Hidrojenasyon Reaksiyonları

Hidrojenasyonlar, dökme ve ince kimyasalların üretiminde en önemli reaksiyon sınıfları arasındadır. Organik bir bileşiğe hidrojen atomları ekleyerek ikili veya üçlü bağ işlevselliği azaltılır ve tek bağlar oluşturulur. Bir hidrojenasyon reaksiyonu tek bir adımda, alkenler ve alkinlerden C-C basit bağları, ketonlardan, aldehit veya esterlerden C-O bağları ve imin veya nitrillerden C-A (aminler) oluşumuna vb. olanak verir.

Dönüşümde yüksek enerji bariyerini azaltmak için hidrojenasyon reaksiyonlarında çoğu zaman metal katalizörler kullanılır. Örneğin, alkenlerin ve alkinlerin alkanlara dönüşümü için nikel, paladyum veya platin katalizörleri gereklidir. Hidrojenasyonlar; çeşitli maddelerde adsorbe edilmiş metaller kullanıldığından homojen veya heterojen olabilir. Homojen olduğunda, örneğin, asimetrik sentez hidrojenasyonu elde etmek için belirli ligandlarla koordineli rodyum ve iridyum metal katalizörleri kullanılır. Heterojen olduğunda ise ikili veya üçlü bağlı karbon parçalarından alkanlar oluşturulur. İki durumda da, seçilen katalizör bir hidrojenasyon reaksiyonunu, ayrıca katalizör konsantrasyonunu, çözücüyü, alt katman saflığını, sıcaklık ve basıncı büyük ölçüde etkiler.

Endüstriyel ve ticari uygulamalarda hidrojenasyon reaksiyonları çok çeşitlidir ve iyi bilinir. Gıda ürünlerinde sıvı gıda yağları katı ve yenebilir yağ elde etmek için hidrojene edilir. Petrol endüstrisinde, benzinde alkanlar oluşturmak için, katalizörler kullanılarak hidrokarbonlar hidrojene edilir, kömür hidrojenasyonu ise alternatif bir yakıt kaynağı sağlar. Büyük miktarda metanol elde etmek için karbon monoksit hidrojenasyonu kullanılır, Haber-Bosch prosesi ise amonyağı nitrojen ve hidrojenden sentezlemek için metal katalizörler kullanır.

Farmasötik kimyasında kullanılan veya üretilen ince kimyasallarda da hidrojenasyon reaksiyonları aynı derecede önemlidir. Klasik bir örnek olarak moleküldeki diğer işlevsel grupları etkilemeden alkenleri ve alkinleri azaltmak için klorotirs (trifenilfosfin) rodyum, Wilkinson katalizörü kullanımı verilebilir. Josiphos difosfin ligandlarını içeren diğer bir katalizör ailesi, enantiyoselektif hidrojenasyon reaksiyonları için kullanılır. Kiraliteyi hedef bileşiğe aktaran kiral ligandlarıyla geçiş metallerini kullanan hidrojenasyonlar için özel olarak uyarlanmış pek çok katalizör vardır.

Hidrojenasyon reaksiyonları çoğunlukla katalizörün bulunduğu ortamda yükseltilmiş basınç ve sıcaklık gibi potansiyel olarak zorlu koşullarda yapılır. Bu, birbiriyle yakından bağlantılı iki nedenden dolayı sürecin izlenmesini çok önemli hale getirir: 1. Optimize Edilmiş Verim ve 2. Güvenli Çalışma. Güvenli reaksiyonlar, istenen ürünleri üreten ve istenmeyen, potansiyel olarak da tehlikeli olan yan ürünleri en aza indiren, iyi kontrol edilmiş reaksiyonlardır. Pek çok reaksiyonda olduğu gibi reaksiyonun başlangıcını, mekanizmasını, dönüşümünü, bitiş noktasını, ayrıca kirliliğini veya yan ürün profilini anlamak, yapılması gereken kimyasal koşul değişiklikleriyle veya proses parametreleriyle ilgili kararların daha hızlı verilebilmesine olanak sağlar.

In-situ FTIR reaksiyon izleme yönteminin ve reaksiyon kalorimetrisinin kullanılması, bir proseste ölçek büyütmek için gerekli deney sayısını ve harcanan zamanı azaltır, güvenliği, seçiciliği ve verimi artırır, döngü süresini kısaltır ve yan ürün oluşumunu en aza indirir. Ayrıca, reaksiyon türlerinin ve kirlilik profillerinin çevrim dışı HPLC ile doğru nicel ölçümü için EasySampler; çevrim dışı HPLC ölçümlerini desteklemek için, basınç ve sıcaklık altında hidrojenasyon reaksiyonlarında otomatik, müdahalesiz numune alma ve çıkarılan numunelere otomatik su verme ve seyreltme olanağı sağlar

Kimyasal Sentez Reaktörleri ve Reaksiyon Kalorimetrisi

• Reaksiyon parametrelerini test ve optimize etmek için hassas, otomatik kontrol
• Gerçek reaksiyon koşullarında (basınç, sıcaklık, dozaj, ajitasyon vb.) ısı akışını ölçün.
• Güvenli ve optimize edilmiş reaksiyonlar elde edin, güvenli ölçek büyütmeyi destekleyin

