Katalyse und katalytische Reaktionen

Katalytische Reaktionen werden auch als katalysierte Reaktionen bezeichnet und dienen in der Regel dazu, die Geschwindigkeit der zugrundeliegenden chemischen Reaktion zu erhöhen. Im Prinzip besteht die Aufgabe des Katalysators darin, einen alternativen Reaktionsweg mit niedrigerer Energie zu ermöglichen. Damit dies funktioniert, interagiert die katalytische Substanz mit einem Reaktanten und bildet ein Zwischenprodukt. Dieses Zwischenprodukt ist vorübergehend und zerfällt später wieder, wobei die ursprüngliche katalytische Spezies unverändert bleibt. Ein Katalysator wird von der katalysierten Reaktion nicht beeinflusst, was seine chemische Struktur oder Masse am Reaktionsende angeht.

Prinzipiell gibt es zwei Arten katalytischer Reaktionen:

• Bei heterogenen katalytischen Reaktionen liegen der Katalysator und der Reaktant in zwei verschiedenen Phasen vor, wie z. B. ein fester Katalysator mit einem Reaktanten in einer Lösung.
• Bei homogenen katalytischen Reaktionen liegen der Katalysator und der Reaktant in derselben Phase vor, z. B. wenn der Katalysator und die Reaktanten in derselben Lösung gelöst sind.  

• Katalysatoren eröffnen einen alternativen Weg zur Verbesserung der Geschwindigkeit und des Ergebnisses einer Reaktion. Aus diesem Grund sind fundierte Kenntnisse der Reaktionskinetik äusserst wichtig. Diese liefern nicht nur Informationen über die Reaktionsgeschwindigkeit, sondern bieten auch Einblick in den Reaktionsmechanismus.
• Die Interaktion eines Katalysators mit einem Reaktant ist ebenfalls von Interesse. Bei katalytischen Reaktionen entstehen kurzlebige Zwischenprodukte, die für den katalytischen Prozess, die Reaktionsgeschwindigkeit und die Endprodukte von entscheidender Bedeutung sind. Die Identifizierung von Zwischenprodukten, die bei katalytischen Reaktionen entstehen, ist kontinuierlich Gegenstand der Forschung. Instrumente, die Einblick in das Vorhandensein und die Struktur des Zwischenprodukts geben, sind daher hilfreich.
• Für die Optimierung der Reaktion ist es wichtig, den Effekt von Reaktionsvariablen und -bedingungen auf einen katalytischen Prozess zu messen. Temperatur, Druck, Reaktant und Katalysatorkonzentrationen sowie andere chemische und physikalische Parameter haben einen tiefgreifenden Einfluss auf die Produkte, die Ausbeute und Nebenprodukte, die bei einer katalytischen Reaktion entstehen. 
• Es ist wichtig, Produkte und Nebenprodukte, die von verschiedenen Katalysatoren bei einer bestimmten Reaktion erzeugt werden, zu messen und auf ihre Aktivität zu untersuchen, um die beste Kombination aus Katalysator und Reaktionsbedingungen auszuwählen. 
  
• Um eine sichere Reaktion und ein erfolgreiches Scale-up zu gewährleisten, muss die Energetik einer katalytischen Reaktion gemessen und verstanden werden.     

• Untersuchen Sie homogene und heterogene katalytische Reaktionen unter den tatsächlichen Reaktionsbedingungen, einschliesslich Bedingungen mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur.
• Erfassen Sie wichtige Zwischenprodukte katalytischer Reaktionen und unterstützen Sie deren Identifikation.
• Erfassen Sie schnell Daten, um die Reaktionskinetik zu bestimmen und die Reaktionsmechanismen sowie den Pfad zu verstehen.
• Verfolgen und messen Sie Produkte und Nebenprodukte von katalytischen Reaktionen unmittelbar.
• Prüfen und entwickeln Sie die idealen Reaktionsbedingungen zur Optimierung der Ausbeute des Endprodukts und zur Minimierung von Nebenprodukten.
• Bestimmen Sie rasch den besten Katalysator und die besten Bedingungen für eine spezifische Reaktion.
• Eliminieren Sie Zeitverzögerungen, die bei der herkömmlichen Probennahme und Offline-Analyse entstehen.
• Verhindern Sie den Eintrag von Luft, Feuchte oder störenden Faktoren, die durch die Probennahme entstehen.
• Minimieren Sie den Kontakt des Bedieners mit giftigen Chemikalien, potentiell energetischen Reaktionen oder gefährlichen Reaktionsbedingungen.

Angepasst mit Erlaubnis von Tuba, R., Mika, L., Bodor, A. Pustai, Z., Toth, I. und Horvath, I., „Mechanism of the Pyridine-Modified Cobalt-Catalyzed Hydroxymethoxycarbonylation of 1,3-Butadiene“, Organometallics, 22, 2003, 1582-1584. Copyright (2018) American Chemical Society.

