Een studie van heterogene aminozuren als
katalysatoren voor aldolcondensaties
Handan Nalli
Promotoren: prof. dr. ir. Jeriffa De Clercq, prof. dr. ir. Joris Thybaut
Begeleider: ir. Jeroen Lauwaert
Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van
Master of Science in de industriële wetenschappen: chemie
Vakgroep Industriële Technologie en Constructie
Voorzitter: prof. Marc Vanhaelst
Vakgroep Chemische Proceskunde en Technische Chemie
Voorzitter: prof. dr. ir. Guy Marin
Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur
Academiejaar 2013-2014
Woord vooraf
Dit onderzoek is uitgevoerd voor het behalen van de academische graad in master in de
industriële wetenschappen chemie en de titel industrieel ingenieur. Het lijkt nog alsof het
gisteren was, eerste dag op de unief! En nu 4 jaar later is het zover: ik studeer af!
Ik zou graag enkele mensen bedanken die mij in de loop van mijn masterjaar gesteund
hebben bij het tot stand komen van dit werk.
Als eerste wil ik mijn begeleider ir. Jeroen Lauwaert bedanken. Zonder zijn hulp zou ik dit
werk nooit tot stand hebben kunnen brengen. Naast zijn eigen werk stond Jeroen steeds
open voor mijn oneindige vragen en problemen. Het was enorm leuk en leerrijk om met hem
te werken. Ik ben ook mijn promotor prof. dr. ir. Jeriffa De Clercq dankbaar voor de moeite
die zij steeds stak in het lezen van mijn thesis. Dankzij haar tips en correcties heb ik deze
thesis op een zo volledig mogelijke manier tot stand gebracht. Ik wil eveneens mijn promotor
prof. dr. ir. Joris Thybaut bedanken omdat hij mij als een lid van de CARE onderzoeksgroep
heeft aangenomen. Tijdens de CARE samenkomsten heb ik heel veel bijgeleerd en de kans
gekregen om ook andere mensen te leren kennen.
Ik wil ook de andere leden van de leescomissie: dr. Ing. Evelien Van de Steene en dr. Ir.
Maarten Sabbe bedanken voor de moeite die zij steken in het lezen en het evalueren van dit
werk.
Ik wil ook prof. Dr. Van der voort, dr. Esquivel en Judith bedanken voor de leuke
samenwerking. Hun deuren stonden steeds open voor al onze ambetante vragen. Eveneens
dank ik ing. Ferdi Yilmaz voor zijn luisterbereidheid, zijn bijsturing en zijn geduld. Zonder zijn
steun had ik waarschijnlijk nooit op een correcte en deftige manier dit werk beëindigd.
Tot slot nog een woord van dank aan mijn ouders. Ik dank jullie voor het eeuwige geduld dat
jullie hadden met dit ambetant kind! Zonder jullie zou ik nooit zover geraakt zijn. En dan als
laatste wil ik mijn tante Ayfer uitzonderlijk bedanken voor de onvoorwaardelijke steun die ze
me 4 jaar lang gegeven heeft. Je kunt je niet voorstellen hoeveel dat voor mij heeft betekend!
Handan Nalli
Gent, juni 2014
I
II
Abstract
De aldolcondensatie is een belangrijke organische reactie tussen twee carbonylverbindingen
voor het creëren van nieuwe C-C bindingen. In de industrie worden aldolcondensaties
gekatalyseerd door middel van zure of basische homogene katalysatoren zoals NaOH en
Na2CO3. Factoren zoals milieu, economie en duurzaamheid hebben ervoor gezorgd dat men
meer en meer de nadruk legt op de synthese van heterogene katalysatoren. In recente
literatuur vertonen homogene aminozuren zoals proline, glycine en lysine uitstekende
activiteit in de aldolcondensatie. Het doel van deze thesis was het ontwikkelen van een
synthesemethode voor een mesoporeuze heterogene katalysator waarin het aminozuur
cysteïne en proline geïncorporeerd zijn. Er werden drie types katalysatoren gesynthetiseerd:
silica cysteïne, PMO cysteïne en PMO proline.
Deze katalysatoren zijn uitgetest op de aldolcondensatiereactie tussen 4-nitrobenzaldehyde
en een overmaat aceton. De invloed van hergebruikbaarheid, solvent, silanolgroepen,
temperatuur, drager, fase van de katalysator (homogeen/heterogeen) en primaire versus
secundaire aminen op de reactiesnelheid is onderzocht. Dit leverde inzichten over het
reactiemechanisme en suggesties om de katalysatoren te verbeteren. De incorporatie van
aminozuren op een vaste drager leidt tot een daling van de mobiliteit waardoor de activiteit
daalt. De PMO-katalysatoren bleken actiever te zijn dan de silica-katalysatoren. Deze
activiteit nam toe met het aantal silanolgroepen. De hergebruikbaarheid van de drie
katalysatoren was laag. Dit moet verder onderzocht worden. De katalysatoren vertoonden
een hoge selectiviteit voor het primair aldolproduct.
III
Abstract
The aldol condensation is an important organic reaction between two carbonyl compounds to
create a new C-C bond. In the industry, aldol condensations have been catalyzed with
homogeneous acids or bases like NaOH and Na2CO3. Environmental, economic and
sustainability factors have increased the demand for heterogeneous catalysts. Recently, in
literature, homogenous amino acids, like proline, glycine, lysine showed an excellent activity
for the aldol condensation reaction.
In this thesis, a synthesis method was developed for mesoporous heterogeneous catalysts
functionalized with cysteine and proline. Three catalysts are synthesized: silica cysteine,
PMO cysteine and PMO proline.
These catalysts were tested in the aldol condensation reaction of 4-nitrobenzaldehyde and
aceton in excess. The influence of Reusability, solvent, silanol groups, temperature, support,
phases of catalyst (homogeneous/heterogeneous) and primary vs secondary amine on the
reaction rate were studied. This gave insight in the reaction mechanism and suggestions for
improvement of the catalysts. The incorporation of amino acids leads to a reduction of
mobility whereby the activity decreases. The PMO-catalysts were more active than the silica
catalysts. The activity increased within the number of silanol groups. However, the reusability
of the catalysts was low. This needs to be investigated further. The catalysts showed high
selectivity for the primary aldol product.
IV
Inleiding
De petrochemische industrie is economisch gezien een heel belangrijke speler in de wereld.
Petroleum is de belangrijkste bron van brandstoffen, chemicaliën en polymeren. Maar door
de stijging van de wereldpopulatie en de bijhorende vraag naar steeds meer eindproducten,
raken de petroleumvoorraden snel op. Verbranding van fossiele brandstoffen veroorzaakt
eveneens grote milieuproblemen. Deze milieuproblemen worden veroorzaakt door de
schadelijke stoffen die aanwezig zijn in de fossiele brandstoffen, zoals kwik, zwavel en
stikstof. Dit zorgt ervoor dat men op zoek moet gaan naar duurzame alternatieve
grondstoffen die eindproducten met dezelfde of misschien zelfs met betere eigenschappen
kunnen leveren. Het gaat voornamelijk over biomassa als hernieuwbare grondstof. Onder
biomassa verstaat men zowel plantaardig als dierlijk materiaal.
Een groot nadeel van de verwerking van biomassa tot volwaardige brandstoffen of
chemicaliën is de vorming van een mengsel van verschillende korte zuurstofbevattende
moleculen. Deze moleculen zijn helaas niet te gebruiken als brandstof in de huidige
aardoliegebaseerde transportmotoren door de lage stabiliteit. Daarom gaat men deze korte
fragmenten omzetten tot langere koolwaterstoffen die als vloeibare brandstoffen gebruikt
kunnen worden. Een belangrijk organische synthesereactie die in dit geval gebruikt kan
worden is aldolcondensatiereactie waarbij een nieuwe C-C koppeling wordt gevormd.
Dit eindwerk is een studie rond heterogene katalysatoren voor aldolcondensatiereacties. De
nadruk wordt gelegd op aminozuren als bifunctionele heterogene katalysatoren. Er zal
getracht worden om een synthesemethode te ontwikkelen voor een bifunctionele katalysator
die amines en carbonzuren als actieve centra combineert. Het aminozuur dat geïncorporeerd
zal worden op een vaste silicadrager is cysteïne. Daarnaast zullen twee andere heterogene
aminozuren ontwikkeld worden in samenwerking met de COMOC groep zodat die dan
uiteindelijk onderling met elkaar vergeleken kunnen worden. Deze katalysatoren zijn
“Periodic Mesoporous Organosilica’s” (PMO’s) die enerzijds gefuntionaliseerd zijn met als
aminozuur cysteïne en anderzijds met aminozuur proline. De heterogene bifunctionele
katalysatororen zullen vervolgens getest worden in de aldolcondensatie van aceton met 4nitrobenzaldehyde. De de literatuurstudie en de uitgevoerde kinetische studies zullen
inzichten opleveren over het reactiemechanisme en de manier waarop de katalysator nog
verbeterd kan worden.
V
Inhoudsopgave
Woord vooraf .......................................................................................................................... I
Abstract .................................................................................................................................III
Abstract ................................................................................................................................ IV
Inleiding ................................................................................................................................. V
Inhoudsopgave ..................................................................................................................... VI
Afkortingen ........................................................................................................................... IX
Deel I: Literatuurstudie ...........................................................................................................1
1.
Aldolcondensatie .........................................................................................................2
1.1.
Aldolcondensatiereacties en katalyse ...................................................................2
1.2.
Homogeen gekatalyseerde aldolcondensaties ......................................................3
1.2.1.
Base gekatalyseerde aldolcondensaties ........................................................4
1.2.2.
Zuur gekatalyseerde aldolcondensaties .........................................................5
1.3.
2.
1.3.1.
LDH of gelaagde dubbelhydroxides ...............................................................7
1.3.2.
Basische anionuitwisselingsharsen ................................................................8
1.3.3.
Mesoporeuze silicamaterialen........................................................................9
Silica ..........................................................................................................................10
2.1.
Mesoporeuze silica materialen ............................................................................10
2.2.
Chemische activiteit van het oppervlak ...............................................................10
2.3.
Silanering van het silica-oppervlak ......................................................................12
2.3.1.
Waterig solvent ............................................................................................12
2.3.2.
Organisch solvent ........................................................................................13
2.4.
Functionalisatie van silicamaterialen ...................................................................15
2.4.1.
Template synthese ......................................................................................16
2.4.2.
Grafting (postsynthetische functionalisatie van silica) ..................................16
2.4.3.
Co-condensatie (one-pot synthese) .............................................................17
2.4.4.
PMO’s..........................................................................................................18
2.5.
3.
Heterogeen gekatalyseerde aldolcondensaties .....................................................7
Thiol-ene clickreacties ........................................................................................19
Silica gebaseerde bifunctionele katalysatoren voor aldolcondensatiereacties ............21
3.1.
Coöperatieve katalyse ........................................................................................21
3.2.
Aminozuren als katalysatoren .............................................................................27
3.3.
Invloed van solvent .............................................................................................28
3.4.
Invloed van afstand tussen zuur en base ............................................................29
VI
Deel II: ..................................................................................................................................30
Materialen en methoden .......................................................................................................30
1.
Synthese....................................................................................................................31
1.1.
1.1.1.
Inleiding .......................................................................................................31
1.1.2.
Grafting van een secundair amine op silica..................................................31
1.1.3.
Graften van een carbonzuur op silica [65-68]...............................................33
1.2.
2.
Heterogeen aminozuur .......................................................................................34
1.2.1.
Inleiding .......................................................................................................34
1.2.2.
Graften van vinyltriethoxysilaan (VTES) .......................................................34
1.2.3.
1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazaan (HMDS) behandeling ...............................35
1.2.4.
Enten van cysteine ......................................................................................35
1.3.
PMO Proline .......................................................................................................36
1.4.
PMO cysteïne .....................................................................................................38
Karakterisatie .............................................................................................................39
2.1.
Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (DRIFTS) ............39
2.2.
Raman spectroscopie .........................................................................................40
2.3.
Stikstof-adsorptie ................................................................................................42
2.3.1.
Principe .......................................................................................................42
2.3.2.
Meting..........................................................................................................43
2.4.
3.
Heterogene bifunctionele katalysator ..................................................................31
Elementaire analyse ...........................................................................................44
Kinetische studie........................................................................................................48
3.1.
Opstelling en monstername ................................................................................48
3.2.
Monsteranalyse ..................................................................................................49
3.3.
Detectie van de componenten ............................................................................50
3.4.
Inhibitie ...............................................................................................................52
3.5.
Hergebuikaarheid ...............................................................................................53
3.6.
Verwerken van datasets .....................................................................................53
3.7.
Delplot-analyse ...................................................................................................56
Deel III: Resultaten ...............................................................................................................57
1.
Karakterisatie van de Katalysatoren ...........................................................................58
1.1.
Gesynthetiseerde katalysatoren ..........................................................................58
1.2.
Karakterisatie van de silicamaterialen .................................................................59
1.2.1. Karakterisatie van silicagel geënt met N-methyl-3-aminopropyltrimethoxysilaan .........................................................................................................61
1.2.2.
Karakterisatie van silicagel geënt met carboxyethylsilaantriol ......................62
VII
1.2.3.
1.3.
Karakterisatie van PMO cysteïne .................................................................67
1.3.2.
Karakterisatie van PMO proline ...................................................................69
Besluit.................................................................................................................71
Activiteit van de katalysatoren....................................................................................73
2.1.
3.
Karakterisatie van PMO-materialen ....................................................................66
1.3.1.
1.4.
2.
Karakterisatie van silicagel geënt met het aminozuur cysteïne ....................64
Herbruikbaarheid van de katalysator...................................................................73
2.1.1.
Herbruikbaarheid van silica cysteïne............................................................73
2.1.2.
Hergebruikbaarheid van PMO cysteïne .......................................................76
2.1.3.
Herbruikbaarheid van PMO proline ..............................................................79
2.1.4.
Conclusie .....................................................................................................81
2.2.
Invloed van solvent op de reactiesnelheid...........................................................82
2.3.
Invloed van de silanolgroepen op de reactiesnelheid ..........................................84
2.4.
Invloed van temperatuur op de reactiesnelheid ...................................................86
2.5.
Invloed van fase van de katalysator op de reactiesnelheid .................................88
2.6.
Invloed van de drager op de reactiesnelheid .......................................................92
2.7.
Invloed primaire vs secundaire amine op de reactiesnelheid ..............................94
2.8.
Besluit.................................................................................................................96
Selectiviteit ................................................................................................................98
3.1. Delpot-analyse .......................................................................................................98
3.2. Selectiviteit van de verschillende katalysatoren ....................................................100
4.
Reactiemechanisme ................................................................................................101
Conclusie ...........................................................................................................................103
Toekomstig werk ................................................................................................................106
Figurenlijst ..........................................................................................................................107
Tabellenlijst ........................................................................................................................109
Referenties .........................................................................................................................110
VIII
Afkortingen
AIBN
2.2’–Azobis (2-methylpropionitril)
APTS
Aminopropyltriethoxysilaan
APTS
3-Aminopropyl-trimethoxysilaan
BTEE
1,2-Bis(triethoxysilyl)ethaan
BET
Brunauer, Emmett en Teller
C-NMR
Carbon Nucleaire Magnetische Resonantie
COMOC
Center for Ordered Materials, Organometallics & Catalysis
DMAPTS
3-(N,N-dimethylaminopropyl)trimethoxysilaan
DMSO
Dimethylsulfoxide
DRIFTS
Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy
FAc
Furfilideenaceton
Fc
Ferroceen
HMDS
1,1,1,3,3,3-Hexamethyldisilazaan
HPLC
High Performance Liquid Chromatography
IR
Infrarood
LDH
Gelaagde dubbelhydroxides
MAPTS
3-(N-methylaminopropyl)trimethoxysilaan
NIR
Nabij infrarood
NMR
Nucleaire Magnetische Resonantie
PMO
Periodic Mesoporous Organosilica
RF-HPLC
Reversed Phase High Performance Liquid Chromatography
SDA
Structure directing agent
TEOS
Tetraethylorthosilicaten
TFA
Trifluorazijnzuur
TMOS
Tetramethylorthosilicaten
TOF
Turnover frequence
UV
Ultraviolet
Vis
Zichtbaar licht
VTES
Vinyltriethoxysilaan
IX
Deel I
Literatuurstudie
1
1.
Aldolcondensatie
1.1. Aldolcondensatiereacties en katalyse
De aldolcondensatie wordt aangewend voor het synthetiseren van nieuwe C-C verbindingen
tussen twee carbonyl bevattende componenten en voor het creëren van grotere en
complexere
moleculen.
Dit
belangrijk
organisch
syntheseproces
kent
niet
alleen
toepassingen in de parfumindustrie, in de farmaceutische sector, in de voedingsindustrie [1],
maar ook bij het koppelen van kleine koolstoffragmenten uit biomassa tot hoogwaardige
moleculen [2]. De naam ‘aldolcondensatie’ is opgebouwd uit 2 delen: het deel ‘aldol’ verwijst
naar het tussenproduct dat een aldehyde- en alcoholfunctie bevat en het deel ‘condensatie’
verwijst naar de laatste reactiestap waarbij een watermolecule wordt afgesplitst (Figuur 1)
[3].
De aldolcondensatiereactie is een evenwichtsreactie en kan doorgaan tussen een keton en
een aldehyde (= cross-condensatie) of tussen twee aldehydes of tussen twee ketonen (=
zelfcondensatie).
zelfcondensatie
Zelfcondensatie
van
ketonen,
van
aldehyden
omdat
ketonen
verloopt
sferisch
gemakkelijker
gehinderd
dan
worden.
de
De
aldolcondensatie kan zowel basisch als zuur gekatalyseerd worden. Industrieel worden
voornamelijk basische katalysatoren gebruikt zoals NaOH en Na 2CO3 [2, 4].
Figuur 1: Aldolcondensatiereactie
Een katalysator beïnvloedt (versnelt) de snelheid van een bepaalde chemische reactie
zonder zelf verbruikt te worden. Een katalysator creëert een alternatief reactiepad, dat
complexer, maar energetisch gunstiger is [5]. Men onderscheidt twee soorten katalysatoren:
homogene en heterogene katalysatoren.
Processen met homogene katalysatoren hebben echter veel nadelen. Hierdoor wil men hun
gebruik in de industrie beperken en overstappen naar vaste katalysatoren die dezelfde
resultaten kunnen leveren. Heterogeen gekatalyseerde aldolcondensaties zijn de laatste
decennia uitgebreid bestudeerd [6].
2
De eigenschappen van homogene en heterogene katalysatoren worden weergegeven in
Tabel 1 [5, 7-9].
Tabel 1: Eigenschappen van homogene en heterogene katalysatoren
Eigenschappen
Homogeen
Heterogeen
Fase
Vloeibaar
Vast
Selectiviteit
Goed tot uitstekend
Matig tot Goed
Katalysatorherwinning
Duur
Goedkoop
Actieve centra
Single
Single/multiple
Stabiliteit (thermisch)
Laag
Hoog
Activiteit
Matig
Matig tot hoog
Levensduur
Kort
Lang
Inzicht in reactiemechanisme
Meer
Minder
Identificatie tussenproducten
Makkelijk
Moeilijk
Ondanks de nadelen van de heterogene katalysatoren worden deze ng steeds gewaardeerd
omdat deze een belangrijke bijdrage leveren aan de duurzaamheid van de chemische
processen.
1.2. Homogeen gekatalyseerde aldolcondensaties
Voor de homogene aldolcondensatie dient minstens één van de carbonylverbindingen een
waterstofatoom te bezitten [10]. Een carbonylcomponent die een α-waterstofatoom bezit [10]
is in evenwicht met zijn enolvorm (Figuur 2). Dit is een speciale soort van isomerie en wordt
de keto-enoltautomerie genoemd. De individuele isomeren worden tautomeren genoemd.
Door hun π-elektronensysteem, gedraagt het enol zich als een nucleofiel, terwijl de
carbonylcomponent elektrofiel is. Op die manier kan de carbonylverbinding nucleofiel
aangevallen worden door de enol. Als resultaat wordt een nieuwe C-C enkele binding tussen
beide isomeren gevormd [3, 11, 12].
Figuur 2: Keto-enoltautomerie [12]
Naargelang de gebruikte katalysator (zuur/base) is het reactiemechanisme verschillend [13].
3
1.2.1. Base gekatalyseerde aldolcondensaties
In een eerste reactiestap wordt één van de reagentia door de katalysator geactiveerd. In
aanwezigheid van een basische katalysator, onttrekt de katalysator een waterstofatoom
(=deprotonering) van de α-koolstof met vorming van een carbanion intermediair. Dit
geactiveerd carbanion intermediair wordt door resonantie gestabiliseerd [3, 12].
Het geactiveerd reagens (enolaation) reageert in een tweede stap met de carbonylverbinding
tot een alkoxide anion. Het enolaation kan als nucleofiel aanvallen op het partieel positief
geladen koolstofatoom van de carbonylgroep om een alkoxide anion te vormen. De
cabonylgroep gedraagt zich hier als een elektrofiel dat aangevallen wordt door het
nucleofiele enolaation [3, 12]. Vervolgens wordt in een derde stap door protonering van het
alkoxide anion het aldol gevormd en de katalysator wordt geregenereerd. Dit aldol is een
relatief stabiel tussenproduct en wordt een α-β-hydroxide keton of aldehyde genoemd [3, 12].
Het mechanisme wordt weergegeven in Figuur 3.
Figuur 3: Mechanisme van basisch gekatalyseerde aldolcondensatiereactie [3]
4
In een laatste stap (Figuur 4) geeft de verwijdering van het α-proton een resonantiegestabiliseerd enolaation dat een hydroxylgroep verwijdert tot de vorming van een
geconjugeerd α,β-onverzadigd aldehyde of keton [3].
Figuur 4: Dehydratatie van base gekatalyseerde aldolcondensatie [3]
1.2.2. Zuur gekatalyseerde aldolcondensaties
De aldolcondensatie kan eveneens plaatvinden in zure omstandigheden. In een eerste
reactiestap wordt één van de reagentia door de zure katalysator geactiveerd d.m.v.
protonering. Vervolgens vindt er een deprotonering plaats en wordt er een enol gevormd
waarbij de zure katalysator wordt geregenereerd [3]. In een tweede stap wordt het α-carbonyl
geprotoneerde reagens aangevallen door het enol. Het gevormde carbokation intermediair
wordt door resonantie gestabiliseerd [3, 11]. In een derde stap wordt door deprotonering het
aldolproduct gevormd. Het mechanisme wordt weergegeven in Figuur 5.
5
Figuur 5: Reactiemechanisme van zuur gekatalyseerde aldolcondensatie [3]
De zure dehydratatie (Figuur 6) start met de protonering van de hydroxylgroep van het
aldolproduct en leidt tot de vorming van een goede leaving groep. Na het afscheiden van
water, gevolgd door afgifte van een proton, leidt dit tot de vorming van een α,β-onverzadigde
aldehyde of keton [3, 11].
6
Figuur 6: Dehydratatie van zuur gekatalyseerde aldolcondensatie [3]
1.3. Heterogeen gekatalyseerde aldolcondensaties
Er is reeds uitgebreid onderzoek verricht naar heterogene katalysatoren voor de
aldolcondensatie [5, 14-20]. In deze studie wordt er kort ingegaan op de gelaagde
dubbelhydroxides, basische anionuitwisselingsharsen. Vervolgens worden de mesoporeuze
silica materialen verder uitgediept.
1.3.1. LDH of gelaagde dubbelhydroxides
Binnen de groep van heterogene katalysatoren zijn de gelaagde dubbelhydroxides (LDH’s)
zeer efficiënte katalysatoren voor de aldolcondensatie. Deze hydroxiden, gekend als
anionische kleien, bestaan uit een structuur (octaëdrisch) die lijkt op bruciet (Mg(OH)2) [6,
21].
7
Bij een thermische ontbinding rond 343 K worden zeer actief gemengde oxides zoals
M2+( M3+)O (zeer basisch) verkregen die als basische katalysatoren gebruikt kunnen worden
bij aldolcondensaties [15, 21]. Mg-Al met verschillende molverhoudingen is tot nu toe de
meest bestudeerde combinatie. Liu et al. [6] hebben de invloed van de Mg-Al molverhouding
uitgetest in de katalytische aldolcondensatiereactie tussen aceton en furfural (Fur) waarbij
furfilideenaceton (FAc) het hoofdproduct is. Deze verschillende katalysatoren vertonen een
verschillende activiteit met dezelfde structuur. In Tabel 2 ziet men dat een ratio van 2.5 de
beste katalytische activiteit vertoont met een FAc-opbrengst van 56.9% en een selectiviteit
van 72.3% voor FAc. Deze katalystor had de meeste basische centra op het oppervlak.
