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Recoverable and Recyclable Catalysts

Beschreibung

There is continued pressure on chemical and pharmaceutical industries to reduce chemical waste and improve the selectivity and efficiency of synthetic processes. The need to implement green chemistry principles is a driving force towards the development of recoverable and recyclable catalysts.

The design and synthesis of recoverable catalysts is a highly challenging interdisciplinary field combining chemistry, materials science engineering with economic and environmental objectives. Drawing on international research and highlighting recent developments, this book serves as a practical guide for both experts and newcomers to the field.

Each chapter combines principles with practical information on the synthesis of catalysts and strategies for catalyst recovery. The book concludes with a comparison of different catalytic systems, using case studies to illustrate the key features of each approach.

Besprechung

Katalysierte Reaktionen sind nach Grundsätzen der Grünen Chemie oftmals bessere Reaktionen als ihre unkatalysierten Vorgänger. Die ökologische aber auch ökonomische Bilanz lässt sich weiter verbessern, wenn der Katalysator recyclierbar ist. Man denke an teure Übergangsmetall-Komplexe, die in der pharmazeutischen Wirkstoff-Produktion zudem das Produkt mit Schwermetallen verunreinigen. Recyclierbarkeit wird z.B. erreicht, indem der Katalysator entweder an eine feste Phase gebunden wird, oder in seinem Löslichkeitsverhalten verändert wird, so dass er bei der Aufarbeitung durch Extraktion leicht von den Produkten abgetrennt werden kann.

Das Buch startet mit einer Einleitung von John Gladysz, die alle wichtigen Grundsätze erläutert. Gladysz findet z.B. auch mahnende Worte und erklärt, dass gute Ausbeuten bei nachfolgenden Läufen mit recyclierten Katalysatoren oftmals auf eine Schein-Recyclierbarkeit hindeuten. So kann ein Katalysator, der eine Reaktion in fünf Minuten katalysiert und deren Ausbeute nach 1 h bestimmt wird, in nachfolgenden Läufen weiterhin vollen Umsatz erzielen, auch wenn seine Aktivität jeweils um die Hälfte sinkt. Gladysz Worte bleiben in Erinnerung, wenn in nachfolgenden Kapiteln das eine oder andere Mal auf reine Ausbeuten hingewiesen wird.

Die spezifischeren Kapitel decken eine grosse Bandbreite an Themen ab - mit relativ wenig Überschneidungen - und sind gut ausgearbeitet. Einleitungen innerhalb der Kapitel erstrecken sich oftmals über mehrere Seiten, sind gut verständlich und sehr schön bebildert, was die Grundlagen der jeweiligen Methode zu vermitteln hilft. In nachfolgenden Abschnitten werden dutzende Beispielen konkreter Umsetzungen aufgeführt, die die eine oder andere Idee bereithalten. Man gewinnt, wenn man das Buch durcharbeitet, einen sehr guten Überblick über alle Methoden, recyclierbare Katalysatoren herzustellen, und falls man sich für spezifische Methoden entschieden hat, enthält jedes Kapitel unzählige Hinweise auf externe Literaturstellen.

"Recoverable and Recyclable Catalysts" ist insofern eine reichhaltige Quelle für Personen, die in der Prozessentwicklung und im Scale-Up arbeiten. Da es zudem einiges Hintergrundswissen vermittelt, ist es auch für fortgeschrittene Studenten mit Interesse an Katalyse und grünen Methoden sehr zu empfehlen.

Inhalt

1 The Experimental Assay of Catalyst Recovery: General Concepts (John A. Gladysz).
1.1 Introduction.
1.2 Catalyst Precursor vs Catalyst.
1.3 Catalyst vs Catalyst Resting State.
1.4 Catalyst Inventory: Loss Mechanisms.
1.5 Evaluation of Catalyst Recovery.
1.6 Prospective.
References.

2 Surface-functionalized Nanoporous Catalysts for Renewable Chemistry (Brian G. Trewyn, Hung-Ting Chen and Victor S.-Y. Lin).
2.1 Introduction.
2.2 Immobilization Strategies of Heterogeneous Catalysts.
2.3 Efficient Heterogeneous Catalysts with Enhanced Reactivity and Selectivity with Functionality.
2.4 Other Heterogeneous Catalyst Systems on Nonsilica Supports.
2.5 Conclusion.
References.

3 Insoluble Resin-supported Catalysts (Gang Zhao and Zhuo Chai).
3.1 Introduction.
3.2 Transition Metal Catalyzed C_C Bond Formation Reactions.
3.3 Oxidation.
3.4 Reduction.
3.5 Organocatalyzed Reactions.
3.6 Annulation Reactions.
3.7 Miscellaneous.
3.8 Conclusion.
References.

