Katalyzované reakcie

Katalyzované reakcie sa zvyčajne používajú na urýchlenie rýchlosti, ktorou prebieha špecifická chémia. Pôsobením katalyzátora je v podstate poskytnúť alternatívnu cestu s nižšou energiou pre reakciu.  Aby k tomu došlo, katalytická látka interaguje s reaktantom a vytvára medziprodukt. Tento medziprodukt je prechodný v tom, že po vytvorení sa rozpadne a pôvodný druh katalyzátora zostane nezmenený. Katalyzátor nie je ovplyvnený reakciou, pokiaľ ide o chemickú štruktúru alebo hmotnosť pri ukončení reakcie.

Existujú dva všeobecné typy katalyzovaných reakcií:

• Heterogénna katalyzovaná reakcia je, keď katalyzátor a reaktant existujú v dvoch rôznych fázach, ako je tuhý katalyzátor s reaktantom v roztoku.
• Homogénna katalyzovaná reakcia je, keď sú katalyzátor a reaktant v rovnakej fáze, napríklad keď sú katalyzátor a reaktanty rozpustené v rovnakom roztoku.  

• Katalyzátory vytvárajú alternatívnu cestu na zvýšenie rýchlosti a výsledku reakcie, preto je dôležité dôkladné pochopenie kinetiky reakcie. Nielenže to poskytuje informácie o rýchlosti reakcie, ale poskytuje aj prehľad o mechanizme reakcie.
• Zaujímavá je aj interakcia katalyzátora s reaktantom. Katalyzované reakcie produkujú prechodné medziprodukty, ktoré sú kľúčom k katalytickému procesu, rýchlosti reakcie a konečným produktom.  Identifikácia medziproduktov produkovaných katalytickými reakciami je prebiehajúcou oblasťou výskumu a užitočné sú nástroje, ktoré poskytujú prehľad o prítomnosti a štruktúre medziproduktu.
• Meranie vplyvu reakčných premenných a podmienok na katalytický proces je dôležité pre optimalizáciu reakcie. Koncentrácie teploty, tlaku, reaktantu a katalyzátora, ako aj ďalšie chemické a fyzikálne parametre majú hlboký vplyv na produkty, výťažok a vedľajšie produkty produkované katalytickou reakciou.
• Skúmanie aktivity a meranie produktov a vedľajších produktov produkovaných rôznymi katalyzátormi pre danú reakciu je dôležité pre výber najlepšej kombinácie podmienok katalyzátora a reakcie.
  
• Meranie a pochopenie energetiky katalyzovanej reakcie sú dôležité na zabezpečenie bezpečnej reakcie a úspešného rozšírenia.

• Skúmať homogénne a heterogénne katalyzované reakcie za skutočných reakčných podmienok, vrátane zvýšeného tlaku a teploty.
• Detekcia a pomoc pri identifikácii kľúčových katalyzovaných reakčných medziproduktov.
• Rýchlo získajte údaje na určenie reakčnej kinetiky, pochopenie reakčného mechanizmu a dráhy.
• Okamžite sledujte a merajte produkty a vedľajšie produkty produkované katalytickými reakciami.
• Testujte a vyvíjajte ideálne reakčné podmienky na optimalizáciu výťažnosti konečného produktu a minimalizáciu vedľajších produktov.
• Rýchlo určte najlepší katalyzátor a podmienky pre konkrétnu reakciu.
• Eliminujte časové oneskorenia, ktoré vyplývajú z tradičnej extrakcie vzoriek a offline analýz.
• Eliminujte vniknutie vzduchu, vlhkosti alebo rušivú reakciu vyplývajúcu z extrakcie vzorky.
• Minimalizujte vystavenie obsluhy toxickým chemikáliám, potenciálne energetickým reakciám alebo nebezpečným reakčným podmienkam.

Upravené so súhlasom Tuba, R., Mika, L., Bodor, A. Pustai, Z., Toth, I. a Horvath, I., "Mechanizmus pyridín modifikovanej kobaltom katalyzovanej hydroxymetoxykarbonylácie 1,3-butadiénu", Organometallics, 22, 2003, 1582-1584. Copyright (2018) Americká chemická spoločnosť.

Pomocou vysokotlakového ReactIR vedci skúmali hydrometoxykarbonyláciu 1,3-butadiénu na metyl-3-pentenoát.  V prítomnosti pyridínu bolo známe, že_Co2(CO)₈ katalyzuje túto reakciu. V čase výskumu neboli identifikované žiadne medziprodukty a jedným z cieľov projektu bolo identifikovať medziprodukty.