Tabel 2: Reactieresultaten van de LDH's met verschillende Mg/Al molverhoudingen[6]
De reactie werd uitgetest bij 373 K gedurende 10 uur met 0.5 g katalysator in aanwezigheid van
2.4 g furfural en 14.5 g aceton.
Mg/Al
Conversie Fur (%)
Selectiviteit voor FAc (%)
Opbrengst van Fac (%)
2:1
62.4
67.3
41.3
2.5
78.6
72.3
56.9
3:1
66.4
55.2
36.6
1.3.2. Basische anionuitwisselingsharsen
Basische anionuitwisselingsharsen bestaan uit een styreen-divinylbenzeen copolymeer dat
gefunctionaliseerd is met basische groepen via niet-covalente verbindingen. De functionele
groep is een amine- of ammoniumgroep die de basesterkte van de ionenwisselaar bepaalt
[22-24]. Pyo et al. [25] hebben sterk basische ammonium harsen uitgetest op de zelfaldolcondensatiereactie van propanal in waterig solvent. Bij 35 °C en in aanwezigheid van
0.4 g/ml hars heeft men de hoogste conversie van propanal (95 %) bereikt met een
selectiviteit van 95% voor het primair product 2-methyl-2-pentenal in twee uren.
8
1.3.3. Mesoporeuze silicamaterialen
Een mogelijke werkwijze voor de immobilisatie van reagentia op een vaste drager is de
incorporatie van organisch functionele groepen via covalente bindingen in het structureel
kader van mesoporeuze oxiden [21]. Deze mesoporeuze oxiden zijn interessante
dragermaterialen voor heterogene katalysatoren door de aanwezigheid van een groot
inwendig oppervlak waarin verschillende functionele groepen geïncorporeerd kunnen
worden. Deze materialen vertonen eveneens goede thermische en mechanische stabiliteit
en zijn inert in vele chemicaliën [26-28]. Hierbij spelen siliciumoxides of silica als drager van
functionele
groepen
een
belangrijke
rol
bij
organische
synthesereacties,
zoals
aldolcondensaties [17]. Er zijn tal van onderzoeken verricht met dit soort van heterogene
katalysatoren voor de aldolcondensatiereacties [17, 29-33]. Verschillende experimentele
gegevens over de katalytsiche activiteit worden in de hiernavolgende onderdelen besproken.
9
2. Silica
2.1. Mesoporeuze silica materialen
De ontwikkeling van poreuze materialen met grote specifieke oppervlakken en mesoporiën
(poriediameter tussen 2 en 15 nm) is een belangrijk onderzoeksdomein geworden. Deze
eigenschappen maken dat deze materialen zeer verschillende toepassingen kennen in
domeinen zoals katalyse, adsorptie, chromatografie, sensor-technologie en gasopslag [34,
35].
De geordende mesoporeuze silicamaterialen gekend als de M41S fase maakten in 1992 een
doorbraak door de Mobil Oil company. Deze nieuwe materialen overtroffen de welgekende
moleculaire zeven (zeoliet) met een beperkte poriëngrootte tot 1.5 nm waarin incorporatie
van grotere moleculen niet mogelijk was. De nieuwe mesoporeuze silica is gekarakteriseerd
door een zeer groot specifiek oppervlak (350-700 m²/g) [36], geordende poriestructuur,
poriediameters van gemiddeld 2 tot 10 nm en een nauwe poriegroottedistributie. De meest
gekende silica soorten uit deze klasse van M41S materialen zijn (Figuur 7): silica MCM-41
(met
een
hexagonale
mesoporiestructuur),
silica
MCM-48
(met
een
kubische
mesoporiestructuur) en silica MCM-50 (met een laminaire structuur) [34].
Figuur 7: Structuur van mesoporeuze M41S materialen [20]
2.2. Chemische activiteit van het oppervlak
Onder silica verstaat men materialen met als molecuulformule SiO2 [5]. Op het oppervlak
eindigt de structuur in ofwel een siloxaangroep (≡Si-O-Si≡) met het zuurstofatoom op het
oppervlak ofwel een silanolgroep (≡Si-OH) [37]. De oppervlak-eigenschappen van amorfe
silica, welke gezien wordt als een oxide adsorbens (sterk poreuze stof die een andere stof
opneemt door adsorptie), zijn in vele gevallen afhankelijk van de aanwezigheid van
silanolgroepen. Bij een voldoende hoge concentratie heeft het oppervlak een hydrofiel
karakter. De hydroxylgroepen kunnen een waterstofbrug met adsorbaten vormen. Een
10
verwijdering van deze hydroxylgroepen leidt tot een vermindering in de adsorptie en een
hydrofober oppervlak [37, 38].
De silanolgroepen aan het oppervlak (Figuur 8) kunnen onderverdeeld worden in
geïsoleerde silanolen (vrije silanolen) waarbij het siliciumatoom drie bindingen heeft met de
bulkstructuur en een binding met een hydroxylgroep, in vicinale silanolen (gebrugde
silanolen) waarbij twee silanolgroepen een waterstofbrug vormen en in geminale silanolen
waarbij het siliciumatoom gebonden is aan twee hydroxylgroepen. Deze opgesomde
silanolfuncties zijn verantwoordelijk voor het feit dat een waterige suspensie van silica een
licht zure pH vertoont (5.5-7). Uiteindelijk is er ook nog structureel gebonden water binnenin
het silica skelet en fijne microporiën door inwendige silanolgroepen [34, 35, 38]. De invloed
van dit gebonden water op de oppervlakeigenschappen van silica wordt verwaarloosd.
.
Figuur 8: Verschillende soorten silanolgroepen en siloxaanbruggen op het amorf silicaoppervlak [21]
Omdat silanolen een zeer grote invloed hebben bij alle oppervlaktemodificaties, moeten het
absoluut aantal silanolgroepen en de relatieve verdeling van de silanoltypes gekend zijn. De
functionalisatie van niet-actieve silica is immers slechts mogelijk via deze silanolgroepen. Er
zijn zeer veel publicaties verschenen over de verdeling van de verschillende silanoltypes als
een functie van de voorbehandelingstemperatuur van silica [38]. Een overzicht van deze
modellen met een gemiddelde verdeling van de silanoltypes wordt getoond in (Figuur 9).
11
5
Silanol getal (OH/nm²)
4,5
4
3,5
3
Totale hydroxielen
2,5
Geïsoleerde silanolen
2
Vicinale silanolen
1,5
Geminale silanolen
1
0,5
0
473
573
673
773
873
973
1073
Temperatuur (K)
Figuur 9: Aantal silanolgroepen in functie van de voorbehandelingstemperatuur [23]
2.3. Silanering van het silica-oppervlak
Aldolcondensaties worden voornamelijk uitgevoerd in aanwezigheid van basisch homogene
katalysatoren. Door het silaneren van het silica-oppervlak, het binden van een functionele
groep op het silicaoppervlak, met basische organsilanen krijgt men basisch heterogene
katalysatoren.
Het silaneren met chlorosilanen of alkoxysilanen gebeurt op industriële schaal in de
vloeistoffase (in een waterig of een organisch solvent) [38, 39].
2.3.1. Waterig solvent
In waterig solvent ondergaan de silanen een hydrolyse en condensatie. De daarbij gevormde
silanolgroepen vormen waterstofbruggen met naburig gehydrolyseerde silaanmoleculen en
met silanolgroepen op het oppervlak. Siloxaanbindingen worden gevormd met de vrijstelling
van water (Figuur 10) [38].
De hydrolyse van de chloro- of alkoxygroepen leidt tot de polymerisatie van deze coatingmoleculen onderling in de oplossing, de zogenaamde verticale polymerisatie [39]. Hierdoor
ontstaat er een driedimensioneel polymeer-silaan netwerk op het silicaoppervlak. Deze
polymerisatiereacties in water zijn moeilijk te controleren waardoor er lagen ontstaan met
niet-reproduceerbare dikten [38].
12
Figuur 10: Silanisering in waterig solvent [23]
2.3.2. Organisch solvent
In volledig droge condities (droog organisch solvent) wordt er normaliter een directe
condensatie van de chloro- of alkoxygroepen met de silanolgroepen verwacht. Blitz et al.
[38] stelde bij methoxysilanen echter vast dat deze directe condensatie niet plaatsvindt op
het silicaoppervlak indien er geen water aanwezig is aan het grensvlak tussen de
silanolgroepen en de silaanmoleculen. In aanwezigheid van water gaan de silanen onderling
polymeriseren en niet-produceerbare dikten veroorzaken. Blitz toonde aan dat directe
condensatie tussen methoxysilanen en silanolgroepen in droog tolueen gerealiseerd kan
worden in aanwezigheid van ammoniak. Zij stelden twee mogelijke mechanismen voor, voor
deze ammoniak gekatalyseerde silanering (Figuur 11) [38, 40].
In het eerste mechanisme (a)wordt een laag-energetische zesledige ring gevormd en bij het
tweede mechanisme (b) wordt een pentacoördinatief intermediair gevormd, na de nucleofiele
aanval van ammoniak op het siliciumatoom.
13
Figuur 11: Ammoniak katalyse van methoxysilanen op het silicaoppervlak [23]
Aminosilanen bevatten een analoge katalyserende aminefunctie in de organische keten
zodat de reactie tussen aminosilanen en silica in droge condities zelf-gekatalyseerd is. Er
treedt een directe condensatie op door de waterstofbrugvorming tussen het amine en de
silanolgroepen of door protontransfer. Dit leidt tot een snelle adsorptie door condensatie. Het
reactiemechanisme van APTS (aminopropyltriethoxysilaan) met silica in droge condities
wordt getoond in Figuur 12 [38, 40].
14
Figuur 12: Reactiemechanisme van APTS met silicagel [40]
2.4. Functionalisatie van silicamaterialen
In paragraaf 2.3 zijn de verschillende manieren voor het silaneren van silicamaterialen in de
vloeistoffase uitgelegd. Naargelang de silaneringswijze bestaan er drie methodes voor de
synthese van poreuze hybride materialen gebaseerd op organosilicaeenheden:

Postmodificatie van het oppervlak van zuiver anorganisch silicamateriaal (grafting).

Co-condensatie van silica en de organosilicaprecursoren (one-pot synthese).

Incorporatie van organische groepen als brugvormende componenten, direct en specifiek
op de poriewanden door het gebruik van dubbel gesilaniseerde organosilica precursoren
(PMO’s).
Naargelang de methode wordt het silicacomposiet ofwel eerst afzonderlijk gesynthetiseerd
ofwel gesynthestiseerd tijdens de functionalisatiereactie via template synthese (zie deel
2.4.1).
15
2.4.1. Template synthese
Het
gebruik
van
ionische
surfactanten
(lange
keten
alkyltrimethylammonium
bromide/chloride) als structuurvormende intermediairen of structure-directing agents (SDA’s)
was een doorbraak in de synthese van deze materialen. Deze SDA’s, in de vorm van een
lyotropische vloeibaar-kristallijne fase, leiden tot de vorming van een geordend mesoporeus
composiet. Een lyotroop vloeibaar kristalijne fase bestaat uit twee of meerdere componenten
die samen vloeibare kristallijne eigenschappen vertonen. De poreuze structuur van deze
materialen wordt bekomen door anorganische netwerk materialen (tetraethyl-(TEOS) of
tetramethylorthosilicaten (TMOS) op te bouwen rond deze structuurvormende intermediairen
(template). Het mesoporeus materiaal wordt bekomen door de verwijdering van het
surfactans door middel van extractie of calcinatie [27, 34, 41, 42].
2.4.2. Grafting (postsynthetische functionalisatie van silica)
Grafting is de modificatie van het mesoporeus silicaoppervlak met organische groepen
(Figuur 13). Dit proces vindt voornamelijk plaats door de reactie tussen organosilanen van
het type (R’O)3SiR of in mindere mate met chlorosilanen ClSiR3 of silazanen HN(SiR3)3 met
de silanolgroepen op het oppervlak van de poriën.
Figuur 13: Postsynthetische functionalisatie van silica
Er kan gefunctionaliseerd worden met verschillende organische groepen door enkel variatie
van de organische verbinding R. Het voordeel van deze manier van modificatie is dat onder
de toegepaste synthetische omstandigheden de mesostructuur van de silica behouden blijft.
De functionalisatie geeft uiteraard een daling van de porositeit van het hybride materiaal.
Deze daling is afhankelijk van de grootte van de organische groep. Een nadeel van grafting
is dat wanneer de organosilanen initieel voornamelijk aan de openingen van de poriën
reageren, de diffusie naar het centrum van de poriën wordt verhinderd. Dit leidt tot een niethomogene verdeling van de organische groepen en een mindere graad van bezetting binnen
de poriën. In extreme gevallen kan dit zelfs leiden tot het volledig verstoppen van de poriën:
pore blocking [34].
16
2.4.3. Co-condensatie (one-pot synthese)
De co-condensatie methode (one-pot synthese) is een alternatieve methode die ook vaak
wordt toegepast voor de synthese van organisch gefunctionaliseerde mesoporeuze silica.
Door co-condensatie van tetra-alkoxysilanen [(RO)4Si (TEOS of TMOS)] met terminale
trialkoxyorganosilanen van het type (R’O)3SiR, in de aanwezigheid van structuur-vormende
agentia, is het mogelijk om gemesostructureerde silica fasen te vormen waarbij de
organische verbindingen covalent gebonden zijn op de poriewanden. Een vereenvoudigde
weergave van dit soort van functionalisatie wordt geïllustreerd op Figuur 14.
Aangezien de functionele organische groepen directe componenten zijn van de silicamatrix,
is er geen sprake van porieblokkage. Bovendien zijn de organische groepen homogener
verdeeld. Er zijn ook een aantal nadelen aan de co-condensatie methode. Bij een té hoge
concentratie van (R’O)3SiR in het reactiemengsel wordt er volledig ongeordend product
gevormd. Bovendien is het gehalte aan terminale organische groepen, die ingebouwd zijn in
de poriewanden, algemeen lager dan wat er verwacht zou worden volgens het
reactiemengsel. Dit kan verklaard worden doordat een toenemende verhouding van
(R’O)3SiR in het reactiemengsel homocondensatiereacties begunstigt zodat er minder cocondensatie plaatsgrijpt met de silicaprecursoren. Bovendien kan een stijging van de
belading van de organische groepen leiden tot dalingen van de poriediameter, het
porievolume en het specifiek oppervlak [34].
Figuur 14: Co-condensatie van silicamateriaal en organosilaanprecursor
17
Garcia et al. [43] bestudeerden de impact van grafting en co-condensatie op de
materiaaleigenschappen. Zij zetten butenylgroepen in verschillende verhoudingen op MCM41 via grafting en co-condensatie (Tabel 3). Bij grafting zijn de oppervlakeigenschappen
relatief minder gewijzigd in vergelijking met co-condensatie met toenemende organische
belading. Dit kan verklaard worden door de hogere gehalten aan functionele groepen aan het
oppervlak die bereikt kan worden via co-condensatie dan via grafting. Dit groter gehalte zorgt
dat de mesoporositeit daalt en dit kan gezien worden door de daling van de drie
eigenschappen in functie van de stijgende belading.
Tabel 3: Vergelijking materiaaleigenschappen van grafting- en co-condensatieprocedure [27]
Grafting onder reflux (24 u) bij 25 °C met 2g silica materiaal en gewenste hoeveelheid precursor in 300 ml
tolueen. Co-condensatatie met 2.12 g cetyltrimethylammoniumbromide (DMA), 80g destileerd water (AD),
6.57 g dimethylamine (DMA) en 8.25 g TEOS en gewenste hoeveelheid precursor bij 25°C gedurende 4 u
geroerd.
Materiaal
Synthese
butenylgroep/TEOS
SBET
Dp
Vt
proces
Molaire verhouding
(m²/g)
(Å)
(cm³/g)
-
-
1010
27.2
0.750
grafting
1:2
941
28.5
0.832
1:1
934
26.2
0.706
co-
1:5
896
27.3
0.737
condensatie
1:2
982
24.5
0.669
1:1
563
22.3
0.283
Puur silica
MCM-41
MCM-41
2.4.4. PMO’s
PMO’s
ontstaan
door
hydrolyse-
en
condensatiereacties
van
brugvormige
organosilicaprecursoren van het type (R’O)3Si-R-Si-(OR’)3 rond een template. In
tegenstelling tot grafting en co-condensatie, worden de organische groepen ingebouwd in
het 3D netwerk van de silicamatrix door twee covalente bindingen. Op die manier worden
deze groepen volledig homogeen verdeeld in de poriewanden. Het voordeel van deze
materialen is dat ze specifieke oppervlakken hebben tot 1800 m2/g en daarnaast ook een
zeer hoge thermische stabiliteit vertonen door de twee covalente verbindingen in
tegenstelling tot de materialen gesynthetiseerd via grafting en de co-condensatiemethode
[34].
Dit is een nieuwe klasse van mesogestructureerde organisch-anorganische hybride
materialen - periodische mesoporeuze organosilica’s (PMO’s), waarbij de organische
bruggen integrale componenten zijn van het silicanetwerk (Figuur 15). In tegensteling tot de
18
amorfe aero- en xerogels worden PMO’s gekarakteriseerd door een periodisch geordende
poriestructuur en een zeer nauwe poriegroottedistributie [34].
Figuur 15: Synthese van een PMO
2.5. Thiol-ene clickreacties
Het doel van deze thesis is het incorporeren van het aminozuur cysteïne op silica. Aangezien
het aminozuur niet rechtstreeks geënt kan worden op silica, omdat deze geen organolsilaan
is, wordt er beroep gedaan op een belangrijke organische reactie, de ‘thiol-ene’ click reactie.
Deze soort van reacties gaan door tussen een thiolgroep en een vinylgroep.
Thiol-ene click reacties behoren tot de groep van syntheses waarbij een thiolgroep
gekoppeld wordt aan een olefine. Deze clickreactie is zeer efficiënt, selectief, eenvoudig uit
te voeren en geeft een hoge conversie onder milde condities. Daarom heeft deze unieke
reactie in de laatste decennia enorm de aandacht gekregen en wordt het toegepast bij de
synthese en modificatie van kleine moleculen en polymeren [44]. Deze selectieve reactie
tussen vinyl en thiol zorgt voor het behoud van de aminogroep en de carbonzuurgroep van
cysteïne op de silica [45-47].
Het reactiemechanisme is radicalair en bestaat uit initiatie-, propagatie- en terminatiestappen
(Figuur 16). Initiatie omvat de behandeling van het thiol met een foto-initiator onder UVbestraling wat resulteert in de vorming van een thiylradicaal. Bij de propagatie gebeurt eerst
een rechtstreekse additie van het thiylradicaal aan de C=C binding van de vinylgroep met
vorming van een intermediair radicaal. Vervolgens wordtdoor een ketentransfer-reactie met
19
een tweede thiolmolecule, een thiol-ene additieproduct met een anti-Markovnikov oriëntatie
en een nieuwe thiylradicaal gevormd. Mogelijke terminatie gebeurt via typische radicaalradicaal koppelingen [48]. Hierbij worden de klassieke voordelen van de clickreacties
gecombineerd met de voordelen van fotogeïnitieerde reacties die op specifieke momenten
en locaties uitgevoerd kunnen worden [48-50].
Figuur 16: Thiol-ene clickmechanisme [34]
20
3. Silica gebaseerde bifunctionele katalysatoren voor
aldolcondensatiereacties
3.1. Coöperatieve katalyse
Er is steeds een toenemende vraag naar meer actieve katalysatoren met een hoge graad
van
precisie.
Om
deze
verhoogde
prestaties
te
kunnen
bereiken,
kijken
katalysatorontwerpers vaak naar enzymatische systemen als een bron van inspiratie.
Enzymen zijn gekend voor hun hoge katalytische activiteit en specificiteit onder relatief milde
omstandigheden. Het vastleggen van de kritische kenmerken van de natuurlijke enzymen en
deze kenmerken toepassen in de chemische katalytische systemen is het doel van de
meeste katalysatorontwerpers. De coöperatieve interactie tussen verschillende types actieve
centra zoals zuur-base coöperatieve katalyse is één van de meest gebruikte concepten dat
afkomstig is uit de enzymatische katalyse. Een bekend voorbeeld is het natuurlijk enzym
aldolase dat de aldolreactie in de natuur met succes katalyseert via een enaminemechanisme door gebruik te maken van de aminefunctie van een lysine in combinatie met
de carbonzuurfunctie van asparaginezuur. Dit natuurlijk concept wordt in de literatuur
toegepast voor de synthese van heterogene katalysatoren voor de aldolcondensatiereacties
[32].
Vermits in de industrie aldolcondensaties zowel zuur als basisch gekatalyseerd kunnen
worden, kunnen deze volgens de literatuur verder gepromoot worden door toevoeging van
een tweede type actief centrum. Systemen met een dubbele activiteit worden coöperatieve
katalyse genoemd [51-53]. Hoewel deze efficiënte dubbele activatie de reactie zal
bevorderen, kunnen de zure en de basische componenten ook met elkaar interageren wat
resulteert in een lagere katalysatoractiviteit. Om dit te voorkomen worden beide
componenten geïncorporeerd in een stabiele matrix, zoals mesoporeuse silica’s [51, 52].
Er zijn verschillende manieren waarop de twee activiteiten coöperatief met elkaar kunnen
interageren (
Figuur 17): (a) dubbele activatie, waar het actief
centrum A R1 activeert en B R2; (b) sequentiële activatie, waar A R2 activeert en B R2
verder activeert; (C) zelf-activatie, waar A eerst B activeert en B verder R2 activeert en (d)
multiple-point transition-state stabilisatie [14, 52].
21
Figuur 17: Coöperatieve katalyse [29]
Recent werd aangetoond dat silica gefunctionaliseerd met aminosilanen een betere
performantie vertoont bij aldolcondensatiereacties door het enten van een zwak zure groep
op het silicaoppervlak. Aangezien het silicaoppervlak zelf al zwak zure silanolgroepen bevat,
kan deze beschouwd worden als een tweede actief centrum [18, 20, 54]. In Tabel 4 worden
enkele in de literatuur gevonden getalwaarden weergegeven voor de activiteit van aminegefunctionaliseerde katalysatoren zonder en met silanolgroepen (TOF = aantal mol
reactieproduct per mol actief centrum per uur). Men ziet dat de activiteit verschilt naargelang
het dragermateriaal en dat de activiteit meer dan drie keer hoger is in aanwezigheid van
silanolgroepen.
Tabel 4: Activiteit van 3-aminopropyl-trimethoxysilaan-gefunctionaliseerde katalysatoren in de
aldolcondensatiereactie tussen aceton en 4-nitrobenzaldehyde
Drager
TOF (h-1) zonder
TOF (h-1) met
Silicagel 60
0.69
3.74 [1]
SBA-15
0.8
2.6 [54]
Lauwaert et al. [1] hebben dit eveneens geobserveerd: Figuur 18. Doordat een waterstofbrug
gevormd wordt tussen de carbonylverbinding en de silanolgroep, wordt het elektrofiele
reagens actief en meer vatbaar voor de nucleofiele reactie, waardoor de activeringsenergie
daalt en de activiteit van de katalysator stijgt. Men ziet dat de reactiesnelheid stijgt met de
stijgende hoeveelheid silanolgroepen. Vanaf een verhouding van 1.7 silanol/amine blijft de
TOF-waarde constant. Theoretisch moet dit 1 silanol/amine zijn omdat slechts één
silanolgroep vereist is per actieve amine. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat niet alle
aminegroepen een silanolgroep in de nabijheid heeft [1].
22
Figuur 18: Invloed van silanolgroepen
De invloed van het organisch zuur op de katalytische activiteit bij aldolcondensatiereacties in
afwezigheid van amines is eveneens bestudeerd. Deze vertoonde geen enkele katalytische
activiteit wat wil zeggen dat de aanwezigheid van een aminefunctionaliteit cruciaal is [18]. De
silanolgroepen fungeren dus enkel als promoters en niet als katalytisch actieve centra.
Figuur 19 toont het mechanisme van aldolcondensatiereactie tussen aceton en 4nitrobenzaldehyde in afwezigheid van de silanolgroepen. Integenstelling tot het homogeen
basisch gekatalyseerd mechanisme waarbij de reactie verloopt via een enolaat intermediair,
wordt hier in een eerste stap een alcohol gevormd door de nucleofiele additie van aceton op
de aminegroep. Daarna wordt dit alcohol gedehydrateerd tot een enamine. In een volgende
stap reageert dit enamine met 4 nitro-benzaldehyde tot een iminiumion. Het primair
aldolproduct 4-hydroxy-4(4-nitrofenyl)butaan-2-on wordt gevormd door de hydratatie van het
iminiumion. Wanneer het aldolproduct een watermolecule verliest, wordt het secundaire
ketonproduct 4-hydroxy-4(4-nitrofenyl)-3-buteen-2-on gevormd [1].
