Surveillance des réactions d'hydrogénation

L'hydrogénation est l'une des réactions chimiques les plus importantes. Elle permet en effet de former, en une seule étape, des liaisons C-C à partir d'alcènes et d'alcynes, des liaisons C-O à partir de cétones, d'aldéhydes ou d'esters, et des liaisons C-N (amines) à partir d'imines ou de nitriles, etc. L'hydrogénation est influencée par un certain nombre de facteurs comme le type de catalyseur, la concentration du catalyseur, le solvant, la pureté du substrat, la température et la pression. Quatre paramètres sont à prendre en compte pour déterminer les performances d'un catalyseur : le rendement/la sélectivité, le TON/TOF, l'activité et la stabilité. En recueillant des données d'analyse tout au long de chaque expérience, les chimistes sont en mesure d'obtenir un portrait fidèle de chaque réaction. Une meilleure compréhension du début de la réaction, de ses mécanismes, de sa conversion et de son point final, ainsi que du profil des impuretés et des produits dérivés permet de prendre des décisions plus rapidement quant aux changements à apporter aux conditions chimiques ou aux paramètres de procédés. 

Il n'est pas évident de comprendre le processus de réaction d'hydrogénation à l'aide des techniques hors ligne, qui requièrent de prélever un échantillon du réacteur sous pression. L'instabilité des produits dérivés et intermédiaires de la réaction et le temps nécessaire à l'analyse manuelle des échantillons constituent les principaux défis que doivent relever ces techniques hors ligne. Les techniques hors ligne permettent rarement de déterminer avec précision le point final de la réaction en raison de la main-d'œuvre requise pour l'échantillonnage et l'analyse, mais aussi du temps nécessaire à l'obtention des résultats. Afin de faciliter la mise en œuvre d'expériences riches en informations, les chercheurs utilisent des systèmes PAT in situ, insérés directement dans les récipients de réaction. Des mesures continues de la réaction en temps réel garantissent une compréhension fondamentale du procédé. Ces mesures permettent ainsi de prendre des décisions plus rapidement afin de réduire le nombre d'expériences et le délai de Scale-Up du procédé ; d'améliorer la sélectivité/le rendement grâce aux informations quasi instantanées sur la direction de la réaction ; de réduire la durée du cycle et d'améliorer le rendement en déterminant le point final idéal en arrêtant la réaction à un moment précis et en évitant le risque de formation de produits dérivés. 

La réduction des produits dérivés du nitrobenzène, par exemple, est souvent employée pour concevoir des produits intermédiaires utilisés dans la synthèse d'ingrédients pharmaceutiques actifs (API) et de produits de chimie fine. La sélectivité et la réactivité de la réaction, conduisant à différents ratios d'hydroxylamine/aniline, dépendent de multiples variables, telles que le type de solvant, le catalyseur, la température et la pression. Dans le cadre du développement et du contrôle du procédé, il convient de mieux comprendre l'impact de ces variables sur les performances de la réaction. 

Ce graphique présente la réduction du nitrobenzène sans catalyseur. Les composants sont faciles à détecter et à suivre grâce à la consommation de Ф-NO₂ et à la formation de Ф-NH₂. La surveillance de la progression de la réaction montre une consommation rapide et immédiate de la matière première de départ et la formation d'aniline, sans aucune trace de la présence d'un produit intermédiaire. Les profils de concentration des composants permettent de déterminer un point final précis et fiable pour la production de Ф-NH₂. Il est alors possible de déduire des informations relatives aux mécanismes et à la cinétique de la réaction, indiquant une cinétique d'ordre zéro tant pour la consommation de Ф-NO₂ que la formation de Ф-NH₂. Certains paramètres de procédé clés, comme la nature du catalyseur, peuvent être déterminés pour obtenir une conversion complète du nitrobenzène, un bon rendement et un temps de réaction optimisé.