Spočiatku sa ako rozpúšťadlo používal metanol a 1,3-butadién sa pridával do rovnovážnej zmesi Co₂(CO)₈ a [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂ pod 75 barov oxidu uhoľnatého pri 100^°C.  Na základe profilu ReactIR vedci identifikovali medziprodukt η^3-C₄H₇Co(CO)₃ a po niekoľkohodinovom zahrievaní reakcie sa produkt metyl-3-pentenoátu vytvoril spolu so zmesou Co₂(CO)₈ a [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂.

ReactIR odhalil a pomohol pri identifikácii kobaltových medziproduktov a poskytol ďalší pohľad na katalytický mechanizmus.

Keď sa ako rozpúšťadlo použil pyridín, jediným identifikovaným druhom kovu bol medzidruh [CoPy₆][Co(CO₄]₂ .  Po zahriatí zmesi zmizol kobalt-pyridínový medziprodukt a v spektrálnom profile ReactIR bola pozorovaná prítomnosť η^3-C₄H₇Co(CO)₃ a produktu metyl-3-pentenoátu.

Pri ďalšom miešaní pri teplote sa medziprodukt η^3-C₄H₇Co(CO)₃ premenil na[CoPy₆][Co(CO₄]₂ a vytvoril sa ďalší pentanoátový produkt. Vedci uviedli, že konverzia^{η 3-C}₄H₇Co(CO)₃ na metyl-3-pentenoát bola štyrikrát rýchlejšia, keď sa pyridín použil ako rozpúšťadlo, v porovnaní s metanolom.

V tomto príklade bol ReactIR užitočný na detekciu kobalt-pyridínového medziproduktu a poskytol informácie o katalytickom mechanizme. ReactIR odhalil, že konverzný pomer bol oveľa rýchlejší, keď sa pyridín použil ako rozpúšťadlo. To demonštruje použitie in situ FTIR pri určovaní najlepšej kombinácie katalyzátora a rozpúšťadla na optimalizáciu katalytickej reakcie.

Rueping, M., Bootwicha, T., Sugiono, E., "Katalytické asymetrické hydrogenácie s kontinuálnym tokom: Optimalizácia reakcie pomocou in-line analýzy FTIR, Beilstein J. Org. Chem. (2012), 8, 300-307.

V tomto výskume vedci po prvýkrát preukázali schopnosť chémie kontinuálneho toku vykonávať katalytickú asymetrickú transferovú hydrogenačnú reakciu.  Na monitorovanie tvorby produktu bol použitý systém ReactIR vybavený špeciálne navrhnutou prietokovou bunkou ATR a spojený s mikroreaktorom. Keďže jedným z cieľov práce bolo nájsť optimálny súbor podmienok pre reakciu, ReactIR bol pripojený na konci reakčného prúdu.  

Ich počiatočné úsilie sa zameralo na asymetrickú hydrogenáciu benzoxazínu v prítomnosti Hantzsch dihydropyridínu ako zdroja vodíka a chirálneho katalyzátora kyseliny Brønsted. Na účely sledovania sa použili IR pásma na 1479 cm-1 a 1495 cm-1 pre benzoxazínový reaktant a dihydrobenzoxazínový produkt

Schopnosť sledovať tieto pásma v reálnom čase pomocou online FTIR poskytla prostriedky na optimalizáciu reakcie.

Medzi mnohé výhody použitia technológie kontinuálneho mikrotoku na skúmanie reakcií patrí schopnosť rýchlo meniť reakčné premenné, ako je koncentrácia reaktantu a katalyzátora, prietok a teplota, a vidieť vplyv týchto zmien na výsledok reakcie.

Pri katalyzovanej asymetrickej hydrogenácii benzoxazínu na dihydrobenzoxazín sa uskutočnilo zvýšenie reakčnej teploty z 5 ^°C na 60 ^°C.  Autori uviedli dosiahnutie 98 % výťažku produktu vykonaním reakcie pri 60 ^°C pri prietoku 0,1 ml a dobe zotrvania 1 hodina.

Na základe informácií z tejto počiatočnej práce vedec pokračoval v aplikácii tohto protokolu katalytickej mikroprietokovej reakcie na sériu benzoxzínov, chinolínov, chinoxalínov a 3 H-indolov.  Reakčné podmienky pre každú z týchto sérií boli optimalizované.

Autori na záver uviedli: "Aplikáciou inline monitorovania FTIR je možné rýchlo skríningovať reakčné parametre v jednom reakčnom nastavení a optimálne reakčné podmienky možno získať oveľa rýchlejšie v porovnaní s klasickou sekvenciou vykonávania reakcie, po ktorej nasleduje analýza."

