Katalyserede reaktioner

Katalyserede reaktioner bruges typisk til at fremskynde den hastighed, hvormed en bestemt kemi skrider frem. Katalysatorens virkning er i bund og grund at tilvejebringe en alternativ, lavere energivej for reaktionen,  for at dette kan ske, interagerer det katalytiske stof med en reaktant og danner en mellemforbindelse. Dette mellemprodukt er forbigående, idet det efter at det er dannet, bryder det fra hinanden og efterlader den oprindelige katalysatorart uændret. En katalysator påvirkes ikke af reaktionen for så vidt angår den kemiske struktur eller masse ved reaktionens afslutning.

Der er to generelle typer katalyserede reaktioner:

• Heterogen katalyseret reaktion er, når katalysatoren og reaktanten eksisterer i to forskellige faser, såsom en fast katalysator med en reaktant i opløsning.
• Homogen katalyseret reaktion er, når katalysatoren og reaktanten er i samme fase, såsom når katalysatoren og reaktanterne er opløst i samme opløsning.  

• Katalysatorer skaber en alternativ vej til at øge hastigheden og resultatet af en reaktion, så en grundig forståelse af reaktionskinetik er vigtig. Det giver ikke kun information om reaktionshastigheden, men giver også indsigt i reaktionens mekanisme.
• Katalysatorinteraktion med en reaktant er også af interesse. Katalyserede reaktioner producerer forbigående mellemprodukter, der er nøglen til den katalytiske proces, reaktionshastigheden og slutprodukterne.  Identifikation af mellemprodukter produceret af katalytiske reaktioner er et løbende forskningsområde, og værktøjer, der giver indsigt i tilstedeværelsen og strukturen af mellemproduktet, er nyttige.
• Måling af effekten af reaktionsvariabler og -betingelser på en katalytisk proces er vigtig for reaktionsoptimering. Temperatur-, tryk-, reaktant- og katalysatorkoncentrationer samt andre kemiske og fysiske parametre har dybtgående effekt på produkter, udbytte og biprodukter, der produceres i en katalytisk reaktion.
• Det er vigtigt at undersøge aktiviteten og måle produkter og biprodukter produceret af forskellige katalysatorer til en given reaktion for at vælge den bedste kombination af katalysator og reaktionsbetingelser.
  
• Måling og forståelse af energien i en katalyseret reaktion er vigtig for at sikre en sikker reaktion og vellykket opskalering.

• Undersøge homogene og heterogene katalyserede reaktioner under faktiske reaktionsbetingelser, herunder ved forhøjet tryk og temperatur.
• Detekter og hjælp til identifikation af vigtige katalyserede reaktionsmellemprodukter.
• Indhent hurtigt data til bestemmelse af reaktionskinetik, forståelse af reaktionskinetik og vej.
• Spor og mål øjeblikkeligt produkter og biprodukter produceret af katalytiske reaktioner.
• Test og udvikling af ideelle reaktionsbetingelser for optimering af slutproduktets udbytte og minimering af sideprodukter.
• Bestem hurtigt den bedste katalysator og betingelser for specifik reaktion.
• Eliminer de tidsforsinkelser, der kommer fra traditionel prøveudtrækning og offline-analyser.
• Eliminer indføring af luft, fugt eller forstyrrende reaktion som følge af prøveekstraktion.
• Minimer operatørens eksponering for giftige kemikalier, potentielt energiske reaktioner eller farlige reaktionsforhold.

Tilpasset med tilladelse fra Tuba, R., Mika, L., Bodor, A. Pustai, Z., Toth, I. og Horvath, I., "Mekanisme for pyridin-modificeret koboltkatalyseret hydroxymethoxycarbonylering af 1,3-butadien", Organometallics, 22, 2003, 1582-1584. Ophavsret (2018) American Chemical Society.

