Reazioni catalizzate

Le reazioni catalizzate sono tipicamente utilizzate per accelerare la velocità con cui procede una specifica chimica. Essenzialmente, l'azione del catalizzatore è quella di fornire un percorso alternativo a bassa energia per la reazione.  Perché ciò avvenga, la sostanza catalitica interagisce con un reagente e forma un composto intermedio. Questo intermedio è transitorio in quanto, dopo essersi formato, si rompe lasciando invariata la specie catalizzatrice originale. Un catalizzatore non è influenzato dalla reazione per quanto riguarda la struttura chimica o la massa al completamento della reazione.

Esistono due tipi generali di reazioni catalizzate:

• La reazione catalizzata eterogenea si verifica quando il catalizzatore e il reagente esistono in due fasi diverse, come un catalizzatore solido con un reagente in soluzione.
• La reazione catalizzata omogenea si verifica quando il catalizzatore e il reagente si trovano nella stessa fase, ad esempio quando il catalizzatore e i reagenti sono disciolti nella stessa soluzione.  

• I catalizzatori creano un percorso alternativo per aumentare la velocità e l'esito di una reazione, quindi è importante una comprensione approfondita della cinetica di reazione. Questo non solo fornisce informazioni sulla velocità della reazione, ma fornisce anche informazioni sul meccanismo della reazione.
• Anche l'interazione del catalizzatore con un reagente è di interesse. Le reazioni catalizzate producono intermedi transitori che sono la chiave per il processo catalitico, la velocità di reazione e i prodotti finali.  L'identificazione degli intermedi prodotti dalle reazioni catalitiche è un'area di ricerca in corso e gli strumenti che forniscono informazioni sulla presenza e la struttura dell'intermedio sono utili.
• Misurare l'effetto delle variabili e delle condizioni di reazione su un processo catalitico è importante per l'ottimizzazione della reazione. La temperatura, la pressione, il reagente e le concentrazioni del catalizzatore, così come altri parametri chimici e fisici, hanno un profondo effetto sui prodotti, sulla resa e sui sottoprodotti prodotti in una reazione catalitica.
• Studiare l'attività e misurare i prodotti e i sottoprodotti prodotti da diversi catalizzatori per una data reazione è importante per scegliere la migliore combinazione di catalizzatore e condizioni di reazione.
  
• Misurare e comprendere l'energia di una reazione catalizzata è importante per garantire una reazione sicura e uno scale-up di successo.

• Studiare reazioni catalizzate omogenee ed eterogenee in condizioni di reazione reali, anche a pressione e temperatura elevate.
• Rilevare e aiutare nell'identificazione dei principali intermedi di reazione catalizzata.
• Acquisisci rapidamente dati per determinare la cinetica di reazione, comprendere il meccanismo di reazione e il percorso.
• Monitora e misura istantaneamente i prodotti e i sottoprodotti prodotti dalle reazioni catalitiche.
• Testare e sviluppare le condizioni di reazione ideali per ottimizzare la resa del prodotto finale e ridurre al minimo i prodotti collaterali.
• Determinare rapidamente il catalizzatore e le condizioni migliori per una reazione specifica.
• Eliminate i ritardi dovuti all'estrazione tradizionale dei campioni e alle analisi offline.
• Elimina l'introduzione di aria, umidità o reazioni di disturbo derivanti dall'estrazione del campione.
• Ridurre al minimo l'esposizione dell'operatore a sostanze chimiche tossiche, reazioni potenzialmente energetiche o condizioni di reazione pericolose.

Adattato con il permesso di Tuba, R., Mika, L., Bodor, A. Pustai, Z., Toth, I. e Horvath, I., "Meccanismo dell'idrossimetossicarbonilazione catalizzata dal cobalto modificato con piridina di 1,3-butadiene", Organometallics, 22, 2003, 1582-1584. Diritto d'autore (2018) Società chimica americana.

Utilizzando ReactIR ad alta pressione, i ricercatori hanno studiato l'idrometossicarbonilazione dell'1,3-butadiene a metil-3-pentenoato.  In presenza di piridina, il Co₂(CO)₈ era noto per catalizzare questa reazione. Al momento della ricerca, non erano stati identificati intermedi e uno degli obiettivi del progetto era quello di identificare gli intermedi.

Inizialmente, il metanolo è stato utilizzato come solvente e l'1,3-butadiene è stato aggiunto a una miscela di equilibrio di Co₂(CO)₈ e [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂ sotto 75 bar di monossido di carbonio a 100^oC.  Sulla base del profilo ReactIR, i ricercatori hanno identificato un intermedio, η^3-C₄H₇Co(CO)₃, e dopo aver riscaldato la reazione per diverse ore, il prodotto metil-3-pentenoato si è formato insieme a una miscela di Co₂(CO)₈ e [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂.