23
Figuur 19: Aldolcondensatiereactie in afwezigheid van silanolgroepen[1]
24
Figuur 20 toont het mechanisme van 4-nitrobenzaldehyde met aceton in aanwezigheid van
silanolgroepen.
Figuur 20: Aldolcondensatiereactie in aanwezigheid van silanolgroepen[1]
Het promotende effect is duidelijk in stappen 2 en 6 waarbij het reagens meer vatbaar wordt
voor de nucleofiele additie door vorming van een waterstofbrug met de silanolgroepen.
Bij het bestuderen van de invloed van het type aminegroep op de katalytische activiteit in
aldolcondensatiereacties, werd er bevonden dat secundaire amines het best scoorden,
gevolgd door primaire amines en als laatste en dus minst actieve, de tertiaire amines (Figuur
21). De mogelijke verklaring van de inactiviteit van de tertiaire amines ligt aan het feit dat het
niet mogelijk is om een enamine intermediair te vormen, wat een belangrijke tussenstap is,
door de sterke basiciteit van het alkylgesubstitueerde tertiaire amine [18, 55].
Xie et al. [55] hebben de katalytische activiteit van mesoporeuze silica geïncorporeerd met
verschillende aminegroepen bestudeerd (Figuur 21). Zo ziet met dat de conversie van het
secundaire amine (TOF = 26 h -1) na 6 uur ongeveer 2.5 maal hoger is dan die van het
primaire amine (TOF = 4.2 h-1) en dat de conversie van het tertiaire amine praktisch nul is
[54, 55].
25
% Conversie
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
DMAPTS
APTS
MAPTS
0
1
2
3
Tijd (u)
4
5
6
Figuur 21: Invloed verschillende soorten precursoren [35]
MCM-41-katalysatoren geënt met 3-aminopropyl-trimethoxysilaan (APTS) (primair amine), 3-(N-methylaminopropyl)trimethoxysilaan (MAPTS) (secundaire amine) en 3-(N,N-dimethylaminopropyl)trimethoxysilaan (DMAPTS) (tertiaire amine) werden uitgetest bij de aldolcondensatiereactie tussen 4-nitrobenzaldehyde (152 mg) en aceton (10 ml) bij 50 °C
Brunelli et al. [51] en Zeiden et al. [56] toonden aan dat de vervanging van de silanolgroepen
door sterke carboxylzuren een negatieve impact heeft op de katalysatoractiviteit. Zij
onderzochten het effect van de pKa op de katalytische activiteit van de zuur-base
bifunctionele
silicamaterialen
voor
aldolcondensatiereacties
tussen
aceton
en
4-
nitrobenzaldehyde. Deze ondervonden een hogere conversie naarmate de pKa van het zuur
toenam. Minder sterke zuren zoals carbonzuren gaven een groter aantal vrije zuur/base
centra wat tot een hogere katalytische activiteit leide. In Tabel 5 wordt de conversies
weergegeven bij verschillende soorten zure componenten. [56, 57].
Tabel 5: Invloed verschillende soorten zuurgroepen
De verschillende zuurgroepen werden geïncorporeerd op SBA-15 met 3-aminopropyltrimethoxysilaan. De
katalysatoren werden uitgetest bij de aldolcondensatiereactie tussen 4-nitrobenzaldehyde (76 mg) en
aceton (10 ml) bij 50 °C voor 20 uur.
Zuurtype
pKa
Conversie (%)
Sulfonzuur
-2
62
Fosforzuur
3
78
carbonzuur
5
99
26
3.2. Aminozuren als katalysatoren
Organische moleculen die zowel een carboxylgroep (-COOH) als een aminegroep (-NH2)
bezitten worden aminozuren genoemd. Cordova et al. [58] hebben aangetoond dat lineaire
aminozuren en hun derivaten superieure katalysatoren zijn voor aldolcondensatiereacties
[59]. Een voorbeeld van een natuurlijk aminozuur welke ongemodificeerd kan gebruikt
worden en actief is in meer dan tien soorten reacties, is L-proline [45, 60]. Prolinegekatalyseerde aldolcondensatiereacties zijn reeds uitgevoerd in homogene condities en
gaven zeer hoge conversies [61]. List et al. [62] bestudeerden de reactie van aceton en 4nitrobenzaldehyde met 30 mol% proline als homogene katalysator in DMSO als solvent. Na
4 uur reageren bij kamertemperatuur werd een opbrengst van 68% aldolproduct
geobserveerd.
Proline kan verschillende soorten reacties aangaan met verschillende soorten aldehyden. De
reacties waarbij proline als katalysator wordt gebruikt, verlopen volgens een enamine
mechanisme (Figuur 22). Zoals de meeste aldolcondensaties vereist deze variant geen
voorgevormde enolaat. Proline bevat zowel een aminogroep als een zure cokatalysator in de
vorm van een carboxylaat. Deze cokatalysator kan elke individuele stap van het mechanisme
vergemakkelijken: (a) de nucleofiele aanval van de aminogroep; (b) de dehydratatie van het
carbinolamine tussenproduct; (c) de deprotonering van het iminium; (d) de C-C binding; (e en
f) en beide stappen van de hydrolyse van het iminium-aldol tussenproduct [62].
Figuur 22: Proline-gekatalyseerde aldolcondensatiereactie[44]
27
Proline als katalysator voor de aldolcondensatiereacties heeft volgende voordelen: (a)
proline is niet toxisch en goedkoop; (b) de reactie vereist geen inerte condities en wordt
uitgevoerd bij kamertemperatuur; (c) er is geen voorafgaande wijziging van de
carbonylsubstraten zoals deprotonering; (d) de katalysator is wateroplosbaar en kan
gemakkelijk verwijderd worden met een waterextractie en (e) de reacties kunnen uitgevoerd
worden op industriële schaal [62]. Het grote nadeel is natuurlijk dat dit een homogene
katalyse is. Een manier om deze zeer actieve katalysator gemakkelijk te recupereren is de
immobilisatie ervqn op een mesoporeuze drager [61].
Ondanks
de
superieure
katalytische
werking
van
verschillende
aminozuren
bij
aldolcondensatiereacties, is er nog steeds heel weinig onderzoek verricht omtrent de
immobilisatie van aminozuren op vaste materialen [46, 59]. Het “Center for Ordered
Materials, Organometallics & Catalysis” COMOC (= een onderzoeksgroep binnen de faculteit
wetenschappen van de UGent) hebben een “Periodic Mesoporous Organosilica” (PMO)
gefunctionaliseerd met proline gesynthetiseerd. De prestaties van deze katalysator worden
binnen deze thesis bestudeerd en de resultaten worden besproken in deel III: resultaten.
3.3. Invloed van solvent
Bij bifunctionele materialen met zure en basische componenten is er een evenwicht tussen
de vrije zure en basische componenten en het ionenpaar dat een resultaat is van de
neutralisatie (NH2 ↔ NH3+, COOH ↔ COO-). Het solvent heeft een grote invloed op dit
evenwicht. In een polair protisch solvent zou het evenwicht in de richting van het ionenpaar
liggen door de snelle protontransfer en de stabilisatie van het ionenpaar. Een apolair
aprotisch solvent veroorzaakt een langzamere uitwisseling van het proton en zal een
ionenpaar minder goed stabiliseren in vergelijking met een protisch solvent, dus het
evenwicht zal meer in de richting van het vrije zuur en base liggen. Zeiden et al. [57]
onderzochten de invloed van verschillende solventen op de katalytische activiteit bij
aldolcondensatiereacties tussen 4-nitrobenzaldehyde en aceton: Tabel 6. De conversie is
bijna 30% in polaire protische solventen zoals water en methanol en rond 65% in polaire
aprotische solventen zoals diethylether en chloroform. Apolaire aprotische solventen zoals
hexaan en benzeen geven zelfs conversies boven 70%. Er is dus duidelijk een effect op de
conversie dat gerelateerd kan worden aan de polariteit van het solvent [56, 57, 63].
28
Tabel 6: Aldolcondensatiereactie van aceton en 4-nitrobenzaldehyde bij verschillende
soorten solventen [57].
De reactie werd uitgevoerd gedurende 20u bij 50°C in aanwezigheid van SBA gefunctionaliseerd met 3aminopropyltrimethoxysilaan en met een sulfonzuurgroep . A staat voor het aldolprouct en B voor het
ketonproduct.
Solvent (1:1)
A[%]
B[%]
conversie[%]
H2O
27
7
34
MeOH
14
9
23
Et2O
52
13
65
CHCl3
60
9
69
Hexaan
75
13
88
Benzeen
62
12
74
Er is gezocht naar solventen die gebruikt worden bij zuur-base coöperatieve katalyse. De
meeste studies suggereren dat apolaire aprotische solventen zoals hexaan hiervoor het
meest geschikt zijn [1, 20, 51, 56, 57]. Er werd eveneens gezochtgegaan naar solventen die
specifiek
gebruikt
worden
bij
aminozuren.
Op
die
manier
werd
gevonden
dat
dimethylsulfoxide (DMSO) [47, 60-62] en zoutoplossingen [58, 64] zeer effectieve solventen
zijn om aminozuren in de neutrale toestand te kunnen houden. Er zijn eveneens studies
gevonden waarbij men geen solvent gebruikt bij aldolcondensatiereacties tussen aceton en
4-nitrobenzaldehyde [45, 54]. In dit geval is aceton (in overmaat) het solvent.
3.4. Invloed van afstand tussen zuur en base
Bij aldolcondensatiereacties in aanwezigheid van bifunctionele zuur-base katalysatoren
wordt aldehyde geactiveerd door het zuur en aceton gedeprotoneerd door de base. Om deze
coöperatieve katalyse te bewerkstelligen moeten de zure en de basische groepen op de
vaste drager in elkaars nabijheid liggen [18]. Bij een te kleine afstand tussen zuur en base
zal het zuur gedeprotoneerd en de base geprotoneerd worden. Echter bij een toenemende
afstand tussen zuur en base daalt de katalysatoractiviteit. Door de zuur-base afstand in te
stellen binnen een bepaald bereik, wordt de wederzijdse neutralisatie tussen het zuur en de
base voorkomen en de activiteit bevorderd. [59, 63].
29
Deel II
Materialen en methoden
30
1. Synthese
1.1. Heterogene bifunctionele katalysator
1.1.1. Inleiding
De bifunctionele silicamaterialen met een aminegroep en een carbonzuurgroep zijn
gefunctionaliseerd via grafting ( zie hoofdstuk 2.4.2 deel I ). De silica werd eerst
gefunctionaliseerd met aminegroepen en vervolgens met carbonzuurgroepen. Vooraleer
deze stappen aaneensluitend uitgevoerd konden worden, werden de silicamaterialen eerst
afzonderlijk gefunctionaliseerd met aminogroepen en carbonzuurgroepen. Aan de hand van
DRIFT, Raman en elementaire analyse werden deze materialen gekarakteriseerd. Op die
manier werd er nagegaan of de functionele groepen effectief op het materiaal aanwezig
waren. Zo kon men zien of het mogelijk was om de twee functionele groepen
achtereenvolgens af te zetten. Als dragermateriaal wordt een commercieel beschikbaar
mesoporeus silica, silicagel 60 met een gemiddelde poriediameter van 6 nm (Grade 7734,
Sigma-Aldrich) gebruikt.
1.1.2. Grafting van een secundair amine op silica
Vooraleer te graften, wordt de silica eerst voorbehandeld in een moffeloven (P123,
Nabertherm): gedurende 6 uur opwarmen tot 700 °C en 6 uur lang op 700 °C houden. Er
wordt bij 700°C gewerkt, omdat het experimenteel bepaald is dat er bij deze temperatuur
voornamelijk geïsoleerde silanolen (±1,1 OH/nm²) en in mindere mate geminale silanolen
voorkomen (zie 2.2 literatuurstudie) [38]. Daarna wordt het silicamateriaal afgekoeld tot
ongeveer 150°C. Deze temperatuur is hoger dan de kooktemperatuur van water (100 °C),
omdat er vermeden moet worden dat silicagel water opeemt. De tweede stap is het graften
van N-methyl-3-aminopropyltrimethoxysilaan (99 %, Sigma-Aldrich) op silicagel 60 (Figuur
23).
Figuur 23: Graften van N-methyl-3-aminopropyltrimethoxysilaan
31
Er wordt 5 g silica afgewogen en overgebracht in een refluxkolf. Hieraan wordt 30 ml droge
tolueen
(99.8%,
Acros
Organics)
en
een
bepaalde
hoeveelheid
N-methyl-3-
aminopropyltrimethoxysilaan, berekend met vergelijking 2-1, toegevoegd. Dit mengsel wordt
dan 24 uur op 120 °C onder een argonatmosfeer geroerd om contact met de lucht te
vermijden en gerefluxt zodat de verdampte tolueen terug gecondenseert wordt in de kolf. In
Figuur 24 wordt een foto van de proefopstelling weergegeven.
Figuur 24: Proefopstelling
Na 24 uur wordt het mengsel gefilterd over een glasfilter en gedurende drie uur op
kamertemperatuur gewassen met chloroform (>99.8%, Roth) om het solvent en de nietgereageerde precursormoleculen te verwijderen en de poriën van het materiaal terug te
openen. Na het wassen wordt het materiaal vacuümgedroogd met een vacuümpomp (type
AMEB 80 van Pfeiffer).
Er is gewerkt met verschillende hoeveelheden precursor. Deze hoeveelheid is afhankelijk
van de gewenste bezetting van de silanolgroepen en wordt berekend via vergelijking 2-1:
2-1
32
Met:
Nprecursor
mol precursor voor x (hier x=50% en 75%) percent bezetting (mol)
NOH
mol silanolgroepen in x g dragermateriaal (mol)
B
gewenste procentuele bezetting (%)
Msupport
massa dragermateriaal (g)
nOH
aantal silanolgroepen (OH/m²)
Asupport
specifiek oppervlak dragermateriaal (m²/g)
NA
getal van Avogadro (1/mol)
Voor een 50% bezetting van de silanolgroepen heeft men 0,002283295 mol precursor nodig
en voor een 75 % bezetting 0,003424942 mol.
1.1.3. Graften van een carbonzuur op silica [65-68]
De functionalisatie van silicagel 60 met het natriumzout van carboxyethylsilaanthriol (25%,
Sigma-Aldrich) (Figuur 25) verloopt analoog met deel 1.1.2. Door de 25 gew% precursor in
water is het werken onder argonatmosfeer hier overbodig en wordt dit hier niet toegepast.
Figuur 25: Graften van carboxyethylsilaanthiol
33
1.2. Heterogeen aminozuur
1.2.1. Inleiding
De synthese van een heterogene aminozuur is gebaseerd op een ‘thiol-ene’ click reactie (zie
hoofdstuk 2.5 deel I) tussen cysteïne en vinylsilica. Cysteïne is een polair aminozuur dat een
thiolgroep bevat. De aanwezigheid van een thiolgroep in dit aminozuur kan een belangrijke
rol spelen als een reactieve groep in de ‘thiol-ene’ reactie [45-47].
De cysteïne gebonden heterogene katalysator wordt in twee stappen gesynthetiseerd. In de
eerste stap wordt de vinylsilica gevormd door grafting van vyniltriethoxysilaan (VTES) (98%,
Sigma-Aldrich) op silicagel 60 via een refluxproces [49]. In de tweede stap wordt een thiolene click reactie uitgevoerd tussen vinylsilica en cysteïne (97%, Sigma-Aldrich) (Figuur 26)
[49].
Figuur 26: Grafting van VTES en clickreactie tussen de vinylgroep en de cysteïne
1.2.2. Graften van vinyltriethoxysilaan (VTES)
De grafting gebeurt analoog als beschreven in hoofdstuk 1.1.2 van deel II en onder dezelfde
condities. De vereiste hoeveelheid precursor wordt berekend met vergelijking 2-1.
Het gesynthetiseerde materiaal wordt in twee gelijke delen verdeeld. Een deel wordt verder
behandeld met 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazaan (98 %, ABCR) voor blokkering van de
silanolgroepen op het oppervlak van het materiaal en vervolgens geënt met cysteïne. Het
andere deel wordt direct geënt met cysteïne zonder blokkering van de silanolgroepen.
34
1.2.3. 1,1,1,3,3,3-hexamethyldisilazaan (HMDS) behandeling
Het materiaal wordt overgebracht in een kolf waaraan 30 ml HMDS wordt toegevoegd.
Aangezien de silanolgroepen (Si-OH) ook zuur zijn en men geen twee types zuren op
hetzelfde materiaal wil, moeten deze geneutraliseerd (Figuur 27) worden door de katalysator
drie uur in HMDS te roeren op kamertemperatuur. HMDS is een zeer reactieve
siliciumverbinding met een secundair amine. Bij de reactie met de oppervlaksilanolen wordt
HMDS afgebroken tot ammoniak [69].
Figuur 27: HMDS behandeling van het silicamateriaal
Na de HMDS behandeling wordt het mengsel gefilterd over een glasfilter en gewassen met
chloroform gedurende drie uur op kamertemperatuur om alle onzuiverheden te verwijderen
en de poriën te heropenen. Na het wassen wordt het materiaal gedroogd onder vacuüm.
1.2.4. Enten van cysteine
Enten van cysteïne is gebaseerd op de ‘thiol-ene’ click reactie tussen cysteïne en vinylsilica.
Als foto-initiator wordt 2-hydroxy-4’-(2-hydroxyethoxy)-2-methylpropiofenon (98%, SigmaAldrich) gebruikt.
In een kolf wordt de benodigde hoeveelheid cysteïne (berekend via vergelijking 2-1) opgelost
met 15 ml water per gram silicamateriaal. Er wordt vervolgens 15 ml methanol (99.9%, Acros
Organics) (voor een 50/50 oplossing van water/methanol) aan het mengsel toegevoegd en
goed geschud. Vervolgens worden de benodigde hoeveelheden foto-initiator (0.3 g fotoinitiator/ g katalysator) en het silicamateriaal toegevoegd en het geheel wordt goed
gemengd. Dit mengsel wordt onder argonatmosfeer in een UV-VIS reactor gebracht voor de
thiol-ene click reactie. Na twee uur wordt het mengsel gefiltreerd over een glasfilter.
Het materiaal wordt vervolgens gewassen met een 50/50 methanol/water oplossing
gedurende drie uur bij 60°C zodat alle niet-gereageerde precursorresten verwijderd worden
35
en de poriën opengaan. Na het wassen wordt het mengsel opnieuw over een glasfilter
gefiltreerd. Het bekomen materiaal wordt daarna met chloroform gedurende drie uur op
kamertemperatuur gewassen zodat alle restanten water en methanol verwijderd worden.
Nadien wordt het materiaal gedroogd onder vacuüm.
1.3. PMO Proline
De synthese van PMO proline bestaat uit zes grote stappen. Deze katalysator is ontwikkeld
in samenwerking met de COMOC-groep [70] .
De synthese van de thiol-gefunctionaliseerde PMO (Figuur 28) start met de modificatie van
een etheen precursor 1,2-bis(triethoxysilyl)ethaan (BTEE) (97%, ABCR) met thioazijnzuur
(96%, Sigma Aldrich). De vinylgroep van BTEE wordt via de thiol-ene clickreactie gekoppeld
met de thiolgroep van het thioazijnzuur tot een thiolester. In een tweede stap wordt de
carbonylverbinding van het thiolester verwijderd door aminolyse met propaanamine (98%,
Sigma Aldrich). Hierbij ontstaat een thiolprecursor. In een derde stap wordt deze precursor
gesynthetiseerd rond een
pluronic P123 (Sigma Aldrich) template en de thiol-
gefunctionaliseerde PMO-drager wordt gevormd.
Figuur 28: Synthese thiol-PMO
Na de synthese van de thiol-gefunctionaliseerde PMO volgt de synthese van het
prolinederivaat. Voor de synthese van het prolinederivaat gaat men uit van Boc-Lhydroxyproline (≥98 %, Sigma Aldrich). De hydroxylgroep van Boc-L-hydroxyproline wordt
36
eerst getransformeerd in een vinylether door een Williamson ether reactie (Figuur 29). De
hydroxylgroep wordt gedeprotoneerd met NaH (60%, Sigma Aldrich) en de natriumionen
worden gevangen door 18-kroon-6 (Sigma Aldrich). Dit verhoogt de reactiviteit van de
hydroxylgroep voor het vinylbromide in de SN2'-substitutie.
Figuur 29: Williamson ether reactie
Het prolinederivaat met de vinylgroep wordt vervolgens geënt op de thiol-gefunctionaliseerde
PMO door een thiol-ene clickreactie. De radicalaire initiator 2,2'-azobis (2-methylpropionitril)
(AIBN) (98%, Sigma Aldrich) wordt geactiveerd door het reactiemengsel te verwarmen tot
90°C. Na het enten wordt de tert-butyloxycarbonyl (Boc) groep verwijderd door behandeling
met trifluorazijnzuur (TFA) (99%, ABCR) in dichloormethaan (99.9%, ROMIL) (Figuur 30) en
PMO proline wordt gevormd.
Figuur 30: Synthese heterogene prolinederivaat
37
1.4. PMO cysteïne
PMO cysteïne is eveneens ontwikkeld in samenwerking met de COMOC-groep [70].
De synthese van de PMO-drager (Figuur 31) bestaat uit twee stappen. In een eerste stap
wordt BTEE-precursor gesynthetiseerd rond een pluronic P123 template. Hierbij wordt een
vinyl-gefunctionaliseerde PMO-drager gevormd.
Figuur 31: Synthese vinyl-PMO
In een laatste stap wordt de vinylcomponent van de PMO-drager gekoppeld met cysteïne
door een thiol-ene clickreactie en PMO cysteïne (99%, Acros) wordt gevormd (Figuur 32).
Figuur 32: Functionalisatie met cysteïne
38
2. Karakterisatie
2.1. Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy (DRIFTS)
Infraroodspectroscopie is de meest voorkomende vorm van vibratiespectroscopie. Hoewel
infraroodstraling ingedeeld is in drie categorieën, is de mid-infrarood regio het meest
interessante voor de karakterisatie van moleculen, omdat binnen deze regio de meeste
structurele informatie verkrijgbaar is [7]. Tabel 7 geeft de indeling en de eigenschappen van
de infraroodstaling weer.
Tabel 7: Indeling infraroodstraling [7]
Regio
Infrarood
Ver
Midden
Nabij
Golflengte (µm)
1000-1
1000-50
50-2.5
2.5-1
Energie (meV)
1.2-1240
1.2-25
25-496
496-1240
-1
Golfgetal (cm )
10-10000
10-200
200-4000
4000-10000
Detectie van
Rooster vibraties
Moleculaire vibraties
Overtonen
Het principe van infraroodspectroscopie is het absorberen van specifieke frequenties van
moleculen
die
kenmerkend
zijn
voor
hun
structuur.
Deze
absorbanties
zijn
resonantiefrequenties, dat wil zeggen dat de frequentie van de geabsorbeerde straling
overeenkomt met de frequentie van de binding of de groep die trilt. De energieën worden
bepaald door de vorm van de moleculaire potentiële energie oppervlakken, de massa van de
atomen en de bijbehorende vibronische koppeling.
De DRIFT-analyses worden uitgevoerd op een Nicolet 6700 van ThermoScientific met een
stikstof-gekoelde MCT-A detector. Infrarood licht wordt eerst door een interferometer geleid
en vervolgens door het monster. Een bewegende spiegel in de opstelling verandert de
verdeling
van
het
infrarood
licht.
Het
opgenomen
signaal
(de
interferogram)
vertegenwoordigt de lichtopbrengst in functie van de spiegelpositie. De Fourier-transformatie
zet deze ruwe data om in het gewenste resultaat (lichtopbrengst als een functie van het
golfgetal).
In vergelijking met andere IR technieken wordt alleen de verstrooide straling van het monster
verzameld door een speciale spiegel die gefocust is op de detector. Het gedetecteerde IRlicht geeft informatie over het monster. Op die manier kan het oppervlak van het materiaal
onderzocht worden. Om het infrarood spectrum van een monster te bekomen moeten zowel
het monster als een referentiestaal gemeten worden. Dit komt omdat elke meting niet alleen
beïnvloed wordt door de lichtabsorptie van het monster, maar ook door de lichtabsorptie van
39
het instrument en de omgeving. Door de referentiemeting wordt de invloed van het
instrument en de omgeving geëlimineerd [71, 72]. Het principe van DRIFTS wordt
geïllustreerd op Figuur 33.
