التفاعلات المحفزة

تستخدم التفاعلات المحفزة عادةً لتسريع المعدل اللازم لحدوث كيمياء محددة. ويكمن عمل المحفز أساسًا في توفير مسار بديل منخفض الطاقة للتفاعل.  ولحدوث ذلك، تتفاعل المادة الحفازة مع المتفاعل وتكون مركبًا وسيطًا. وهذه المادة الوسيطة مؤقتة فبعد تكونها تتكسر وتترك مجموعات الحفاز الأصلية دون تغيير. ‏ولا يتأثر الحفاز بالتفاعل بنفس مقدار تأثر تركيب أو كتلة المادة الكيميائية عند اكتمال التفاعل.

وهناك نوعان عامان للتفاعلات المحفزة:

• التفاعل المحفز غير المتجانس ويحدث عند تواجد المحفز والمتفاعل في طورين مختلفين، مثل الحفاز الصلب مع متفاعل في محلول.
• التفاعل المحفز المتجانس ويحدث عند تواجد المحفز والمتفاعل في نفس الطور، كما يحدث عند تحلل الحفاز والمتفاعلات في نفس المحلول.  

• تشكل المحفزات مسارًا بديلاً لزيادة سرعة وناتج التفاعل، لذا يمثل الفهم الشامل للخواص الحركية للتفاعل أهمية بالغة. وهذا لا يوفر فقط معلومات حول معدل التفاعل، بل يوفر أيضًا إطلالة على آلية التفاعل.
• كما أن تفاعل الحفاز مع المتفاعل مهم أيضًا. تُنتج التفاعلات المحفزة مركبات وسيطة مؤقتة وهذه الوسائط هي محور العملية الحفزية ومعدل التفاعل والنواتج النهائية.  ويعد تحديد المركبات الوسيطة الناتجة من التفاعلات الحفزية عملية بحث مستمرة، كما أن الأدوات التي توفر إطلالة على وجود المركب الوسيط وبنيته مفيدة أيضا.
• ومن المهم قياس تأثير متغيرات التفاعل وظروفه في العملية الحفزية لتحسين التفاعل. ويتميز كل من درجة الحرارة والضغط والمتفاعل وتركيزات العامل الحفاز فضلاً عن العوامل الكيميائية والفيزيائية الأخرى بتأثير كبير على النواتج والمحصلة والنواتج الثانوية الناتجة في التفاعل الحفزي. 
• ومن المهم دراسة النشاط وقياس النواتج والنواتج الثانوية الناتجة عن مختلف العوامل الحفازة في تفاعل محدد وذلك لاختيار أفضل مجموعة من العامل الحفاز وظروف التفاعل. 
  
• وكذلك من المهم قياس خواص الطاقة في التفاعل المحفز وفهمها لضمان سلامة التفاعل وتطويره بنجاح.     

• دراسة التفاعلات المحفزة المتجانسة وغير المتجانسة في ظروف التفاعل الحقيقي، بما فيها عند معدلات ضغط ودرجات حرارة متزايدة.
• اكتشاف والمساعدة في تحديد المركبات الوسيطة الأساسية للتفاعل المحفز.
• الحصول السريع على البيانات لتحديد الخواص الحركية للتفاعل وفهم آلية التفاعل ومساره.
• تعقب النواتج والنواتج الثانوية للتفاعلات الحفزية وقياسها على الفور.
• اختبار ظروف التفاعل المثالية وتطويرها لتحسين حاصل المنتج النهائي وتقليل النواتج الجانبية.
• التحديد السريع لأفضل عامل حفاز وأفضل الظروف للتفاعل المحدد.
• القضاء على التأخيرات الزمنية الناتجة عن استخلاص العينة بطريق تقليدية والتحليل بعيدًا عن التفاعل.
• القضاء على دخول الهواء أو الرطوبة أو التأثير على التفاعل بسبب استخلاص العينة.
• الحد من تعرض المشغل للمواد الكيميائية السامة أو التفاعلات التي يحتمل أن تكون عالية الطاقة أو ظروف التفاعل الخطرة.