4 Catalysts Bound to Soluble Polymers (Tamilselvi Chinnusamy, Petra Hilgers and Oliver Reiser).
4.1 Introduction.
4.2 Soluble Supports – General Considerations.
4.3 Recent Developments of Soluble Polymer-supported Catalysts.
4.4 Recent Examples for Reactions Promoted by Catalysts Bound to Soluble Polymers.
4.5 Conclusion.
List of Abbreviations.
References.

5 Polymeric, Recoverable Catalytic Systems (Qiao-Sheng Hu).
5.1 Introduction.
5.2 Polymeric Catalyst Systems.
5.3 Summary.
Acknowledgements.
References.

6 Thermomorphic Catalysts (David E. Bergbreiter).
6.1 Introduction.
6.2 Thermomorphic Catalyst Separation Strategies.
6.3 Hydrogenation Reactions Under Thermomorphic Conditions.
6.4 Hydroformylation Reactions Under Thermomorphic Conditions.
6.5 Hydroaminations Under Thermomorphic Conditions.
6.6 Pd-catalyzed Reactions Under Thermomorphic Conditions.
6.7 Polymerization Reactions Under Thermomorphic Conditions.
6.8 Organocatalysis Under Thermomorphic Conditions.
6.9 Cu(I)-catalyzed 1,3-Dipolar Cycloadditions Under Thermomorphic Conditions.
6.10 Thermomorphic Hydrosilylation Catalysts.
6.11 Thermomorphic Catalytic Oxidations.
6.12 Conclusions.
References.

7 Self-supported Asymmetric Catalysts (Wenbin Lin and David J. Mihalcik).
7.1 Introduction.
7.2 Self-supported Asymmetric Catalysts Formed by Linking Catalytically Active Subunits via Metal–Ligand Coordination.
7.3 Self-supported Asymmetric Catalysts Formed by Post-synthetic Modifications of Coordination Polymers.
7.4 Self-supported Asymmetric Catalysts Formed by Linking Multitopic Chiral Ligands with Catalytic Metal Centers.
7.5 Conclusions and Outlook.
Acknowledgments.
References.

8 Fluorous Chiral Catalyst Immobilization (Tibor Soós).
8.1 Introduction.
8.2 Fluorous Chemistry and its Basic Recovery Concepts.
8.3 Application of Fluorous Chiral Catalysts.
8.4 Summary.
References.

9 Biphasic Catalysis: Catalysis in Supercritical CO₂ and in Water (Simon L. Desset and David J. Cole-Hamilton).
9.1 Introduction.
9.2 Biphasic Catalysis.
9.3 Aqueous Biphasic Catalysis.
9.4 Supercritical Carbon Dioxide.
9.5 Conclusion.
References.

10 Asymmetric Catalysis in Ionic Liquids (Lijin Xu and Jianliang Xiao).
10.1 Introduction.
10.2 Metal-catalyzed Asymmetric Reactions in ILs.
10.3 Asymmetric Organocatalytic Reactions in ILs.
10.4 Concluding Remarks.
References.

11 Recoverable Organic Catalysts (Maurizio Benaglia).
11.1 Introduction.
11.2 Achiral Organic Catalysts.
11.3 Chiral Organic Catalysts.
11.4 Catalysts Derived from Amino Acids.
11.5 General Considerations on Recyclable Organocatalysts.
11.6 Outlook and Perspectives.
References.

12 Organic Polymer-microencapsulated Metal Catalysts (Jun Ou and Patrick H. Toy).
12.1 Introduction.
12.2 Non-cross-linked Polymer-microencapsulated Catalysts.
12.3 Cross-linked Polymer-microencapsulated Catalysts.
12.4 Summary Table.
12.5 Conclusions.
References.

13 Organic Synthesis with Mini Flow Reactors Using Immobilised Catalysts (Sascha Ceylan and Andreas Kirschning).
13.1 Introduction.
13.2 Catalysis in Mini Flow Reactors with Immobilised Catalysts.
13.3 Miscellaneous Enabling Techniques for Mini Flow Systems.
13.4 Perspectives and Outlook.
References.
14 Homogeneous Catalysis Using Microreactor Technology (Johan C. Brandt and Thomas Wirth).
14.1 Introduction.
14.2 Acid-catalysed Reactions.
14.3 Liquid–liquid Biphasic Systems.
14.4 Photocatalysis.
14.5 Asymmetric Catalytic Reactions.
14.6 Unusual Reaction Conditions.
References.

15 Catalyst Immobilization Strategy: Some General Considerations and a Comparison of the Main Features of Different Supports (Franco Cozzi).
15.1 Introduction.
15.2 General Considerations on Catalyst Immobilization.
15.3 Comparison of Different Supports Employed for the Immobilization of Proline.
15.4 Comparison of Different Supports Employed for the Immobilization of Bis(oxazolines).
15.5 Conclusions.
References.
Index.