촉매 반응

촉매 반응은 일반적으로 특정 화학 물질이 진행되는 속도를 가속화하기 위해 사용됩니다. 본질적으로 촉매의 작용은 반응을 위한 더 낮은 대체 에너지 경로를 제공하는 것입니다.  이를 위해 촉매 물질은 반응 물질과 상호 작용하여 중간 화합물을 형성합니다. 이 중간생성물은 형성 후에 원래의 촉매 종을 그대로 남겨두고 떨어져 나간다는 점에서 일시적입니다. 촉매 반응 완료 시 화학 구조 또는 질량은 반응에 의해 영향을 받지 않습니다.

촉매 반응에는 두 가지 일반적 유형이 있습니다:

• 이종 촉매 반응은 촉매와 반응물이 용액에 반응물을 함유한 고체 촉매와 같이 두 가지의 다른 단계에 존재할 경우입니다.
• 일종 촉매 반응은 촉매와 반응물이 같은 용액에 용해된 촉매와 반응물 같이 동일한 단계에 존재할 경우입니다.  

• 촉매는 반응의 속도와 결과를 높이기 위한 대체 경로를 생성하므로 반응 역학을 철저히 이해하는 것이 중요합니다. 반응 속도에 대한 정보를 제공할 뿐 아니라 반응 메커니즘에 대한 통찰력도 제공합니다.
• 촉매와 반응물의 상호 작용도 중요합니다. 촉매 반응은 촉매 작용, 반응율 및 최종 산물의 핵심인 일시적 중간생성물을 생성합니다.  촉매 반응에 의해 생성되는 중간생성물을 식별하는 것은 지속적인 연구 영역이며 중간생성물의 존재 및 구조에 대한 통찰력을 제공하는 도구는 유용합니다.
• 촉매 작용에 반응 변수와 조건이 미치는 영향을 측정하는 것은 반응 최적화에 중요합니다. 온도, 압력, 반응물 및 촉매 농도와 기타 화학적 및 물리적 매개 변수는 촉매 반응에서 생성되는 산물, 수율 및 부산물에 깊은 영향을 미칩니다. 
• 촉매와 반응 조건의 최적 조합을 선택하기 위해서는 해당 반응의 다양한 촉매에 의해 생겨난 활동을 조사하고 산물 및 부산물을 측정하는 것이 중요합니다. 
  
• 안전한 반응과 성공적 확장을 보장하기 위해 촉매 반응의 에너지를 측정하고 이해하는 것이 중요합니다.     

• 상승된 압력 및 온도를 포함하여 실제 반응 조건에서 동종 및 이종의 촉매 반응을 조사
• 핵심 촉매 반응 중간생성물 식별 시 감지 및 지원
• 반응 역학을 결정하고 반응 메커니즘과 경로를 이해하기 위한 데이터를 신속하게 획득
• 촉매 반응에 의해 생성된 산물 및 부산물을 즉시 추적하고 측정
• 최종 산물 수율 최적화를 위한 이상적 반응 조건을 테스트하고 개발하며 부산물을 최소화
• 특정 반응에 대해 최적의 촉매 및 조건을 신속히 결정
• 샘플 추출 및 오프라인 분석에서 발생하는 지연 시간 제거
• 샘플 추출로 인한 공기 유입, 습기 또는 방해 반응 제거
• 독성 화학물, 잠재적으로 강력한 반응 또는 유해한 반응 조건에 사용자 노출 최소화

Tuba, R., Mika, L., Bodor, A.의 허락을 받아 수정됨 Pustai, Z., Toth, I. and Horvath, I., “Mechanism of the Pyridine-Modified Cobalt-Catalyzed Hydroxymethoxycarbonylation of 1,3-Butadiene”, Organometallics, 22, 2003, 1582-1584. Copyright (2018) American Chemical Society.

연구원들은 고압의 ReactIR을 사용하여 methyl-3-pentenoate에 대한 1,3-부타디엔의 하이드로메톡시카보닐레이션(hydromethoxycarbonylation)을 조사했습니다.  피리딘이 있는 곳에서, Co₂(CO)₈이 이 반응을 촉진하는 것으로 알려져 있습니다. 연구 시에 어떤 중간생성물도 확인되지 않았고 프로젝트의 목표 중 하나는 중간생성물을 확인하는 것이었습니다.  

처음에 메탄올이 용매로 사용되었으며 1,3-부타디엔은 100^oC의 일산화탄소 75 바 조건에서 Co₂(CO)₈와 [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂  의 평형 혼합물로 추가되었습니다. ReactIR 프로파일에 근거하여, 연구원들은 중간생성물 η³-C₄H₇Co(CO)₃을 확인하였고 몇 시간 동안 반응물을 가열한 후에 methyl-3-pentenoate 물질이 Co₂(CO)₈과 [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂의 혼합물과 함께 형성되었습니다.

ReactIR은 코발트 중간물의 확인을 확인하고 보조하였으며 촉매 메커니즘에 대한 부가적인 통찰력을 제공하였습니다.

피리딘이 용매로 사용되었을 경우 중간 종[CoPy₆][Co(CO₄]₂ 은 확인된 유일한 금속 종이었습니다.  그 혼합물이 가열된 후, 코발트 피리딘 중간생성물은 사라지고 η³-C₄H₇Co(CO)₃ 와 methyl-3-pentenoate 성분이 ReactIR 분광기 프로파일에 관찰되었습니다.