Het infrarood absorptiespectrum wordt beschreven door de Kubelka-Munk functie [7]:
2-2
Met:
K
de absorptiecoëfficient ( in functie van de frequentie)
S
de verstrooiingscoëfficient
R∞
het reflectievermogen van een monster met oneindige dikte
Figuur 33: Principe van DRIFTS [58]
2.2. Raman spectroscopie
Raman spectroscopie is een spectroscopische techniek gebaseerd op inelastische
verstrooiing van monochromatisch licht, meestal afkomstig van een laserbron (E0= hv 0).
Inelastische verstrooiing betekent dat de frequentie van de fotonen in monochromatisch licht
verschuift door interactie met een monster. Fotonen van het laserlicht worden geabsorbeerd
door het monster en vervolgens geëmitteerd. De frequentie van de geëmitteerde fotonen
vertoont
een
verschuiving
omhoog
of
omlaag
in
vergelijking
met
de
originele
monochromatische frequentie, dit wordt het Raman effect genoemd. Deze verschuiving geeft
informatie over vibratie-, rotatie- en andere lage frequentie overgangen in de moleculen.
Raman en infraroodspectra geven vergelijkbare, maar complementaire informatie over
moleculaire vibraties. De combinatie van de twee technieken geeft dus meer informatie over
de moleculaire structuur van de moleculen.
Het licht dat bij terugval wordt uitgezonden (het verstrooiingsspectrum, het Ramanspectrum)
bestaat uit: 1) Licht met dezelfde frequentie als die van het ingestraalde licht(v 0), dit ten
40
gevolge van een elastische botsing (de Rayleighverstooiingslijn), 2) een reeks zwakke lijnen
met een lagere frequentie, omdat de lichtenergie door het monster opgenomen wordt en in
een hoger energietoestand terecht komt (Stokes-lijnen), 3) en een reeks zwakke lijnen met
een hogere frequentie (Anti-Stokes-lijnen) (Figuur 34). De moleculen die zich in een hogere
energietoestand bevinden, geven aan het foton bijkomende energie af en keren zo zelf terug
naar de grondtoestand [73, 74].
Een Raman systeem bestaat meestal uit vier belangrijke componenten: een excitatiebron,
een monster verlichtingssysteem en optische componenten, een golflengte filter en een
detector. Het monster wordt meestal verlicht met een laserstraal in het ultraviolet (UV),
zichtbaar (Vis) en in nabij infrarood (NIR). Het verspreide licht wordt opgevangen met een
lens en wordt door een interferentiefilter of een spectrofotometer gestuurd voor het verkrijgen
van een Raman spectrum van het monster [7].
Figuur 34: Stokes - anti-Stokes – Rayleighverstrooiingslijn [60]
De Raman-analyses zijn uitgevoerd op een SOP NXR FT-RAMAN Module van
ThermoScientific.
41
2.3. Stikstof-adsorptie
2.3.1. Principe
De meest gebruikte isotherm die multilaag-adsorptie beschrijft is de stikstofadsorptiedesorptie isotherm. Deze dient als basis voor een belangrijke analysetechniek voor het
meten van het specifiek oppervlak van een materiaal. Brunauer, Emmett en Teller (BET)
stelden een uitdrukking op voor een multilaag-adsorptie-isotherme, vertrekkend van de
volgende hypothesen: a) de adsorptie is gelokaliseerd; b) het adsorbensoppervlak is uniform;
c) er treedt geen interactie op tussen de adsorbaatmoleculen; d) botsing van een adsorptieve
molecule met een adsorbaatmolecule leidt niet noodzakelijkerwijze tot terugkaatsing; e)
adsorbaatmoleculen die niet rechtstreeks in contact staan met het oppervlak, worden niet
beïnvloed door het oppervlak [7].
Dit leidt tot de zogenaamde BET-vergelijking:
2-3
Met:
Va
geadsorbeerde volume (cm³)
p
dampdruk (Pa)
p°
verzadigde dampdruk (Pa)
Vm
theoretische monolaagvolume (cm³)
C
constante die informatie verschaft over de interactie tussen de adsorbaatmoleculen
en de oppervlakte.
Het BET-oppervlak wordt berekend met:
2-4
Met:
as
BET-oppervlak (m²/g)
W
massa van de katalysator (gcat)
Na
getal van Avogadro (1/mol)
am
oppervlakte van één adsorbaatmolecule (m²)
42
Als C groot genoeg is, kan de BET- vergelijking vereenvoudigd worden tot:
2-5
De meeste metingen gebruiken N2 als adsorbaatmolecule op -195.8 °C (kookpunt van
vloeibaar stikstof). Het voordeel is dat de isotherme kan opgemeten worden bij subatmosferische druk. Naast chemische inertheid heeft stikstofgas ook een kleine moleculaire
diameter zodat het katalysatoroppervlak bepaald kan worden voor poriën tot onder 1 nm.
2.3.2. Meting
Het BET-toestel (Micromeritics Gemini 2360) werkt bij het normaal kookpunt van N2 (-195.8
°C) en meet het volume zuiver N2 dewelke geadsorbeerd is bij evenwicht op een aantal gram
adsorbens bij verschillende drukken [75]. Hiermee kan het specifiek oppervlak, de
poriënvorm, het totaal volume en de poriegroottedistributie bepaald worden. In Figuur 35
wordt het apparaat voorgesteld [76].
Figuur 35: Micromeritics Gemini 2360 [61]
De Gemini heeft twee gasreservoirs (A). Het ene reservoir is gevuld met het monster en het
ander is leeg. Beide reservoirs zijn verbonden met een reservoir met hetzelfde volume als
stikstof. Vanuit de reservoirs wordt het gas gedoseerd in het monster en in de balansbuizen.
Een regelaar (B) aan de monsterzijde zorgt voor de gewenste vuldruk. Als het monster gas
adsorbeert, zal de druk doorgaans dalen in het monsterbuis, de regelaar (C) zorgt voor een
43
snelle respons om de druk constant te houden. De omzetter (D) die geplaatst is tussen het
monster en de balansbuizen detecteert het drukverschil tussen de twee buizen en geeft een
andere respons om de druk in beide buizen constant te houden. Een derde omzetter (E)
toont de druk tussen de twee reservoirs om de hoeveelheid gas dat op het monster
geadsorbeerd is te bepalen [77].
De vijf IUPAC standaard adsorptie-isothermen worden weergegeven in Figuur 36.
Figuur 36: IUPAC standaard adsorptie-isothermen [59]
De Type I isotherme is een typisch voorbeeld van microporeuze vaste stoffen. Type II en III
zijn voor fijnverdeelde niet-poreuze of macroporeuze vaste stoffen. Type IV en type V
hebben een hysteresis gegenereerd door de capillaire condensatie van het adsorbaat in de
mesoporiën van de vaste stof en zijn dus typerend voor mesoporeuze materialen.
2.4. Elementaire analyse
Elementaire analyse of CHNS/O- analyse wordt gebruikt voor de kwantitatieve analyse van
de elementaire elementen: koolstof, waterstof, stikstof, zwavel en zuurstof. Deze analyse
wordt
uitgevoerd
met
een
Thermo
Flash
2000
elementaire
analyser
met V2O5 als katalysator. Met hetzelfde toestel kunnen er meerdere analyses uitgevoerd
worden zoals CHNSO, CHNS of CHN [78]. In deze thesis wordt enkel CHNS gebruikt.
44
De analysemethode bestaat uit twee delen. In de eerste stap wordt het monster afgewogen
in een tinnen schuitje en met behulp van de monstercarrousel en een kogelkraan onder
toevoeging van zuurstof in de verticale verbrandingsoven gebracht. Hierdoor wordt er
plaatselijk een zeer hoge O2-concentratie verkregen die nodig is voor de verbranding van het
monster. De te analyseren elementen worden tijdens de verbranding omgezet in de
gasvormige componenten H2O, SO2, NOx, NO2 en CO2. Na het doorlopen van een
gekatalyseerde naverbranding volgt bij 500 °C reductie aan koper van stikstofoxiden tot
elementair N2 en wordt het overmaat zuurstof gebonden. Ook wordt SO 3 dat gevormd werd,
omgezet tot SO2.
Het draaggas helium transporteert het gasmengsel naar het tweede gedeelte van het toestel
waar de scheiding van de gassen en de detectie van de afzonderlijke componenten
plaatsvinden. In het geval van CHNS bepaling worden de gevormde CO 2, SO2 en H2O in één
analysegang over drie specifieke adsorptiekolommen geleid. N2 wordt niet geabsorbeerd en
wordt voor de uiteindelijke detectie getransporteerd naar de warmtegeleidbaarheidsdetector
(TCD). Nadat N2 gedetecteerd is, wordt de absorptiekolom voor CO 2 verwarmd en komt de
aan het dragermateriaal van de kolom gebonden CO2 vrij voor detectie met de TCD. Volgens
hetzelfde ‘purge and trap’ systeem worden achtereenvolgens H 2O en SO2 vrijgemaakt voor
detectie. Op Figuur 37 wordt een vereenvoudigde voorstelling van de opstelling
weergegeven.
De zuurstofanalyse verloopt volgens een pyrolytische reactie aan actieve kool bij 1150 °C
waarbij de omzetting plaatsvindt in CO gevolgd door detectie met een TCD of IR-detector
[37].
Figuur 37: Opstelling elementaire analyse [62]
45
Figuur 38 toont een voorbeeld van het CHNS-spectrum van een silicamateriaal geënt met
cysteïne: de retentietijd 80 komt overeen met koolstof, 227 met waterstof, 51 met stikstof en
528 met zwavel. Het aantal mol element (C, H, N en S) kan berekend worden met
vergelijking 2-6:
2-6
Met:
N
aantal mol element (mol)
w%
gewichtspercentage van het element (%)
MM
molaire massa van het element (g/mol)
N
aantal elementen per precursormolecule
Figuur 38: CHNS-spectrum silica geënt met cysteïne
Tabel 8 toont de CHNS-samenstelling van het spectrum van Figuur 38.
Tabel 8: CHNS-resultaten silica geënt met carboxyethylsilaantriol
W%
MW
g/g
mol/g
mmol/g
N
0.9662
14.0067
0.009662
0.00006898
0.6898
C
4.0178
12.011
0.04018
0.003345
3.345
H
0.6407
1.0079
0.006407
0.006356
6.357
S
0
32.065
0
0
0.000
46
Een molecule cysteïne afgezet op het silicamateriaal bevat één atoom stikstof. Zo kan het
aantal mol stikstof gerelateerd worden met het aantal actieve centra op het silicamateriaal:
2-7
Met
N,a
aantal mmol amine per gram silicamateriaal (mmol)
N
aantal stikstofatomen per molecule
47
3. Kinetische studie
3.1. Opstelling en monstername
De aldolcondensatiereactie tussen aceton (99.6%, Acros Organics) en 4-nitrobenzaldehyde
(99%, Acros Organics) is bestudeerd in een batchreactor (Parr 4560 mini reactor 300 ml). De
reactor beschikt over een mechanisch roersysteem (500 rpm) en een afdichtende mantel
waarbinnen zich een elektrische weerstand bevindt om de temperatuur elektrisch te kunnen
regelen via een PID-regelaar. Het model 4843 wordt tijdens de experimenten gebruikt als
temperatuurs-, roersnelheid- en drukregelaar. De Series 4840 regelaars bestaan uit een
verpakt temperatuurregeleenheid dat volledig bedraad en gemonteerd is met het vereiste
vermogen en veiligheidsrelais, schakelaars en waakvlammen. Deze units zijn specifiek
ontworpen voor gebruik met Parr reactoren. Er is eveneens een koeleenheid (DLK 402
circulatie koeler) met water/glycol voorzien. Deze koeleenheid bevat een driewegkraan die
opengaat in de richting van de reactor wanneer er een signaal komt van de
temperatuursregelaar. Op die manier circuleert er een water/glycol mengsel door de mantel
van de reactor tot de gewenste temperatuur bereikt is. Vervolgens wordt de driewegkraan in
de richting van de reactor weer afgesloten.
Voor de aldolcondensatiereactie tussen aceton en 4-nitrobenzaldehyde worden verschillende
types van gefunctionaliseerde silica gebruikt. Hierbij wordt er telkens hexaan (> 99%, Acros
Organics) als solvent en 4-methylbenzoaat (97%, Sigma-Aldrich) als inwendige standaard
toegevoegd. Tabel 9 toont de eigenschappen zoals kooktemperatuur, molaire massa en
dichtheid van de uitgangsproducten. De reacties zijn uitgevoerd bij atmosferische druk en bij
reactietemperaturen tussen 25-55 °C.
Tabel 9: Eigenschappen van de uitgangsproducten
Component
Kooktemperatuur (°C)
Aceton
4-nitrobenzaldehyde
Hexaan
4-methylbenzoaat
56
300
69
303
Molaire massa (g/mol)
58
151,12
92,14
181,15
Dichtheid (g/l)
791
/
654,8
/
Een injectiespuit wordt op een weegschaal afgewogen en de hoeveelheid hexaan wordt
hierin
opgezogen.
De
hoeveelheid
benodigde
inwendige
standaard
en
de
gefunctionaliseerde silica als katalysator worden afgewogen op een analytische balans en
samen in de reactor gebracht met hexaan. De reactor wordt via twee halve cirkels
vastgemaakt en vervolgens wordt er een mantel overgetrokken. De Parr reactor wordt
48
opgestart via de Parr regelaar. Het apparaat wordt op de gewenste temperatuur ingesteld.
De ingestelde temperatuur moet steeds onder het kookpunt van hexaan liggen om de
verdamping van hexaan te voorkomen.
Vervolgens wordt aceton opgewarmd in een oliebad om te voorkomen dat de temperatuur
van het mengsel daalt als deze op kamertemperatuur zou geïnjecteerd worden in de reactor.
De aceton wordt afgewogen in een injectiespuit en nitrobenzaldehyde wordt hierin
opgezogen en opgelost. Dit mengsel wordt geïnjecteerd via een injectieventiel in de reactor
nadat de gewenste temperatuur bereikt en gestabiliseerd is. Om de injectie te
vergemakkelijken wordt de kraan aan de barometer opengedraaid zodat de druk daalt en de
injectie gemakkelijk doorgaat. Na de injectie wordt de kraan weer dichtgedraaid.
Het tijdstip van injectie wordt beschouwd als de starttijd van de reactie. Er wordt onmiddellijk
een monster genomen dat geanalyseerd wordt met hoge druk vloeistofchromatografie
(HPLC).
Monstername gebeurt via een driewegkraan bovenaan de reactor. In de reactor bevindt zich
een metalen filter met kleine poriën die verbonden is met het driewegkanaal. Wanneer deze
kraan opengedraaid wordt, wordt via deze filter vloeistof uit de reactor aangezogen met
behulp van een injectiespuit en naar het driewegkanaal gebracht. Vervolgens wordt het
kraantje weer dichtgedraaid en door druk uit te oefenen op de injectiespuit komt de vloeistof
via een metalen buis in een vial terecht. Op die manier wordt er op verschillende tijdstippen
een staal genomen, die geanalyseerd worden met HPLC.
3.2. Monsteranalyse
De monsters worden geanalyseerd via een reversed-phase HPLC (RF-HPLC) van Agilent
1100 series. HPLC is een fysische scheidingsmethode, waarin de te scheiden componenten
verdeeld worden over twee fasen: een stationaire en een mobiele fase. Bij RF-HPLC is de
mobiele fase of het eluens een vloeistof die met behulp van een HPLC-pomp onder hoge
druk door een gepakte kolom (ZORBAX Eclipse XDB-C18, 4.6 x 150 mm x 4 µm) wordt
gestuurd. Deze kolom bevat de stationaire fase.
De mobiele fase bij RF-HPLC van de Agilent 1100 series bestaat uit een mengsel van water
en acetonitril. Acetonitril is een modifier en verhoogt de snelheid van de componenten door
de kolom.
49
Tengevolge van de verschillen in affiniteit van de componenten in het monster voor de
stationaire fase zullen de te scheiden componenten sneller of trager doorheen de kolom
bewegen en hebben ze dus een verschillende retentietijd (de tijd die een bepaalde stof nodig
heeft om het einde van de kolom te bereiken). Dit betekent dat de apolaire componenten een
sterkere affiniteit hebben voor de apolaire kolom dan de polaire componenten en dus een
hogere retentietijd [37]. De retentietijden van de verschillende componenten in de monsters
worden weergegeven in Tabel 10.
Tabel 10: Retentietijden van de verschillende componenten
Component
Aceton
4-nitrobenzaldehyde
4-methylbenzoaat
4-hydroxy-4-(p-nitrofenyl)-butaan-2-on
4-(p-nitrofenyl)3-butaan-2-on
Retentietijd (sec)
2.068
6.113
7.990
4.596
7.324
3.3. Detectie van de componenten
Na de scheiding op de HPLC-kolom worden de stoffen met verschillende retentietijden
gedetecteerd met behulp van een UV-VIS absorptiespectrofotometer.
HPLC wordt bij voorkeur gebruikt voor de bepaling van weinig of niet vluchtige verbindingen
met een hoger molecuulmassa, waarin veelal chromofore groepen voorkomen, zodat UV-VIS
detectie uiterst geschikt is. Wel is het gebruik van UV-transparante eluenten vereist. Bij UVVIS absorptiespectrofotometrie wordt er doorheen het monster monochromatisch licht
ingestraald en de intensiteit wordt achter de cel gemeten met een fotometer. Deze detector
registreert continu de absorptie van zichtbaar licht of UV-licht door het eluens. De detector
stuurt het signaal door naar een computer waardoor een chromatogram verkregen wordt
[37].
50
De transmissie of absorbantie, wordt geregistreerd in de tijd met behulp van een recorder.
De concentratie van de component in het eluens is evenredig met de absorbantie volgens de
wet van Lambert-Beer [37]:
2-8
Met:
A
absorbantie (-)
I0
intensiteit van het invallende licht (-)
I
intensiteit van het doorgelaten licht (-)
T
transmissie (-)
ε
molaire absorbantiecoëfficienten (l/mol.cm)
l
weglengte van de cel (cm)
c
concentratie van de component in het eluens in de cel (mol/l)
[37]
De
golflengte
waarbij de absorbantie
maximaal is,
zal de
meest nauwkeurige
concentratiemeting geven. Dat wil niet zeggen dat bij golflengten redelijk ver van het
maximum van absorptie er niet goed gewerkt kan worden. Tijdens de analyses wordt er niet
gewerkt bij een constante golflengte omdat elke component een maximale absorbantie
vertoont bij een welbepaalde golflengte. De maximale absorbanties van de reactieproducten
binnen de kinetische studie van de aldolcondensatiereactie tussen aceton en 4nitrobenzaldehyde wordt in Tabel 11 weergegeven.
Tabel 11: Golflengte bij maximale absorbantie
Component
Aceton
4-nitrobenzaldehyde
4-methylbenzoaat
4-hydroxy-4-(p-nitrofenyl)-butaan-2-on
4-(p-nitrofenyl)3-butaan-2-on
Golflengte bij maximale absorbantie (nm)
265
265
260
272
305
Om de gevoeligheid van de UV-detector voor een component te verhogen wordt de
golflengte
van
de
UV-lamp
gevarieerd
tijdens
de
detectie.
De
gebruikte
golflengteprogrammatie wordt in Tabel 12 weergegeven. Het is de bedoeling dat er van
golflengte veranderd wordt tussen twee pieken, dus de verandering van golflengte bij een
piek moet vermeden worden.
51
Tabel 12: Golflengte programmatie
Tijd (min)
0
3
5
6.9
7.75
Golflengte (nm)
265
272
265
305
260
3.4. Inhibitie
Kandel et al. [79] toonden aan dat er tijdens de aldolcondensatiereactie tussen aceton en 4nitrobenzaldehyde in aanwezigheid van een heterogene amine een imine intermediair
gevormd wordt tussen het amine op het oppervlak en 4-nitrobenzaldehyde (Figuur 39). De
resultaten van NMR in combinatie met elementaire analyse tonen aan dat dit tussenproduct
zelfs stabiel is na het wassen en drogen. Dit intermediair met een relatief grote afmeting
(ongeveer 1 nm) zorgt voor de reductie van de poriediameter, waardoor de diffusie
geblokkeerd wordt. Ook het aantal actieve centra daalt. Dit fenomeen treedt enkel op bij
primaire amines. Secundaire amines zijn niet in staat om een imine te vormen, waardoor er
geen inhibitie optreedt tijdens de reactie.
Figuur 39: Vorming van een inhibitie-intermediair [79]
Deze inhibitie wordt tijdens de reacties geminimaliseerd door steeds met een overmaat
aceton te werken. Wanneer een overmaat aceton gebruikt wordt tijdens de experimenten, zal
de reactiesnelheid van de aminefunctie met aceton hoger zijn dan de reactiesnelheid van de
aminefunctie met 4-nitrobenzaldehyde.
52
3.5. Hergebuikaarheid
De herbruikbaarheid van de verschillende katalysatoren wordt uitgetest door het
reactiemengsel na de reactie over een glasfilter te filtreren. De katalysator wordt vervolgens
gedurende drie uur gewassen met chloroform op kamertemperatuur om alle reagentia en
reactieproducten van het katalysatoroppervlak en uit de poriën te verwijderen. Daarna wordt
het mengsel opnieuw over een glasfilter gefilterd en de katalysator wordt gedroogd onder
vacuüm. De gedroogde katalysator wordt opnieuw gebruikt bij een nieuwe reactie onder
dezelfde condities. Er zal echter minder katalysator aanwezig zijn door het verlies tijdens
wassen en filtreren. Dit verlies wordt gecompenseerd in de berekeningen.
3.6. Verwerken van datasets
Een inwendige standaard, in dit geval 4-methylbenzoaat, is een molecule die niet deelneemt
aan de reactie. De hoeveelheid inwendige standaard in de reactor blijft dus steeds dezelfde.
Aangezien het volume dat in de RP-HPLC geïnjecteerd wordt niet altijd exact dezelfde is,
kunnen de piekoppervlaktes een klein beetje veranderen. Aangezien de piek van de
inwendige standaard steeds overeenkomt met dezelfde concentratie in de reactor, kunnen
de gegevens daarmee geschaald worden.
De detectie is echter niet even gevoelig voor alle moleculen. Zo wordt aceton bijvoorbeeld
veel minder goed gedetecteerd. De relatieve gevoeligheid van de detector voor een gegeven
component ten opzichte van de inwendige standaard wordt weergegeven door de
kalibratiefactor. Een kleine kalibratiefactor betekent dat de detector heel gevoelig is voor die
component.
De kalibratiefactoren zijn experimenteel bepaald door een reeks mengsels met verschillende
concentraties te maken: Tabel 13.
Tabel 13: Kalibratiefactoren
Component
Aceton
4-nitrobenzaldehyde
4-methylbenzoaat
4-hydroxy-4-(p-nitrofenyl)-butaan-2-on
4-(p-nitrofenyl)3-butaan-2-on
Kalibratiefactoren
786.69
0.8734
1
1.2936
0.5349
53
Via de kalibratiefactoren en de piekoppervlakten kunnen de molhoeveelheden van de
verschillende componenten in het monster berekend worden met vergelijking 2-9:
2-9
Met:
nc
aantal mol component c (mol)
CF
kalibratiefactor van component c (-)
Ac
piekoppervlak van de component c
Ais
piekoppervlak van de inwendige standaard
nis
aantal mol inwendige standaard (mol)
De conversie gebaseerd op de 4-nitrobenzaldehyde wordt berekend via vergelijking 2-10.
2-10
Met:
xnitro
conversie gebaseerd op 4-nitrobenzaldehyde
nnitro,voor
aantal mol nitrobenzaldehyde voor de reactie (mol)
nnitro,t
aantal mol nitrobenzaldehyde na reactietijd t (mol)
De opbrengst voor het aldolproduct (4-hydroxy-4-(p-nitrofenyl)-butaan-2-on) wordt berekend via
vergelijking 2-11:
2-11
Met:
Saldol
opbrengst van aldolproduct (-)
naldol
aantal mol aldolproduct (mol)
nnitro,voor
aantal mol nitrobenzaldehyde voor de reactie (mol)
nnitro,t
aantal mol nitrobenzaldehyde na reactietijd t (mol)
54
De opbrengst voor het ketonproduct (4-(p-nitrofenyl)3-butaan-2-on) wordt berekend via
vergelijking 2-12:
2-12
Met:
Sketon
opbrengst van ketonproduct (-)
Nketon
aantal mol ketonproduct (mol)
nnitro,voor
aantal mol nitrobenzaldehyde voor de reactie (mol)
nnitro,t
aantal mol nitrobenzaldehyde na reactietijd t (mol)
De omzettingsfrequentie of de turnover frequency (TOF) is een maat voor de activiteit van
een katalysator. Dit wordt berekend aan de hand van de hoeveelheid 4-nitrobenzaldehyde
dat omgezet is bij een welbepaalde reactietijd, vergelijking 2-13:
2-13
Met:
C4-nitro,0
concentratie van 4 nitrobenzaldehyde in begin van de reactie (mol)
C4-nitro,t
concentratie van 4 nitrobenzaldehyde op tijdstip t (mol)
t
tijdstip (s)
Namine
hoeveelheid actieve centra (mmol/g)
55
3.7. Delplot-analyse
Bhore et al. [80] beschrijft de Delplot analyse als een gemakkelijk te gebruiken werkwijze
voor de bepaling van de volgorde van de reactieproducten. In een eerste orde Delplot
worden de selectiviteiten (yi) uitgezet als functie van de conversie (x) voor elk product i.