Ved hjælp af højtryks-ReactIR undersøgte forskerne hydromethoxycarbonyleringen af 1,3-butadien til methyl-3-pentenoat.  I nærvær af pyridin var Co₂(CO)₈ kendt for at katalysere denne reaktion. På tidspunktet for forskningen var der ikke identificeret mellemprodukter, og et af målene med projektet var at identificere mellemprodukter.

Oprindeligt blev methanol anvendt som opløsningsmiddel, og 1,3-butadien blev tilsat til en ligevægtsblanding af Co₂(CO)₈ og [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂ under 75 bar carbonmonoxid ved 100^oC.  Baseret på ReactIR-profilen identificerede forskerne et mellemprodukt, η^3-C₄H₇Co(CO)₃, og efter opvarmning af reaktionen i flere timer blev methyl-3-pentenoatproduktet dannet sammen med en blanding af Co₂(CO)₈ og [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂.

ReactIR afslørede og hjalp med at identificere koboltmellemprodukterne og gav yderligere indsigt i den katalytiske mekanisme.

Når pyridin blev brugt som opløsningsmiddel, var mellemarten [CoPy₆][Co(CO₄]₂ den eneste identificerede metalart.  Efter at blandingen var blevet opvarmet, forsvandt cobalt-pyridin-mellemproduktet, og tilstedeværelsen af η^3-C₄H₇Co(CO)₃ og methyl-3-pentenoatproduktet blev observeret i ReactIR-spektralprofilen.

Ved yderligere blanding under temperatur omdannes η^3-C₄H₇Co(CO)3-mellemproduktettil[CoPy₆][Co(CO₄]₂ , og der dannes yderligere pentanoatprodukt. Forskerne rapporterede, at omdannelsen af η^3-C₄H₇Co(CO)₃ til methyl-3-pentenoat var fire gange hurtigere, når pyridin blev brugt som opløsningsmiddel, sammenlignet med methanol.

I dette eksempel var ReactIR nyttigt til at detektere cobalt-pyridin-mellemproduktet og gav information om den katalytiske mekanisme. ReactIR viste, at omregningshastigheden var meget hurtigere, når pyridin blev anvendt som opløsningsmiddel. Dette demonstrerer brugen af in situ FTIR til at bestemme den bedste kombination af katalysator og opløsningsmiddel til optimering af en katalytisk reaktion.

Rueping, M., Bootwicha, T., Sugiono, E., "Kontinuerlige katalytiske asymmetriske hydrogeneringer: Reaktionsoptimering ved hjælp af FTIR in-line analyse, Beilstein J. Org. Chem. (2012), 8, 300-307.

I denne forskning viste forskerne for første gang evnen til kontinuerlig flowkemi til at udføre en katalytisk asymmetrisk overføringshydrogeneringsreaktion.For  at overvåge dannelsen af produktet blev et ReactIR-system udstyret med en specialdesignet ATR-flowcelle brugt og koblet sammen med mikroreaktoren. Da et af målene med arbejdet var at finde et optimalt sæt betingelser for reaktionen, blev ReactIR fastgjort for enden af reaktionsstrømmen.  

Deres indledende indsats fokuserede på den asymmetriske hydrogenering af benzoxazin i nærvær af Hantzsch-dihydropyridin som brintkilde og en kiral Brønsted-syrekatalysator. IR-bånd ved 1479 cm-1 og 1495 cm-1 for henholdsvis benzoxazinreaktanten og dihydrobenzoxazinproduktet blev brugt til sporingsformål

Evnen til at spore disse bånd i realtid med online FTIR gav det middel, hvormed optimering af reaktionen blev opnået.

Blandt de mange fordele ved at bruge kontinuerlig mikroflowteknologi til at undersøge reaktioner er evnen til hurtigt at ændre reaktionsvariabler, såsom reaktant- og katalysatorkoncentration, flowhastighed og temperatur, og til at se effekten af disse ændringer på reaktionsresultatet.