ReactIR ha rivelato e aiutato nell'identificazione degli intermedi del cobalto e ha fornito ulteriori informazioni sul meccanismo catalitico.

Quando la piridina è stata utilizzata come solvente, la specie intermedia [CoPy₆][Co(CO₄]₂ è stata l'unica specie metallica identificata.  Dopo che la miscela è stata riscaldata, l'intermedio cobalto-piridina è scomparso ed è stata osservata la presenza di η^3-C₄H₇Co(CO)₃ e del prodotto metil-3-pentenoato nel profilo spettrale ReactIR.

Con un'ulteriore miscelazione a temperatura, l'intermedio η^3-C₄H₇Co(CO)₃ convertito in[CoPy₆][Co(CO₄]₂ e si è formato un ulteriore prodotto pentanoato. I ricercatori hanno riferito che la conversione del η^3-C₄H₇Co(CO)₃ in metil-3-pentenoato era quattro volte più veloce quando la piridina veniva utilizzata come solvente, rispetto al metanolo.

In questo esempio, ReactIR è stato utile per rilevare l'intermedio cobalto-piridina e ha fornito informazioni sul meccanismo catalitico. ReactIR ha rivelato che il tasso di conversione era molto più veloce quando la piridina veniva utilizzata come solvente. Ciò dimostra l'uso della FTIR in situ per determinare la migliore combinazione di catalizzatore/solvente per ottimizzare una reazione catalitica.

Rueping, M., Bootwicha, T., Sugiono, E., "Idrogenazioni asimmetriche catalitiche a flusso continuo: ottimizzazione della reazione mediante analisi in linea FTIR, Beilstein J. Org. Chem. (2012), 8, 300-307.

In questa ricerca, gli scienziati hanno dimostrato per la prima volta la capacità della chimica a flusso continuo di eseguire una reazione di idrogenazione a trasferimento asimmetrico catalitico .  Per monitorare la formazione del prodotto, è stato utilizzato un sistema ReactIR dotato di una cella a flusso ATR appositamente progettata e accoppiato al microreattore. Poiché uno degli obiettivi del lavoro era quello di trovare un insieme ottimale di condizioni per la reazione, il ReactIR è stato attaccato alla fine del flusso di reazione.  

I loro sforzi iniziali si sono concentrati sull'idrogenazione asimmetrica della benzossazina in presenza di diidropiridina di Hantzsch come fonte di idrogeno e di un catalizzatore chirale dell'acido di Brønsted. A scopo di tracciamento sono state utilizzate bande IR a 1479 cm-1 e 1495 cm-1 rispettivamente per il reagente benzossazina e il prodotto diidrobenzossazina

La capacità di tracciare queste bande in tempo reale con FTIR online ha fornito il mezzo con cui è stata realizzata l'ottimizzazione della reazione.

Tra i numerosi vantaggi dell'utilizzo della tecnologia a microflusso continuo per lo studio delle reazioni c'è la capacità di modificare rapidamente le variabili di reazione, come la concentrazione del reagente e del catalizzatore, la velocità di flusso e la temperatura, e di vedere l'effetto di questi cambiamenti sul risultato della reazione.

Nell'idrogenazione asimmetrica catalizzata della benzoxazina a diidrobenzossazina, è stata eseguita una rampa della temperatura di reazione da 5 ^oC a 60 ^oC.  Gli autori hanno riferito di aver raggiunto una resa del prodotto del 98 % eseguendo la reazione a 60 ^oC a una velocità di flusso di 0,1 ml e un tempo di permanenza di 1 ora.

Utilizzando le informazioni di questo lavoro iniziale, lo scienziato ha continuato ad applicare questo protocollo di reazione catalitica a microflusso a una serie di benzoxzine, chinoline, chinossaline e 3H-indoli.  Le condizioni di reazione per ciascuna di queste serie sono state ottimizzate.

Gli autori hanno concluso affermando: "Applicando il monitoraggio in linea FTIR, i parametri di reazione possono essere vagliati rapidamente in un'unica configurazione di reazione e le condizioni di reazione ottimali possono essere ottenute molto più velocemente rispetto alla classica sequenza di conduzione della reazione seguita dall'analisi".

Piccolo e leggero
Il profilo aerodinamico si adatta facilmente ad aree fisicamente limitate come una cappa aspirante.

