水素化反応
高温・高圧での安全な反応モニタリング
水素化反応は、バルクケミカルとファインケミカルの両方の製造において最も重要な反応クラスの1つです。有機化合物に水素原子を添加すると、二重結合または三重結合が単結合に還元されます。 この還元により、アルケンとアルキンからC-C単結合、ケトン、アルデヒド、またはエステルからC-O結合、イミンまたはニトリルからC-N結合(アミン)を形成できます。
/content/jp/ja/home/applications/L1_AutoChem_Applications/Process-Safety/hydrogenation.fb.1.c.11.html
水素化反応の種類
1. 還元水素化
このタイプの水素化には、化合物を水素で還元することが含まれます。たとえば、アルケンは、二重結合に水素原子を付加することによってアルカンに還元できます。
2. 水素分解
このタイプの水素化には、水素を使用して分子内の化学結合を切断することが含まれます。たとえば、エステルは、C-O結合を横切って水素原子を添加することにより、アルコールとカルボン酸に加水分解できます。
3. 接触水素化
このタイプの水素化は、化学および製薬産業における重要なプロセスであり、アルケンの効率的な還元に不可欠です。
このビデオでは、反応速度、選択性、収率を最適化するために正確に制御する必要がある、温度、圧力、触媒の選択、水素供給速度などの基本原理、必須技術、および重要な反応パラメータについて詳しく説明します。
リアルタイム監視および プロセス分析技術 (PAT)が、プロセスの安全性と製品品質を確保しながら、中間産物や副産物の形成の管理などの一般的な課題を克服するのにどのように役立つかをご覧ください。 ReactIRやその他のin-situツールは、プロセスの理解を高め、水素化アプリケーションの信頼性の高いデータ駆動型の最適化を可能にします。
水素化反応のメカニズム
単結合は、二重結合または三重結合官能基を持つ有機化合物に水素原子を付加することによって形成されます。1つのステップで形成される水素化反応生成物の例は次のとおりです。
- アルケンとアルキンからのC-C単結合
- ケトン、アルデヒド、またはエステルからのC-O結合
- イミンまたはニトリル からのC-N結合(アミン)
金属触媒は、変態の高いエネルギー障壁を低減するために水素化反応でよく使用され、接触水素化と呼ばれることがよくあります。たとえば、アルケンとアルキンは、アルカンに変化するためにニッケル、パラジウム、または白金の触媒を必要とします。水素化反応は、さまざまな基板に吸着された金属を使用する場合、均質または不均一です。たとえば、均質な不斉水素化を達成するために、特定の配位子がロジウムおよびイリジウム金属触媒と配位されます。
いずれの場合も、触媒の選択は水素化反応に大きく影響します。水素化反応に影響を与える触媒の要因には、触媒濃度、溶媒、基質純度、温度、圧力などがあります。
水素化の業界例と商業的応用
Fine Chemicals: Tracking Exothermic Hydrogenation Steps With RC1
デルガド、J.、サルセド、WNV、デヴージュ・ボイヤー、C.、ヘバート、J.、レグロス、J.、レヌー、B.、ヘルド、C.、グレンマン、H.、レヴェヌール、S. (2023)。レブリン酸アルキルとレブリン酸の水素化の反応エンタルピーがRu / Cに及ぼす影響、実験条件とアルキル鎖長の影響。 化学工学、研究と設計、171、289–298。https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.01.025
この例では、自動化されたハイスループット実験を使用して、バッチ水素化反応の触媒を最適化する方法についての研究を示します。著者らは、ReactIR™ in-situ FTIR分光法 と RC1高圧反応熱量計 を 組み合わせて、水素化プロセスを監視および制御し、反応速度論 と生成物形成の in-situ測定を実行した方法について説明しています。