Hierbij zijn de producten die bij een conversie van nul (= snijpunt met de y-as) een
selectiviteit hebben die niet nul is, de primaire producten (= producten die rechtstreeks uit de
reagentia gevormd worden) en producten met een selectiviteit nul, de niet-primaire
producten.
In een tweede orde Delplot worden de selectiviteiten gedeeld door de conversie (yi/x)
uitgezet als functie van de conversie (x) voor elk product i. Hier zullen de primaire producten
als de conversie naar nul gaat, naar oneindig gaan terwijl de secundaire producten een
waarde zullen hebben die niet nul en niet oneindig is.
56
Deel III
Resultaten
57
1. Karakterisatie van de Katalysatoren
1.1.
Gesynthetiseerde katalysatoren
Tabel 14 toont de verschillende gesynthetiseerde katalysatoren en hun dragers. De
elementaire samenstelling van de dragers en de katalysatoren werden bepaald via
elementaire analyse. Voor een rekenvoorbeeld wordt verwezen naar hoofdstuk 2 van deel II.
Tabel 14: Gesynthetiseerde katalysatoren en hun dragers
Type katalysator
C
(mmol/g)
H
(mmol/g)
N
(mmol/g)
S
(mmol/g)
Voorbehandelde
silicagel 60
Amine 1
Amine 2
0.192
0.562
0.000
0.021
2.104
2.563
5.040
6.118
0.397
0.515
0.000
0.000
Geënt met carboxyethylsilaantriol
COOH 1
COOH 2
2.814
2.763
8.165
8.664
0.000
0.000
0.000
0.000
Geënt met cysteïne, met HMDS
behandeling
CysHMDS 1
CysHMDS 2
CysHMDS 3
6.047
6.587
4.000
11.934
13.318
8.333
1.133
1.533
0.590
1.074
1.394
0.586
Geënt met cysteïne, zonder HMDS
behandeling
CysOH 1
CysOH 2
CysOH 3
CysOH 4
CysOH 5
4.167
2.923
2.821
2.598
3.362
8.982
6.000
18.442
5.794
6.509
0.886
0.625
0.530
0.454
0.677
0.882
0.588
0.468
0.455
0.648
Etheen-PMO
PMO cysteïne
15.777
16.365
31.109
29.258
0.000
0.531
0.000
0.501
Thiol-PMO
PMO proline
15.563
20.229
33.861
40.725
0.000
1.150
4.864
4.111
Silicamaterialen
Drager
Geënt met N-methyl-3aminopropyltrimethoxysilaan
PMO cysteïne
Drager
Geënt met cysteïne
Naam
PMO Proline
Drager
Geënt met proline
58
1.2.
Karakterisatie van de silicamaterialen
De silicamaterialen zijn steeds gesynthetiseerd vertrekkende van het commercieel
beschikbaar silicagel 60. In Tabel 14: Gesynthetiseerde katalysatoren en hun dragersworden
de gegevens afkomstig van de elementaire analyse van de voorbehandelde silicagel 60
omgezet naar het aantal mmol element per gram silicamateriaal.
Voorbehandelde silica bevat zoals verwacht geen stikstof en het zwavelgehalte is
verwaarloosbaar (onzuiverheden). De koolstof is te wijten aan de adsorptie van CO 2 van het
silicamateriaal tijdens contact met de lucht. De waterstof is te wijten aan de adsorptie van
waterdamp.
Figuur 40 toont het IR-spectrum van de voorbehandelde silicagel 60. In tabel 15 worden de
infraroodvibraties van silica weergegeven. Het gebied rond 1950-1766 cm-1 is toe te
schrijven aan de overtoon structuur vibratie van silica. Deze band wordt als referentie
gebruikt omdat deze niet verandert bij verschillende behandelingen [38, 81].
Intensiteit
Voorbehandelde silica
3900
3400
2900
2400
1900
Golfgetal (cm-1)
1400
900
400
Figuur 40: DRIFT-spectrum van voorbehandelde silicagel 60
59
Tabel 15: Infraroodvibraties van silica
-1
Band (cm )
Opmerkingen
3745
1950-1766
1625
1250-1020
970
870
800
OH-vibraties van de vrije Si-OH
Overtoon structuur vibratie van silica
OH-bending (moleculair water)
Assymmetrische Si-O-Si strekking
Si-O-(H…H2O) bending
Bending O-H (silanol)
In plane bending (geminol)
Figuur 41 toont het Raman-spectrum van voorbehandelde silicagel 60. De pieken tussen
500-200 cm-1 zijn afkomstig van de Si-O-Si strekking en Si-O-Si bending. Door de
complementaire werking tussen DRIFT en Raman zijn de Si-OH pieken niet zichtbaar in het
Raman-spectrum [38, 81].
Intensiteit
Voorbehandeld silica
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Golfgetal (cm-1)
Figuur 41: Raman-spectrum van voorbehandelde silicagel
Het DRIFT– en Ramanspectrum van voorbehandelde silicagel 60 komen goed overeen met
de in de literatuur teruggevonden spectra [38, 81].
60
1.2.1. Karakterisatie van silicagel geënt met N-methyl-3-aminopropyl-trimethoxysilaan
De
elementaire
samenstelling
van
N-methyl-3-aminopropyltrimethoxysilaan
gefunctionaliseerde silicamaterialen wordt weergegeven in tabel 14. Men ziet dat de
elemenaire samenstelling van het silicamateriaal (C, H en S) stijgt na grafting. Dat wil
zeggen dat er nieuwe bindingen zijn op het silica-oppervlak.
Figuur
42
toont
het
DRIFT-spectrum
van
silica
geënt
met
N-methyl-3-
aminopropyltrimethoxysilaan. De aanwezigheid van het secundaire amine kan aangetoond
worden met de piek tussen 3500-3300 cm-1 die overeenstemt met de C-H strekking van
secundaire amines. De pieken rond 2960-2850 cm-1 zijn toe te schrijven aan de propylketen
waarmee het amine aan het silicamateriaal gehecht is. De typische band van silica rond
1950-1766 cm-1 en pieken onder 1766 cm-1 zijn behouden. Een signaal rond 3745 cm-1 toont
dat er nog silanolgroepen aanwezig zijn op het silica-oppervlak na het enten met N-methyl-3aminopropyltrimethoxysilaan.
Intensiteit
Voorbehandeld silica
Amine 1
3600
3100
2600
2100
1600
1100
600
Golfgetal (cm-1)
Figuur 42: DRIFT-spectrum van voorbehandelde silica en silica geënt met N-methyl-3aminopropyltrimethoxysilaan
Figuur 43 toont het Ramanspectrum van silica gefunctionaliseerd met N-methyl-3aminopropyltrimethoxysilaan. Rond 2960-2800 cm-1 worden de C-H stretchingvibraties van
C-H waargenomen. De piek rond 1650-1560 cm-1 is toe te wijzen aan de N-H buig van de
aminegroep.
61
Intensiteit
Amine 1
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Golfgetal (cm-1)
Figuur 43: Raman-spectrum van silica geënt met N-methyl-3-aminopropyltrimethoxysilaan
Hierbij kan men zeggen dat de amineprecursor met succes afgezet is op het silicamateriaal.
Door het veranderen van het recept zijn deze materialen niet gebruikt in de kinetische
reacties en deze materialen zijn niet verder gekarakteriseerd.
1.2.2. Karakterisatie van silicagel geënt met carboxyethylsilaantriol
De
elementaire
samenstelling
van
carboxyethylsilaantriol
gefunctionaliseerde
silicamaterialen wordt weergegeven in tabel 14.
Het DRIFT-spectrum van carbonzuur op silicagel 60 wordt getoond op Figuur 44. De pieken
rond 2960-2850 cm-1 wijzen op de koolstofverbindingen van de precursor op het
silicamateriaal. Ook hier zijn de typische banden van silica rond 1950-1766 cm-1 en pieken
onder 1766 cm-1 behouden. Carbonzuren vertonen gewoonlijk brede en sterke absorpties
rond 3000 en 2500 cm-1. Deze pieken zijn weliswaar niet waar te nemen. Er zijn wel pieken
waar te nemen rond 1400 cm-1 en 1600 cm-1 die toe te schrijven zijn aan carboxylaationen.
Wat er op wijst dat de carbonzuurgroep nog steeds in zijn ionaire vorm is. Een klein signaal
rond 3745 cm-1 toont dat er nog een kleine hoeveelheid silanolgroepen aanwezig zijn op het
silica-oppervlak.
62
Voorbehandeld silica
Intensiteit
COOH 1
3900
3400
2900
2400
1900
1400
900
400
Golgetal (cm-1)
Figuur 44: DRIFT-spectrum van voorbehandelde silica en silica geënt met carboxyethylsilaantriol
Figuur 45 wordt het Ramanspectrum weergegeven van silica gefunctionaliseerd met
carboxyethylsilaantriol. Pieken rond 1150-1040 cm-1 zijn toe te schrijven aan C–O strekking.
De pieken rond 1610-1550 cm-1 en 1420-1300 cm-1 zijn afkomstig van carboxylaationen. De
pieken rond 800 cm-1 zijn afkomstig van de CO2-bending.
Intensiteit
COOH 1
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Golfgetal (cm-1)
Figuur 45: Raman-spectrum van silica geënt met carboxyethylsilaantriol
63
De carboxyethylsilaantriol precursor bestond slechts uit 25 gew% in een waterige oplossing.
Hierdoor zijn de meeste carbonzuren geïoniseerd tijdens de synthesereactie waardoor men
geen duidelijke carbonzuurpieken kon waarnemen. Daarom zijn deze materialen niet
gebruikt in de kinetische reacties en zijn deze materialen niet verder gekarakteriseerd.
1.2.3. Karakterisatie van silicagel geënt met het aminozuur cysteïne
De elementaire samenstelling van cysteïne gefunctionaliseerde silicamaterialen wordt
weergegeven in tabel 14.
In Figuur 46 worden de spectra van voorbehandelde silica vergeleken met silica geënt met
VTES en silica gefunctionaliseerd met cysteïne. De pieken rond 2960-2850 cm-1 zijn toe te
schrijven aan de koolstofverbindingen van de precursor op het silicamateriaal. De pieken
rond 3040-3010 cm-1 bij het spectrum van vinyl geënte silica wijzen op de C-H strekking van
de onverzadigde dubbele bindingen van VTES op silica. Deze pieken verminderen in het
spectrum van cysteïne gefunctionaliseerde silica. Dit betekent dat de thiol-ene click reactie
doorgegaan is. De pieken rond 1650-1560 cm-1 zijn te wijten aan de N-H buig van het primair
amine. Rond 3000 cm-1 zijn er twee pieken aanwezig die karakteristiek zijn voor primaire
amines. De pieken rond 800 cm-1 zijn afkomstig van de CO2-bending. De pieken rond 16001700 cm-1 zijn toe te schrijven aan de carboxylverbinding van het carbonzuur.
Voorbehandeld silica
Silica vinyl
Intensiteit
cysHMDS 2
3600
3100
2600
2100
1600
1100
600
Golfgetal (cm-1)
Figuur 46: DRIFT-spectrum van voorbehandelde silica, silica geënt met vinyltriethoxysilaan en cysteïne
64
Door fluorescentieverschijnselen heeft men geen Raman-spectra kunnen meten van de silica
cysteïne.
De stikstof adsorptie-desorptie isotherme van silicagel 60 gefunctionaiseerd met cysteïne
wordt getoond op Figuur 47. De isotherm is van het type IV wat overeenstemt met
mesoporeuze dragermaterialen. In Tabel 16 worden de resultaten van het BET oppervlakte,
totale porievolume en gemiddelde poriediameter van de silicageldrager vergeleken met silica
cysteïne. Men ziet zoals verwacht dat de drie eigenschappen na de functionalisatie dalen
door de incorporatie van moleculen in het structreel kadar van het silicamateriaal.
14
Hoeveelheid geadsorbeerd (mmol/g)
Adsorptie
12
Desorptie
10
8
6
4
2
0
0
0,2
0,4
0,6
P/P0
0,8
1
1,2
Figuur 47: Stikstof adsorptie-desorptie isotherme van silica cysteïne
Tabel 16: Gegevens silica cysteïne
SBET (m²/g)
Dp (nm)
Vt (cm³/g)
Voorbehandelde silica
341
6.68
0.536
cysOH 1
276
6.50
0.423
65
1.3.
Karakterisatie van PMO-materialen
PMO-dragers worden, in tegenstelling tot het commercieel beschikbaar silicagel 60,
gesynthetiseerd vertrekkende van brugvormige organosilicaprecursoren. Voor de synthese
wordt verwezen naar deel II.
De drager voor de PMO cysteïne is een etheen-PMO. De elementaire samenstelling van de
drager wordt weergegeven in tabel 14.
Figuur 48 toont het DRIFT-spectrum van etheen-PMO. De pieken rond 3745 cm-1
corresponderen met de vrije silanolgroepen. De pieken rond 3000 cm-1 cm zijn afkomstig van
de C-H strekking en de pieken tussen 1100-500 cm-1 zijn afkomstig van de siloxaangroepen
Intensiteit
Etheen-PMO
3900
3400
2900
2400
1900
Golfgetal (cm-1)
1400
900
400
Figuur 48: DRIFT-spectrum van etheen-PMO
De drager voor het PMO proline is een thiol-PMO. De elementaire samenstelling van de
drager wordt weergegeven in tabel 14.
Figuur 49 toont het DRIFT-spectrum van de thiol-PMO. De brede piek tussen 3700-3100
cm-1 kan toegeschreven worden aan water dat nog in het monster aanwezig is. De kleine
piek rond 3745 cm-1 correspondeert met de vrije silanolgroepen. De pieken rond 3000-2850
cm-1 zijn afkomstig van de C-H strekking en de pieken tussen 1100-500 cm-1 zijn afkomstig
66
van de siloxaangroepen. De piek rond 1450 cm -1 wordt veroorzaakt door de C-H deformatie
en een kleine piek rond 2560 cm-1 is afkomstig van de S-H strekking.
Intensiteit
Thiol-PMO
3900
3400
2900
2400
1900
1400
900
400
Golfgetal (cm-1)
Figuur 49: DRIFT-spectra van thiol-PMO
Door fluorescentieverschijnselen heeft men geen Raman-spectra kunnen meten van de twee
PMO-dragers.
1.3.1. Karakterisatie van PMO cysteïne
De elementaire samenstelling van PMO cysteïne wordt weergegeven in tabel 14.
In Figuur 50 wordt het DRIFT-spectrum van PMO-etheen vergeleken met het DRIFTspectrum van etheen-PMO na functionalisatie met cysteïne. De pieken rond 3800 cm −1 en
3000 cm−1 corresponderen respectievelijk met OH-strekking van de silanolgroepen en met
de C-H strekking. De grote piek rond 1100 cm−1 komt overeen met de siloxaangroepen. De
andere pieken rond 1000 en 500 cm−1 kunnen afkomstig zijn van de Si-C of Si-Si vibraties.
In het spectrum van PMO gefunctionaliseerd met cysteïne verschijnen twee pieken bij 1610
en 1722 cm−1, die respectievelijk overeenkomen met het primaire amine en het carbonzuur
van cysteïne.
67
etheen-PMO
Intensiteit
PMO cysteïne
4200
3600
3000
2400
1800
1200
600
Golfgetal (cm-1)
Figuur 50: DRIFS-spectra van etheen-PMO en PMO cysteïne
In Figuur 51 wordt het Ramanspectrum van PMO gefunctionaliseerd met cysteïne
weergegeven. Het N-H buig signaal kan men zien rond 1570 cm−1. De piek bij 2960 cm−1
komt overeen met C-H strekking en de scherpe piek bij 1300 cm−1 met C-N vibraties.
Intensiteit
PMO cysteïne
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
Golgetal (cm-1)
Figuur 51: Raman-spectrum van PMO cysteïne
68
De stikstof adsorptie-desorptie isotherme van PMO cysteïne wordt getoond op Figuur 52. De
isotherme is van het type IV wat overeenstemt met mesoporeuze dragermaterialen. In Tabel
17 worden de resultaten van het BET oppervlakte, totale porievolume en gemiddelde
poriediameter van het etheen-PMO vergeleken met PMO cysteïne. Men ziet zoals verwacht
dat de drie eigenschappen na de functionalisatie dalen door de incorporatie van moleculen in
het structreel kadar van het PMO-materiaal.
Hoeveelheid geadsorbeerd (mmol/g)
600
Adsorptie
Desorptie
500
400
300
200
100
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
p/p0
Figuur 52: Stikstof adsorptie-desorptie isotherme van PMO cysteïne
Tabel 17: Gegevens van PMO cysteïne
SBET (m²/g)
Dp (nm)
Vt (cm³/g)
Etheen-PMO
950
4.91
0.971
PMO cysteïne
636
4.89
0.776
1.3.2. Karakterisatie van PMO proline
De elementaire samenstelling van cysteïne PMO proline wordt weergegeven in tabel 14.
Men ziet een daling van het zwavelgehalte. Dat betekent dat de thiol-ene clickreactie
doorgegaan is en dat een deel van de thiolgroepen gelinkt zijn met prolinemoleculen.
69
In Figuur 53 wordt het DRIFT-spectrum van thiol-PMO vergeleken met dat van PMO na
functionalisatie met Boc-proline en met het eindmateriaal na deprotectie. In het PMO Bocproline spectrum is de piek rond 1700 cm−1 toe te schrijven aan de carbonylvibraties. De piek
rond 1400 cm−1 en de scherpe piek rond 1370 cm−1 zijn toe te schrijven aan de CH3
deformaties. Deze drie pieken zijn in het Proline PMO spectrum sterk gedaald. Dat wijst er
op dat een groot deel van de Boc-groep verwijderd is.
Thiol-PMO
PMO Boc-proline
Intensiteit
PMO proline
3600
2600
1600
600
Golgetal (cm-1)
Figuur 53: DRIFT-spectra van SH-PMO, PMO Boc-proline en PMO proline
De stikstof adsorptie-desorptie isotherme (Figuur 54) van PMO proline is van het type IV wat
overeenstemt met mesoporeuze dragermaterialen. In Tabel 18 worden de resultaten van het
BET oppervlakte, totale porievolume en gemiddelde poriediameter van het thiol-PMO
vergeleken met PMO proline. Men ziet zoals verwacht dat de drie eigenschappen na de
functionalisatie dalen door de incorporatie van moleculen in het structreel kadar van het
PMO-materiaal.
70
Hoeveelheid geadsorbeerd (mmol/g)
250
Desorptie
Adsorptie
200
150
100
50
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
p/p0
Figuur 54: Stikstof adsorptie-desorptie isotherme van PMO proline
Tabel 18: Gegevens van PMO proline
1.4.
SBET (m²/g)
Dp (nm)
Vt (cm³/g)
Thiol-PMO
528
4.17
0.551
PMO-proline
255
4.67
0.298
Besluit
Er zijn in totaal vijf types katalysatoren gesynthetiseerd. De eerste twee katalysatoren
waarbij
N-methyl-3-aminopropyltrimethoxysilaan
en
carboxyethylsilaantriol
afzonderlijk
afgezet zijn op het silicamateriaal werden gekarakteriseerd met DRIFTS, Raman en
elementaire analyse. Hieruit kan men besluiten dat de amineprecursor met succes afgezet is
op het silicamateriaal. De carboxyethylsilaantriolprecursor bestond slechts uit 25 gew% in
een waterige oplossing. Hierdoor zijn de meeste carbonzuren geïoniseerd tijdens de
synthesereactie waardoor men geen duidelijke carbonzuurpieken kon waarnemen. Door de
lage zuiverheid van de precursor kunnen de precursormoleculen eveneens onderling met
elkaar reageren in de waterige oplossing. Hierdoor werd er niet meer verdergegaan met
deze synthesemethode. De aminegroep en de carbonzuurgroep zijn dus niet op éénzelfde
materiaal afgezet zoals gepland en deze materialen zijn niet verder gekarakteriseerd.
71
In plaats van afzonderlijke enting van een aminegroep en een carbonzuur groep werd er
geopteerd om een aminozuur af te zetten op silicamateriaal en PMO. Zo werd het aminozuur
cysteïne afgezet op silicagel 60 en een vinyl-PMO en het aminozuur proline werd afgezet op
een thiol-PMO. Deze materialen werden gekarakteriseerd met DRIFTS, Raman, elementaire
analyse en stikstof adsorptie-desorptie isothermen. Hieruit werd geconcludeerd dat deze
materialen met succes afgezet zijn op het dragermateriaal. In het volgende hoofdstuk
worden deze gesynthetiseerde materialen gebruikt in de kinetische studie van de
aldolcondensatie tussen aceton en 4-nitrobenzaldehyde.
72
2. Activiteit van de katalysatoren
De katalytische activiteit van de drie gesynthetiseerde (silica cysteïne, PMO cysteïne en
PMO
proline)
katalysatoren is uitgetest in de aldolcondensatiereactie
tussen 4-
nitrobenzaldehyde en een overmaat aceton. De reactie is uitgevoerd in een Parr batch
reactor onder verschillende omstandigheden en de stalen zijn geanalyseerd met een RFHPLC.
2.1.
Herbruikbaarheid van de katalysator
Allereerst is de herbruikbaarheid van de katalysatoren uitgetest. Er wordt telkens een DRIFTspectrum van de katalysator genomen voor en na een katalytische test. Hieruit kan men
waarnemen of er nieuwe pieken bijgekomen zijn of er pieken verdwenen zijn. Door de
verkleuring (geel) van de katalysatoren na de katalytische test, kon er geen Ramanspectrum
genomen worden. De gekleurde monsters zijn onderhevig aan fluorescentie, waardoor deze
verbrand worden in het apparaat en geen spectra vertonen. De resultaten van elementaire
analyse en stikstof-adsorptie voor en na de katalytische test worden eveneens vergeleken.
2.1.1. Herbruikbaarheid van silica cysteïne
De activiteit van silica cysteïne bij het eerste en tweede maal gebruik wordt vergeleken in
Figuur 55. Men ziet dat de activiteit bij het tweede maal gebruik (TOF = 0.0154 h-1) veel lager
is dan bij het eerste (TOF = 0.0602 h -1).
73
8
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
1e keer
7
2e keer
6
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
12
Tijd (uur)
Figuur 55: Activiteit van silica cysteïne bij eerste en tweede maal gebruik
Uit Tabel 19 stelt men het volgende vast: het koolstofgehalte en het waterstofgehalte zijn
drastisch gestegen na het hergebruik van de katalysator. Het verschil tussen het aantal
stikstofatomen voor en na het hergebruik van de katalysator is echter klein. Na het gebruik is
er ook een kleine daling van het specifiek oppervlak en het totale porievolume.
Tabel 19: Elementaire analyse en stikstof-adsorptieresultaten van silica cysteïne voor en na gebruik
N
C
H
S
SBET
Dp
Vt
(mmol/g)
(mmol/g)
(mmol/g)
(mmol/g)
(m²/g)
(nm)
(cm³/g)
Voor
0.886
4.167
8.982
0.882
276
6.51
0.422
Na
0.862
7.013
12.161
0.964
244
6.37
0.364
De DRIFT-spectra worden weergegeven in Figuur 56.
Uit de vehouding van de TOF-waarden, ziet men dat de activiteit tijdens het tweede maal
gebruik viermaal lager is in vergelijking met het eerste maal gebruik. Wanneer er sprake zou
zijn van leaching van functionele groepen, moet er een daling van het aantal functionele
groepen met een factor 4 waargenomen worden. Het aantal mol stikstofatomen blijft
nagenoeg constant. In dit geval kan men leaching als oorzaak van activatiedaling uitsluiten.