Dans cet exemple, impliquant l'utilisation d'un autre catalyseur, les informations indiquent l'apparition de Ar-NHOH comme produit intermédiaire, ce qui allonge le temps de réaction pour la production de Ar-NH₂. Le recours à la spectroscopie ReactIR in situ permet de déterminer facilement un point final précis et fiable pour le produit dérivé de Ф-NHOH, mais aussi pour le produit Ф-NH₂. Il est alors possible de déduire des informations relatives aux mécanismes et à la cinétique de la réaction à partir du graphique grâce à la forme des profils des composants, indiquant la présence de deux régimes cinétiques. Une cinétique d'ordre zéro est observée tant pour la consommation de Ф-NO₂ que pour la formation de Ф-NHOH, tandis qu'une pseudo-cinétique de premier ordre (eu égard à CФ-NHOH) est observée pour la formation tardive de Ф-NH₂. Certains paramètres de procédé clés, tels que la nature du catalyseur, susceptibles d'améliorer le rendement du produit de Ar-NH_{2, sont déterminés.}

L'hydrogénation doit relever de nombreux défis en matière de cinétique de la réaction, de sélectivité, de réactivité et de variabilité du point final d'un lot à un autre et lors du Scale-Up. Cette présentation comprend quatre études de cas :

• la réduction du nitrobenzyle ;
• la réduction de Rosenmund ;
• la réduction de la pyrazine ;
• l'amination réductrice.

La  spectroscopie FTIR ReactIR  en ligne est une technique in situ, qui fournit  des informations sur une réaction en temps réel. Il est ainsi possible de prendre des décisions immédiatement tout au long de l'expérience, et notamment quant au moment d'arrêter la réaction. La spectroscopie ReactIR offre certains avantages par rapport à d'autres méthodes d'analyse :

• elle est insensible aux bulles et aux particules solides, ce qui en fait une technique idéale pour les hydrogénations ou les réactions hétérogènes ;
• elle ne requiert aucun échantillonnage pour pouvoir mesurer la réaction chimique dans son environnement naturel, tout en préservant l'intégrité de la réaction chimique ;
• elle respecte la loi de Beer-Lambert, permettant de réaliser des mesures qualitatives, mais aussi quantitatives.

Bien que la technologie analytique des procédés intégrée puisse fournir une analyse complète et continue de la réaction en temps réel, les informations essentielles concernant les profils d'impuretés de faible concentration sont limitées à ces techniques. Les techniques hors ligne sont considérées comme la référence en matière d'analyse des impuretés, mais il n'est pas évident de prélever des échantillons lors de l'hydrogénation, et les informations recueillies sont souvent limitées. Pour comprendre les mécanismes de formation des produits dérivés, il est nécessaire de savoir à quelle étape de l'hydrogénation se forme le produit dérivé, ainsi que de déterminer les paramètres qui provoquent sa formation. Cette étude de cas explique comment recueillir ces informations et prendre des décisions avisées tout en travaillant sur des réactions en pression.

En général, les procédés d'hydrogénation sont hautement exothermiques, ce qui explique pourquoi une enquête complète sur la cinétique et la sécurité, fondée sur la calorimétrie du flux de chaleur, les mesures d'absorption de l'hydrogène et la spectroscopie en ligne (infrarouge moyen), est menée avant de procéder à l'extrapolation. Il est possible de prédire le comportement d'un procédé à grande échelle, tel que sa température ou sa durée de réaction, ainsi que son impact sur les niveaux d'impuretés et de produits intermédiaires résiduels en laboratoire à l'aide d'un calorimètre réactionnel. Les scénarios des procédés, fondés sur la masse et le transfert de chaleur, mais également sur la caractérisation cinétique totale, permettent d'obtenir une meilleure stabilité du catalyseur, un profil optimal de température du procédé et un temps de réaction parfaitement adapté.

• Synthèse des polymères
• Études de la cinétique des réactions chimiques
• Développement et extrapolation de procédé chimique
• Transfert de chaleur et extrapolation des procédés
• Mélange et transfert de masse
• Chimie en flux continu
• Sécurité des procédés chimiques
• Technologie analytique des procédés
• Contrôle des isocyanates résiduels