온도 조건 아래 추가 혼합으로, η³-C₄H₇Co(CO)₃ 중간생성물이 [CoPy₆][Co(CO₄]₂ 로 바뀌고 추가적인 펜타노에이트 산물이 형성되었습니다. 연구자들은 η³-C₄H₇Co(CO)₃ 의 methyl-3-pentenoate에 대한 변환속도는 피리딘이 용매로 사용되었을 경우 메탄올과 비교하여 네 배 더 빠르다고 보고하였습니다. 

이 예에서, ReactIR은 코발트 피리딘 중간생성물을 검출하는 데 유용했으며 촉매 메커니즘에 대한 정보를 제공하였습니다. ReactIR은 피리딘이 용매로 사용되었을 경우 변환 속도가 더 빠른 것으로 나타났습니다. 이는 촉매 반응 최적화를 위한 최상의 촉매/용매 조합을 결정할 때 현장 FTIR의 사용을 보여줍니다.

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.

이 연구에서 과학자들은 처음으로 연속 유동 화학이 촉매 비대칭 전달 수소화 반응을 수행할 수 있는 능력을 보여주었습니다.  산물의 형성을 모니터링 하기 위해 특별히 설계된 ATR 플로우 셀이 장착된 ReactIR 시스템이 활용되며 마이크로 반응기와 결합되었습니다. 작업의 목표 중 하나는 반응을 위한 최적의 설정 조건을 찾는 것이었기 때문에 반응 흐름의 끝에 ReactIR이 부착되었습니다.  

이들의 초기 노력은 수소 공급원과 키랄의 Brønsted 산 촉매로서 Hantzsch 디하이드로피리딘에 존재하는 벤즈옥사진의 비대칭 수소화에 중점을 두었습니다. 벤즈옥사진 반응물과 디하이드로벤즈옥사진 산물에 대한 1479 cm-1과 1495 cm-1에서의 IR 밴드가 각각 추적 목적으로 사용되었습니다.

온라인 FTIR을 통해 실시간으로 이러한 밴드를 추적할 수 있는 기능은 반응의 최적화를 달성할 수 있는 수단을 제공하였습니다. 

반응 조사를 위해 연속 마이크로 유동 기술을 사용하는 많은 장점 중 하나는 반응물 및 촉매 농도, 유량 및 온도와 같은 반응 변수를 신속하게 변화시키고 반응 결과에 미치는 변화의 영향을 알 수 있는 기능입니다.

디하이드로벤즈옥사진에 대한 벤즈옥사진의 촉매 비대칭 수소화에서는 반응 온도가 5 ^oC에서 60 ^oC로 올라갔습니다.  저자들은 60 ^oC에서 0.1 ml의 유량과 1시간의 체류 시간에서 반응을 수행함으로써 98%의 수율을 달성했다고 보고하였습니다. 

이 초기 연구의 정보를 사용하여, 과학자들은 일련의 벤즈옥사진, 퀴놀린, 퀴녹살린 및 3H-인돌에 이 촉매 마이크로유동 반응 프로토콜을 적용했습니다.  이러한 일련의 각 반응 조건이 최적화되었습니다.

저자들은 하기와 같이 결론지었습니다: “인라인 모니터링을 적용함으로써 반응 매개 변수를 단일 반응 설정에서 신속하게 선별할 수 있으며 최적 반응 조건은 반응을 수행하는 분류 순서와 비교하여 분석 후 훨씬 빠르게 얻을 수 있습니다.”

소형 및 경량
간소화된 프로파일은 가스배출 후드와 같이 물리적으로 제한된 영역에 적합합니다.

모든 화학 조건에서 반응 모니터링
옵션은 배치 또는 유동 화학에서 사용할 수 있으며, 높아진 압력/온도 반응 및 부식성 시약을 비롯하여 다양한 조건에서 사용할 수 있습니다.

필요한 액체 질소 없음
적외선 측정은 합성을 수용하는 데 필요한 기간 동안 지속적으로 무인화될 수 있습니다. 

강력한 소프트웨어
iC IR 소프트웨어는 반응 프로파일을 쉽고 간단하게 설정하고 얻을 수 있도록 합니다. iC 역학 및 반응 과정 역학 분석 소프트웨어는 IR 데이터를 사용하여 반응률 정보를 쉽고 빠르게 개발할 수 있습니다.

이 웹 세미나에서, Huw M. L. Davies(Emory 대학 화학과 교수)는 로듐 촉매 반응의 속도와 효율성에 촉매, 기질 및 카르베노이드 전구체가 미치는 효과를 이해하기 위해 푸리에 변환 적외선 분광기(FTIR)에 대해 논의합니다. 1,000,000여 개의 촉매 부하에 대한 기질에 최적화된 시스템이 개발되었습니다.

이 프리젠테이션에는 다음이 포함됩니다:

• 화학 작용의 배후에 있는 중간생성물인 기증자/수용자 카르베노이드에 대한 연구
•    제약 대상의 합성에 카르베노이드 화학을 적용하는 방법

• 촉매 반응 최적화
• 효소 촉매
• 수소화 반응 모니터링
• 중합 반응 측정
• 고반응성 화학

아래는 업계 관련 간행물 목록으로 현장 FTIR 분광기를 사용한 동종과 이종 촉매 반응의 검사를 다루고 있습니다.

• 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.