この研究では、メトラー・トレドの装置を使用した自動化されたハイスループット実験アプローチにより、バッチ水素化反応の触媒最適化の効率と精度が大幅に向上することが示されました。著者らは、ReactIRとRC1リアクター制御ユニットを使用することで、反応のリアルタイムモニタリングが可能になり、反応速度論と生成物形成に基づいて最適な触媒条件の特定が容易になったと指摘した。水素化プロセスと触媒を最適化するためにFTIRと 反応熱量測定器 を使用すること で、バッチ水素化における反応の最適化がより迅速かつ効率的になりました。
Fine Chemicals: Efficient Hydrogenation Catalyst Screening Using In-Situ FTIR
バイムラトワ、RK、アンドレーバ、AV、ウフリーアンド、IE、シロフ、GV、ブハルバエワ、FU、Zharmagambetova、AK、および GI ジャルディマリエワ (2022)。オキソ中心ジルコニウム錯体に基づくパラジウムドープ金属有機骨格の水素化反応における合成と触媒活性。 複合材料科学ジャーナル、 6(10)、299。https://doi.org/10.3390/jcs6100299
著者らは、水素化反応のリアルタイムモニタリングのためのEasyMax自動反応器システム や in-situ FTIRプローブ などの メトラー・トレドの装置の使用について説明しています。また、反応スクリーニングのプロセスを自動化し、反応条件のハイスループット最適化を可能にするロボットプラットフォームの統合についても説明します。
自動化されたプラットフォームは、水素化反応の最適化に必要な時間とリソースを削減し、プロセスの効率と精度を向上させるのに役立ちます。その場FTIR分光装置 を自動化プラットフォームと組み合わせて使用 することで、水素化反応をスクリーニングおよび開発するための信頼性が高く効率的な方法を提供します。
Pharmaceutical: Asymmetric Transfer Hydrogenation
Zhang, Y.、Yuan, M.、Liu, W.、Xie, J.、および Zhou, Q. (2018)。ギ酸ナトリウムとエタノールを水素源として使用したアルキニルケトンのイリジウム触媒による不斉移動水素化。 オーガニックレターズ、 20(15)、4486–4489。https://doi.org/10.1021/acs.orglett.8b01787
この例では、イリジウム触媒を使用したアルキニルケトンの不斉移動水素化の新しい方法について説明します。著者らは、ReactIR分光計 を使用して 反応の進行をリアルタイムで監視し、反応条件を最適化し、反応中間体を監視できるようにする方法について議論しています。反応セットアップにEasyMax™リアクターシステム を使用すること で、温度や撹拌速度などの反応パラメータを正確に制御することができました。
in-situ反応モニタリング装置 と イリジウム触媒システムの組み合わせにより、研究者は高い再現性と精度で反応を実行することができました。このアプローチは他の 触媒反応にも拡張でき、より効率的かつ正確な反応の最適化と分析が可能になります。
水素化反応の課題
安全性と環境への配慮
水素化反応には、次のようないくつかのリスクがあります。
- 爆発の危険性: 水素ガスは可燃性が高く、密閉空間に蓄積すると爆発を引き起こす可能性があります。
- 火災の危険性: 水素化反応により熱が発生する可能性があり、適切に制御しないと火災を引き起こす可能性があります。
- 毒性: ニッケルなどの一部の水素化触媒は、吸入または摂取すると有毒になる可能性があります。
- 環境への影響: 水素化反応により、適切に廃棄しないと環境に害を及ぼす可能性のある老廃物が発生する可能性があります。
- 健康リスク: 硬化植物油などの特定の硬化製品は、心臓病のリスク増加と関連しています。
- 安全上のリスク: 水素化反応は発熱性であり、プロセス中に熱が発生する可能性があり、適切に制御しないと熱暴走を引き起こす可能性があります。
- 試薬の取り扱い: 触媒と中間体は、腐食性、毒性、可燃性、反応性があるため、慎重に取り扱う必要があります。これらのリスクは、適切な安全プロトコルに従い、適切な機器や材料を使用することで軽減できることに注意することが重要です。
