Selective product crystallization as a new catalyst recycling tool in homogeneous transition metal catalysis exemplified by the conversion of oleochemicals

• Applicants: Dr. Thomas Seidensticker; Privatdozentin Dr.-Ing. Kerstin Wohlgemuth
• Subject Area: Technical Chemistry
• Term: from 2019 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 424535516

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Im Zuge des Wandels hin zu einer nachhaltigen chemischen Industrie und Kreislaufwirtschaft spielen nachwachsender Rohstoffe aus natürlichen Fetten und Ölen eine wichtige Rolle. Diese können mittels homogener Übergangsmetallkatalyse in funktionalisierte chemische Zwischenprodukte, sogenannte Oleochemikalien, umgewandelt werden, wobei allerdings aufgrund der in der Regel teuren enthaltenen Edelmetalle in diesen Katalysatoren eine Abtrennung und ein Recycling der Katalysatorphase für eine wirtschaftliche Anwendung unabdingbar ist. Innerhalb dieses Projektes wurde als neue vielversprechende Trennmethode die selektive Kristallisation erforscht, bei der die funktionalisierte Chemikalie als hochreine feste Produktphase auskristallisiert und dann von der flüssigen Reaktionsmischung, die den homogenen Katalysator enthält, abgetrennt wird. Anhand einer gemeinsam entwickelten Strategie wurden zunächst unter Berücksichtigung gegenseitiger Wechselwirkungen die Betriebsbedingungen für die homogen katalysierte Reaktion hinsichtlich einer hohen Katalysatoraktivität und –stabilität, sowie die der anschließenden Kristallisation mit Fest-flüssig- Trennung hinsichtlich einer hohen Produktreinheit optimiert. Somit konnten diese anschließend effizient miteinander verknüpft werden und es wurde verifiziert, dass mittels selektiver Produktkristallisation nicht nur ein effizientes Katalysatorrecycling möglich ist, sondern gleichzeitig auch das Produkt, die funktionalisierte Oleochemikalie, in Monomer-Reinheit von über 99,9 % isoliert werden kann. Gegenüber alternativen Trennverfahren wie Destillation, Extraktion, oder Membranverfahren zeichnet sich die Kristallisation daher gerade für das Katalysatorrecycling bei der gezielten chemischen Funktionalisierung von Oleochemikalien aus natürlichen Fetten und Ölen zur Überführung in polymere Vorstufen als vorteilhaft aus.

Publications

• Towards product separation by cooling crystallization as part of an integrated catalyst recycling process
  A. Seifert; A. Laudanski; J. Simons; T. Seidensticker & K. Wohlgemuth
  
• Selective in situ product separation by cooling crystallization as a new recycling tool for homogeneous catalysts Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Kristallisation, Virtuelles Treffen (2021)
  A. Seifert; A. Laudanski & K. Wohlgemuth
  
• Functionalization of oleo chemicals: Developing sustainable processes by integrated catalyst recycling 11th Workshop on Fats and Oils as Renewable Feedstock for the Chemical Industry, Dortmund (2022)
  A. Seifert; J. Vondran; T. Seidensticker & K. Wohlgemuth
  
• Inert Crystallization and Crystal Product Separation for Effective Recycling of Homogeneous Catalysts BIWIC, Espoo, Finnland (2022)
  A. Seifert; J. Simons; J. Gutsch; A. Wehning & K. Wohlgemuth
  
• Inert Gassing Crystallization for Improved Product Separation of Oleo-Chemicals toward an Efficient Circular Economy. Organic Process Research & Development, 27(1), 136-147.
  Seifert, Astrid I.; Simons, Justin; Gutsch, Jan & Wohlgemuth, Kerstin
  
• Inert Gassing Crystallization for Selective Product Separation in an Integrated Catalyst Recycling Process Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Kristallisation, Dortmund (2022)
  A. Seifert; J. Simons & K. Wohlgemuth
  
• Progressing theCrystalWay to Sustainability: Strategy for Developing an Integrated Recycling Process of Homogeneous Catalysts by Selective Product Crystallization. Industrial & Engineering Chemistry Research, 61(27), 9621-9631.
  Vondran, Johanna; Seifert, Astrid I.; Schäfer, Kevin; Laudanski, André; Deysenroth, Tabea; Wohlgemuth, Kerstin & Seidensticker, Thomas
  
• Pushing Boundaries—Selective Cooling Crystallization as Tool for Selectivity Compensation and Product Purification Using a Recyclable Pd/Xantphos Catalyst in the Methoxycarbonylation of Methyl 10‐Undecenoate. European Journal of Lipid Science and Technology, 125(5).
  Vondran, Johanna; Moeschke, Rebecca; Deysenroth, Tabea & Seidensticker, Thomas
  
• Efficient product purification from reaction mixtures by gassing crystallization, filtration, and washing Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Kristallisation, Frankfurt (2023)
  A. Seifert; J. Gutsch; A. Wehning & K. Wohlgemuth
  
• Focusing Impurities during Inert Gassing Crystallization of Complex Mixtures. Organic Process Research & Development, 27(8), 1485-1498.
  Seifert, Astrid I.; Wehning, Anna; Gutsch, Jan & Wohlgemuth, Kerstin
  
• Polymer-Grade Bio-Monomers from Oleochemicals by Combining Homogeneous Catalysis and Selective Product Crystallization in an Integrated Process. Processes, 11(10), 2861.
  Seifert, Astrid Ina; Wegener, Hannes Wolfgang; Brühl, Katharina; Seidensticker, Thomas & Wohlgemuth, Kerstin