معدل بعد الحصول على إذن من Tuba, R., Mika, L., Bodor, A. Pustai, Z., Toth, I. and Horvath, I., “Mechanism of the Pyridine-Modified Cobalt-Catalyzed Hydroxymethoxycarbonylation of 1,3-Butadiene”, Organometallics, 22, 2003, 1582-1584. حقوق الطبع والنشر لعام (2018) لصالح الجمعية الكيميائية الأمريكية.

تمكن الباحثون باستخدام ReactIR عالي الضغط من دراسة كربلة الميثوكسيل المائي لـ 1,3-بيوتاديين إلى ميثيل-3-بنتونات.  وفي وجود البيريدين، من المعروف أن  Co₂(CO)₈ سيحفز هذا التفاعل. وفي وقت البحث، لم يتم تحديد مركبات وسيطة وكان أحد أهداف المشروع هو تحديد المركبات الوسيطة.  

استخدم الميثانول في البداية كمحلول وأضيف 1,3-بيوتاديين إلى خليط متوازن من Co₂(CO)₈ و[Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂ تحت 75 بار من أحادي أكسيد الكربون في 100 درجة مئوية.  وبناءً على ملف تعريف ReactIR، حدد الباحثون مركبًا وسيطًا، η³-C₄H₇Co(CO)₃، وبعد تسخين التفاعل لعدة ساعات، تكوّن ناتج ميثيل 3-بنتونات إلى جانب خليط من Co₂(CO)₈ و[Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂.

وكشف ReactIR النقاب وساعد في تحديد مركبات الكوبالت الوسيطة ووفر معلومات إضافية حول الآلية الحفازة.

وعندما أُستخدم البيريدين كمحلول، كانت المجموعات الوسيطة [CoPy₆][Co(CO₄]₂ المجموعات الفلزية الوحيدة المحددة.  وبعد تسخين الخليط، اختفى وسيط الكوبالت-البيريدين ولوحظ وجود η³-C₄H₇Co(CO)₃ وناتج ميثيل-3-بنتونات في ملف ReactIR الطيفي.

ومع مزيد من الخلط في درجة الحرارة، تحول الوسيط η³-C₄H₇Co(CO)₃ إلى[CoPy₆][Co(CO₄]₂ وتكون ناتج بنتونات إضافي. وسجل الباحثون أن تحويل η³-C₄H₇Co(CO)₃ إلى ميثيل-3-بنتونات كان أسرع بأربع مرات عند استخدام البيريدين كمحلول مقارنة بالميثانول. 

وفي هذا المثال، كان ReactIR مفيدًا لاكتشاف وسيط الكوبالت-البيريدين ووفر معلومات حول الآلية الحفازة. وأظهر ReactIR أن معدل التحويل كان أسرع عندما أُستخدم البيريدين كمحلول. وهذا يثبت استخدام FTIR في الموقع في تحديد أفضل مجموعة من الحفاز/المحلول لتحسين التفاعل الحفزي.

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.

في هذا البحث، أوضح العلماء لأول مرة قدرة كيمياء التدفق المستمر على تنفيذ تفاعل هدرجة النقل غير المتماثل الحفزي.  ولمراقبة تكوّن الناتج، أُستخدم نظام ReactIR المزود بخلية التدفق ATR المصممة تصميمًا خاصًا والمقترنة بمفاعل دقيق. ونظرًا لأن أحد أهداف العمل كان العثور على مجموعة الظروف المثالية للتفاعل، وتم تركيب ReactIR في نهاية تيار التفاعل.  

وتركزت جهودهم الأولية على الهدرجة غير المتماثلة للبنزوكسازين في وجود ثنائي هيدرو البيريدين هانتش كمصدر للهيدروجين وحفاز حمضي برونستد كيرالي. وتم استخدام نطاقات IR عند 1479 سم-1 و1495 سم-1 لمتفاعل البنزوكسازين وناتج ثنائي هيدرو بنزوكسازين على التوالي لأغراض التعقب.

ووفرت القدرة على تعقب هذه النطاقات في الوقت الفعلي باستخدام FTIR في التفاعل الوسائل التي أتاحت تحسين التفاعل. 

ومن بين الميزات العديدة لاستخدام تقنية التدفق الدقيق المستمر لدراسة التفاعلات؛ القدرة على تغيير متغيرات التفاعل بسرعة، مثل تركيز الحفاز والمتفاعل ومعدل التفاعل ودرجة الحرارة ولمعرفة تأثير هذه التغييرات على ناتج التفاعل.