De katalysatoren zijn overnacht gewassen met chloroform op kamertemperatuur. Aceton, 4nitrobenzaldehyde en de inwendige standaard lossen heel goed op in dit solvent. Aangezien
74
de twee reactieproducten een gelijkaardige structuur hebben als 4-nitrobenzaldehyde wordt
er verwacht dat deze producten eveneens heel goed oplosbaar zijn in chloroform. Dus de
mogelijkheid dat de katalysator verstopt is na het wassen en drogen met reagentia en
reactieproducten kan hier eveneens uitgesloten worden.
In sectie 3.1 van deel I is het promotend effect van de zwak zure silanolgroepen in detail
besproken. Wanneer men de DRIFT-pectra bekijkt, ziet men een lagere OH-piek rond 3745
cm-1 na het hergebruik van de katalysator en een grotere waterpiek tussen 3700-3200 cm-1.
Dit kan erop wijzen dat het water dat geproduceerd wordt tijdens de laatste stap van de
aldolcondensatie
een
sterke
waterstofbrugvorming
ondergaat
met
de
oppervlakte
silanolgroepen. Dat zorgt ervoor dat de piek van de silanolgroepen op het DRIFT-spectrum
daalt en de piek van water stijgt. Dit geeft als gevolg dat een deel van de promotende
silanolgroepen gedeactiveerd zijn door de waterstofbrugvorming die niet verbroken kan
worden tijdens het wassen en drogen op kamertemperatuur. Dit geeft op zijn beurt een
activatiedaling. Dit probleem kan eventueel opgelost worden door te wassen en te drogen bij
hogere temperaturen. Door tijdsgebrek heeft men dit niet kunnen uitvoeren.
De stijging van het koolstofgehalte en het waterstofgehalte en de kleine daling van het
specifiek oppervlak en het totaal volume kan als volgt verklaard worden: wanneer de reactie
gestopt wordt om de katalysatoren te recupereren, is het oppervlak van de katalysator nog
steeds bezet door verschillende intermediairen. Het intermediair dat gevormd wordt in de
laatste stap van de aldolcondensatiereactie tussen 4-nitrobenzaldehyde en een overmaat
aceton (zie stap 7 figuur 20) komt enkel vrij als het kan reageren met water. Aangezien
tijdens het wassen met chloroform en drogen onder vacüum de katalysator niet meer in
contact komt met water, worden die niet verwijderd van het oppervlak. Deze intermediairen
op het oppervlak vernauwen de porïen en verlagen het totale volume en het specifiek
oppervlak van de katalysator. Deze intermediairen kunnen in principe geen activiteitsdaling
veroorzaken aangezien deze verder reageren wanneer ze hergebruikt worden in een nieuwe
reactie. Rond 1500 cm-1 is er eveneens een nieuwe piek waar te nemen welke
toegeschreven kan worden aan een intermediair met aromatische ring met een nitrogroep.
Deze piek rond 1500 cm-1 kan eveneens afkomstig zijn van een irreversibele reactie tussen
reagentia en reactieproducten enerzijds en de promotende silanolgroepen en katalytisch
actieve centra anderzijds. Om dit te kunnen aantonen is er een meer gedetailleerde analyse
nodig zoals C-NMR.
75
Figuur 56: DRIFT-spectra van silica cysteïne voor en na gebruik
2.1.2. Hergebruikbaarheid van PMO cysteïne
In Figuur 57 wordt de activiteit van PMO cysteïne bij het eerste, tweede en derde maal
gebruik vergeleken. Men ziet dat de activiteit bij het tweede gebruik (TOF = 1.04 h-1) lager is
dan bij het eerste (TOF = 1.51 h-1). Er is een duidelijke lagere initiële reactiesnelheid, maar
dit verschil wordt weggewerkt naarmate de reactie vordert. Dit verschijnsel kan een gevolg
zijn van de ondervonden problemen met de HPLC die toen telkens twee of drie pieken gaf
per component. Bij het derde gebruik ziet men al een duidelijke daling van de activiteit (TOF
= 0.699 h-1).
76
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
80
70
60
50
40
30
1e keer
20
2e keer
10
3e keer
0
0
2
4
6
8
10
12
Tijd (min)
Figuur 57: Activiteit van PMO cysteïne bij eerste, tweede en derde maal gebruik
Uit Tabel 20 stelt men het volgende vast: het koolstofgehalte en het waterstofgehalte van de
katalysatoren is lichtjes gedaald na het hergebruik van de katalysator en het stikstofgehalte
en het zwavelgehalte zijn lichtjes gestegen.
Na het gebruik is er ook een drastische daling van het specifiek oppervlak en het totaal
volume.
Tabel 20: Elementaire analyse en stikstof-adsorptieresultaten van PMO cysteïne voor en na gebruik
N
C
H
S
SBET
Dp
Vt
(mmol/g)
(mmol/g)
(mmol/g)
(mmol/g)
(m²/g)
(nm)
(cm³/g)
Voor
0.531
16.365
29.258
0.501
635
5.50
0.766
Na
0.615
14.688
28.521
0.560
414
5.64
0.559
Hier kan men ook het probleem van leaching en wassen uitsluiten zoals hierboven
besproken. Men ziet hier ook dat de silanolpiek daalt en dat de waterpiek stijgt. Dat kan hier
eveneens wijzen op een waterstofbrugvorming tussen water en de silanolgroepen die een
activatiedaling veroorzaken.
Bij de vergelijking van de DRIFT-spectra op figuur 58 ziet men dat er na een derde maal
gebruik pieken bijgekomen zijn rond 1350 cm-1 en pieken rond 1550 cm-1. Deze pieken zijn
toe te schrijven aan een nitrogroep op een aromaat. Deze twee pieken kunnen afkomstig zijn
van de intermediairen die nog op het oppervlak van de PMO zitten. Deze intermediairen
77
zorgen eveneens voor de daling van het specifiek oppervlak en het totaal volume. Deze
pieken kunnen ook afkomstig zijn van reagentia of reactieproducten die geadsorbeerd zijn op
het katalysatoroppervlak, bijvoorbeeld door waterstofbrugvorming of irreversibel gereageerd
hebben met promotende silanolgroepen en katalytisch actieve centra.
In tegenstelling tot wat men hier waarneemt, wordt er een toename van het koolstofgehalte
en waterstofgehalte verwacht zoals bij silica cysteïne als er reagentia, intermediairen of
reactieproducten geadsorbeerd zijn aan het oppervlak. Aan de daling van het koolstofgehalte
en het waterstofgehalte kan er momenteel niet echt een verklaring gegeven worden. Er is
nog extra onderzoek zoals C-NMR (in Spanje) nodig om dit verschijnsel te kunnen verklaren.
Figuur 58: DRIFT-spectra van silica cysteïne voor en na gebruik
78
2.1.3. Herbruikbaarheid van PMO proline
De activiteit van PMO proline bij het eerste en tweede maal gebruik wordt vergeleken
inFiguur 59. Men ziet dat de activiteit bij het tweede gebruik (TOF = 0.0602 h-1) veel lager is
dan bij het eerste (TOF = 0.331 h -1).
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
45
1e keer
40
2e keer
35
30
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
Tijd (uur)
8
10
12
Figuur 59: Activiteit van PMO proline bij eerste en tweede maal gebruik
Uit Tabel 21 stelt men het volgende vast: het koolstofgehalte en het waterstofgehalte van de
katalysatoren is lichtjes gedaald na het hergebruik van de katalysator en het stikstofgehalte
en het zwavelgehalte zijn lichtjes gestegen. Na het gebruik is er eveneens een lichte daling
van het specifiek oppervlak en het totaal volume.
Tabel 21: Elementaire analyse en stikstof-adsorptieresultaten van PMO proline voor en na gebruik
N
C
H
S
SBET
Dp
Vt
(mmol/g)
(mmol/g)
(mmol/g)
(mmol/g)
(m²/g)
(nm)
(cm³/g)
Voor
0.829
20.229
40.725
4.111
255
4.67
0.299
Na
0.872
18.914
38.260
3.772
234
4.98
0.271
De conclusies die getrokken zijn bij PMO cysteïne gelden eveneens hier, omdat dezelfde
fenomen waargenomen worden.
79
De DRIFT-spectra van de katalysatoren voor gebruik en na tweede maal gebruik wordt
weergegeven in Figuur 60. Bij de vergelijking van de DRIFT-spectra van deze katalysator
ziet men dat er eveneens pieken bijkomen zijn rond 1350 cm-1 en pieken rond 1550 cm-1.
Deze kunnen eveneens toegeschreven worden aan de intermediairen die nog op het
oppervlak zitten of aan reagentia en reactieproducten die eventueel geadsorbeerd zijn aan
het oppervlak door waterstofbrugvorming en die niet vrijkomen tijdens het wassen en
vacümdrogen op kamertemperatuur. Ook hier kan leaching en problemen tijdens wassen
uitgesloten worden en is er verder onderzoek nodig voor de verklaring van de daling van het
koolstof- en waterstofgehalte.
Figuur 60: DRIFT-spectra van silica cysteïne voor en na gebruik
80
2.1.4. Conclusie
De activiteit van de drie katalysatoren neemt af na eerste maal gebruik. Deze daling is veel
duidelijker in silica cysteïne en PMO proline dan in PMO cysteïne. Met DRIFTS, elementaire
analyse en stikstof-adsorptie alleen is het onmogelijk om te bepalen wat de preciese oorzaak
is van het verschil in activiteit na het hergebruik van de katalysator. Andere
karakteriseringstechnieken, zoals C-NMR zullen een beter beeld geven van deze oorzaak.
Uit NMR-experimenten kunnen de structuur van de oppervlaktegebonden groepen en
intermediairen bepaald worden. Uit de combinatie van de resultaten van DRIFT-spectra,
elementaire analyse en stikstof-adsorptie zijn een paar mogelijke oorzaken voorgesteld voor
het verschil in de activiteit.
Leaching en problemen rond wassen zijn uitgesloten en er zijn verschillende andere
oorzaken gegeven voor deze daling zoals: aanwezigheid van intermediairen, adsorptie van
water, reagentia en reactieproducten aan het oppervlak en nieuwe irreversibele chemische
bindingen op het oppervlak. Adsorptie van water, reagentia en reactieproducten kunnen
eventueel voorkomen worden door te wassen en te drogen bij hogere temperaturen. Door
tijdsgebrek heeft men dit niet kunnen testen.
In de hiernavolgende resultaten wordt er enkel gekeken naar de initiële reactiesnelheid om
verschillende invloeden op de aldolcondensatie te kunnen bestuderen.
81
2.2.
Invloed van solvent op de reactiesnelheid
In sectie 3.3 van deel I is de invloed van het solvent besproken. Een aminozuur heeft zowel
een basische aminogroep als een zure carbonzuurgroep. Bij aminozuren is er een
mogelijkheid om interne waterstofionen van de -COOH groep naar de -NH2 groep over te
dragen, waardoor een ion ontstaat met zowel een negatieve lading als een positieve lading
(= zwitterion). Dit waterstoftransport moet tijdens de reacties beperkt worden om de daling
van de activiteit te voorkomen. Er moet dus
een solvent gekozen worden die dit
waterstoftransport beperkt en de activiteit van de katalysator maximaliseert.
De
volgende
solventen
zijn
gebruikt
bij
de
aldolcondensatiereactie
tussen
4-
nitrobenzaldehyde en aceton: aceton in overmaat, hexaan, DMSO, DMSO met 2 vol% water
en 4M NaCl-oplossing. Elke test wordt uitgevoerd in aanwezigheid van een ander solvent,
maar er wordt telkens gebruik gemaakt van dezelfde katalysator en dezelde condities (zie
Tabel 22).
Tabel 22: Reactiecondities voor de invloed van solvent
Uitgeteste katalysator
CysOH 1
Massa katalysator
0.4215 g
Massa 4-nitrobenzaldehyde
0.4536 g
Massa aceton
19.58 g
Massa inwendige standaard
0.2522 g
Volume solvent
95.25 ml
Toaal volume
120 ml
Temperatuur
55 °C
De kinetische test met 4M NaCl-oplossing moest stopgezet worden door het neerslaan van
NaCl in de HPLC-kolom.
Figuur 61 toont de conversie van 4-nitrobenzaldehyde verkregen bij verschillende solventen
als functie van de tijd. Wanneer er geen solvent gebruikt wordt, is de conversie steeds lager
dan de conversie verkregen in hexaan. DMSO en DMSO met 2 vol% water hebben een
negatieve invloed op de conversie van 4-nitrobenzaldehyde. Dit wordt als volgt verklaard:
aceton en DMSO zijn aprotisch polaire solventen die de polaire reactieproducten en de
actieve centra kunnen solvateren via niet-covalente verbindingen. Hierdoor zijn de
reagerende producten en de actieve centra geïsoleerd en reageren ze moeilijker met elkaar.
Deze stabilisatie stijgt naarmate de polariteit stijgt (ε aceton = 21, εDMSO = 47). Hexaan
daarentegen is een aprotisch apolair solvent dat de polaire reagerende producten zal
afstoten en op die manier zal hexaan reacties meer toegankelijk maken (ε hexaan = 2).
82
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
Hexaan
98%DMSO
DMSO
Aceton
0
20
40
60
80
100
120
140
tijd (min)
Figuur 61: Invloed van solvent op de reactiesnelheid
Wanneer er 2 vol% water toegevoegd wordt bij DMSO worden hogere conversies bekomen
in vergelijking met zuiver DMSO. Volgens Tanaka et al. [82] daalt dit positieve effect met een
stijgende hoeveelheid water. Voor dit verschijnsel wordt er geen verklaring gegeven in het
artikel. In deze thesis wordt hier niet verder op ingegaan door het superieure effect van
hexaan als solvent.
83
2.3.
In
Invloed van de silanolgroepen op de reactiesnelheid
sectie 3.1 van deel I is het promotend effect van de zwak zure groep naast een
aminogroep op het silica-oppervlak grondig besproken. Om deze invloed te kunnen uittesten
worden twee reeksen katalysatoren gemaakt. Bij de eerste reeks bestaat het silica-oppervlak
zowel uit silanolgroepen als cysteïne en bij de tweede reeks komt er op het silicaoppervlak
enkel cysteïne voor.
De activiteit van beide katalysatoren werden uitgetest op de aldolcondensatiereactie tussen
4-nitrobenzaldehyde en aceton. De gehanteerde condities worden weerggeven in Tabel 23.
Tabel 23: Reactiecondities voor de invloed van de silanolgroepen
Uitgeteste katalysator
CysHMDS 6/ CysOH 7
Massa katalysator (CysHMDS 6/ CysOH 7)
0.1602 g/0.0708 g
Massa 4-nitrobenzaldehyde
0.5011 g
Massa aceton
45.75g
Massa inwendige standaard
0.2502 g
Massa solvent (hexaan)
30.86 g
Toaal volume
120 ml
Temperatuur
55 °C
In Figuur 62 wordt de conversie van 4-nitrobenzaldehyde in aanwezigheid van beide
katalysatoren uitgedrukt in functie van de tijd. Men ziet dat de katalysator met de
silanolgroepen
een
hoger conversie
bereikt
dan
katalysator
waarbij de
meeste
silanolgroepen geblokkeerd zijn met HMDS.
In sectie 3.1 van deel I is vermeld dat de zuur-base coöperatieve katalyse stijgt met de pKa.
De pKa van de silanolgroepen ligt rond een waarde van 7. De pKa van de carboxylzuurgroep
op cysteïne is slechts 2.05. De silanolgroepen zijn dus zwakkere zuren dan de
carboxylzuurgroep van het cysteïne. Dit betekent dat een deel van de carboxylzuurgroepen
op het oppervlak gedeprotoneerd zijn en een deel van de aminefuncties geprotoneerd zijn
waardoor er minder katalytisch actieve niet-geladen groepen aanwezig zijn. Wanneer er
eveneens silanolgroepen aanwezig zijn naast de cysteïnemoleculen, ziet men een duidelijke
stijging van de activiteit. Dit betekent dat de silanolgroepen eveneens deelnemen aan het
reactiemechanisme. Deze silanolgroepen promoten de niet-geladen aminefunctie, waardoor
de katalytische activiteit van de basische aminefunctie stijgt. Voor het reactiemechanisme in
aanwezigheid van silanolgroepen wordt verwezen naar figuur 83.
84
1,2
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
Met Si-OH
Zonder Si-OH
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
20
40
60
80
100
Tijd (min)
Figuur 62: Invloed silanolgroepen op de reactiesnelheid
In sectie 2.2 van deel I is er aangetoond dat bij een voorbehandeling van silica bij 700°C het
aantal vrije silanolgroepen 1.1 OH/ nm bedraagt. Deze waarde is natuurlijk een benadering.
Omdat de silanolgroepen op het oppervlak van silica na grafting niet rechtstreeks bepaald
kunnen worden, heeft men het aantal niet-gereageerde silanolgroepen benaderd door te
formuleren dat de silanolgroepen stijgen met het dalende koolstofgehalte (via elementaire
analyse). Hierbij heeft men verschillende katalysatoren gesynthetiseerd waarbij men het
oppervlak met verschillende hoeveelheden vinylgroepen heeft bedekt (dus ook met
verschillende koolstofgehaltes). De activiteiten van deze verschillende katalysatoren (elke
katalysator komt overeen met een icoontje in de legende) worden weergegeven in functie
van hun koolstofgehalte in Figuur 63. Men ziet dat de activiteit stijgt naarmate het
koolstofgehalte daalt of naarmate het aantal silanolgroepen stijgt. Vanaf een verhouding van
1:1 silanol/amine zal de activiteit niet meer stijgen, omdat slechts één silanolgroep vereist is
per katalytisch actieve amine.
85
0,45
cysOH 11
0,4
cysOH 9
cysOH8
0,35
cysHMDS 3
TOF (h-1)
0,3
cysHMDS 2
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
2
3
4
5
6
7
Koolstofgehalte (mmol/g)
Figuur 63: Invloed hoeveelheid silanolgroepen op de reactiesnelheid
2.4.
Invloed van temperatuur op de reactiesnelheid
De invloed van de temperatuur op de activiteit van de katalysator is bestudeerd. Door het
kookpunt van aceton (56°C) is de maximale temperatuur 55 °C. De gehanteerde condities
worden weergegeven in Tabel 24.
Tabel 24: Reactiecondities voor de invloed van temperatuur
Uitgeteste katalysator
CysOH 8
Massa katalysator
0.4246 g
Massa 4-nitrobenzaldehyde
0.4539 g
Massa aceton
19.59 g
Massa inwendige standaard
0.2526 g
Massa solvent (hexaan)
62.37 g
Toaal volume
120 ml
Temperatuur
25-55 °C
Figuur 64 toont dat de katalysator actiever is naarmate de temperatuur stijgt
86
5
55°C
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
4,5
40°C
4
25°C
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Tijd (min)
Figuur 64: Invloed temperatuur op de reactiesnelheid
De temperatuursafhankelijkheid van chemische reacties wordt beschreven door de
Arrheniusvergelijking.
De
Arrheniusvergelijking
geeft
het
verband
tussen
de
reactiesnelheidscoëfficiënt en de absolute temperatuur:
3-1
Met
k
de reactiesnelheidconstante, reactieafhankelijk
A
frequentiefactor, reactieafhankelijk
Ea
activeringsenergie (J.mol-1)
R
gasconstante (J.mol-1.K-1)
T
temperatuur (K)
Uit de drie experimenten bij verschillende temperaturen kan men een schatting maken van
de twee parameters: Ea en A. De temeratuursafhankelijkheid wordt weergegeven door Ea.
Een lage activeringsenergie betekent dat de reactie weinig afhankelijk is van de temperatuur.
Voor de verschillende temperaturen wordt de snelheidscoëfficiënt k berekend vertrekkende
van de volgende vergelijking:
3-2
87
Het natuurlijke logaritme van de k-waarden voor elke temperatuur wordt uitgezet in functie
van de inverse van de tijd (Figuur 65) om de parameters Ea en A te bepalen.
0,8
0,6
0,4
ln(k)
0,2
0
-0,20,003
0,0031
0,0032
0,0033
0,0034
-0,4
-0,6
-0,8
-1
y = -5307,7x + 16,837
R² = 0,9995
-1,2
1/T
Figuur 65: Logaritmisch verband van temperatuur
Voor Ea bekomt men een waarde van 44.1 kj/mol en voor A een waarde van 2.1x107. De
waarde
van
de
activeringsenergie
toont
dat
de
aldolcondensatiereactie
temperatuursafhankelijk is.
2.5.
Invloed van fase van de katalysator op de reactiesnelheid
Tanaka et al. [82] suggeren dat glycine een heel actieve (homogene) katalysator is voor de
aldolcondensatiereactie tussen aceton en 4-nitrobenzaldehyde met DMSO en 2 vol% water
als solvent. Glycine en cysteïne worden geïllustreerd in Figuur 66. Naast de thiolgroep van
cysteïne, waarmee de groep aan het oppervlak gehecht wordt, zijn deze twee componenten
identiek. Door de hechting van de thiolgroep op het silicamateriaal wordt deze
gedeactivieerd. Hierdoor kan men zeggen dat het actief gedeelte van de heterogene silica
cysteïne in de oplossing glycine is (Figuur 67).
Figuur 66: Glycine (links) en cysteïne (reachts)
88
Wanneer de reactie tussen 4-nitrobenzaldehyde en aceton uitgevoerd wordt in aanwezigheid
van glycine worden hoge conversies verkregen. Wanneer dezelfde reactie onder identieke
condities en een identiek aantal actieve centra (Tabel 25) uitgevoerd wordt met silica
cysteïne als heterogene katalysator, observeert men veel lagere conversies (Figuur 68).
Figuur 67: Oppervlak van silica cysteïne
Tabel 25: Reactiecondities voor de invloed van fase van katalysator
Uitgeteste katalysator
CysOH 8
Massa heterogene katalysator
0.4215 g
Massa homogene katalysator
0.0292 g
Massa 4-nitrobenzaldehyde
0.4536 g
Massa aceton
19.58 g
Massa inwendige standaard
0.2522 g
Massa solvent (DMSO/water)
102.14 g/2.42 g
Toaal volume
120 ml
Temperatuur
55 °C
De activiteit van de heterogene cysOH 1 is veel lager dan glycine. Dit verschil is zoals
verwacht. Homogene katalysatoren hebben een grote bewegelijkheid en de actieve centra
zijn heel gemakkelijk bereikbaar door de reagentia. Bij heterogene katalysatoren worden de
moleculen geïncorporeerd op een vaste drager, waardoor de bewegelijkheid serieus afneemt
en de bereikbaarheid van actieve centra bemoeilijkt wordt.
Eveneens speelt de drager een belangrijk rol. Glycine is een hydrofiele molecule waarbij de
–NH2 en –COOH een waterstofbrugvorming kan ondergaan met water. Door deze te
incorporeren op een vaste drager die minder of meer hydrofiel is, zal de omgeving van de
molecule veranderen, waardoor er moeilijker of gemakkelijker moleculen aangetrokken
zullen worden naar de actieve centra van de katalysator.
89
14
Conversie 4-nitrobenzaldehyde
Glycine
12
cysOH 1
10
8
6
4
2
0
0
20
40
60
80
100
Tijd (min)
Figuur 68: Invloed van fase van de katalysator op de reactiesnelheid
Om te bestuderen of het mechanisme op dezelfde manier verloopt bij de heterogene en de
homogene katalyse werden beide katalysatoren uitgetest bij 3 verschillende temperaturen
(25, 40, 55 °C). Voor elke temperatuur wordt de snelheidscoëfficiënt berekend en de
natuurlijke logaritme ervan wordt uitgezet in functie van de inverse temperatuur (Figuur 69:
homogeen; Figuur 70: heterogeen). De gehanteerde condities buiten de temperatuur zijn
dezelfde als in tabel 25.
2,5
2
y = -4985x + 17,535
R² = 0,9983
ln (k)
1,5
1
0,5
0
0,003
0,0031
0,0032
0,0033
0,0034
1/T
Figuur 69: Temperatuursafhankelijkheid van homogene katalysator
90
0,003
0
0,0031
0,0032
0,0033
0,0034
-0,2
y = -5058,8x + 15,358
R² = 1
-0,4
ln(k)
-0,6
-0,8
-1
-1,2
-1,4
-1,6
-1,8
1/T
Figuur 70: Temperatuursafhankelijkheid van heterogene katalysator
Hieruit kan men de activeringsenergie en de pre-exponentiële factor halen (Tabel 26).
Tabel 26: Waarden voor activeringsenergie en pre-exponentiële factor
Homogeen
Heterogeen
Ea (kJ/mol)
41.4
43.0
A
40 105
67 105
Men ziet dat de activeringsenergie onafhankelijk is van de fase van de katalysator. Dit wil
zeggen dat het mechanisme van aldolcondensatie zowel in aanwezigheid van de homogene
als de heterogene katalysator hetzelfde verloopt. Voor dit mechanisme wordt er verwezen
naar figuur 82 en 83.
