Ryan Baxter, Ph.D., Blackmon Lab: Viện Nghiên cứu Scripps
Trong hóa học kích hoạt C-H được xúc tác palladium này, Ryan Baxter tận dụng dụng cụ hiện đại để cung cấp thông tin dữ liệu toàn diện về tiến trình phản ứng trong suốt quá trình phản ứng trong điều kiện liên quan một cách tổng hợp. Do lượng thông tin thu thập được chỉ trong một thử nghiệm duy nhất, có thể thu được các tính toán động học để hỗ trợ lý thuyết cơ học phản ứng với một số ít thí nghiệm.
Các nghiên cứu về tốc độ ban đầu sử dụng một nồng độ cao của một chất phản ứng nhân tạo, chỉ quan tâm đến nồng độ của rất ít mẫu (được thể hiện bằng màu xanh) khi mới bắt đầu phản ứng. Dữ liệu điển hình chỉ đại diện cho một vài mẫu được phân tích theo kỹ thuật ngoại tuyến như HPLC. Điều này sẽ bỏ qua phần lớn các dữ liệu nồng độ (được thể hiện bằng màu đen) khi phản ứng đi đến bước hoàn thành. Đối với các mục đích thiết thực, dữ liệu này không được phân tích đơn giản vì quá khó để thu thập và phân tích rất nhiều mẫu, dẫn đến việc loại bỏ thông tin tiềm ẩn này.
Sử dụng quang phổ FTIR tại chỗ cho phép người sử dụng khảo sát đầy đủ động học của hệ phản ứng trong suốt quá trình phản ứng để không có thông tin nào bị bỏ sót. Dữ liệu chiết xuất (phổ 3D) được xu hướng theo thời gian hoặc được chuyển đổi thành nồng độ (xu hướng 2D) sau khi hiệu chuẩn bằng phương pháp NMR ngoại tuyến. Đo trực tiếp định lượng chất thử và sản phẩm sau đó được làm từ dữ liệu quang phổ tại chỗ trong thời gian thực. Hồng ngoại trung gian tại chỗ cho phép nghiên cứu động học hóa học với ít thí nghiệm do tỷ trọng cao và dữ liệu giàu thông tin.
Trong ví dụ này, phân tích đồ thị dữ liệu nồng độ cho thấy cả sản phẩm và một trong các chất phản ứng là vị trí âm, hỗ trợ một lý thuyết mới cho cơ chế. Chỉ trong hai thí nghiệm, phân tích đồ hoạ cho thấy tiến trình động học ở những tốc độ khác nhau, mặc dù nồng độ giống nhau ở một thời điểm trong phản ứng. Có phải do sự mất tác dụng xúc tác hoặc sự ức chế sản phẩm không? Ryan Baxter giải quyết các vấn đề về động học giúp ông đưa ra một lý thuyết cơ chế mới.
Phân tích động học tiến trình phản ứng (RPKA) tiến hành các nghiên cứu động học bằng cách khai thác các dữ liệu rộng lớn có sẵn từ giám sát tại chỗ tiến trình phản ứng toàn cầu trong các điều kiện “liên quan đến tổng hợp”, trong đó nồng độ của hai hoặc nhiều hơn chất phản ứng đang thay đổi cùng một lúc.
Các phép đo liên tục từ quang phổ hồng ngoại được sử dụng rộng rãi để có được biên dạng phản ứng, được sử dụng để tính tốc độ phản ứng. Một danh sách các ấn phẩm từ các tạp chí chuyên về đánh giá tập trung vào các ứng dụng thú vị và mới lạ của các phép đo động học thời gian thực. Các nhà nghiên cứu trong học viện và ngành thường sử dụng quang phổ trung gian FTIR tại chỗ để cung cấp thông tin toàn diện và dữ liệu thực nghiệm phong phú nhằm nâng cao nghiên cứu của họ.
Theo dõi sự chênh lệch giữa nhiệt độ của khối lượng phản ứng (Tr) và nhiệt độ của lớp bọc (Tj) cho thấy dấu hiệu của sự bắt đầu và kết thúc của phản ứng. Xu thế Tr-Tj là một chỉ báo cho một sự chuyển đổi hoặc thay đổi xảy ra trong thiết bị phản ứng trong quá trình thử nghiệm, và chỉ ra một sự thay đổi vật lý hoặc hóa học. Nó có thể là tỏa nhiệt (dương) hoặc thu nhiệt (âm), tùy thuộc vào sự thay đổi hoặc năng lượng tiêu thụ. Kiểm soát nhiệt độ chặt chẽ là một điều kiện tiên quyết cần thiết cho xu hướng Tr-Tj hữu ích và có sẵn trong các thiết bị phản ứng phòng thí nghiệm tự động.