وفي الهدرجة غير المتماثلة الحفزية للبنزوكسازين إلى ثنائي هيدرو بنزوكسازين، حدث تغير تدريجي لدرجة حرارة التفاعل من 5 درجات مئوية إلى 60 درجة مئوية.  وسجل المؤلفون تحقيق ناتج بنسبة 98 من خلال تنفيذ التفاعل عند درجة حرارة 60 درجة مئوية بمعدل تدفق 0.1 مل ووقت مكوث يبلغ 1 ساعة. 

وباستخدام المعلومات من هذا العمل الأولي، انتقل العلماء إلى تطبيق بروتوكول تفاعل التدفق المصغر الحفزي على سلسلة من البنزوكسازينات والكينولينات والكينوكسالينات و3H-إندولات.  وتحسنت ظروف التفاعل لك من هذه السلاسل.

وانتهى الباحثون بقولهم: "بتطبيق المراقبة عبر FTIR في التفاعل، يمكن مراقبة معلمات التفاعل بسرعة في بيئة تفاعل واحدة، ويمكن الوصول إلى ظروف التفاعل المثالية أسرع كثيرًا مقارنةً بالتسلسل التقليدي لإجراء التفاعل ثم التحليل."

صغير وخفيف الوزن
يتلاءم القطاع الطولي الجانبي السلس بسهولة مع المناطق المحدودة ماديًا مثل كمة الدخان.

مراقبة التفاعل في أي ظروف كيميائية
تتوفر خيارات لكيمياء التدفق أو كيمياء الإنتاج الخلطي، ومجموعة متنوعة من الظروف والتي تشمل التفاعلات ذات درجة الحرارة/الضغط المتصاعد والكواشف الأكالة.

لا حاجة للنيتروجين السائل
يمكن إجراء قياسات الأشعة تحت الحمراء باستمرار ودون مراقبة طالما كان ذلك ضروريًا لمواءمة تركيب ما. 

برنامج عالي الكفاءة
يجعل برنامج iC IR من الإعداد والحصول على أنماط التفاعل أمرًا يسيرًا وبديهيًا. يتوفر برنامج تحليل الخواص الحركية لتقدم التفاعل iC Kinetics and Reaction Progress Kinetic Analysis حيث يستخدم بيانات IR لوضع معلومات معدل التفاعل بسرعة.

في هذه الندوة عبر الويب، يناقش Huw M. L. Davies وهو أستاذ الكيمياء بجامعة إيموري نظام فورييه للتحليل الطيفي بتحويل الأشعة تحت الحمراء (FTIR) لفهم تأثير الحفاز والركيزة على معدل وكفاءة التفاعلات المحفزة بالروديوم. وتم تطوير أنظمة محسنة من خلال ركيزة لتحميل الحفاز بأكثر من 1,000,000.

ويشمل هذا العرض التقديمي:

• دراسة الكربونويدات لدى المتبرع/المستقبل وهي المركبات الوسيطة المركزية وراء الكيمياء.
• طريقة  تطبيق كيمياء  الكربونويد نحو تركيب الأهداف الدوائية.

• تحسين التفاعل الحفاز
• التحفيز الإنزيمي
• مراقبة تفاعلات الهدرجة
• قياس تفاعلات البلمرة
• الكيمياء سريعة التفاعل

‏فيما يلي مجموعة من المنشورات ذات الصلة بهذا المجال؛ حيث أُستخدم التحليل الطيفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء بنظام فورييه داخل التفاعل لدراسة التفاعلات المحفزة المتجانسة وغير المتجانسة:

• 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.

هذا الحدث المذاع عبر الإنترنت المجاني يتميز بمقدمين من AbbVie, Boehringer-Ingelheim وجامعة California-Merced، وهو خاص بكيميائيي العملية والمهندسين الكيميائيين المهتمين بتعلم المزيد حول التأثير المباشر للتجربة الثرية بالمعلومات على توفير عمليات مستقرة وقابلة للتطوير ومتسقة. وسيشارك كل مقدم أمثلته التي أثرت على عمله ومدلولها بالنسبة لمستقبل مختبرات التطوير.