91
2.6.
Invloed van de drager op de reactiesnelheid
Om invloed van de drager te kunnen uittesten werd cysteïne afgezet op een vinyl geënte
silicagel en een vinyl-PMO: Figuur 71.
Figuur 71: Silica cysteïne (links) en PMO cysteïne (rechts)
De conversie van 4-nitrobenzaldehyde in functie van de tijd met deze twee soorten
katalysatoren
wordt
weergegeven
Figuur
72.
De
gehanteerde
condities
worden
weergegeven in Tabel 27.
Tabel 27: Reactiecondities voor de invloed van de drager
Uitgeteste katalysator
CysOH 8/PMOcys 13
Massa CysOH 8/PMOcys 13
0.4215 g
Massa 4-nitrobenzaldehyde
0.4535 g
Massa aceton
19.58 g
Massa inwendige standaard
0.2526 g
Massa solvent (hexaan)
62.37 g
Toaal volume
120 ml
Temperatuur
55 °C
Men ziet dat de reactiesnelheid met PMO cysteïne veel hoger is dan deze met silica
cysteïne.
92
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
80
PMO cysteïne
70
cysOH 1
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
Tijd (min)
Figuur 72: Invloed van de drager op de reactiesnelheid
Het oppervlak van de silicadrager bestaat uit veel grotere moleculen dan dat van de PMOdrager. Dat kan geobserveerd worden door de veel grotere reductie van het speciek
oppervlak, poriediamater en totaal volume van de drager na de functionalisatie bij silica
cysteïne in vergelijking met de PMO cysteïne. Hierdoor zijn de aminefuncties van de
cysteïnemoleculen op silica op een veel groter afstand verwijderd van de promotende
silanolgroepen. Dit geeft als gevolg dat de zuur-base coöperatieve katalyse tussen de
silanolgroepen en de primaire amines verhinderd wordt, waardoor de activiteit daalt. In sectie
3.1 van deel I is er eveneens aangetoond dat de activiteit toeneemt met het aantal
silanolgroepen. Er is immers een hogere kans dat elke aminefunctie een coöperatieve
katalyse ondergaat met een silanolgroep.
Door de C-C bindingen in de structuur van de PMO-drager zijn de PMO-dragers veel
hydrofober dan de silicadrager. Wanneer men kijkt naar het oppervlak van deze
katalysatoren na functionalisatie ziet men dat de PMO cysteine veel hydrofielere
oppervlakmoleculen heeft (functionele groepen die periodisch voorkomen op het materiaal).
Het silicamateriaal is na grafting veel hydrofober geworden door grotere oppervlakmoleculen.
Naast de grote moleculen met de functionele groep zijn er ook heel wat vinylgroepen op het
silicamateriaal die niet gereageerd hebben tijdens de thiol-ene clickreactie. Deze geven meer
aanleiding tot een hydrofober oppervlak. Dat is geen probleem bij het PMO-materiaal omdat
de niet-gereageerde vinylverbindingen in het oppervlak voorkomen en niet op het oppervlak
93
(Figuur 73). Een mogelijke verklaring voor deze lagere activiteit bij het silicamateriaal is dat
de hydrofobe moleculen op het oppervlak de hyrofiele reagentia afstoten. Naarmate dat het
oppervlak door het toenemende aantal silanolgroepen hydrofieler wordt, stijgt de activiteit
van de katalysator.
Figuur 73: Invloed van de niet- gereageerde vinylgroepen
2.7.
Invloed primaire vs secundaire amine op de reactiesnelheid
Om de invloed van een primaire versus secundair amine op de activiteit van de katalysator te
bestuderen, wordt de activiteit van PMO cysteïne (met primair amine) en activiteit van PMO
met proline (secundair amine) met elkaar vergeleken (Figuur 74).
Figuur 74: Vergelijking van de uitgeteste katalysatoren
In Figuur 75 wordt de conversie van 4-nitrobenzaldehyde in functie van de tijd uitgezet voor
beide katalysatoren. De gehanteerde condities worden weergegeven in Tabel 28.
94
Tabel 28: Reactiecondities voor de invloed van primaire versus secundaire amine
Uitgeteste katalysator
PMOpro 14/PMOcys 13
Massa PMOpro 14/PMOcys 13
0.3580 g/0.5666 g
Massa 4-nitrobenzaldehyde
0.4535 g
Massa aceton
19.58 g
Massa inwendige standaard
0.2526 g
Massa solvent (hexaan)
62.37 g
Toaal volume
120 ml
Temperatuur
55 °C
Er wordt verwacht dat de activiteit van secundaire amines veel hoger is dan die van de
primaire amines door de gemakkelijke vorming van enamine intermediairen [54, 55].
Wanneer men figuur 75 bekijkt, ziet men het omgekeerde fenomeen. De activiteit van PMO
cysteïne (TOF = 1.11 h-1) is bijna driemaal hoger dan de activiteit van PMO-proline (TOF =
0.331 h-1).
80
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
PMO cysteïne
70
PMO proline
60
50
40
30
20
10
0
0
2
4
6
8
10
12
Tijd (min)
Figuur 75: Inloed primaire versus secundaire amine op de reactiesnelheid
Het DRIFT-spectrum van PMO proline toont dat de CH3 (intense piek rond 1370 cm-1) piek
niet volledig verwijderd is. Dit wijst erop dat de deprotectie van de carbonylgroep niet volledig
was en dat een deel van het katalytische actieve centrum nog in gebonden toestand
voorkomt (Figuur 76) en katalytisch inactief is. Hiermee werd er geen rekening gehouden
tijdens de kinetische reacties. Dit betekent dat er in de reactor veel minder actief centrum
was dan berekend. Dit gaat natuurlijk gepaard met een lagere activiteit.
95
Figuur 76: Boc-groep
2.8.
Besluit
Er is aangetoond dat de apolaire aprotische solventen veel betere conversies geven dan
polaire aprotische solventen die de reagentia en de reactieproducten stabiliseren en de
reactie vermoeilijken. De activiteit van de katalysator wordt eveneens beïnvloed door de
temperatuur volgens de Arrhenius vergelijking.
Er is eveneens bewezen dat de silanolgroepen die voorkomen op het oppervlak naast de
functionele groepen een positief effect hebben op de activiteit van de katalysator. Dat wordt
verklaard aan de hand van de bevindingen in de literatuur waar bij men aantoont dat
zwakkere zuren een betere zuur-base coöperatieve katalyse ondergaan dan sterkere zuren
die voor een proton-shift zorgen. Men ziet eveneens dat de activiteit stijgt met het aantal
silanolgroepen.
Er is aangetoond dat door incorporatie van aminozuren op een vaste drager de mobiliteit van
de moleculen afneemt waardoor deze moeilijk bereikbaar worden en een lagere activiteit
geven. Hierbij heeft men eveneens aangetoond dat het mechanisme van de homogene en
de heterogene katalyse hetzelfde is.
Door éénzelfde functionele groep af te zetten op twee verschillende dragers, een silicadrager
en een PMO-drager, is de invloed van de drager bestudeerd. De PMO-materialen vertonen
een veel hogere activiteit dan de silicamaterialen. Er kunnen momenteel geen concrete
conclusies getrokken worden in verband met het verschil in activiteit voor verschillende
dragers. Hiervoor is er verder onderzoek gepland in samenwerking met COMOC. Door deze
twee katalysatoren met elkaar te vergelijken worden enkele mogelijke oorzaken gegeven aan
dit fenomeen. De lagere activiteit kan verklaard worden door de grotere afstand tussen de
basische aminefuncties en de promotende silanolgroepen bij silicamaterialen. Bij PMO
materialen is deze afstand veel kleiner waardoor de activiteit stijgt door de zuur-base
96
coöperatieve katalyse tussen de silanolgroepen en de basische aminegroepen van cysteïne.
Een andere verklaring voor de lagere activiteit van deze silicamaterialen ligt in het feit dat de
silicamaterialen na incorporatie veel hydrofober geworden zijn waardoor deze materialen de
reagerende moleculen afstoten.
In de literatuur is er aangetoond dat secundaire amines veel actiever zijn dan primaire. Bij de
vergelijking tussen PMO cysteïne en PMO proline werd het omgekeerde fenomeen
ondervonden. Dit wordt verklaard door de onvolledige deprotectie van de Boc-groep in TFA
en dichloormethaan waardoor er minder vrije aminefuncties in de reactor aanwezig waren
dan berekend. Dit was de oorzaak van de lagere activiteit. In overleg met de COMOC-groep
zijn er enkele ideeën voorgesteld waarbij men een volledige deprotectie zou kunnen
verwezenlijken. Deze zullen pas volgend academiejaar uitgetest worden en zijn: PMO Bocproline langer laten reageren met TFA in dichloormethaan (24 u i.p.v. overnacht), TFA
vervangen door salpeterzuur of deprotectie uitproberen in waterige oplossingen.
97
3. Selectiviteit
3.1. Delpot-analyse
In Figuur 77 wordt de eerste orde Delpot en in Figuur 78 de tweede orde Delplot voor het
aldolproduct gegeven. Het aldolproduct is een primair product.
95
Selectiviteit aldolproduct (%)
90
85
80
75
70
0
10
20
30
40
50
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
60
70
60
70
Figuur 77: Eerste orde Delplot voor het aldolproduct
Selectiviteit aldolproduct/conversie
35
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
Figuur 78: Tweede orde Delplot voor het aldolproduct
Men ziet dat vanaf een bepaald punt de conversie constant blijft en dat de selectiviteit voor
het aldolproduct daalt. Vanaf dit punt is er een thermodynamisch evenwicht tussen de
reagentia en de reactieproducten waardoor geen nieuwe producten meer gevormd worden
98
vanuit de reagerende producten 4-nitrobenzaldehyde en aceton en dat enkel de omzetting
van aldol naar keton plaatsvindt.
In Figuur 79 wordt de eerste orde Delpot en in Figuur 80 de tweede orde Delplot voor het
ketonproduct gegeven. Het ketonproduct is een secundair product dat gevormd wordt uit het
primair aldolproduct.
Selectiviteit ketonproduct (%)
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
40
50
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
60
70
Figuur 79: Eerste orde Delplot voor het ketonproduct
Selectiviteit ketonproduct/conversie
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
10
20
30
40
50
60
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
70
80
Figuur 80: Tweede orde Delplot voor het ketonproduct
99
3.2. Selectiviteit van de verschillende katalysatoren
In Figuur 81 wordt de selectiviteit van het aldolproduct uitgezet in functie van de conversie
voor de verschillende katalysatoren.
Men ziet dat de drie gesynthetiseerde katalysatoren een identiek verloop vertonen, waarbij
de selectiviteit voor het aldolproduct in de loop van de reactie lichtjes daalt en omgezet wordt
in ketonproduct. In het begin is de selectiviteit voor het aldolproduct 100%, omdat dit als
eerste gevormd wordt.
Bij de homogene katalysator ziet men eveneens een daling van het aldolproduct in functie
van de conversie. Bij homogene katalysator is de opbrengst aan aldolproduct iets hoger in
het begin van de reactie in vergelijking met de heterogene katalysatoren omdat deze reacties
uitgevoerd worden in aanwezigheid van 2 vol% water. Aangezien water zelf een
reactieproduct is dat gevormd wordt door de nucleofiele additie van aceton op de
aminegroep van cysteïne, wordt het evenwicht van de reactie naar de kant van het
aldolproduct gedreven en verloopt de omzetting naar het ketonproduct veel moeilijker.
110
Opbrengst aldolproduct (%)
100
90
80
PMO cysteïne
70
PMO proline
Homogeen glycine
60
cysOH 1
50
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Conversie 4-nitrobenzaldehyde (%)
Figuur 81: Selectiviteit van de verschillende katalysatoren voor het aldolproduct
100
4. Reactiemechanisme
In Figuur 82 wordt het reactiemechanisme van de aldolcondensatiereactie tussen aceton en
4-nitrobenzaldehyde weergegeven met heterogene cysteïne als katalysator. In sectie 2.5
heeft men aangetoond dat het reactiemechanisme van de aldolcondensatiereactie tussen 4nitrobenzaldehyde en een overmaat aceton met cysteïne als katalysator onafhankelijk is van
de fase van de katalysator. Op basis van dit gegeven, gegevens uit de literatuur omtrent het
reactiemechanisme van homogene aminozuren (zie 3.3 deel I) en het mechanisme van zuurbase heterogene katalysatoren (zie 3.2 deel I) en gegevens uit de Delplot-analyse waarbij
men zeker weet dat aldolproduct als eerst gevormd wordt,
heeft
men het
reactiemechanisme van de aldolcondensatiereactie tussen aceton en 4-nitrobenzaldehyde
proberen weergeven met heterogene cysteïne als katalysator. Dit mechanisme is gebaseerd
op het enaminemechanisme. Dat is in tegenstelling tot basisch homogeen gekatalyseerde
aldolcondensaties die via een enolaat intermediair verlopen. Lauwert et al. [1] hebben dit
enamine intermediair eveneens gedetecteerd op het oppervlak van primair aminegefunctionaliseerde silicagel 60 via in situ Raman.
In een eerste stap is er een vorming van een waterstofbrug met de carbonzuurgroep van
cysteïne, waarbij het reagens meer vatbaar wordt voor nucleofiele additie. In een volgende
stap wordt een alcohol gevormd door de nucleofiele additie van aceton op de aminegroep
van cysteïne. Daarna wordt deze alcohol gedehydrateerd tot een enamine. In een volgende
stap reageert dit enamine met 4 nitro-benzaldehyde tot een iminiumion. Het primair
aldolproduct 4-hydroxy-4(4-nitrofenyl)butaan-2-on wordt gevormd door de hydratie van water
op het iminiumion. Wanneer het aldolproduct een watermolecule verliest, wordt het
secundaire ketonproduct 4-hydroxy-4(4-nitrofenyl)-3-buteen-2-on gevormd. Hier wordt er
verondersteld dat heterogeen proline ook volgens dit mechanisme verloopt.
Wanneer eveneens silanolgroepen aanwezig zijn op het oppervlak naast de cysteïne
moleculen, stijgt de activiteit. Dit betekent dat het mechanisme een combinatie is van twee
mechanismen: mechanisme op Figuur 82 en mechanisme op Figuur 83. Het verschil tussen
deze twee mechanismen ligt enkel in de tweede en in de zesde stap: waterstofbrugvorming.
In het eerste mechanisme is er een vorming van een waterstofbrug met de carbonzure groep
van cysteïne, in het tweede mechanisme is er een vorming van een waterstofbrug met de
silanolgroepen op het oppervlak. Hier wordt eveneens verondersteld dat heterogeen proline
ook volgens dit mechanisme verloopt in aanwezigheid van silanolgroepen.
101
Figuur 82: Reactiemechanisme van heterogene cysteïne in afwezigheid van silanolgroepen
Figuur 83: Reactiemechanisme in aanwezigheid van silanolgroepen
102
Conclusie
De aldolcondensatie is een belangrijke organische reactie tussen twee carbonylverbindingen
voor het creëren van nieuwe C-C bindingen. In de industrie worden aldolcondensaties
gekatalyseerd door middel van zure of basische homogene katalysatoren zoals NaOH en
Na2CO3. Factoren zoals milieu, economie en duurzaamheid hebben ervoor gezorgd dat men
meer en meer de nadruk wil leggen op de ontwikkeling en het gebruik van heterogene
katalysatoren. In dit eindwerk zijn silicamaterialen, waarin basische organosilanen
geïncorporeerd
zijn,
bestudeerd
als
heterogene
katalysatoren
voor
de
aldolcondensatiereacties.
Katalysatorontwerpers kijken vaak naar enzymatische systemen als een bron van inspiratie
voor de synthese van nieuwe materialen omwille van hun hoge katalytische activiteit en
specificiteit onder relatief milde omstandigheden. De coöperatieve interactie tussen
verschillende types actieve centra zoals zuur-base coöperatieve katalyse is één van de
meest gebruikte concepten uit de enzymatische katalyse. Door dit concept toe te passen is
aangetoond dat silicamaterialen waarin aminosilanen geïncorporeerd zijn een betere
performantie vertonen in aanwezigheid van een tweede actief centrum: een zure groep.
Deze performantie stijgt met de pKa van de zure groep omdat sterke zuren een proton-shift
veroorzaken die gepaard gaat met een daling van het aantal actieve centra. Hierbij zijn de
silanolgroepen die voorkomen op het silica-oppervlak, met een pKa van ongeveer 7, heel
effectieve zuurgroepen.
In de literatuur is aangetoond dat homogene aminozuren superieure katalysatoren zijn in de
aldolcondensatiereacties. Ondanks deze superieure activiteit is er heel weinig literatuur
omtrent de incorporatie van deze aminozuren op een vaste drager. Het doel van dit eindwerk
was het afzetten van 2 natuurlijke aminozuren, cysteïne en proline, op een vaste drager.
De eerste katalysator is silica cysteïne met silicagel 60 als drager. Via een refluxproces is
een vinylverbinding op silicagel 60 afgezet via grafting en via deze dubbele binding is d.m.v.
een thiol-ene clickreactie cysteïne aan de drager verbonden.
De tweede katalysator is een PMO cysteïne met een vinyl-PMO als drager. Hierbij is
vertrokken van een bisilylated vinylprecursor die gebouwd wordt rond een template. Opnieuw
wordt cysteïne via een thiol-ene clickreactie aan de drager gelinkt.
103
De derde katalysator is een PMO proline met een thiol-PMO als drager. Hierbij wordt proline
gemodificeerd met een vinylverbinding dat vervolgens via een thiol-ene clickreactie gelinkt
wordt met de gemodificieerde thioldrager.
Deze drie katalysatoren werden gekarakteriseerd met DRIFT, Raman, elementaire analyse
en stikstof adsorptie isotherm. Uit deze resultaten werd er geconcludeerd dat de synthese
van de katalysatoren succesvol was. Na de karakterisatie werden deze katalysatoren
uitgetest op de aldolcondensantiereactie tussen 4-nitrobenzaldehyde en een overmaat
aceton. De reacties werden uitgevoerd in een Parr batch reactor en de monsters werden
geanalyseerd via een RP-HPLC.
Er is aangetoond dat de activiteit van de drie katalysatoren afneemt na een eerste maal
gebruik. Er zijn verschillende oorzaken gesuggereerd voor deze daling van activiteit zoals:
aanwezigheid van intermediairen, adsorptie van reagentia en reactieproducten aan het
oppervlak en adsorptie van water.
Er zijn verschillende soorten solventen uitgetest op de aldolcondensatiereactie. Hieruit blijkt
dat de apolaire aprotische solventen veel betere conversies geven dan polaire aprotische
solventen die de reagentia en de reactieproducten stabiliseren en de reactie vermoeilijken.
De activiteit van de katalysator wordt eveneens beïnvloed door de temperatuur volgens de
Arrhenius vergelijking.
Er is eveneens bewezen dat de silanolgroepen die voorkomen op het oppervlak naast de
functionele groepen een positief effect hebben op de activiteit van de katalysator. Dat wordt
verklaard aan de hand van de bevindingen in de literatuur waarbij er wordt gesteld dat
zwakkere zuren een betere zuur-base coöperatieve katalyse ondergaan dan sterkere zuren
die voor een proton-shift zorgen. Er is eveneens aangetoond dat de activiteit stijgt met de
stijgende hoeveelheid silanolgroepen.
Er is aangetoond dat door incorporatie van aminozuren op een vaste drager de mobiliteit van
de moleculen afnemen wardoor deze moeilijk bereikbaar worden en een lagere activiteit
vertonen. Hierbij is er eveneens aangetoond dat het mechanisme van de homogene
katalysator en de heterogene katalysator dezelfde zijn. Het mechanisme van heterogene
cysteïne in aan/afwezigheid van silanolgroepen is eveneens uitgewerkt.
Door het afzetten van éénzelfde functionele groep op twee verschillende dragers,
silicadrager en PMO-drager, is de invloed van de drager uigetest. Men heeft gezien dat de
104
PMO-materialen een veel hogere activiteit vertonen in vergelijking met de silicamaterialen.
Dat wordt verklaard door de veel kleinere afstand tussen de silanolgroepen en de
cysteïnemoleculen op het PMO-oppervlak die een betere zuur-base coöperatieve katalyse
bieden. Een andere verklaring voor de lagere activiteit van deze silicamaterialen ligt in het
feit dat de silicamaterialen na incorporatie veel hydrofober geworden zijn, waardoor deze
materialen de reagerende moleculen afstoten en de reactie vermoeilijken doordat de
katalytisch actieve centra moeilijk te bereiken zijn.
In de literatuur wordt er gesteld dat secundaire amines veel actiever zijn dan primaire
amines. Bij de vergelijking tussen PMO cysteïne en PMO proline werd het omgekeerde
fenomeen ondervonden. Dit wordt verklaard door de onvolledige deprotectie van de Bocgroep waardoor er minder vrije aminefuncties in de reactor aanwezig waren dan berekend.
Dit was de oorzaak van de lagere activiteit.
Via Delplot analyse is aangetoond dat het aldolproduct het primair product is van de
aldolcondensatiereactie en het ketonproduct het secundair product. Er is eveneens
aangetoond dat de selectiviteit voor het aldolproduct in het begin het hoogst is en daarna
geleidelijk afneemt door de reactie tot het ketonproduct voor alle drie de katalysatoren.
105
Toekomstig werk
Incorporeren van aminozuren op een vaste drager behoort tot recent onderzoek. Er is
aangetoond dat silicamaterialen maar vooral PMO-materialen veelbelovende dragers zijn
voor deze nieuwe soort van katalysatoren. Deze syntheses bevinden zich nog steeds in de
beginfasen van het onderzoek, hierdoor zal er in de toekomst nog verder gezocht moeten
worden naar verklaringen van onverklaarbare aspecten.
Men moet het verschil in activiteit tussen silicadrager en PMO-drager beter in kaart brengen
door het maken van nieuwe PMO-materialen met variërende hydrobiciteit en aantal
silanolgroepen. Dit jaar was dit helaas niet mogelijk doordat er slechts één soort PMOcysteïne gesynthetiseerd werd.
Er zijn eveneens nieuwe karakteriseringsmethoden (zoals C-NMR) nodig om de knelpunten
bij de herbruikbaarheid van de katalysatoren te kunnen verklaren. Ook is er een efficiëntere
methode nodig voor de kwantitatieve bepaling van het aantal silanolgroepen op het
oppervlak van silica en PMO-materialen.
De uitgeteste PMO proline moet zeker opnieuw uitgetest worden nadat de volledige
deprotectie van de Boc-groepen gelukt is aan de hand van de ideeën die voorgesteld zijn
met de COMOC-groep.
Het onderzoek kan ook uitgebreid worden met andere aminozuren. Mischien kunnen er ook
aminolen afgezet worden op vaste dragers. Aminolen kunnen eventueel nog hogere
activiteiten vertonen omdat de alcoholgroepen van aminolen een veel hoger pKa hebben dan
de carbonzure groep van aminozuren.
