Monitoramento de Reações de Hidrogenação

A hidrogenação é uma das principais reações químicas.Em uma única etapa, uma reação de hidrogenação permite a formação de ligações C-C simples de alcenos e alcanos, de ligações C-O de cetonas, aldeído ou ésteres e C-N (aminas) de iminas ou nitrilos, etc. A hidrogenação influenciou diversos fatores, incluindo o tipo de catalisador, a concentração do catalisador, solvente, pureza dos substratos, temperatura e pressão. Ao considerar o desempenho do catalisador, quatro parâmetros são geralmente considerados: rendimento, seletividade, TON/TOF, atividade e estabilidade. Com a coleta contínua de dados analíticos ao longo de cada experimento, os químicos removem barreiras para obter o melhor entendimento de cada reação. O entendimento do início, do mecanismo, da conversão e do ponto final da reação, assim como o perfil da impureza ou do subproduto, permite tomadas rápidas de decisões sobre quais mudanças devem ser feitas nas condições químicas ou nos parâmetros do processo. 

O entendimento dos processos da reação de hidrogenação pode ser difícil com técnicas off-line, que requerem que uma amostra seja extraída do reator sob pressão. Técnicas off-line são desafiadas pela instabilidade dos intermediários e produtos da reação, e pelo retardo que é necessário para analisar as amostras manualmente. Devido à mão de obra intensiva da amostragem e da análise e dos retardos nos resultados, a determinação precisa do ponto final da reação nem sempre é possível com técnicas off-line. Para facilitar os experimentos ricos em dados, pesquisadores aplicam PAT inserido diretamente nos tanques de reação, in situ. Medições contínua e em tempo real da reação são aplicadas para a obtenção de um conhecimento fundamental do processo. Isso se aplica para a tomada mais rápida de decisões, reduzir o número de experimentos e o tempo de aumento de escala do processo; aumentar seletividade/rendimento de um feedback praticamente instantâneo sobre a direção da reação; reduzir o tempo de ciclo e melhorar o rendimento pela determinação do ponto final ideal, parando uma reação em um ponto do tempo específico e evitando o risco de formação de subproduto.

Por exemplo, a redução de derivados de nitrobenzeno é geralmente usada para produzir intermediários usados na síntese de Princípios Farmacêuticos Ativos (APIs) e produtos químicos finos.A seletividade e a reatividade da reação, levando a vários índices de hidroxilamina/anilina, dependem de muitas variáveis, incluindo o tipo de solvente, de catalisador, a temperatura e a pressão. Um melhor entendimento do impacto dessas variáveis no desempenho da reação é desejável para o desenvolvimento e o controle do processo. 

Este gráfico mostra a redução de nitrobenzeno sem um catalisador. Os componentes são facilmente detectados e acompanhados pelo consumo de Ф-NO₂ e pela formação de Ф NH₂. O monitoramento da progressão da reação mostra o consumo rápido e imediato de material de partida e a formação de anilina, sem evidências da presença de um intermediário. Perfis da concentração do componente são usados para determinar um ponto final exato e preciso para a produção de Ф NH₂. Informações do mecanismo e da cinética podem ser deduzidas, indicando cinéticas da ordem de zero para o consumo de Ф-NO₂ e para a formação de Ф NH₂. É possível identificar que parâmetros críticos do processo, tais como a natureza do catalisador, resultariam em conversão total do nitrobenzeno, em bom rendimento e em tempo de reação otimizado.

Neste exemplo, no qual outro catalisador foi usado, os dados exibem a aparência de Ar-NHOH como um intermediário, levando a um tempo de reação mais longo para a produção de Ar-NH₂. A aplicação da espectrografia ReactIR in situ facilita a determinação de um ponto final exato e preciso para o intermediário Ф-NHOH e o produto Ф-NH₂. Informações do mecanismo e de cinética podem ser deduzidas a partir do gráfico no formato dos perfis do componente, indicando que há dois regimes de cinética. Cinética da ordem de zero é observada para o consumo de Ф-NO₂ e a formação de Ф-NHOH, enquanto cinética próxima da primeira ordem (com relação a CФ-NHOH) é observada para a formação de Ф-NH₂ com retardo. Parâmetros críticos do processo, tais como a natureza do catalisador, são identificados, o que resulta em um maior rendimento para o produto de Ar-NH_2.

As hidrogenações enfrentam desafios com a cinética, a seletividade, a reatividade e a variabilidade do ponto final da reação, de lote para lote e no aumento de escala. Esta apresentação inclui quatro estudos de caso:

• Redução de Nitrobenzil
• Redução de Rosenmund
• Redução de Pirazina
• Aminação Redutiva

Espectroscopia no Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR)  ReactIR Inline é uma técnica in situ, que fornece informação instantânea sobre uma reação. Decisões podem ser tomadas imediatamente ao longo do experimento, por exemplo, quando finalizar a reação. O ReactIR oferece vantagens sobre métodos analíticos alternativos, incluindo:

• Impermeabilidade a bolhas ou sólidos, tornando-a ideal para hidrogenações ou qualquer reação heterogênea
• Sem necessidade de extração de amostra, fornecendo a capacidade de medir a hidrogenação em seu ambiente natural, enquanto preserva a integridade da reação química
• Cumpre a lei de Beer-Lambert, permitindo medições qualitativas e quantitativas

Embora a integração de ferramentas de PAT possa fornecer uma análise abrangente e contínua da reação em tempo real, as informações essenciais referentes aos perfis de baixo nível de impurezas ficam limitadas com essas técnicas. Técnicas off-line são consideradas padrão para a análise de impurezas, mas hidrogenações de amostragem sob pressão são desafiadoras e os dados de medição são geralmente limitados. O entendimento do mecanismo de formação de um subproduto requer a identificação da etapa na qual a hidrogenação do subproduto é formada, e, em seguida, a determinação dos parâmetros que causam a formação do subproduto. A coleta dessas informações e a tomada de decisões informadas ao trabalhar com reações de pressão são explicadas neste estudo de caso.

Os processos de hidrogenação são normalmente altamente exotérmicos, e é por isso que uma investigação abrangente de cinética e segurança, com base na calorimetria do fluxo de calor, medições da absorção de hidrogênio e espectroscopia on-line (IV médio), é realizada antes do aumento de escala. Prevendo o comportamento de processo em grande escala, como temperatura ou tempo de reação, e seu impacto sobre o intermediário residual e níveis de impureza podem ser realizados no laboratório usando um Calorímetro de Reação. Cenários de processo baseados em transferência de massa e calor, assim como a caracterização cinética total, podem levar a uma estabilidade maior do catalisador, a um perfil de temperatura de processo e tempo de reação otimizados.

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