Malý a ľahký
Aerodynamický profil sa ľahko zmestí do fyzicky obmedzených oblastí, ako je napríklad digestor.

Monitorovanie reakcie za akýchkoľvek chemických podmienok
K dispozícii sú možnosti pre dávkovú alebo prietokovú chémiu a rôzne podmienky vrátane reakcií so zvýšeným tlakom / teplotou a korozívnych činidiel.

Nie je potrebný žiadny kvapalný dusík
Infračervené merania je možné vykonávať nepretržite a bez dozoru tak dlho, ako je to potrebné na prispôsobenie syntéze. 

Výkonný softvér
Softvér iC IR umožňuje jednoduché a intuitívne nastavenie a získavanie reakčných profilov. K dispozícii je softvér iC Kinetics and Reaction Progress Kinetic Analysis, ktorý využíva IR údaje na rýchly a jednoduchý vývoj informácií o reakčnej rýchlosti.

V tomto webinári Huw ML Davies, profesor chémie na Emory University, diskutuje o infračervenej spektroskopii s Fourierovou transformáciou (FTIR), aby pochopil vplyv katalyzátora, substrátu a prekurzora karbenoidu na rýchlosť a účinnosť reakcií katalyzovaných ródiom. Boli vyvinuté optimalizované systémy so zaťažením substrátu a katalyzátora väčším ako 1 000 000.

Táto prezentácia obsahuje:

• Štúdium donorových/akceptorových karbenoidov, ktoré sú ústrednými medziproduktmi chémie.
• Ako aplikovať chémiu karbenoidov na syntézu farmaceutických cieľov.

• Optimalizácia reakcie katalyzátora
• Enzymatická katalýza
• Monitorovanie hydrogenačných reakcií
• Meranie polymerizačných reakcií
• Vysoko reaktívna chémia
• Syntézne reakcie

Získajte prehľad o kinetike, termodynamike, katalytických cykloch a mechanizmoch reakcií na zabezpečenie bezpečných a efektívnych procesov. S nárastom používania organokovovej katalýzy a organokatálýzy pri vývoji a výrobe liečiv a chemikálií sú rozhodujúce nástroje na vývoj a optimalizáciu týchto reakcií v celom rozsahu.  Experimentálne údaje získané PAT používané v spojení s pokročilými modelovacími nástrojmi Dynochem a Reaction Lab poskytujú efektívny prostriedok na získanie prehľadu o katalytických reakciách. Pri hodnotení kinetiky počas vývoja katalytických reakcií Reaction Lab súčasne modeluje vplyv premenných vrátane teploty, tlaku, zaťaženia katalyzátora, koncentrácií reaktantov, produktov a vedľajších produktov, aby sa poskytol najlepší súbor reakčných podmienok. Je možné pozorovať odozvu reakcie na špecifické meniace sa parametre a podmienky a generovať odozvy povrchy, ktoré poskytujú prehľad o kompromisoch medzi výťažkom a nečistotami, ako aj robustnosti reakcie. Je možné modelovať celú katalytickú reakciu alebo vyhodnotiť jednotlivé kroky katalytického cyklu, aby sa v prípade potreby poskytli lepšie modely. Dynochem umožňuje škálovanie katalytických reakcií modelovaním vplyvu premenných vrátane teploty, tlaku, rýchlosti miešania a prenosu tepla na rýchlu identifikáciu vhodných procesných podmienok, ktoré zabezpečujú bezpečnú prevádzku a splnenie cieľov výťažku/nečistôt. Dynochem je obzvlášť dôležitý pri optimalizácii a rozširovaní katalytických reakcií, ktoré sú vo svojej podstate energetické alebo ktoré sa vykonávajú za potenciálne nebezpečných podmienok, a pomáha pri riadení rizík prostredníctvom vývoja modelov odozvových povrchov, ktoré odhaľujú bezpečné prevádzkové podmienky.