水素化の環境への影響
水素化反応は触媒や溶媒の使用により環境に影響を与える可能性があり、廃棄物が発生し、環境に害を及ぼす可能性があります。 これらの潜在的な環境への影響を軽減するために、科学者たちは現在、化学反応モデリングおよびシミュレーション ソフトウェア を利用して 有害物質の使用を削減しています。コンピューター シミュレーションを使用することで、エンジニアは反応の結果を予測し、条件を最適化して廃棄物を最小限に抑え、有害な化学物質の使用を減らすことができます。
さらに、反応モデリングを使用して、より環境に優しい代替触媒や溶媒を特定できるため、反応が環境に与える影響をさらに軽減できます。化学反応モデリングを用いて水素化反応を設計・最適化することで、反応の効率とコストを維持・改善しながら、廃棄物を最小限に抑え、環境負荷を低減することができます。
水素化触媒スクリーニング
水素化触媒のスクリーニングは、水素化反応を成功させるための重要なステップです。これには、さまざまな触媒を評価して、特定の反応に対して最も効率的かつ効果的な触媒を決定することが含まれます。スクリーニングプロセスでは、触媒の反応速度、選択性、安定性などの要素を考慮して、最適な触媒を選択します。
スクリーニングプロセスには通常、さまざまな触媒を使用して一連の実験を実施し、結果を評価し、比較して最適な触媒を決定することが含まれます。ニッケルやパラジウムなどの従来の触媒に加えて、ロジウム、イリジウム、ルテニウムなどの他の触媒も評価できます。水素化触媒スクリーニングプロセスの結果は、水素化反応の効率、コスト、全体的な成功に直接影響するため、重要です。
触媒の選択
水素化反応のもう一つの課題は、望ましい選択性の程度、つまり特定の結合や分子官能基を選択的に水素化し、他の結合や官能基は反応しないままにする能力を達成することです。これは、特に分子に水素化できる複数の結合または官能基が含まれている場合、困難な場合があります。
In-situ FTIR分光 法は、瞬時の情報を提供し、実用的な意思決定をリアルタイムで行うことを可能にする分析技術です。 ReactIRなどの FTIRプローブ技術は、固体粒子、ガス、およびほとんどの反応条件を透過せず、他のオフライン分析法に比べて次のような利点があります。
- 高圧・高温を含む実際の反応条件下での均一・不均一水素化の調査
- 水素化で生成される反応物、試薬、生成物、反応中間体、副産物の同定、追跡、測定
- 反応速度の決定や 反応メカニズム や経路の理解のための豊富なデータを迅速に取得
- 最終製品の歩留まりを最適化し、副生成物を最小限に抑えるための理想的な水素化条件をテストおよび開発します
- 特定の水素化反応の触媒と条件を迅速にスクリーニング
- サンプル抽出に起因する空気、湿気、または乱れる反応平衡の導入を排除します
触媒の不活性化
水素化反応のもう一つの課題は、触媒の失活、または時間の経過に伴う触媒活性の喪失です。これは、反応物や副生成物中の不純物による触媒の中毒、触媒の焼結(固体塊の形成)など、さまざまな要因によって引き起こされる可能性があります。プローブベースの自動サンプリングシステム を使用すると 、圧力下でも長期間にわたって代表的な反応サンプルが得られます。
水素化反応を行う際の安全対策
圧力制御
水素化反応は通常、高圧下で行われるため、危険であり、機器の故障を引き起こし、事故や怪我につながる可能性があります。そのため、反応中の圧力を注意深く制御し、安全で安定した範囲内にとどまるようにすることが重要です。
作業者と機器を保護するために、適切な安全対策を講じる必要があります。これには、原子炉や配管などの圧力定格機器や、圧力リリーフバルブや圧力計などの安全装置の使用が含まれます。
熱管理
水素化反応は発熱性であり、熱を放出することを意味します。過剰な熱は熱暴走(温度の急激な上昇)や反応物の分解などの問題を引き起こす可能性があるため、 反応熱 の管理は困難な場合があります。
反応熱量測定 は、化学プロセスの設計と最適化、および安全性評価に不可欠な熱力学的および速度論的パラメータを特定するために使用されます 。
圧力下での高精度の熱量測定は、プロセスの安全性評価のための信頼できるデータを得るために不可欠です。
