Hydrogenačné reakcie

Hydrogenácia patrí medzi najvýznamnejšiu triedu reakcií pri výrobe veľkoobjemových a jemných chemikálií. Adíciou atómov vodíka na organickú zlúčeninu sa zníži funkčnosť dvojitej alebo trojitej väzby a vytvoria sa jednoduché väzby. Hydrogenačná reakcia umožňuje v jedinom kroku vznik jednoduchých väzieb C-C z alkénov a alkínov, väzieb C-O z ketónov a aldehydov či esterov a väzieb C-N (amínov) z imínov alebo nitrilov atď. 

Kovové katalyzátory sa často používajú v hydrogenačných reakciách na redukciu vysokoenergetickej bariéry transformácie. Napríklad pri transformácii alkénov a alkínov na alkány sú potrebné katalyzátory na báze niklu, paládia alebo platiny. Hydrogenácia môže byť buď homogénna, alebo heterogénna, s použitím kovov adsorbovaných na rôznych substrátoch. V prvom prípade sa napríklad na dosiahnutie asymetrickej hydrogenácie používajú kovové katalyzátory na báze ródia a irídia, koordinované so špecifickými ligandmi. V druhom prípade vznikajú alkány z uhlíkových zložiek s dvojitou alebo trojitou väzbou. Vo všetkých prípadoch voľba katalyzátora výrazne ovplyvňuje hydrogenačnú reakciu, rovnako ako koncentrácia katalyzátora, rozpúšťadlo, čistota substrátu, teplota a tlak.

Použitie hydrogenačných reakcií v priemyselných a komerčných aplikáciách je početné a dobre známe. V potravinárskych výrobkoch sa tekuté potravinárske oleje hydrogenáciou premieňajú na pevné jedlé tuky. V ropnom priemysle sú hydrogenované rôzne uhľovodíky použitím katalyzátorov na vytvorenie alkánov v benzíne a hydrogenácia uhlia predstavuje alternatívny zdroj paliva. Hydrogenácia oxidu uhoľnatého sa používa na výrobu veľkoobjemového množstva metanolu a Haber-Boschov proces používa kovové katalyzátory na syntézu amoniaku z dusíka a vodíka.

Pri jemných chemikáliách používaných alebo vyrábaných vo farmaceutickej chémii sú hydrogenačné reakcie nemenej dôležité. Klasickým príkladom je použitie chlórtris(trifenylfoshexín)ródia, Wilkinsonovho katalyzátora, na redukciu alkénov a alkínov bez ovplyvnenia iných funkčných skupín v molekule. Ďalšia skupina katalyzátorov s Josiphos difosfínovými ligandmi sa používa pre enantioselektívne hydrogenačné reakcie. Pre hydrogenácie existuje rad špecificky prispôsobených katalyzátorov, ktoré používajú prechodové kovy s chirálnymi ligandmi, ktoré do cieľovej zlúčeniny prenášajú chiralitu.

Hydrogenačné reakcie sa často uskutočňujú za potenciálne náročných podmienok, vrátane zvýšeného tlaku a teploty za prítomnosti katalyzátorov. Preto je monitorovanie dôležité z dvoch úzko súvisiacich dôvodov: 1. Optimalizovaný výnos a 2. Bezpečný proces. Bezpečné reakcie sú dobre riadené reakcie, ktoré produkujú zamýšľané produkty a minimalizujú nežiaduce a potenciálne nebezpečné vedľajšie produkty. Rovnako ako pri mnohých iných reakciách umožňuje pochopenie vzniku, mechanizmu, premeny a koncového bodu reakcie a rovnako profilu nečistôt alebo vedľajších produktov rýchlejšie rozhodnúť, aké zmeny chemických podmienok alebo parametrov procesu je potrebné vykonať.

Použitie in situ FTIRmonitoringu reakcií a reakčnej kalorimetrie znižuje počet experimentov a dobu nutnú na zavedenie procesu do praxe, zvyšuje bezpečnosť, selektivitu a výnos, skracuje dobu cyklu a minimalizuje vznik vedľajších produktov. Navyše pre presné kvantitatívne meranie reakčných zložiek a profilov nečistôt pomocou off-line HPLC umožňuje systém EasySampler automatické, bezobslužné vzorkovanie hydrogenačných reakcií pri tlaku a teplote a rovnako automatické ochladenie a riedenie odobraných vzoriek na podporu off-line HPLC merania.

