水素化は最先端の化学反応の1つです。水素添加反応（水添）では、1回のステップでアルケンとアルキンからC-C単結合を、ケトン、アルデヒド、エステルからC-O結合を、イミンやニトリルからC-N（アミン）を形成できます。水素化は、触媒のタイプ、触媒の濃度、溶媒、基質の純度、温度、圧力など、複数の要因の影響を受けます。触媒の性能を検討する場合、通常は収率、選択性、TON/TOF、活性、安定性の4つのパラメータを考慮します。各実験を通じて分析データを継続して収集することにより、個々の反応を十分に理解するうえでの障壁を取り除きます。反応の開始、反応メカニズム、反応率、終点に加えて不純物や副生成物のプロファイルを理解することで、化学的な条件やプロセパラメータの変更に関するすばやい意思決定が可能になります。
水素化反応
水素添加反応（水添）の理解とモニタリングに必要なこと
オンライン測定による向上
水素添加反応（水添）プロセス
水素添加反応（水添）プロセスを理解する手法として、圧力下でサンプルをリアクターからサンプリングする必要があるオフライン分析技術では困難です。オフライン技術には、反応中間体や生成物の不安定性、手動サンプル調整に伴う遅延などの課題があります。多くの労力を必要とするサンプリングと分析、結果の遅延により、反応終点の正確な決定は、多くの場合オフライン技術では不可能です。多くのデータが生成される実験を容易に実施するには、PATを反応容器にin situで直接挿入します。プロセスに関する基本情報を得るために継続的なリアルタイムの反応測定を利用します。これによってすばやい意思決定が可能になり、その結果、プロセスのスケールアップに必要な実験の回数と時間が減少し、反応の方向に関するほぼ瞬時のフィードバックが選択性/収率が向上させます。また、特定の時間点での反応停止と、副生成物形成のリスク回避によって理想的な終点を決定することでサイクル時間が短縮され、収率が向上します。
ケーススタディ：ニトロベンゼン還元の赤外モニタリング
たとえば、ニトロベンゼン派生物の還元は、医薬品有効成分（API）やファインケミカルの合成で中間体を製造するために一般に使用されます。ヒドロキシルアミン/アニリンの比を決める反応の選択性と反応性は、溶媒のタイプ、触媒、温度、圧力などの複数の変数によって異なります。プロセスの開発と制御には、これらの変数が反応の品質に与える影響と理解を深めることが必要です。
このグラフは、触媒を使用しない場合のニトロベンゼンの還元を示しています。この成分は、Ф-NO2の消費とФ-NH2の形成を容易に検出し、追跡できます。反応モニタリングから、出発原料が即座に消費され、アニリンが形成されることがわかります。中間体の存在を示す証拠はありません。Ф-NH2生成の終点を正確に高い精度で確認するには、成分の濃度プロファイルを使用します。Ф-NO2の消費とФ-NH2の形成について0次反応を示すことで、機構と速度論に関する情報を推定することができます。触媒特性などの重要なプロセスパラメータを識別できた結果、ニトロベンゼンの反応率、ニトロベンゼンの良好な収率、最適化された反応時間などを確認することができます。
別の触媒を使用したこの例では、データは中間体としてのAr-NHOHの発生を示しており、Ar-NH2が生成されるまでの反応時間が長くなっています。in situ ReactIRスペクトロスコピーを適用すると、中間体Ф-NHOHと生成物Ф-NH2の両方について正確で高精度の終点を容易に確認することができます。反応機構と速度論に関する情報は、2つの速度論系があることを示す成分プロファイルの形状によりグラフから推測することができます。Ф-NO2の消費とФ-NHOHの形成の両方について0次の速度論が観察される一方、遅れて生じるФ-NH2の形成について1次に近い速度論（CФ-NHOHに対して）が観察されます。触媒の特性などの重要なプロセスパラメータが識別された結果、生成物Ar-NH2の収率が向上しています。
水素化/高圧反応
水素化では、バッチ間とスケールアップ時の反応速度論、選択性、反応性、終点の変動の問題が発生します。このプレゼンテーションには次の4つのケーススタディが含まれています。
- ニトロベンゼンの還元
- ローゼンムント還元
- ピラジンの還元
- 還元的アミノ化
水素添加反応（水添）の測定
リアルタイムで
インラインReactIRフーリエ変換中赤外分光（FTIR）はin situ技術であり、反応に関する情報を即座に提供します。反応を終了すべきタイミングなど、実験を通じてすばやい意思決定が可能です。ReactIRは、次の点が代替分析メソッドよりも優れています。
- 気泡や固体の影響を受けないため、水素化や不均一反応に最適
- サンプリングが不要のため、反応条件下で水素化を測定でき、反応の完全性も維持
- ランベルト-ベールの法則に従い、定性測定と定量測定の両方が可能
不純物と副生成物形成の測定
加圧 水素添加反応（水添）で
PATツールを組み込むことで、リアルタイムでの反応の包括的な連続分析が可能ですが、低濃度の不純物プロファイルに関する重要な情報を得るには、これらの技術では制限があります。オフライン技術は不純物分析の標準と見なされていますが、圧力下での水素化のサンプリングは困難であり、測定データが制限されることが多くあります。副生成物の形成機構を理解するには、副生成物が形成される水素化のステップを特定し、副生成物形成の原因となるパラメータを確認する必要があります。このケーススタディでは、圧力下での反応を対象にしてこの情報を捕捉し、情報に基づく意思決定を行う方法について説明します。
安全な水素添加反応（水添）の確保
プロセス開発とスケールアップで
通常、水素添加反応（水添）は発熱が強いため、スケールアップの前にヒートフロー反応熱量測定、水素の取り込みに関するデータ測定、オンラインスペクトロスコピー（中赤外）に基づいた包括的な安全性と速度の調査が行われていました。温度や反応時間などのスケールアップ後のプロセスの挙動と残留中間体や不純物レベルへの影響の予想は、反応熱量計を使用して研究室内で実行することができます。質量とヒートトランスファーに基づいたプロセスシナリオと反応速度の詳細な特性は触媒の安定性の向上につながり、最適なプロセス温度プロファイルと反応時間を導き出すことができます。
関連文書
オンデマンドウェビナー
このウェビナーでは、インラインFTIRを用いた反応モニタリングによって、主要な反応パラメータに関する情報を得て、反応を深く理解し、水素化を成功に導いた例を紹介します。
化学プロセスの安全なスケールアップを実行し、反応熱のリスクと危険性を調べます。
ホワイトペーパー
迅速かつ低コストで化学製品を生み出さなければならない研究者にとって「手間をかけずにいかに行うか」は普遍のテーマです。メトラー・トレドの新しい無料のホワイトペーパーでは、最適化するための反応条件をより短い時間で取得する方法について紹介しています。
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in situ FTIR分光装置を使用することで、研究者は幅広いアプリケーションでの反応やプロセスに関する情報を得ることができます。インラインFTIR機器で反応変数を最適化します。
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