不正確な熱量測定結果は、次の原因となる可能性があります。
- 正確な熱化学データの理解不足
- 事故や人身傷害のリスク
- データへの信頼がない - プラントは最適な方法で稼働できない
- 環境への影響
- 金銭的および評判の損失
関連情報
.png/_jcr_content/renditions/cq5dam.web.1280.1280.png "development of a transfer hydrogenation controlled by nitrogen flow")
関連製品
引用と参考文献
査読付き出版物における水素化反応モニタリング
- デルガド、J.、サルセド、WNV、デヴージュ・ボイヤー、C.、ヘバート、J.、レグロス、J.、レヌー、B.、ヘルド、C.、グレンマン、H.、レヴェヌール、S. (2023)。レブリン酸アルキルとレブリン酸の水素化の反応エンタルピーがRu / Cに及ぼす影響、実験条件とアルキル鎖長の影響。 化学工学、研究と設計、 171、289–298。 https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.01.025
- バイムラトワ、RK、アンドレーバ、AV、ウフリーアンド、IE、シロフ、GV、ブハルバエワ、FU、Zharmagambetova、AK、および GI ジャルディマリエワ (2022)。オキソ中心ジルコニウム錯体に基づくパラジウムドープ金属有機骨格の水素化反応における合成と触媒活性。 複合材料科学ジャーナル、 6(10)、299。 https://doi.org/10.3390/jcs6100299
- ホイールハウス、KMP、フェナー、S.、ホワイティング、M. (2022)。選択的ニトロ基水素化条件の同定におけるハイスループット実験の応用 Acs シンポジウム シリーズ (pp. 79–91)。 https://doi.org/10.1021/bk-2022-1420.ch005
- Zhang, Y.、Yuan, M.、Liu, W.、Xie, J.、および Zhou, Q. (2018)。ギ酸ナトリウムとエタノールを水素源として使用したアルキニルケトンのイリジウム触媒による不斉移動水素化。 オーガニックレターズ、 20(15)、4486–4489。 https://doi.org/10.1021/acs.orglett.8b01787https ://doi.org/10.1021/acs.orglett.8b01787
- エネス、C.、ルーカス、M.、クラウス、P. (2016)。その場ATR‐IR分光法:CO2の水素化とギ酸の生成のモニタリング化学 インヂュニアテクニック、 88(10)、1474–1479。 https://doi.org/10.1002/cite.201600031
- Liu, W.、Yuan, M.、Yang, X.、Ke, L.、Xie, J.、および Zhou, Q. (2015)。スピロPAP配位子のキラルイリジウム錯体を触媒 として、エタノール中のケトンの効率的な不斉移動水素化。ケミカルコミュニケーション、 51(28)、6123–6125。 https://doi.org/10.1039/c5cc00479a
- ハミルトン、P.、サンガニー、MJ、グラハム、J.、ハートウィッグ、T.、アイアンモンガー、A.、プリーストリー、C.、A、L.、シニア、トンプソン、DR、ウェッブ、MR (2014)。PAT を使用して、水素化反応の生産と医薬品中間体の単離を理解、制御、および迅速にスケールアップします。 有機プロセスの研究開発、 19(1)、236–243。 https://doi.org/10.1021/op500285x
- ミッチェル、C.、ストローザー、JD、ゴットリーブ、A.、ミロニッヒ、MH、ヒックス、FA、パパゲルギウ、CD (2014)。高エネルギー水素化反応の安全かつ効果的なスケールアップのためのモデリングベースの戦略の開発。 有機プロセスの研究開発、 18(12)、1828–1835。 https://doi.org/10.1021/op500207r
