Kolmifaasireaktioiden kinetiikkakokeiden metodiikkaa

Abstract

Tässä työssä keskitytään tutkimaan kolmifaasisysteemissä tapahtuvaa katalyyttistä hydrausta ja hydrausreaktioiden kinetiikkaa. Hydrauksen osalta tarkastellaan erityisesti hiili-hiili– kaksoisidosten ja hiili-happi– kaksoisidosten sekä aromaattisten ketonien selektiivistä hydrausta heterogeenisella katalyytillä. Varsinkin aromaattisten ketonien hydraus on merkittävä reaktio lääketeollisuudessa ja hienokemikaalien valmistuksessa.

Kirjallisuusosa käsittelee myös hydraureaktiossa käytettäviä katalyyttejä, valmistusta ja karakterisointia sekä reaktioissa käytettäviä reaktoreita. Näiden lisäksi tarkastellaan teoriassa kolmi-faasireaktioiden kinetiikkaa.

Tutkimusosassa suoritiin laaja kinetiikkakokeiden sarja asetofenonin selektiiviselle hydraukselle kaupallisella Pd/C – katalyytillä panosreaktorissa. Liuottimena reaktioissa käytettiin etanolia. Eri reaktioparametrien, kuten katalyytin määrän, lähtöaineen konsentraation, lämpötilan sekä vedyn paineen vaikutusta hydrausreaktion nopeuteen tutkittiin. Ulkoisen aineensiirron vaikutusta asetofenonin hydrausreaktiossa tutkittiin suorittamalla kokeita katalyytin eri määrillä ja sekoitusnopeuksilla. Hydrauskokeissa katalyyttinä käytetiin hienojakoista katalyyttiä, jonka seurauksena aineensiirtoa tutkittaessa ei huokosdiffuusion vaikutusta tarvinnut ottaa huomioon.

Asetofenoni on yksikertainen molekyyli, joka koostuu karbonyyli- ja fenyyliryhmästä. Tutkimuksessa huomattiin palladiumkatalysoidun hydrausreaktion olevan hyvin selektiivinen ketonin pelkistymiselle fenyylietanoliksi ja edelleen etyylibentseeniksi. Pieniä määriä (<5 %) myös muita tuotteita havaittiin mutta näitä ei pystytty määrittämään tarkemmin GC-MS:llä.

Hydrausreaktion nopeuden todettiin olevan riippuvainen lähtöaineen ja vedyn konsentraatiosta sekä katalyytin määrästä. Lämpötilalla todettiin olevan vaikutus hydrausreaktioon. Kuitenkin lämpötilakokeiden avulla määritetty alhainen näennäisen aktivoitumisenergian arvo (10 kJ mol-1) viittaisi aineensiirron rajoittavan reaktiota korkeimmilla lähtöaineen konsentraatioilla ja korkeimmissa lämpötiloissa.

The main focus of the thesis is on catalytic three-phase hydrogenation and reaction kinetics. Selective hydrogenation of the carbon-carbon- and carbon-oxygen- doublebonds as well as the hydrogenation of the aromatic ketones are investigated. Hydrogenation of the aromatic ketones is significant reaction in the field of pharmaceutical industry and fine chemical production.

The literature review discusses the typical catalysts used in hydrogenation reactions, catalysts production and characterication and hydrogenation reactors. The theory of the three-phase reaction kinetics has been presented as well.

Selective hydrogenation of acetophenone was studied over commercial Pd/C –catalyst in a bach reactor using ethanol as solvent. The effect of the catalyst amount, stirring rate, initial acetophenone concentration, temperature and hydrogen pressure were studies. The effect of external mass transfer limitations was investigated by varying catalyst amounts and stirring speed. The commercial catalyst was used as fine powder and therefore the presence of internal diffusion limitations could be excluded. Progress of the reaction was followed by taking small liquid samples at different time intervals and analysed with GC-FID.

Acetophenone is a rather simple model molecule consisting of two different functional groups, phenyl and carbonyl group. The experimental work showed that the Pd/C catalysed acetophenone hydrogenation reaction is very selective towards reducing the carbonyl group to phenyl ethanol and ethyl bentzene. Small amounts (< 5 %) of other products were detected, however, these could not be identified by GC-MS.

Reaction rate of acetophenone hydrogenation reaction was found to be dependent on initial concentration of the reactant, hydrogen pressure and amount of catalyst. The hydrogenation reaction was dependent on the temperature. However, the rather low apparent activation energy (10 kJ mol-1) indicates that the mass transfer would limit the reactions with higher initial concentrations of the reactant and at higher temperatures.