Nižšie je uvedený výber publikácií súvisiacich s odvetvím, v ktorých boli úspešne preskúmané heterogénne a homogénne katalyzované reakcie:

• Wu, X., Ding, G., Lu, W., Yang, L., Wang, J., Zhang, Y., Xie, X., & Zhang, Z. (2021). Niklom katalyzovaná hydrosilylácia koncových alkénov s primárnymi silánmi prostredníctvom aktivácie elektrofilnej kremík-vodíková väzba. Organické listy, 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). Účinný ekologický katalyzátor CuFe2O4/SiO2 na oxidáciu kyseliny vanilylmandľovej vo vode pod atmosférickým tlakom a štúdia mechanizmu. Nový časopis chémie, 45(2), 982–992. https://doi.org/10.1039/d0nj04798h
• Baalbaki, H. A., Roshandel, H., Hein, J. E., & Mehrkhodavandi, P. (2021). Premena zriedeného CO2 na cyklické uhličitany pri subatmosférických tlakoch jednoduchým indiovým katalyzátorom. Katalýza Science & Technology, 11(6), 2119–2129. https://doi.org/10.1039/d0cy02028a
• Ren, R., Huang, P., Zhao, W., Li, T., Liu, M., & Wu, Y. (2021). Nová ternárna organokovová monovrstva Pd(ii)/Fe(iii)/Ru(iii): základný súbor synergický pre zlepšenie katalytickej aktivity. 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). Sendvičová štruktúrovaná aryl-diimínová Pd (II)/Co (II) monovrstva – výroba, katalytický výkon, synergický účinok a skúmanie mechanizmov. Molekulárna katalýza, 501, 111359. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2020.111359
• Gray, M., Hines, MT, Parsutkar, M. M., Wahlstrom, A. J., Brunelli, N. A., & RajanBabu, T. V. (2020). Mechanizmus kobaltom katalyzovanej heterodimerizácie akrylátov a 1,3-diénov. Potenciálna úloha katiónových kobaltových (I) medziproduktov. Katalýza ACS, 10(7), 4337–4348. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b05455
• Kariofillis, SK, Shields, BJ, Tekle-Smith, MA, Zacuto, MJ a Doyle, AG (2020). Metylácia (hetero)arylchloridov katalyzovaná niklom/fotoredoxom pomocou trimetylortoformátu ako zdroja metylových radikálov. Časopis Americkej chemickej spoločnosti, 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). Kinetické modelovanie izomerizácie kyseliny maleínovej na kyselinu fumárovú katalyzované tiomočovinou stanovené infračervenou spektroskopiou s oslabenou celkovou odrazivosťou Fourierovej transformácie. Výskum a vývoj organických procesov, 24(6), 988–996. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00487
• Deacy, A. C., Moreby, E., Phanopoulos, A., & Williams, C. K. (2020). Heterodinukleárne katalyzátory Co(III)/alkalických kovov(I) na kopolymerizáciu CO2 a propylénoxidu otvárajúcou sa kruhom. Časopis Americkej chemickej spoločnosti, 142(45), 19150–19160. https://doi.org/10.1021/jacs.0c07980
• Maier, TM, Gawron, M., Coburger, P., Bodensteiner, M., Wolf, R., van Leest, N. P., de Bruin, B., Demeshko, S., & Meyer, F. (2020). Nízkovalenčné aniónové α-dimínové komplexy železa: syntéza, charakterizácia a štúdie katalytickej hydroborácie. Anorganická chémia, 59(21), 16035–16052. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.0c02606
• Dreimann, J. M., Kohls, E., Warmeling, HFW, Stein, M., Guo, L. F., Garland, M., Dinh, TN, & Vorholt, A. J. (2019). Infračervená spektroskopia in situ ako nástroj na monitorovanie molekulárneho katalyzátora pre hydroformyláciu v kontinuálnych procesoch. Katalýza ACS, 9(5), 4308–4319. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b05066
• Andrea, K. A., & Kerton, F. M. (2019). Triarylborán katalyzovaná tvorba cyklických organických uhličitanov a polykarbonátov. Katalýza ACS, 9(3), 1799–1809. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b04282
• Dechert-Schmitt, AM, Garnsey, MR, Wisniewska, HM, Murray, JI, Lee, T., Kung, DW, Sach, N., & Blackmond, D. G. (2019). Vysoko modulárna syntéza 1,2-diketónov prostredníctvom viaczložkových väzbových reakcií izokyanidov ako ekvivalentov CO. Katalýza ACS, 9(5), 4508–4515. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b00581
• Masson-Makdissi, J., Jang, Y. J., Prieto, L., Taylor, MS a Lautens, M. (2019). Tandemová izomerizácia – allylácia katalyzovaná ródiom: od diallyluhličitanov po α-kvartérne aldehydy. Katalýza ACS, 9(12), 11808–11812. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04128
• Wei, B., Sharland, J. C., Lin, P., Wilkerson-Hill, SM, Fullilove, FA, McKinnon, S., Blackmond, DG, & Davies, HML (2019). In situ kinetické štúdie Rh(II)-katalyzovanej asymetrickej cyklopropanácie s nízkym zaťažením katalyzátorom. Katalýza ACS, 10(2), 1161–1170. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04595