Mithilfe von Hochdruck-ReactIR untersuchten Forscher die Hydromethoxycarbonylierung von 1,3-Butadien zu Methyl-3-Pentenoat. Es war bekannt, dass Co₂(CO)₈ diese Reaktion in Gegenwart von Pyridin katalysiert. Zur Zeit der Untersuchung waren keine Zwischenprodukte identifiziert worden und ein Ziel des Projekts bestand darin, Zwischenprodukte zu identifizieren.  

Zunächst wurde Methanol als Lösemittel verwendet und 1,3-Butadien wurde bei 75 bar Kohlenmonoxid bei 100^°C zu einer ausgewogenen Mischung von Co₂(CO)₈ und [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂  gegeben. Auf Grundlage des ReactIR-Profils identifizierten die Forscher ein Zwischenprodukt, η³-C₄H₇Co(CO)₃, und nachdem die Reaktion mehrere Stunden lang erhitzt wurde, bildete sich das Methyl-3-Pentenoat zusammen mit einer Mischung aus Co₂(CO)₈ und [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂.

ReactIR half bei der Identifizierung der Cobalt-Zwischenprodukte und lieferte zusätzliche Einblicke in den Katalysemechanismus.

Bei der Verwendung von Pyridin als Lösemittel war das Zwischenprodukt [CoPy₆][Co(CO)₄]₂ die einzige Metallspezies, die identifiziert wurde. Nachdem die Mischung erhitzt wurde, verschwand das Cobalt-Pyridin-Zwischenprodukt und das spektrale ReactIR-Profil erfasste das Vorhandensein von η³-C₄H₇Co(CO)₃ sowie des Methyl-3-pentenoat-Produkts.

Bei weiterem Mischen unter Temperierung wird das η³-C₄H₇Co(CO)₃ Zwischenprodukt in[CoPy₆][Co(CO₄]₂ umgewandelt und ein weiteres Pentanoatprodukt gebildet. Die Forscher berichteten, dass die Umwandlung von η³-C₄H₇Co(CO)₃ in Methyl-3-pentenoat bei Verwendung von Pyridin als Lösemittel vier Mal schneller erfolgte, als es bei Methanol der Fall war. 

In diesem Beispiel erwies sich das ReactIR als sehr hilfreich zur Erfassung des Cobalt-Pyridin-Zwischenprodukts und lieferte Informationen über den Katalysemechanismus. Das ReactIR machte deutlich, dass die Umwandlungsrate viel schneller ausfiel, wenn Pyridin als Lösemittel verwendet wurde. Dies veranschaulicht den Nutzen von In-situ-FTIR zur Bestimmung der besten Kombination aus Katalysator und Lösungsmittel, mit der eine katalytische Reaktion optimiert werden kann.

Rueping, M., Bootwicha, T., Sugiono, E., „Continuous-flow catalytic asymmetric hydrogenations: Reaction optimization using FTIR in-line analysis“, Beilstein J. Org. Chem. (2012), 8, 300-307.

Bei diesem Forschungsvorhaben zeigten Wissenschaftler zum ersten Mal auf, dass sich die Strömungschemie dafür eignet, eine asymmetrische katalytische Transferhydrierreaktion durchzuführen. Zur Überwachung der Produktbildung wurde ein ReactIR-System mit speziell entwickelter ATR-Durchflusszelle verwendet und mit dem Mikroreaktor gekoppelt. Da eines der Projektziele darin bestand, optimale Bedingungen für die Reaktion zu bestimmen, wurde das ReactIR am Ende des Reaktionsflusses angebracht.  

Anfangs konzentrierten sich die Wissenschaftler auf die asymmetrische Hydrierung von Benzoxazin in Gegenwart von Hantzsch-Dihydropyridin als Wasserstoffquelle und einem chiralen Brønsted-Säure-Katalysator. Zum Tracken wurden die IR-Banden bei 1479 cm-1 und 1495 cm-1 für das Benzoxazinreaktant bzw. das Dihydrobenzoxazin-Produkt verwendet.

Dank der Möglichkeit, diese Banden mithilfe von Online-FTIR in Echtzeit nachzuverfolgen, konnte die Reaktion optimiert werden. 

Zu den zahlreichen Vorteilen, die die Mikro-Strömungschemie bei der Untersuchung von Reaktionen mit sich bringt, zählen die Möglichkeit, Reaktionsvariablen (wie etwa Reaktant- und Katalysatorkonzentration, Durchflussrate und Temperatur) schnell zu ändern sowie die Auswirkung dieser Änderungen auf das Reaktionsergebnis nachzuverfolgen.

Bei der katalysierten asymmetrischen Hydrierung von Benzoxazin in Dihydrobenzoxazin wurde die Reaktionstemperatur von 5 ^°C auf 60 ^°C erhöht. Den Autoren zufolge wurde beim Durchführen der Reaktion bei 60 ^°C, einer Durchflussrate von 0,1 mL und einer Verweilzeit von 1 Stunde eine Produktausbeute von 98 % erreicht. 