Monitoraggio delle reazioni in qualsiasi condizione chimica
Sono disponibili opzioni per la chimica in batch o a flusso e una varietà di condizioni, tra cui reazioni di pressione/temperatura elevate e reagenti corrosivi.

Non è richiesto azoto liquido
Le misure a infrarossi possono essere effettuate in modo continuo e non presidiato per tutto il tempo necessario a consentire una sintesi. 

Software potente
Il software iC IR rende l'impostazione e l'ottenimento dei profili di reazione semplici e intuitivi. È disponibile il software iC Kinetics and Reaction Progress Kinetic Analysis che utilizza i dati IR per sviluppare rapidamente e facilmente informazioni sulla velocità di reazione.

In questo webinar, Huw M. L. Davies, professore di chimica presso la Emory University, discute la spettroscopia a infrarossi in trasformata di Fourier (FTIR) per comprendere l'effetto del catalizzatore, del substrato e del precursore del carbenoide sulla velocità e sull'efficienza delle reazioni catalizzate dal rodio. Sono stati sviluppati sistemi ottimizzati con un carico substrato/catalizzatore superiore a 1.000.000.

Questa presentazione include:

• Lo studio dei carbenoidi donatori/accettori che sono gli intermedi centrali dietro la chimica.
• Come applicare la chimica dei carbenoidi verso la sintesi di bersagli farmaceutici.

• Ottimizzazione della reazione del catalizzatore
• Catalisi enzimatica
• Monitoraggio delle reazioni di idrogenazione
• Misurazione delle reazioni di polimerizzazione
• Chimica altamente reattiva
• Reazioni di sintesi

Acquisisci informazioni dettagliate su cinetica, termodinamica, cicli catalitici e meccanismi di reazione per garantire processi sicuri ed efficaci. Con l'aumento dell'uso della catalisi organometallica e dell'organocatalisi nello sviluppo e nella produzione di prodotti farmaceutici e chimici, gli strumenti per lo sviluppo e l'ottimizzazione di queste reazioni su larga scala sono fondamentali.  I dati sperimentali acquisiti da PAT, utilizzati in combinazione con gli strumenti di modellazione avanzati di Dynochem e Reaction Lab, forniscono un mezzo efficace per ottenere informazioni sulle reazioni catalitiche. Nella valutazione della cinetica durante lo sviluppo delle reazioni catalitiche, Reaction Lab modella simultaneamente l'effetto di variabili, tra cui temperatura, pressione, carico del catalizzatore, concentrazioni di reagenti, prodotti e sottoprodotti per fornire il miglior set di condizioni di reazione. È possibile osservare la risposta della reazione a specifici parametri e condizioni variabili e generare superfici di risposta che forniscono informazioni sui compromessi resa/impurità e sulla robustezza della reazione. L'intera reazione catalitica può essere modellata o possono essere valutate le singole fasi del ciclo catalitico per fornire modelli migliorati quando necessario. Dynochem consente lo scale-up delle reazioni catalitiche modellando l'effetto di variabili, tra cui temperatura, pressione, velocità di miscelazione e trasferimento di calore, per identificare rapidamente le condizioni di processo appropriate che garantiscono un funzionamento sicuro e soddisfano gli obiettivi di resa/impurità. Particolarmente importante nell'ottimizzazione e nello scale-up delle reazioni catalitiche che sono intrinsecamente energetiche o che vengono eseguite in condizioni potenzialmente pericolose, Dynochem aiuta nella gestione del rischio attraverso lo sviluppo di modelli di superficie di risposta che rivelano condizioni operative sicure.

Di seguito è riportata una selezione di pubblicazioni relative all'industria in cui sono state studiate con successo reazioni catalizzate eterogenee e omogenee:

