Implementierung von prozessanalytischen Methoden im Rahmen der Photochemie

Rößler, Martin; Liauw, Marcel A. (Thesis advisor); Wöll, Dominik (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Kurzfassung

Die Photochemie stellt heutzutage ein wertvolles Werkzeug im Portfolio der organischen Chemie dar. Neben der intensiven Forschung an neuartigen Reaktionssystemen und Photokatalysatoren ist vor allem die Betrachtung der Reaktionskinetik essentiell für eine weitergehende Prozessoptimierung. In diesem Sinne bietet die Prozessanalysentechnik (PAT) ein großes Potential für die Echtzeit-Reaktionsüberwachung und damit für die Erhebung von kinetischen sowie mechanistischen Daten. Zur Unterstützung der stetigen Weiterentwicklung wird in dieser Arbeit eine generelle Methode zur Implementierung der PAT im Rahmen der Photochemie demonstriert und diese gewinnbringend zur Evaluierung repräsentativer Modellsysteme eingesetzt. Für die reproduzierbare und effiziente Durchführung von photochemischen Reaktionen wurde die innovative Photoreaktorplattform PhotoFlexys neu entwickelt und ihre Leistungsfähigkeit unter Beweis gestellt. Durch seine Modularität bietet der PhotoFlexys nicht nur die Adaption unterschiedlichster Reaktionsbedingungen wie der Bestrahlungswellenlänge und dessen Intensität, sondern kombiniert darüber hinaus auch den satz, multi-satz sowie kontinuierlichen Betrieb in einem Gerät. Die Charakterisierung der Reaktorplattform erfolgte auf Basis von Temperaturmessungen, der chemischen Aktinometrie sowie der ortsaufgelösten Betrachtung von Bestrahlungsverhältnissen. Anhand von vier repräsentativen Modellsystemen konnte die überlegene Leistungsfähigkeit gegenüber literaturbekannten und kommerziell erhältlichen Photoreaktoren durch eine signifikante Reduzierung der Reaktionszeiten demonstriert werden. Basierend auf der PhotoFlexys Reaktorplattform wurde eine generelle Methodik zur Implementierung der PAT im Rahmen der Photochemie entwickelt. Das zu diesem Zweck verwendete Erweiterungsmodul für den PhotoFlexys ermöglichte es photochemische Reaktionen mit bis zu zwei Analysemethoden simultan in Echtzeit während der Bestrahlung zu überwachen. Die entwickelte Methodik machte so die Betrachtung von drei repräsentativen Modellsystemen mit Hilfe der der mIR-, Raman- sowie der UV/Vis-Spektroskopie möglich. Auf diese Weise wurden wertvolle Informationen über beispielsweise die Wellenlängenabhängigkeiten, Transportlimitierungen oder auch das Degradationsverhalten der Photokatalysatoren gewonnen. Weiterhin wurde die einfache Übertragbarkeit der PAT von einer in-situ Anwendung auf eine inline Reaktionsüberwachung bei kontinuierlichen Reaktionen unter Beweis gestellt. Mitder PhotoFlexys Reaktorplattform und der PAT-basierten Reaktionsüberwachung wurde diekontrollierte Photopolymerisation mit Riboflavin als metallfreiem Photokatalysator betrachtet. Die Untersuchungen konnten nicht nur das Potential von Riboflavin bestätigen, sondern darüber hinaus auch sein Degradationsverhalten während der Polymerisation offenlegen. Das so erhaltene Verständnis führte direkt zur Identifizierung von Lumichrome als Degradationsprodukt und der bislang nicht literaturbekannten katalytischen Aktivität von Alloxazinen für die kontrollierte Photopolymerisation.

Einrichtungen

• Fachgruppe Chemie [150000]
• Lehr- und Forschungsgebiet Technische Chemie [154220]