Basierend auf den Informationen dieser anfänglichen Arbeiten wendete der Wissenschaftler dieses katalytische Mikrodurchfluss-Reaktionsprotokoll auf eine Reihe von Benzoxazinen, Chinolinen, Chinoxalinen und 3H-Indolen an. Die Reaktionsbedingungen wurden für jede dieser Serien optimiert.

Die Autoren kamen zu folgendem Schluss: „Durch die FTIR-Inline-Überwachung können Reaktionsparameter rasch in einem einzigen Reaktionsaufbau untersucht werden. Im Vergleich zur klassischen Abfolge, in der die Analyse nach der Reaktion durchgeführt wird, können die optimalen Reaktionsbedingungen so erheblich schneller bestimmt werden.“

Klein und leicht
Das schlanke Profil eignet sich besonders dür beengte Bereiche wie einen Abzug.

Reaktionsüberwachung unter allen chemischen Bedingungen 
Es sind verschiedene Optionen verfügbar, etwa für Batch-Prozesse, Strömungschemie sowie für zahlreiche andere Bedingungen einschliesslich Reaktionen bei erhöhtem Druck bzw. erhöhter Temperatur oder mit korrosiven Reagenzien.

Kein flüssiger Stickstoff erforderlich
Infrarotmessungen können kontinuierlich und bedienerlos durchgeführt werden. So lange wie es für eine Synthese erforderlich ist. 

Leistungsstarke Software
Mit der iC IR-Software sind die Einrichtung sowie die Messung von Reaktionsprofilen unkompliziert und intuitiv. Die iC Kinetics- und Reaction Progress Kinetic Analysis-Software nutzt IR-Daten, um schnell und mühelos Informationen zur Reaktionsgeschwindigkeit zu erstellen.

In diesem Webinar erklärt Huw M. L. Davies, Chemieprofessor an der US-amerikanischen Emory University, die Verwendung der Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie (FTIR) zum besseren Verständnis der Auswirkungen von Katalysator, Substrat und Carbenoid-Vorläufer auf die Geschwindigkeit und Effizienz von Rhodium-katalysierten Reaktionen. Es wurden optimierte Systeme mit einer Substrat-Katalysator-Beladung von mehr als 1.000.000 entwickelt.

Diese Präsentation umfasst:

• Die Untersuchung von Donor- und Akzeptor-Carbenoiden, die die zentralen Zwischenprodukte dieses chemischen Prozesses darstellen.
• Anwenden der Carbenoid-Chemie auf die Synthese pharmazeutischer Targets.

• Optimierung der katalytischen Reaktion
• Enzymatische Katalyse
• Überwachen von Hydrierungsreaktionen
• Messen der Polymerisationsreaktionen
• Hochreaktive Chemie
• Synthesereaktionen
  

Unten finden Sie eine Auswahl von branchenbezogenen Veröffentlichungen, bei denen die In-situ-FTIR-Spektroskopie zur Untersuchung von heterogenen und homogenen katalysierten Reaktionen genutzt wurde:

• Willcox, D., Nouch, R., Kingsbury, A., Robinson, D., Carey, J., Brough, S., Woodward, S.  „Kinetic Analysis of Copper(I)/Feringa-Phosphoramidite Catalyzed AlEt3 1,4-Addition to Cyclohex-2-en-1-one“, ACS Catal. 2017, 7, 6901−6908.
• Das, U., Higman, C., Gabidullin, B., Hein, J., Baker, R. T., „Efficient and Selective Iron-Complex-Catalyzed Hydroboration of Aldehydes“, ACS Catal. 2018, 8, 1076−1081.
• Fu, W., Nie, M., Wang, A., Cao, Z., Tang, W., „Highly Enantioselective Nickel-Catalyzed Intramolecular Reductive Cyclization of Alkynones“, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2520–2524.
• Höfler, D, van Gemmeren, M., Wedemann, P., Kaupmees, K., Leito, I.,  Leutzsch, M., Lingnau, J., List, B., „1,1,3,3-Tetratriflylpropene (TTP) – A Strong, Allylic C–H Acid for Brønsted and Lewis Acid Catalysis“, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1411-1415.
• Atodiresei, I., Vila, C., Rueping, M., „Asymmetric Organocatalysis in Continuous Flow: Opportunities for Impacting Industrial Catalysis“, ACS Catal. 2015, 5, 1972−1985.
• Zhang, Y-M., Yuan, M-L., Liu, W-P., Xie, J-H., Zhou, Q-L., „Iridium-Catalyzed Asymmetric Transfer Hydrogenation of Alkynyl Ketones Using Sodium Formate and Ethanol as Hydrogen Sources“, Org. Lett. 2018, 20, 4486−4489.