106
Figurenlijst
Figuur 1: Aldolcondensatiereactie...........................................................................................2
Figuur 2: Keto-enoltautomerie [12] .........................................................................................3
Figuur 3: Mechanisme van basisch gekatalyseerde aldolcondensatiereactie [3] .....................4
Figuur 4: Dehydratatie van base gekatalyseerde aldolcondensatie [3] ...................................5
Figuur 5: Reactiemechanisme van zuur gekatalyseerde aldolcondensatie [3] ........................6
Figuur 6: Dehydratatie van zuur gekatalyseerde aldolcondensatie [3] ....................................7
Figuur 7: Structuur van mesoporeuze M41S materialen [20] ................................................10
Figuur 8: Verschillende soorten silanolgroepen en siloxaanbruggen op het amorf
silicaoppervlak [21] ...............................................................................................................11
Figuur 9: Aantal silanolgroepen in functie van de voorbehandelingstemperatuur [23] ...........12
Figuur 10: Silanisering in waterig solvent [23] .......................................................................13
Figuur 11: Ammoniak katalyse van methoxysilanen op het silicaoppervlak [23]....................14
Figuur 12: Reactiemechanisme van APTS met silicagel [40] ................................................15
Figuur 13: Postsynthetische functionalisatie van silica..........................................................16
Figuur 14: Co-condensatie van silicamateriaal en organosilaanprecursor ............................17
Figuur 15: Synthese van een PMO .......................................................................................19
Figuur 16: Thiol-ene clickmechanisme [34]...........................................................................20
Figuur 17: Coöperatieve katalyse [29] ..................................................................................22
Figuur 18: Invloed van silanolgroepen ..................................................................................23
Figuur 19: Aldolcondensatiereactie in afwezigheid van silanolgroepen[1] .............................24
Figuur 20: Aldolcondensatiereactie in aanwezigheid van silanolgroepen[1] ..........................25
Figuur 21: Invloed verschillende soorten precursoren [35] ....................................................26
Figuur 22: Proline-gekatalyseerde aldolcondensatiereactie[44] ............................................27
Figuur 23: Graften van N-methyl-3-aminopropyltrimethoxysilaan..........................................31
Figuur 24: Proefopstelling .....................................................................................................32
Figuur 25: Graften van carboxyethylsilaanthiol .....................................................................33
Figuur 26: Grafting van VTES en clickreactie tussen de vinylgroep en de cysteïne ..............34
Figuur 27: HMDS behandeling van het silicamateriaal ..........................................................35
Figuur 28: Synthese thiol-PMO .............................................................................................36
Figuur 29: Williamson ether reactie ......................................................................................37
Figuur 30: Synthese heterogene prolinederivaat ..................................................................37
Figuur 31: Synthese vinyl-PMO ............................................................................................38
Figuur 32: Functionalisatie met cysteïne...............................................................................38
Figuur 33: Principe van DRIFTS [58] ....................................................................................40
Figuur 34: Stokes - anti-Stokes – Rayleighverstrooiingslijn [60] ............................................41
Figuur 35: Micromeritics Gemini 2360 [61] ...........................................................................43
Figuur 36: IUPAC standaard adsorptie-isothermen [59]........................................................44
Figuur 37: Opstelling elementaire analyse [62] .....................................................................45
Figuur 38: CHNS-spectrum silica geënt met cysteïne ...........................................................46
Figuur 39: Vorming van een inhibitie-intermediair [79] ..........................................................52
Figuur 40: DRIFT-spectrum van voorbehandelde silicagel 60 ...............................................59
Figuur 41: Raman-spectrum van voorbehandelde silicagel...................................................60
Figuur 42: DRIFT-spectrum van voorbehandelde silica en silica geënt met N-methyl-3aminopropyltrimethoxysilaan ................................................................................................61
Figuur 43: Raman-spectrum van silica geënt met N-methyl-3-aminopropyltrimethoxysilaan .62
107
Figuur 44: DRIFT-spectrum van voorbehandelde silica en silica geënt met
carboxyethylsilaantriol ..........................................................................................................63
Figuur 45: Raman-spectrum van silica geënt met carboxyethylsilaantriol .............................63
Figuur 46: DRIFT-spectrum van voorbehandelde silica, silica geënt met vinyltriethoxysilaan
en cysteïne ...........................................................................................................................64
Figuur 47: Stikstof adsorptie-desorptie isotherme van silica cysteïne ...................................65
Figuur 48: DRIFT-spectrum van etheen-PMO ......................................................................66
Figuur 49: DRIFT-spectra van thiol-PMO..............................................................................67
Figuur 50: DRIFS-spectra van etheen-PMO en PMO cysteïne .............................................68
Figuur 51: Raman-spectrum van PMO cysteïne ...................................................................68
Figuur 52: Stikstof adsorptie-desorptie isotherme van PMO cysteïne ...................................69
Figuur 53: DRIFT-spectra van SH-PMO, PMO Boc-proline en PMO proline .........................70
Figuur 54: Stikstof adsorptie-desorptie isotherme van PMO proline ......................................71
Figuur 55: Activiteit van silica cysteïne bij eerste en tweede maal gebruik ............................74
Figuur 56: DRIFT-spectra van silica cysteïne voor en na gebruik .........................................76
Figuur 57: Activiteit van PMO cysteïne bij eerste, tweede en derde maal gebruik ................77
Figuur 58: DRIFT-spectra van silica cysteïne voor en na gebruik .........................................78
Figuur 59: Activiteit van PMO proline bij eerste en tweede maal gebruik ..............................79
Figuur 60: DRIFT-spectra van silica cysteïne voor en na gebruik .........................................80
Figuur 61: Invloed van solvent op de reactiesnelheid ...........................................................83
Figuur 62: Invloed silanolgroepen op de reactiesnelheid ......................................................85
Figuur 63: Invloed hoeveelheid silanolgroepen op de reactiesnelheid ..................................86
Figuur 64: Invloed temperatuur op de reactiesnelheid ..........................................................87
Figuur 65: Logaritmisch verband van temperatuur ................................................................88
Figuur 66: Glycine (links) en cysteïne (reachts) ....................................................................88
Figuur 67: Oppervlak van silica cysteïne ..............................................................................89
Figuur 68: Invloed van fase van de katalysator op de reactiesnelheid ..................................90
Figuur 69: Temperatuursafhankelijkheid van homogene katalysator ....................................90
Figuur 70: Temperatuursafhankelijkheid van heterogene katalysator ...................................91
Figuur 71: Silica cysteïne (links) en PMO cysteïne (rechts) ..................................................92
Figuur 72: Invloed van de drager op de reactiesnelheid .......................................................93
Figuur 73: Invloed van de niet- gereageerde vinylgroepen ...................................................94
Figuur 74: Vergelijking van de uitgeteste katalysatoren ........................................................94
Figuur 75: Inloed primaire versus secundaire amine op de reactiesnelheid ..........................95
Figuur 76: Boc-groep ............................................................................................................96
Figuur 77: Eerste orde Delplot voor het aldolproduct ............................................................98
Figuur 78: Tweede orde Delplot voor het aldolproduct..........................................................98
Figuur 79: Eerste orde Delplot voor het ketonproduct ...........................................................99
Figuur 80: Tweede orde Delplot voor het ketonproduct ........................................................99
Figuur 81: Selectiviteit van de verschillende katalysatoren voor het aldolproduct ...............100
Figuur 82: Reactiemechanisme van heterogene cysteïne in afwezigheid van silanolgroepen
...........................................................................................................................................102
Figuur 83: Reactiemechanisme in aanwezigheid van silanolgroepen .................................102
108
Tabellenlijst
Tabel 1: Eigenschappen van homogene en heterogene katalysatoren ...................................3
Tabel 2: Reactieresultaten van de LDH's met verschillende Mg/Al molverhoudingen[6] .........8
Tabel 3: Vergelijking materiaaleigenschappen van grafting- en co-condensatieprocedure [27]
.............................................................................................................................................18
Tabel 4: Activiteit van 3-aminopropyl-trimethoxysilaan-gefunctionaliseerde katalysatoren in
de aldolcondensatiereactie tussen aceton en 4-nitrobenzaldehyde ......................................22
Tabel 5: Invloed verschillende soorten zuurgroepen .............................................................26
Tabel 6: Aldolcondensatiereactie van aceton en 4-nitrobenzaldehyde bij verschillende ........29
Tabel 7: Indeling infraroodstraling [7]....................................................................................39
Tabel 8: CHNS-resultaten silica geënt met carboxyethylsilaantriol .......................................46
Tabel 9: Eigenschappen van de uitgangsproducten .............................................................48
Tabel 10: Retentietijden van de verschillende componenten ................................................50
Tabel 11: Golflengte bij maximale absorbantie .....................................................................51
Tabel 12: Golflengte programmatie ......................................................................................52
Tabel 13: Kalibratiefactoren ..................................................................................................53
Tabel 14: Gesynthetiseerde katalysatoren en hun dragers ...................................................58
Tabel 15: Infraroodvibraties van silica ..................................................................................60
Tabel 16: Gegevens silica cysteïne ......................................................................................65
Tabel 17: Gegevens van PMO cysteïne ...............................................................................69
Tabel 18: Gegevens van PMO proline ..................................................................................71
Tabel 19: Elementaire analyse en stikstof-adsorptieresultaten van silica cysteïne voor en na
gebruik .................................................................................................................................74
Tabel 20: Elementaire analyse en stikstof-adsorptieresultaten van PMO cysteïne voor en na
gebruik .................................................................................................................................77
Tabel 21: Elementaire analyse en stikstof-adsorptieresultaten van PMO proline voor en na
gebruik .................................................................................................................................79
Tabel 22: Reactiecondities voor de invloed van solvent........................................................82
Tabel 23: Reactiecondities voor de invloed van de silanolgroepen .......................................84
Tabel 24: Reactiecondities voor de invloed van temperatuur ................................................86
Tabel 25: Reactiecondities voor de invloed van fase van katalysator .................................89
Tabel 26: Waarden voor activeringsenergie en pre-exponentiële factor ...............................91
Tabel 27: Reactiecondities voor de invloed van de drager ....................................................92
Tabel 28: Reactiecondities voor de invloed van primaire versus secundaire amine ..............95
109
Referenties
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
Lauwaert, J., et al., Silanol-Assisted Aldol Condensation on Aminated Silica:
Understanding the Arrangement of Functional Groups. ChemCatChem, 2014. 6(1): p.
255-264.
Dedsuksophon, W., et al., Hydrolysis/dehydration/aldol-condensation/hydrogenation
of lignocellulosic biomass and biomass-derived carbohydrates in the presence of
Pd/WO3–ZrO2 in a single reactor. Bioresource Technology, 2011. 102(2): p. 20402046.
L. G. Wade, J., Organic chemistry. 4th ed. ed. 1999, Prentice-Hall Upper Saddle
River.
Pham, T.N., D. Shi, and D.E. Resasco, Evaluating strategies for catalytic upgrading
of pyrolysis oil in liquid phase. Applied Catalysis B: Environmental, 2014. 145(0): p.
10-23.
Voort, P.V.D., Hetergenous Catalysis, 2013-2014, Universiteit Gent.
Liu, H., et al., Aldol condensation of furfural and acetone on layered double
hydroxides. Kinetics and Catalysis, 2010. 51(1): p. 75-80.
Marin, G., Oppervlakfenomenen en Katalyse, 2013-2014, Universiteit Gent.
Erica Farnetti, R.D. Monte, and J. Kaspar Homogenous and heterogenous catalysis.
Li, C., Y. Liu, and J. Willey, Bridging heterogenous and homogenous catalysis. 2014:
Wiley-VCH.
Diricks, G., Aanvullingen oefeningen organische chemie, 2008: Hoge school Gent.
McMurry, J., Organic Chemistry. 7e editie ed. mei 2009: Cengage Learning.
Clayden, J., N. Greeves, and S. Warren, Organic Chemistry. 2e editie ed. mei 2012:
Oxford.
Liu, B., et al., Optimizing the matching between the acid and the base of cooperative
catalysis to inhibit dehydration in the aldol condensation. Journal of Colloid and
Interface Science, 2011. 362(2): p. 625-628.
Setoyama, T., Acid–base bifunctional catalysis: An industrial viewpoint. Catalysis
Today, 2006. 116(2): p. 250-262.
Kagunya, W. and W. Jones, Aldol condensation of acetaldehyde using calcined
layered double hydroxides. Applied Clay Science, 1995. 10(1–2): p. 95-102.
Mahmoodi, N.M., S. Khorramfar, and F. Najafi, Amine-functionalized silica
nanoparticle: Preparation, characterization and anionic dye removal ability.
Desalination, 2011. 279(1–3): p. 61-68.
Solin, N., et al., An amphoteric mesoporous silica catalyzed aldol reaction. Catalysis
Communications, 2009. 10(10): p. 1386-1389.
Shylesh, S., et al., Cooperative Acid–Base Effects with Functionalized Mesoporous
Silica Nanoparticles: Applications in Carbon–Carbon Bond-Formation Reactions.
Chemistry – A European Journal, 2009. 15(29): p. 7052-7062.
Zhong, L., J. Xiao, and C. Li, Direct Asymmetric Aldol Reactions on Heterogeneous
Bifunctional Catalyst. Chinese Journal of Catalysis, 2007. 28(8): p. 673-675.
Motokura, K., M. Tada, and Y. Iwasawa, Heterogeneous Organic Base-Catalyzed
Reactions Enhanced by Acid Supports. Journal of the American Chemical Society,
2007. 129(31): p. 9540-9541.
Fechete, I., Y. Wang, and J.C. Védrine, The past, present and future of
heterogeneous catalysis. Catalysis Today, 2012. 189(1): p. 2-27.
Steene, E.V.d., CHEMISCHE INGENIEURSTECHNIEKEN II LABO, 2013-2014.
110
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
Barbaro, P. and F. Liguori, Ion Exchange Resins: Catalyst Recovery and Recycle.
Chemical Reviews, 2008. 109(2): p. 515-529.
Podrebarac, G.G., F.T.T. Ng, and G.L. Rempel, A kinetic study of the aldol
condensation of acetone using an anion exchange resin catalyst. Chemical
Engineering Science, 1997. 52(17): p. 2991-3002.
Pyo, S.-H., et al., Self- and Cross-Aldol Condensation of Propanal Catalyzed by
Anion-Exchange Resins in Aqueous Media. Organic Process Research &
Development, 2011. 15(3): p. 631-637.
Ren, Y., Z. Ma, and P.G. Bruce, Ordered mesoporous metal oxides: synthesis and
applications. Chemical Society Reviews, 2012. 41(14): p. 4909-4927.
Rodríguez Avendaño, R.G., et al., Synthesis and characterization of mesoporous
materials: Silica–zirconia and silica–titania. Catalysis Today, 2009. 148(1–2): p. 1218.
Almar, L., et al., High-surface-area ordered mesoporous oxides for continuous
operation in high temperature energy applications. Journal of Materials Chemistry A,
2014. 2(9): p. 3134-3141.
Monge-Marcet, A., et al., Recyclable silica-supported prolinamide organocatalysts for
direct asymmetric Aldol reaction in water. Green Chemistry, 2012. 14(6): p. 16011610.
Hasaninejad, A., et al., Solvent-Free, Cross-Aldol Condensation Reaction Using
Silica-Supported,
Phosphorus-Containing
Reagents
Leading
to
α,α′Bis(arylidene)cycloalkanones. Synthetic Communications, 2010. 40(23): p. 34883495.
Ishitani, H. and M. Iwamoto, Selective aldol reactions of acetals on mesoporous silica
catalyst. Tetrahedron Letters, 2003. 44(2): p. 299-301.
Brunelli, N.A. and C.W. Jones, Tuning acid–base cooperativity to create next
generation silica-supported organocatalysts. Journal of Catalysis, 2013. 308(0): p. 6072.
Yokoi, T., Y. Kubota, and T. Tatsumi, Amino-functionalized mesoporous silica as
base catalyst and adsorbent. Applied Catalysis A: General, 2012. 421–422(0): p. 1437.
Hoffmann, F., et al., Silica-Based Mesoporous Organic–Inorganic Hybrid Materials.
Angewandte Chemie International Edition, 2006. 45(20): p. 3216-3251.
Zhuravlev, L.T., The surface chemistry of amorphous silica. Zhuravlev model.
Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2000. 173(1–3):
p. 1-38.
Christy, A.A., Quantitative determination of surface area of silica gel particles by near
infrared spectroscopy and chemometrics. Colloids and Surfaces A: Physicochemical
and Engineering Aspects, 2008. 322(1–3): p. 248-252.
schaubroeck, J., Instrumentele analyse II, 2012-2013, Universiteit Gent.
Vansant, E.F., K.C. Vrancken, and P. Van der Voort, Characterization and chemical
modification of the silica surface. 1995, Amsterdam: Elsevier. 556.
Krasnoslobodtsev, A.V. and S.N. Smirnov, Effect of Water on Silanization of Silica by
Trimethoxysilanes. Langmuir, 2002. 18(8): p. 3181-3184.
Grégorio Crini and P.-M. Badot, Sorption processes and pollution, 2010: Presses
Univ. Franche-comité.
Goltner, C.G. and M. Antonietti, Mesoporous materials by templating of liquid
crystalline phases. Advanced Materials, 1997. 9(5): p. 431-436.
111
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
Bruhwiler, D., Postsynthetic functionalization of mesoporous silica. Nanoscale, 2010.
2(6): p. 887-892.
Garcia, R.A., et al., Direct synthesis and post-oxidation of SBA-15 and MCM-41
functionalized with butenyl groups, E.a.M.T. Department of Chemical, Editor, Rey
Juan Carlos University: Madrid, Spain.
Shen, A., et al., A novel zwitterionic HILIC stationary phase based on "thiol-ene" click
chemistry between cysteine and vinyl silica. Chemical Communications, 2011.
47(15): p. 4550-4552.
Schwab, R.S., et al., Organocatalytic asymmetric aldol reactions mediated by a
cysteine-derived prolinamide. Tetrahedron Letters, 2008. 49(34): p. 5094-5097.
Martra, G., et al., The Formation and Self-Assembly of Long Prebiotic Oligomers
Produced by the Condensation of Unactivated Amino Acids on Oxide Surfaces.
Angewandte Chemie International Edition, 2014: p. n/a-n/a.
Sakthivel, K., et al., Amino Acid Catalyzed Direct Asymmetric Aldol Reactions: A
Bioorganic Approach to Catalytic Asymmetric Carbon−Carbon Bond-Forming
Reactions. Journal of the American Chemical Society, 2001. 123(22): p. 5260-5267.
Hoyle, C.E. and C.N. Bowman, Thiol–Ene Click Chemistry. Angewandte Chemie
International Edition, 2010. 49(9): p. 1540-1573.
Shen, A., et al., Preparation and chromatographic evaluation of a cysteine-bonded
zwitterionic hydrophilic interaction liquid chromatography stationary phase. Journal of
Chromatography A, 2012. 1228(0): p. 175-182.
Dondoni, A. and A. Marra, Recent applications of thiol-ene coupling as a click
process for glycoconjugation. Chemical Society Reviews, 2012. 41(2): p. 573-586.
Brunelli, N.A., K. Venkatasubbaiah, and C.W. Jones, Cooperative Catalysis with
Acid–Base Bifunctional Mesoporous Silica: Impact of Grafting and Co-condensation
Synthesis Methods on Material Structure and Catalytic Properties. Chemistry of
Materials, 2012. 24(13): p. 2433-2442.
Margelefsky, E.L., R.K. Zeidan, and M.E. Davis, Cooperative catalysis by silicasupported organic functional groups. Chemical Society Reviews, 2008. 37(6): p.
1118-1126.
Li, H., et al., Acid–base cooperativity of heterogeneous catalyst containing acidic
framework and sterically hindered base for aldol condensation. Chinese Chemical
Letters, 2009. 20(9): p. 1051-1054.
Kubota, Y., et al., Further Investigations on the Promoting Effect of Mesoporous Silica
on Base-Catalyzed Aldol Reaction. Topics in Catalysis, 2010. 53(7-10): p. 492-499.
Xie, Y., et al., Efficient solid-base catalysts for aldol reaction by optimizing the density
and type of organoamine groups on nanoporous silica. Journal of Catalysis, 2009.
265(2): p. 131-140.
Zeidan, R.K., S.-J. Hwang, and M.E. Davis, Multifunctional Heterogeneous Catalysts:
SBA-15-Containing Primary Amines and Sulfonic Acids. Angewandte Chemie
International Edition, 2006. 45(38): p. 6332-6335.
Zeidan, R.K. and M.E. Davis, The effect of acid–base pairing on catalysis: An efficient
acid–base functionalized catalyst for aldol condensation. Journal of Catalysis, 2007.
247(2): p. 379-382.
Nozière, B. and A. Córdova, A Kinetic and Mechanistic Study of the Amino Acid
Catalyzed Aldol Condensation of Acetaldehyde in Aqueous and Salt Solutions. The
Journal of Physical Chemistry A, 2008. 112(13): p. 2827-2837.
112
59.
60.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
67.
68.
69.
70.
71.
72.
73.
74.
75.
76.
77.
Yu, X., et al., The effect of the distance between acidic site and basic site immobilized
on mesoporous solid on the activity in catalyzing aldol condensation. Journal of Solid
State Chemistry, 2011. 184(2): p. 289-295.
Jarvo, E.R. and S.J. Miller, Amino acids and peptides as asymmetric organocatalysts.
Tetrahedron, 2002. 58(13): p. 2481-2495.
Gruttadauria, M., et al., Supported ionic liquid asymmetric catalysis. A new method
for chiral catalysts recycling. The case of proline-catalyzed aldol reaction.
Tetrahedron Letters, 2004. 45(32): p. 6113-6116.
Benjamin List, Richard A. Lerner, and C.F.B. III, Proline-Catalyzed Direct Asymmetric
Aldol Reactions. 1999.
Bass, J.D., et al., Acid−Base Bifunctional and Dielectric Outer-Sphere Effects in
Heterogeneous Catalysis: A Comparative Investigation of Model Primary Amine
Catalysts. Journal of the American Chemical Society, 2006. 128(11): p. 3737-3747.
Rosen, J.E. and F.X. Gu, Surface Functionalization of Silica Nanoparticles with
Cysteine: A Low-Fouling Zwitterionic Surface. Langmuir, 2011. 27(17): p. 1050710513.
Valle-Vigón, P., M. Sevilla, and A.B. Fuertes, Carboxyl-functionalized mesoporous
silica–carbon composites as highly efficient adsorbents in liquid phase. Microporous
and Mesoporous Materials, 2013. 176(0): p. 78-85.
Majewski, P., T. Albrecht, and S. Weber, COOH-functionalisation of silica particles.
Applied Surface Science, 2011. 257(22): p. 9282-9286.
An, Y., et al., Preparation and self-assembly of carboxylic acid-functionalized silica.
Journal of Colloid and Interface Science, 2007. 311(2): p. 507-513.
Chang, W.-C., et al., Synthesis and characterization of large pore cubic mesoporous
silicas functionalized with high contents of carboxylic acid groups and their use as
adsorbents. Applied Catalysis B: Environmental, 2013. 142–143(0): p. 817-827.
Ide, M., et al., Quantification of silanol sites for the most common mesoporous
ordered silicas and organosilicas: total versus accessible silanols. Physical Chemistry
Chemical Physics, 2013. 15(2): p. 642-650.
Ouwehand, J., A novel thiol-functionalized Periodic Mesoporous Organosilica as
adsorbent and bifunctional catalyst, O.a.C.C. Centre for Ordered Materials, Editor
2013-2014, Universiteit Gent: Gent.
DRIFT spectroscopy. [cited 2014 15 februari]; Available from: http://weimar.ipc.unituebingen.de/index.php?id=834.
Scott, R.P.W. Diffuse Reflectance IR Fourier Transform Spectroscopy (DRIFTS).
Verberckmoes, A., Spectroscopische technieken, 2013-2014, Universiteit Gent.
Couzins, A., Principle of Raman Spectroscopy.
Clercq, J.D., Chemische ingenieurstechnieken II, 2013-2014, Universiteit Gent.
Verberckmoes, A., Fysicochemie II, 2013-2014, Universiteit Gent.
Gemini VII 2390 Surface Area Analyzer. [cited 2014 15 februari]; Available from:
http://www.micromeritics.com/product-showcase/Gemini-VII-2390-Series-SurfaceArea-Analyzers.aspx.
78.
Perkin Elmer 2400 Series II CHNS/O Elemental Analyzer. [cited 2014 14 februari];
Available
from:
http://www.pact.ac.uk/facilities/PACT-Core-Facilities/Analytical-
Labs/Perkin-Elmer-2400-Series-II-CHNSO-Elemental-Analyzer/.
113
79.
Kandel, K., et al., Substrate inhibition in the heterogeneous catalyzed aldol
condensation: A mechanistic study of supported organocatalysts. Journal of
Catalysis, 2012. 291(0): p. 63-68.
80.
Bhore, N.A., M.T. Klein, and K.B. Bischoff, Species rank in reaction pathways:
Application of Delplot analysis. Chemical Engineering Science, 1990. 45(8): p. 21092116.
81.
Liang, Y., C.R. Miranda, and S. Scandolo, Infrared and Raman spectra of silica
polymorphs from an ab initio parametrized polarizable force field. The Journal of
Chemical Physics, 2006. 125(19): p. -.
82.
Tanaka, F., et al., Rapid analysis of solvent effects on enamine formation by
fluorescence: how might enzymes facilitate enamine chemistry with primary amines?
Tetrahedron Letters, 2004. 45(2): p. 325-328.
114

vto 2014 – antwoorden voorronde

Zorgprogramma Longtransplantatie UZ Leuven Prof. dr G. Verleden

Hoofdstuk 9 D

Opgave 2 (G-)Krachtmetingen in een attractiepark

Fiche

6 Theezakje - Havovwo.nl

Manwolf pdf free

WAIS-IV en CHC Tabel 1: De Indexen in relatie tot

De bepaling van psychofarmaca.

Inhaal HT4: Bepaalde integraal 6 WEWI (oefeningen) (12.11.2014)