO₂, Essigsäureethylester/Petrolether 50:1) gereinigt und die Zielverbindung 5 in einer Ausbeute von 80% erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 102005051637 [0006, 0019]
US 5110996 [0007, 0008, 0017]
WO 95/21126 [0008]
WO 00/38831 [0009]
DE 102007059967 [0009]
WO 2009/074373 [0009]
DE 10140089 [0027, 0029]
WO 03/042315 [0029]
WO 03/054102 [0030]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Induktives Heizen in der organischen Synthese...” von S. Ceylan, C. Friese, Ch. Lammel, K. Mazac und A. Kirschning, Angew. Chem 2008 (129), SS. 9083–086 [0009]
Angew. Chem int. Ed. 2008 (47), SS. 8950–8953 [0009]
Lu, Salabas und Schüth: „Magnetische nano-Partikel: Synthese, Stabilisierung, Funktionalisierung und Anwendung”, Angew. Chem. 2007, 119, Seiten 1242 bis 1266 [0024]

Claims

Verfahren zum Durchführen von mindestens zwei aufeinander folgenden chemischen Reaktionen zur Herstellung einer Zielverbindung aus mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten und/oder einem weiteren Recktanten, umfassend eine erste Reaktion und eine weitere Reaktion in einem Reaktor, der ein Reaktionsmedium enthält, wobei man das Reaktionsmedium in dem Reaktor in Kontakt mit einem durch elektromagnetische Induktion erwärmbaren festen Heizmedium bringt, das sich innerhalb des Reaktors befindet und das von dem Reaktionsmedium umgeben ist, und das Heizmedium durch elektromagnetische Induktion mit Hilfe eines Induktors erwärmt, wobei sich in einer ersten Reaktion eine Zwischenverbindung bildet, aus der in einer weiteren Reaktion die Zielverbindung entsteht, und wobei man zwischen der ersten und der weiteren Reaktion mindestens einen Recktanten in den Reaktor zugibt, der vor der ersten Reaktion nicht im Reaktor vorhanden war und wobei man die Zielverbindung von dem Heizmedium abtrennt.
Verfahren nach Anspruch 1, wodurch die Zielverbindung durch eine der folgenden Reaktionsabfolgen entsteht: a) innerhalb des ersten Recktanten findet als eine erste Reaktion eine intramolekulare Bindungsumlagerung oder eine Fragmentierung zu einer Zwischenverbindung statt, die mit einem oder mehreren zweiten Recktanten in einer weiteren Reaktion zur Zielverbindung reagiert; b) der erste Reaktant reagiert in einer ersten Reaktion mit einem zweiten Recktanten zu einer Zwischenverbindung, aus der sich in einer weiteren Reaktion mit einem weiteren Recktanten die Zielverbindung bildet; c) der erste Reaktant reagiert in einer ersten Reaktion mit einem zweiten Recktanten zu einer ersten Zwischenverbindung, aus der sich in einer zweiten Reaktion durch eine intramolekulare Bindungsumlagerung oder eine Fragmentierung eine zweite Zwischenverbindung bildet, aus der in einer weiteren Reaktion mit einem weiteren Recktanten die Zielverbindung entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei die erste Reaktion in einem ersten Reaktor und die weitere Reaktion in einem zweiten Reaktor stattfindet, die jeweils ein Reaktionsmedium enthalten, wobei man das Reaktionsmedium in jedem Reaktor in Kontakt mit einem durch elektromagnetische Induktion erwärmbaren festen Heizmedium bringt, das sich innerhalb des Reaktors befindet und das von dem Reaktionsmedium umgeben ist, und das Heizmedium durch elektromagnetische Induktion mit Hilfe eines Induktors erwärmt, wobei man mindestens einen Recktanten in den zweiten Reaktor zugibt, der nicht im ersten Reaktor vorhanden war.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium ausgewählt ist aus Partikeln elektrisch leitfähiger und/oder magnetisierbarer Festkörper, wobei die Partikel eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 1 bis 1000 nm haben.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium ausgewählt ist aus Partikeln elektrisch leitfähiger und/oder magnetisierbarer Festkörper, wobei jedes Partikel mindestens einen Kern aus einem elektrisch leitfähigen und/oder magnetisierbarem Material enthält, der von einem nicht magnetischen Material umhüllt ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Reaktor als Druckreaktor ausgelegt ist und mindestens eine der chemischen Reaktionen bei einem Druck von oberhalb Atmosphärendruck, vorzugsweise von mindestens 1,5 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein festes Heizmedium oberflächlich mit einer für zumindest eine der chemischen Reaktionen katalytisch wirkenden Substanz belegt ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass man die chemischen Reaktionen jeweils in einem Durchflussreaktor durchführt, der zumindest teilweise mit dem festen Heizmedium gefüllt ist und hierdurch mindestens eine durch elektromagnetische Induktion erwärmbare Heizzone aufweist, wobei das Reaktionsmedium den Durchflussreaktor durchströmt und wobei sich der Induktor außerhalb des Reaktors befindet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmedium jeden Durchflussreaktor mit einer solchen Geschwindigkeit durchströmt, dass die Kontaktzeit des Reaktionsmediums mit dem Heizmedium in jedem Reaktor im Bereich von einer Sekunde bis 2 Stunden liegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsmedium in jedem Reaktor als Flüssigkeit vorliegt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Induktor ein Wechselfeld mit einer Frequenz im Bereich von 1 bis 100 kHz, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 80 kHz und insbesondere bis 50 kHz erzeugt.