I den katalyserede asymmetriske hydrogenering af benzoxazin til dihydrobenzoxazin blev der udført en rampning af reaktionstemperaturen fra 5 ^oC til 60 ^oC.  Forfatterne rapporterede, at de opnåede et produktudbytte på 98 % ved at udføre reaktionen ved 60 ^oC ved en strømningshastighed på 0,1 ml og en opholdstid på 1 time.

Ved hjælp af oplysningerne fra dette indledende arbejde fortsatte forskeren med at anvende denne katalytiske mikroflowreaktionsprotokol på en række benzoxziner, quinoliner, quinoxaliner og 3 H-indoler.  Reaktionsbetingelserne for hver af disse serier blev optimeret.

Forfatterne konkluderede med at sige: "Ved at anvende FTIR inline-overvågning kan reaktionsparametre screenes hurtigt i en enkelt reaktionsopsætning, og de optimale reaktionsbetingelser kan opnås meget hurtigere sammenlignet med den klassiske sekvens af udførelse af reaktionen efterfulgt af analyse."

Lille og let
Den strømlinede profil passer nemt ind i fysisk begrænsede områder som f.eks. et stinkskab.

Reaktionsovervågning under alle kemiske forhold
Der findes muligheder for batch- eller flowkemi og en række forskellige forhold, herunder forhøjede tryk-/temperaturreaktioner og ætsende reagenser.

Intet flydende nitrogen påkrævet
Infrarøde målinger kan foretages kontinuerligt og uden opsyn, så længe det er nødvendigt for at imødekomme en syntese. 

Kraftfuld software
iC IR-software gør opsætning og opnåelse af reaktionsprofiler ligetil og intuitiv. iC Kinetics and Reaction Progress Kinetic Analysis software er tilgængelig, der bruger IR-data til hurtigt og nemt at udvikle reaktionshastighedsoplysninger.

I dette webinar diskuterer Huw ML Davies, professor i kemi ved Emory University, Fourier Transform Infrared (FTIR) spektroskopi for at forstå effekten af katalysator, substrat og carbenoidforløber på hastigheden og effektiviteten af rhodiumkatalyserede reaktioner. Optimerede systemer med en substrat til katalysatorbelastning på mere end 1.000.000 blev udviklet.

Denne præsentation omfatter:

• Undersøgelsen af donor/acceptorcarbenoider, som er de centrale mellemprodukter bag kemien.
• Hvordan man anvender carbenoidkemi til syntese af farmaceutiske mål.

• Optimering af katalysatorreaktion
• Enzymatisk katalyse
• Overvågning af hydrogeneringsreaktioner
• Måling af polymerisationsreaktioner
• Meget reaktiv kemi
• Syntese reaktioner

Få indsigt i kinetik, termodynamik, katalytiske cyklusser og reaktionsmekanismer for at sikre sikre og effektive processer. Med stigningen i brugen af organometallisk katalyse og organokatalyse i udvikling og fremstilling af lægemidler og kemikalier er værktøjer til at udvikle og optimere disse reaktioner på tværs af skalaer afgørende.  Eksperimentelle data indsamlet af PAT brugt sammen med Dynochem og Reaction Lab avancerede modelleringsværktøjer giver et effektivt middel til at få indsigt i katalytiske reaktioner. Ved vurdering af kinetik under udvikling af katalytiske reaktioner modellerer Reaction Lab samtidig effekten af variabler, herunder temperatur, tryk, katalysatorbelastning, reaktant, produkt og biproduktkoncentrationer for at give det bedste sæt reaktionsbetingelser. Reaktionens respons på specifikke varierende parametre og betingelser kan observeres, og responsflader genereres, der giver indsigt i afvejninger mellem udbytte og urenheder samt reaktionens robusthed. Hele den katalytiske reaktion kan modelleres, eller individuelle trin i den katalytiske cyklus kan vurderes for at give forbedrede modeller, når det er nødvendigt. Dynochem muliggør opskalering af katalytiske reaktioner ved at modellere effekten af variabler, herunder temperatur, tryk, blandingshastigheder og varmeoverførsel for hurtigt at identificere passende procesforhold, der sikrer både sikker drift og opfylder målene for udbytte/urenheder. Dynochem er særligt vigtigt i optimering og opskalering af katalytiske reaktioner, der i sagens natur er energiske, eller som udføres under potentielt farlige forhold, og hjælper med at styre risici gennem udvikling af responsoverflademodeller, der afslører sikre driftsforhold.