FTIR Spektrometreleri

• Reaksiyonun ilerleyişini gerçek zamanlı olarak izleme; reaktanları, reaktifleri, ara maddeleri, ürünleri ve yan ürünleri izleyin
• Katı partikül ve baloncuklu ortamlarda reaksiyon türlerini ölçün
• Temel kinetik ve mekanik bilgilerini elde edin
• Basınç ve sıcaklık altındaki reaksiyonlarda çevrim dışı ölçümlerin zorluklarını ortadan kaldırın; numune çıkarma işlemlerini ve reaksiyon dengesine yönelik etkileri en aza indirin

Hat İçi Otomatik Numune Alma

• Proses koşulları altında ve önceden seçilmiş sürelerle numune ve su verme hidrojenasyon reaksiyonları
• Kirlilik profilleri ve kinetiklerle ilgili çevrim dışı HPLC analizi için ve yönetmeliklerin şartlarını karşılayacak şekilde numuneleri sağlayın
• IR trendi çizimlerini kalibre etmek için reaksiyon türlerine yönelik nicel HPLC ölçümünü destekleyin

ReactIR FTIR spektroskopisi anında bilgiler sağlayan ve gerçek zamanlı olarak kararları eyleme dönüştürmeye olanak veren bir in-situ tekniktir. ReactIR prob teknolojisi çoğu reaksiyon koşulundan, katı partikül ve gazdan zarar görmediğinden alternatif analitik metotlara kıyasla avantajlar sağlar:

• Homojen ve heterojen hidrojenasyonları, yükseltilmiş basınç ve sıcaklık dahil olmak üzere gerçek reaksiyon koşullarında inceleyin
• Hidrojenasyonlarda reaktanları, reaktifleri, ürünleri, reaksiyon ara maddelerini ve yan ürünleri tanımlayın, izleyin ve ölçün
• Reaksiyon kinetiklerini belirlemek, reaksiyon mekanizmasını ve gittiği yolu anlamak için zengin bilgiler sağlayan verileri hızlı şekilde elde edin
• Nihai ürün verimini optimize etmek ve yan ürünleri en aza indirmek için ideal reaksiyon koşullarını test edin ve geliştirin
• Belirli hidrojenasyon reaksiyonları için katalizörleri ve koşulları hızlı şekilde eleyin
• Numune çıkarma işleminden kaynaklanan havayı, nemi veya reaksiyon dengesine olumsuz etki edebilecek unsurları ortadan kaldırın

Tokyo Üniversitesi'ndeki bilim adamlarının bir Tandem Hidroformilasyon/Hidrojenasyon yapmak için In-Situ Spektroskopiden nasıl yararlandığını öğrenin.

Prob esaslı otomatik, müdahalesiz numune alma yöntemi, basınç altında dahi uzun süreler boyunca temsili reaksiyon numuneleri sağlar.

Novartis'teki araştırmacılar, hidrojenasyon reaksiyonlarını ve yan ürünleri etkileyen unsurların mekaniğini daha iyi anlayabilmişlerdir. Numune alma işleminin daha önce imkansız olduğu hidrojenasyon reaksiyonu süresince nicel HPLC ölçümleri eklenerek varsayımlar hızlı bir şekilde düzeltilmiş ve verimliliği artırıp zaman çizelgelerini kısaltan gerçekçi bir mekanik model çizilmiştir.

EasySampler'ın bu yararlı soncu nasıl sağladığını görün.

Hidrojenasyon prosesleri tipik olarak güçlü şekilde egzotermiktir; bu nedenle ölçek büyütme işleminden önce ısı akış kalorimetrisini, hidrojen alım ölçümlerini ve çevrim içi spektroskopiyi (orta IR) temel alan kapsamlı bir güvenlik ve kinetik araştırması yapılır. Sıcaklık veya reaksiyon süresi gibi büyük ölçekli proses davranışını ve bunun artık ara maddeler ile kirlilik düzeylerine etkisini tahmin etme işlemi, laboratuvarda bir reaksiyon kalorimetresi kullanılarak yapılabilir. Kütle ve ısı transferini temel alan proses senaryoları ile tam kinetik tanımı, ileri düzeyde katalizör kararlılığını, ideal proses sıcaklığı profilini ve reaksiyon süresini sağlayabilir.

• 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), sayfa 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), sayfa 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), sayfa 457–463

Yazarlar, çeşitli alkinil ketonların yüksek verimli ve enantiyoselektif şekilde kiral proparjil alkollere asimetrik transfer hidrojenasyonu için bir kiral spiro iridiym katalizörü kullanıldığını bildirmektedir. Hidrojen ekleyici olarak HCO2Na kullanıldığında, alkinil ketonun proparjilik alkole %97 e.e ile dönüştürüldüğü bulunmuştur. Hidrojenasyonun hızını iyileştirmek için HCO2Cs kullanılmıştır, çünkü sezyum bileşiğinin etanolde çözünebilirliği eşdeğer sodyum bileşiğine kıyasla daha yüksektir.

Asimetrik transfer hidrojenasyonunu izlemek ve reaksiyon mekanizmasıyla ilgili yararlı bilgiler sağlamak In-Situ FTIR spektroskopisi kullanılmıştır. Sonuçlar, hidrojen sağlandıktan sonra HCO2Cs'nin sezyum etil karbonata (EtOCO2Cs) dönüştüğünü ve keton için tayf tepe noktasının zaman içinde kaybolduğunu göstermektedir. Tayfın sağladığı bilgiler format tuzunun ve EtOH'un sırasıyla hidrit ve proton kaynağı olarak görev gördüğünü göstermektedir.

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