- クランプ、B.、ゴス、CA、ラブレス、T.、ルイス、RM、ピーターソン、JJ (2013)。白金とバナジウムを触媒とするニトロ還元の第一原理反応速度モデリングに対する反応パラメータの影響。 有機プロセスの研究開発、 17(10)、1277–1286。 https://doi.org/10.1021/op400116k
- リッチナー、G.、ヴァン・ボホーフェン、JA、ノイホールド、Y.、マコッシュ、M.、ハンガービューラー、K. (2011)。TiO2上のナノサイズのAu上でのニトロベンゼンの三相水素化中の固体/液体触媒界面のその場赤外モニタリング物理 化学化学物理物理学、 13(27)、12463。 https://doi.org/10.1039/c1cp20238c
- リトラー、BJ、ルッカー、AR、ブライス、TA (2010)。リアルタイムの中赤外、熱流、ガス取り込み測定を使用した水素化プロセスの最適化。 有機プロセスの研究開発、 14(6)、1512–1517。 https://doi.org/10.1021/op100169j
- ケイシー、CP、ビートナー、SE、ジョンソン、JJ (2008)。Shvoのヒドロキシシクロペンタジエニルジルテニウム水素化物によって触媒されるカルボニル水素化中の水素化速度と中間体の分光学的測定は、独立して測定された基本反応速度に基づく速度論的モデリングと一致します。 アメリカ化学会誌、 130(7)、2285–2295。 https://doi.org/10.1021/ja077525c
- ブラックモンド、DG、ロピック、M.、シュテフィノヴィッチ、M. (2006)。Rh-ジアミン触媒を触媒とするギ酸によるイミンの不斉移動水素化の速度論的研究。 有機プロセスの研究開発、 10(3)、457–463。 https://doi.org/10.1021/op060033k
水素化に関するよくある質問
What is a hydrogenation reaction with an example?
水素化と呼ばれる化学プロセスでは、分子に水素が添加されます。常温では、水素化は熱力学的に有利ではないため、触媒が必要です。この触媒は多くの場合、金属でできています。マーガリン、ミネラルテレビン油、アニリンは、水素化された商品のいくつかの例です。
What type of reaction is hydrogenation?
還元反応としても知られる水素化プロセスは、水素分子がアルケンに付加されるときに発生します。アルカンは、触媒(通常は金属)の存在下でアルケンと水素ガスの間の付加反応によって生成されます。
What is the main purpose of hydrogenation?
水素化は、飽和化合物の製造を目的として、不飽和有機化合物に水素を添加するために化学産業で広く使用されているプロセスです。化学エンジニアは、食品や燃料の生産を含むさまざまな産業で重要な役割を果たしている水素化プロセスの設計と最適化に深く関わっています。
食品業界では、マーガリンやショートニングなどの液体油から固体脂肪を製造するために水素化が一般的に使用されます。植物油を水素化することで、その安定性、機能特性、全体的な品質を向上させることができます。同様に、燃料製造においても、原油中の不飽和炭化水素を水素化すると、より安定した反応性の低い化合物を生成できます。
水素化プロセスの重要な部分として、化学エンジニアは適切な触媒を選択し、反応器とプロセス条件を設計して変換と選択性を最適化し、高圧水素化反応に関連する安全性の考慮事項を管理する必要があります。さらに、廃棄物とエネルギー消費を最小限に抑える、持続可能で環境に優しい水素化プロセスの開発に努める必要があります。
What are the reaction conditions for hydrogenation?
水素化の典型的な反応条件は、特定の反応と関係する反応物によって異なります。水素化反応でよく使用される一般的なパラメータには、次のようなものがあります。
- 温度
- 圧力
- 触媒
- 溶媒
- 水素源
- 反応時間
水素化反応に使用される反応条件は、特定の反応物と目的の生成物によって異なり、これらの条件を最適化することで、反応効率と選択性の向上につながる可能性があります。