Nedenfor er et udvalg af industrirelaterede publikationer, hvor heterogene og homogene katalyserede reaktioner blev undersøgt med succes:

• Wu, X., Ding, G., Lu, W., Yang, L., Wang, J., Zhang, Y., Xie, X., & Zhang, Z. (2021). Nikkelkatalyseret hydrosilylering af terminale alkener med primære silaner via elektrofil silicium-hydrogenbindingsaktivering. Organiske bogstaver, 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). En effektiv miljøvenlig CuFe2O4/SiO2-katalysator til oxidation af vanillylmandelsyre i vand under atmosfærisk tryk og en mekanismeundersøgelse. New Journal of Chemistry, 45(2), 982–992. https://doi.org/10.1039/d0nj04798h
• Baalbaki, H. A., Roshandel, H., Hein, J. E., & Mehrkhodavandi, P. (2021). Omdannelse af fortyndet CO2 til cykliske karbonater ved subatmosfæriske tryk ved hjælp af en simpel indiumkatalysator. Catalysis 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). Et nyt ternært organometallisk Pd(ii)/Fe(iii)/Ru(iii) selvsamlende monolag: det essentielle ensemblesynergistiske til forbedring af katalytisk aktivitet. 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). Sandwichstruktureret aryldiimin Pd (II)/Co (II) monolag - Fremstilling, katalytisk ydeevne, synergistisk virkning og mekanismeundersøgelse. Molekylær katalyse, 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). Mekanisme for koboltkatalyseret heterodimerisering af akrylater og 1,3-diener. En potentiel rolle af kationiske kobolt(I)-mellemprodukter. ACS-katalyse, 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). Nikkel / fotoredox-katalyseret methylering af (hetero)arylchlorid ved hjælp af trimethylortoformiat som en methylradikalkilde. Journal of the American Chemical Society, 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). Kinetisk modellering af maleinsyreisomerisering til fumarinsyre katalyseret af thiourea bestemt ved svækket total reflektans Fourier-transform infrarød spektroskopi. Organisk procesforskning og udvikling, 24(6), 988–996. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00487
• Deacy, A. C., Moreby, E., Phanopoulos, A., & Williams, C. K. (2020). Co(III)/alkalimetal(I) Heterodinukleære katalysatorer til ringåbningscopolymerisation af CO2 og propylenoxid. Journal of the American Chemical Society, 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). Anioniske α-diimin-jernkomplekser med lav valens: syntese, karakterisering og katalytiske hydroborationsundersøgelser. Uorganisk kemi, 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). In situ infrarød spektroskopi som et værktøj til overvågning af molekylær katalysator til hydroformylering i kontinuerlige processer. ACS-katalyse, 9(5), 4308–4319. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b05066
• Andrea, K. A., & Kerton, F. M. (2019). Triarylboran-katalyseret dannelse af cykliske organiske karbonater og polycarbonater. ACS-katalyse, 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). Meget modulær syntese af 1,2-diketoner via multikomponentkoblingsreaktioner af isocyanider som CO-ækvivalenter. ACS-katalyse, 9(5), 4508-4515. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b00581
• Masson-Makdissi, J., Jang, Y. J., Prieto, L., Taylor, MS, & Lautens, M. (2019). Rhodium-katalyseret tandemisomerisering-allylering: Fra diallylkarbonater til α-kvartærale aldehyder. ACS-katalyse, 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). In situ kinetiske undersøgelser af Rh(II)-katalyseret asymmetrisk cyklopropanering med lave katalysatorbelastninger. ACS-katalyse, 10(2), 1161-1170. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04595