Reaktory na chemickú syntézu a reakčné kalorimetrie

• Presná, automatická kontrola na testovanie a optimalizáciu parametrov reakcie.
• Meranie prietoku tepla za aktuálnych podmienok reakcie – tlak, teplota, dávkovanie, miešanie atď.
• Zaistenie bezpečných a optimalizovaných reakcií – podpora bezpečného zavedenia do praxe.

Spektrometre FTIR

• Sledovanie postupu reakcie v reálnom čase; sledovanie reaktantov, reagentov, medziproduktov, produktov a vedľajších produktov.
• Meranie reakčných zložiek za prítomnosti pevných častíc a bublín.
• Získanie kľúčových informácií o kinetike a mechanike reakcie.
• Odstránenie ťažkostí sprevádzajúcich off-line merania reakcií pri tlaku a teplote – minimalizácia extrakcie vzoriek a narušenia reakčnej rovnováhy.

Automatické in-line vzorkovanie

• Vzorkovanie a chladenie hydrogenačných reakcií za procesných podmienok vo vopred nastavených časoch.
• Zaistenie vzoriek pre off-line HPLC analýzu profilov nečistôt, kinetiky a na splnenie požiadaviek predpisov.
• Podpora kvantitatívneho HPLC merania reakčných zložiek pre kalibráciu grafov IR trendov.

Spektroskopia ReactIR FTIR jetechnika in situ, ktorá poskytuje okamžité informácie a umožňuje vykonávať účinné rozhodnutia v reálnom čase. Keďže je technológia ReactIR sondy odolná voči poškodeniu väčšinou reakčných podmienok, pevnými časticami a plynmi, ponúka v porovnaní s alternatívnymi analytickými metódami tieto výhody:

• skúmanie homogénnych a heterogénnych hydrogenácií za skutočných reakčných podmienok, vrátane zvýšeného tlaku a teploty;
• identifikácia, sledovanie a meranie reaktantov, reagentov, produktov, medziproduktov reakcií a vedľajších produktov vznikajúcich pri hydrogenáciách;
• rýchle získanie informácií bohatých na dáta na stanovenie kinetiky reakcie, pochopenie reakčného mechanizmu a cesty;
• testovanie a vytváranie ideálnych reakčných podmienok pre optimalizáciu výnosu konečného produktu a minimalizáciu vedľajších produktov;
• rýchla kontrola katalyzátorov a podmienok pre špecifické hydrogenačné reakcie;
• vylúčenie vnesenia vzduchu, vlhkosti alebo narušenia reakčnej rovnováhy v dôsledku extrakcie vzoriek.

Zistite, ako vedci na Tokijskej univerzite dokázali využiť in situ spektroskopie na vykonanie tandemovej hydroformylácie/hydrogenácie.

Automatické, bezobslužné vzorkovanie s použitím sondy poskytuje reprezentatívne reakčné vzorky po dlhú dobu – dokonca aj pri pôsobení tlaku.

V Novartise dokázali výskumní pracovníci dôkladnejšie pochopiť mechanizmus faktorov, ktoré ovplyvňujú hydrogenačné reakcie a vedľajšie produkty. Dodatočným použitím kvantitatívnych HPLC meraní v priebehu hydrogenačnej reakcie, kde bolo vzorkovanie skôr nemožné, došlo k rýchlej korekcii predpokladov a bol spracovaný realistický mechanistický model, ktorého výsledkom bola vyššia produktivita a kratšie časové priebehy.

Pozrite sa, ako EasySampler umožnil získať tieto poznatky. 

Hydrogenačné procesy sú typicky silne exotermické, čo je dôvod, prečo sa pred zavedením do praxe robí komplexné skúmanie bezpečnosti a kinetiky pomocou kalorimetrie s meraním prietoku tepla, meraním absorpcie vodíka a on-line spektroskopie (mid-IR). Predikcia chovania procesov vo veľkom rozsahu, ako je teplota alebo čas reakcie, a jeho vplyvu na zvyškové úrovne medziproduktov a nečistôt možno robiť v laboratóriu s využitím reakčného kalorimetra. Scenáre procesov na základe prenosu hmoty a tepla a rovnako úplná kinetická charakterizácia môžu zlepšiť stabilitu katalyzátora a zaistiť optimálny profil pracovnej teploty a reakčnej doby.