• Wu, X., Ding, G., Lu, W., Yang, L., Wang, J., Zhang, Y., Xie, X., & Zhang, Z. (2021). Idrosililazione catalizzata da nichel di alcheni terminali con silani primari tramite attivazione elettrofila del legame silicio-idrogeno. Lettere organiche, 23(4), 1434–1439. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.1c00111
• Mao, H., Wang, H., Meng, T., Wang, C., Hu, X., Xiao, Z., & Liu, J. (2021). Un efficiente catalizzatore ecologico CuFe2O4/SiO2 per l'ossidazione dell'acido vanillilmandelico in acqua a pressione atmosferica e uno studio del meccanismo. Nuovo giornale di chimica, 45(2), 982–992. https://doi.org/10.1039/d0nj04798h
• Baalbaki, H. A., Roshandel, H., Hein, J. E., & Mehrkhodavandi, P. (2021). Conversione di CO2 diluita in carbonati ciclici a pressioni sub-atmosferiche mediante un semplice catalizzatore di indio. Scienza e tecnologia della catalisi, 11(6), 2119-2129. https://doi.org/10.1039/d0cy02028a
• Ren, R., Huang, P., Zhao, W., Li, T., Liu, M., & Wu, Y. (2021). Un nuovo monostrato ternario organometallico autoassemblante Pd(ii)/Fe(iii)/Ru(iii): l'insieme sinergico essenziale per migliorare l'attività catalitica. RSC Advances, 11(3), 1250–1260. https://doi.org/10.1039/d0ra09347e
• An, Q., Wang, L., Bi, S., Zhao, W., Wei, D., Li, T., Liu, M., & Wu, Y. (2021). Monostrato di aril-diimmina strutturato a sandwich Pd (II)/Co (II): fabbricazione, prestazioni catalitiche, effetto sinergico e indagine sul meccanismo. Catalisi molecolare, 501, 111359. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2020.111359
• Gray, M., Hines, M. T., Parsutkar, M. M., Wahlstrom, A. J., Brunelli, N. A., & RajanBabu, T. V. (2020). Meccanismo di eterodimerizzazione catalizzata da cobalto di acrilati e 1,3-dieni. Un ruolo potenziale degli intermedi cationici del cobalto(I). Catalisi ACS, 10(7), 4337–4348. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b05455
• Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle-Smith, M. A., Zacuto, M. J., & Doyle, A. G. (2020). Metilazione catalizzata da nichel/fotoredox di cloruri (etero)arilici utilizzando il trimetilortoformiato come fonte di radicali metilici. Giornale della Società Chimica Americana, 142(16), 7683–7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
• Verissimo Lobo, V. T., Pacheco Ortiz, R. W., Gonçalves, V. O. O., Cajaiba, J., & Kartnaller, V. (2020). Modellazione cinetica dell'isomerizzazione dell'acido maleico all'acido fumarico catalizzata dalla tiourea determinata mediante spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier a riflettanza totale attenuata. Ricerca e sviluppo sui processi organici, 24(6), 988-996. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00487
• Deacy, A. C., Moreby, E., Phanopoulos, A., & Williams, C. K. (2020). Catalizzatori eterodinucleari co(III)/metallo alcalino(I) per la copolimerizzazione ad anello di CO2 e ossido di propilene. Giornale della Società Chimica Americana, 142(45), 19150–19160. https://doi.org/10.1021/jacs.0c07980
• Maier, T. M., Gawron, M., Coburger, P., Bodensteiner, M., Wolf, R., van Leest, N. P., de Bruin, B., Demeshko, S., & Meyer, F. (2020). Complessi di ferro anionico a bassa valenza α-diimmina: sintesi, caratterizzazione e studi di idroborazione catalitica. Chimica inorganica, 59(21), 16035–16052. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.0c02606
• Dreimann, J. M., Kohls, E., Warmeling, H. F. W., Stein, M., Guo, L. F., Garland, M., Dinh, T. N., & Vorholt, A. J. (2019). Spettroscopia infrarossa in situ come strumento per il monitoraggio del catalizzatore molecolare per l'idroformilazione in processi continui. Catalisi ACS, 9(5), 4308–4319. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b05066
• Andrea, K. A., & Kerton, F. M. (2019). Formazione catalizzata da triarilborano di carbonati organici ciclici e policarbonati. Catalisi ACS, 9(3), 1799–1809. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b04282
• Dechert-Schmitt, A. M., Garnsey, M. R., Wisniewska, H. M., Murray, J. I., Lee, T., Kung, D. W., Sach, N., & Blackmond, D. G. (2019). Sintesi altamente modulare di 1,2-dichetoni tramite reazioni di accoppiamento multicomponente di isocianuri come equivalenti di CO. Catalisi ACS, 9(5), 4508–4515. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b00581
• Masson-Makdissi, J., Jang, Y. J., Prieto, L., Taylor, M. S., & Lautens, M. (2019). Isomerizzazione-allilazione tandem catalizzata dal rodio: dai carbonati dialillici alle aldeidi α-quaternarie. Catalisi ACS, 9(12), 11808–11812. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04128
• Wei, B., Sharland, J. C., Lin, P., Wilkerson-Hill, S. M., Fullilove, F. A., McKinnon, S., Blackmond, D. G., & Davies, H. M. L. (2019). Studi cinetici in situ di ciclopropanazione asimmetrica catalizzata da Rh(II) con bassi carichi del catalizzatore. Catalisi ACS, 10(2), 1161–1170. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04595