Suzuki krydskoblingsreaktionsmekanismer

FTIR-spektroskopi kan give kvantitativ fortolkning, men det er mere udfordrende, når spektre mangler tydelige eller diagnostiske træk, selvom de underliggende spektrale data indeholder subtile variationer, der korrelerer med reaktionsforløbet. Maskinlæring kan udtrække disse mønstre, men typiske arbejdsgange kræver store, eksperimentelt genererede datasæt, hvilket skaber en betydelig barriere, når hvert datasæt skal indsamles gennem gentagne reaktionsforsøg.

For at reducere denne eksperimentelle byrde anvendte forfatterne en lineær blandingsapproksimation, hvor hver art bidrager proportionalt til den samlede absorbans. Fordi topintensiteter skalerer med molekylær overflod, kan spektret af en reaktionsblanding approksimeres som en vægtet sum af spektre for dens enkelte komponenter. Ved at kombinere ReactIR-spektre af rene reaktanter og produkter blev syntetiske "efterlignede spektre" genereret, som gengiver de vigtigste træk ved ægte blandinger. Dette muliggør opbygning af store træningsdatasæt ved kun at bruge et begrænset antal målte spektre.

Suzuki–Miyaura-krydsbindingsreaktionen blev valgt som modelsystem på grund af dens minimale strukturelle ændringer og tilsvarende subtile FTIR-signaturer. Efter forbehandling forudsagde et neuralt netværk trænet på efterlignede spektre nøjagtigt reaktionsudbyttet ud fra inline ReactIR-målinger. Forudsigelsesmodellen var i stand til at opdage subtile forskelle i reaktionsbetingelser, som ikke var tydelige ud fra fysiske parametre alene. Integreret i en automatiseret flowplatform muliggjorde modellen realtidsestimering af udbytte og effektiv lukket-loop optimering. Denne tilgang demonstrerer, at ReactIR, når det kombineres med syntetisk spektral generering og maskinlæring, kan tjene som en kvantitativ procesanalytisk teknologi til dataeffektiv reaktionsudvikling og autonom optimering.

Ashikari, Y., Tamaki, T., Tomite, K., Yonekura, Y., & Nagaki, A. (2025). Real-time inline-IR-analysis via linear-combination strategy and machine learning for automated reaction optimization. Communications Chemistry, 8(1), 287. https://doi.org/10.1038/s42004-025-01676-y

Forfatterne kommenterede vigtigheden af at klarlægge strukturen og sammensætningen af det katalytisk aktive center i ordnede organometalliske katalytiske nanofilme for at optimere den katalytiske effektivitet og forstå den katalytiske mekanisme. I dette arbejde blev en ny ferrocene-baseret selvorganiseret hetero-bimetallisk Pd/Co-film (Si@FMP-Pd_xCo_1-x) på siliciumwafere syntetiseret og evalueret til Suzuki-krydskoblingsreaktioner. Specifikt blev aktiviteten af Si@FMP-Pd_0.2/Co_0.8. fundet at være markant højere end enten Si@FMP-Pd eller den homogene katalysator Li₂PdCl₄/CoCl₂. Forskerne foreslog, at katalysatorens orientering og arrangement på overfladen samt synergien mellem Pd og Co var kilden til den forbedrede katalytiske aktivitet. 

Ved undersøgelse af reaktionsmekanismen fulgte ReactIR-målinger den katalytiske proces i realtid og sporede udviklingen af mellemprodukter relateret til de oxidative additions- og transmetalleringstrin i Suzuki-reaktionen, hvor et bånd ved 752 cm⁻¹ fungerede som markør for disse overfladebundne arter under den katalytiske cyklus. Disse målinger afslørede, at der var en induktionsperiode for Si@FMP-Pd0.2Co0.8, hvilket også er indicativt for en heterogen katalytisk proces og i modsætning til det homogene system (Li₂PdCl₄/CoCl₂), som ikke viste nogen induktionsperiode. ReactIR-dataene, kombineret med hotfiltrerings- og forgiftningstests, bekræftede, at katalysen fandt sted på filmens overflade og ikke via udvaskede metalarter i opløsning. Dette arbejde viste, at det aktive center indeholdt Pd-, Pd/PdO- og Pd/CoO/Co₂O₃ klynger dannet in situ på den organometalliske overflade. Dermed spillede ReactIR en afgørende rolle i at klarlægge den katalytiske mekanisme for denne nye bimetalliske katalysator i Suzuki-reaktionen ved at verificere den heterogene karakter og give kinetisk indsigt i reaktionsprocessen.

Li, T., Chen, P., Wang, M., & Wu, Y. (2024). Ferrocene assisted PD/PDO/COO Active Center in suit formed on the surface of Self-Assembly Organometallic PD/CO Film: Investigation on the formation, synergistic, and catalytic mechanism in Suzuki Cross Coupling Reaction. SSRN Electronic Journal. https://doi.org/10.2139/ssrn.4735448

Studiet præsenterer en detaljeret mekanistisk undersøgelse af Suzuki–Miyaura krydskobling under biphasiske forhold, der afslører, hvordan faseoverførselskatalysatorer (PTC'er) dramatisk accelererer reaktionen ved at ændre den dominerende transmetalationsvej. Ved brug af benzylic-elektrofiler som et udfordrende modelsystem viser forfatterne, at PTC'er omdanner mekanismen fra den klassiske oxo-palladium-rute til en boronat-drevet vej, hvilket muliggør op til en tolvfoldig hastighedsforøgelse og tillader katalysatorbelastninger så lave som 0,001 mol%. Denne mekanistiske forståelse skyldes brugen af DirectInject-LC-teknologi gennem dens online HPLC-målinger, som giver reproducerbare, realtids kinetiske profiler selv i heterogene blandinger, der ikke er egnede til NMR- og IR-målinger. Den automatiserede LC-platform tillader præcis sporing af elektrofilsforbrug, boronatdannelse, halidhæmning og katalysatorspeciering – data, der ville være utilgængelige eller upålidelige med manuel prøvetagning på grund af faseadskillelsesartefakter og prøveældning. Disse tætte kinetiske datasæt afslører den stærke indflydelse af vand-til-organisk faseforhold, de antagonistiske roller af hydroxid og halid, og at PTC'er modulerer både palladiumspeciering og arylboronligevægte, hvilket klarlægger den turnover-begrænsende transmetalationsregime og muliggør usædvanligt lave katalysatorbelastninger med bred substratomfang.

Shi, Y., Derasp, J. S., Maschmeyer, T., & Hein, J. E. (2024). Phase transfer catalysts shift the pathway to transmetalation in biphasic Suzuki-Miyaura cross-couplings. Nature Communications, 15(1), 5436. https://doi.org/10.1038/s41467-024-49681-4