• 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
• Ehnes , C., Lucas, M., Claus, P., “Effects of Various Solvents and Amines on the CO2 Hydrogenation to Formic Acid”, Chem. Ingen. Tech., 2017, 89(3), 303-309.
• Ehnes , C., Lucas, M., Claus, P., “In‐situ ATR‐IR Spectroscopy: Monitoring Hydrogenation of CO2 and Formation of Formic Acid”, Chem. Ingen. Tech., 2016, 88(10), 1474-1479.
• Liu, W-P., Yuan, M-L., Yang, X-H., Li, K., Xie, J-H., Zhou, Q-L., “Efficient Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones in Ethanol with Chiral Iridium Complexes of SpiroPAP Ligands as Catalysts” ChemComm, 2015, 51, 6123-6125
• Hamilton, P., Sanganee, M., Graham, J., Hartwig,T., Ironmonger,A., Priestley, C., Senior, L., Thompson, D., Webb, M., “Using PAT To Understand, Control, and Rapidly Scale Up the Production of a Hydrogenation Reaction and Isolation of Pharmaceutical Intermediate”, Org. Proc. Res. Dev., 2015, 19 (1), pp 236–243
• Mitchell, C., Strawser, J., Gottlieb, A., Millonig, M., Hicks, F., Papageorgiou, C., “Development of a Modeling-Based Strategy for the Safe and Effective Scale-up of Highly Energetic Hydrogenation Reactions” Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 1828−1835
• Crump, B., Goss, C., Lovelace, T., Lewis, R., Peterson, J., “Influence of Reaction Parameters on the First Principles Reaction Rate Modeling of a Platinum and Vanadium Catalyzed Nitro Reduction”, Org. Process Res. Dev. 2013, 17, 1277−1286
• Richner, G., van Bokhoven, J., Neuhold, Y-M., Makoscha M.,Hungerbuhler,K., “In situ infrared monitoring of the solid/liquid catalyst interface during the three-phase hydrogenation of nitrobenzene over nanosized Au on TiO2”, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011,13, 12463-12471
• Littler, B., Looker, A., Blythe, T.,“Optimization of a Hydrogenation Process using Real-Time Mid-IR, Heat Flow and Gas Uptake Measurements”, Org. Process Res. Dev., 2010, 14, 1512–1517
• Casey, C., Beetner, S., Johnson, J., “Spectroscopic Determination of Hydrogenation Rates and Intermediates during Carbonyl Hydrogenation Catalyzed by Shvo's Hydroxycyclopentadienyl Diruthenium Hydride Agrees with Kinetic Modeling Based on Independently Measured Rates of Elementary Reactions”, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130 (7), pp 2285–2295
• Blackmond, D., Ropic, M., Stefinovic, M., “Kinetic Studies of the Asymmetric Transfer Hydrogenation of Imines with Formic Acid Catalyzed by Rh−Diamine Catalysts”, Org. Process Res. Dev., 2006, 10 (3), pp 457–463

Autori popisujú použitie chirálneho spiro irídiového katalyzátora pre asymetrickú transferhydrogenáciu rôznych alkínylketónov na chirálne propargylalkoholy s vysokým výnosom a enantioselektivitou. Zistili, že pri použití HCO2Na ako donora vodíka sa alkínylketón premení na propargylalkohol s 97 % e.e. Na zlepšenie rýchlosti hydrogenácie použili HCO2Cs, pretože céziová zložka má vyššiu rozpustnosť v etanole než ekvivalentná sodná zložka.

Bola použitá in situ FTIR spektroskopia na sledovanie asymetrickej transferhydrogenácie a získanie poznatkov o mechanizme reakcie. Výsledky ukazujú, že došlo k premene HCO2Cs na etyl-karbonát cézny (EtOCO2Cs) a že spektrálny pík ketónu v priebehu času zmizol. Informácie zo spektier naznačujú, že soľ kyseliny mravčej a EtOH slúžia ako hydridové a protónové zdroje.

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. DOI:10.1021/acs.orglett.8b01787