Về mặt lịch sử, không thể lấy mẫu đại diện các phản ứng khi ở ngoài phòng thí nghiệm. Cũng đã đặt ra thử thách về việc lấy mẫu các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao hoặc nhiệt độ hấp hơn môi trường xung quanh, áp suất cao, hoặc các phản ứng nhạy với không khí hoặc nước. Điều này dẫn đến những khoảng trống trong dữ liệu HPLC dẫn đến những điểm mù về động học phản ứng, cơ chế và cấu hình tạp chất. Tự động lấy mẫu vượt qua những thách thức này bằng cách cung cấp mẫu đại diện liên tục và dễ dàng tích hợp vào các thí nghiệm để qua đêm. Các kỹ thuật lấy mẫu và làm lạnh của EasySampler cung cấp các mẫu đại diện, ngay cả từ các hỗn hợp phản ứng dày hoặc những phản ứng khác khó lấy mẫu bằng kỹ thuật lấy mẫu thủ công truyền thống.
Thông thường, động học phản ứng hóa học được tính toán từ các nghiên cứu tốc độ ban đầu. Một chất thử được giữ ở nồng độ cao nhân tạo để nồng độ đó có hiệu quả liên tục, và tốc độ động học được tính toán từ sự thay đổi nồng độ của một chất thử khác. Phần lớn các thay đổi nồng độ không bao giờ được ghi nhận vượt quá ít phút đầu tiên, vì vậy thí nghiệm phải được lặp đi lặp lại nhiều lần với nồng độ khác nhau. Nếu được tính toán ngoại tuyến, dữ liệu được thu thập có thể bị lỗi do lấy mẫu và độ nhạy của hợp chất đối với nhiệt độ, oxy, hoặc hơi nước trong không khí. Phân tích động học tiến trình phản ứng (RPKA) sử dụng dữ liệu tại chỗ ở nồng độ liên quan đến một cách tổng hợp và thu thập thông tin trong suốt toàn bộ thí nghiệm, đảm bảo rằng hoạt động phản ứng hoàn chỉnh có thể được mô tả chính xác
Trong các lĩnh vực dược phẩm, hóa chất nông nghiệp và hóa chất tinh khiết phát triển nhanh ngày nay, áp lực ngày càng tăng để rút ngắn chu kỳ phát triển đòi hỏi phải chuyển sang các phương pháp nghiên cứu hiệu quả hơn. Bản sách trắng này xem xét cách việc tích hợp thử nghiệm giàu dữ liệu (DRE) và mô hình hóa động học cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về quy trình cần thiết để đáp ứng các mốc thời gian này. Bằng cách tận dụng dữ liệu mật độ cao, các nhà nghiên cứu có thể tinh gọn quy trình làm việc, nâng cao an toàn quy trình và đảm bảo tính bền vững trong suốt quá trình mở rộng quy mô.
Các nghiên cứu động học hóa học sử dụng quang phổ hồng ngoại trung gian tại chỗ mang lại sự hiểu biết tốt hơn về cơ chế và đường đi phản ứng bằng cách đưa ra sự phụ thuộc vào nồng độ của các thành phần phản ứng tại chỗ và trong thời gian thực. Dữ liệu liên tục trong quá trình phản ứng cho phép tính toán quy luật tốc độ với ít thí nghiệm hơn do tính chất toàn diện của dữ liệu. Quang phổ hồng ngoại tại chỗ thường được sử dụng làm thông tin trực giao bổ sung cho các kỹ thuật phân tích ngoại tuyến, chẳng hạn như HPLC và NMR, thường cung cấp phần khuyết hoàn thành sự hiểu biết về phản ứng.
ReactIR với phần mềm iC Kinetics là một cách nhanh chóng để tối ưu hoá hóa học, sử dụng ít thí nghiệm hơn so với các phương pháp truyền thống. ReactIR với iC Knetics giúp trả lời những câu hỏi như: “Điều kiện bắt đầu tối ưu hóa năng suất là gì?” và “Con đường nào và cơ chế nào điều khiển phản ứng ?” Nó áp dụng các nguyên tắc cơ bản của Phân tích động học tiến trình phản ứng bằng cách sử dụng dữ liệu rộng rãi có sẵn từ các phép đo tiến trình phản ứng liên tục trong điều kiện liên quan đến tổng hợp. Mô hình động học được phần mềm iC Kinetics tạo ra có thể được sử dụng để mô phỏng hiệu quả của các thông số nồng độ và nhiệt độ đối với hoạt động của phản ứng. Dữ liệu này được tạo ra bằng các thí nghiệm ít hơn so với cách tiếp cận truyền thống, dẫn đến một cách nhanh hơn để hiểu và tối ưu hoá hóa học của bạn.
Mở rộng quy mô một quá trình hóa học từ phòng thí nghiệm sang sản xuất chỉ mang lại kết quả hữu ích khi hệ số truyền nhiệt chính xác. Nếu nhiệt trở và tỷ lệ phản ứng chỉ mang tính tương đối, thì phải sử dụng biên độ an toàn lớn, dẫn đến đầu tư lớn hơn hoặc thời gian mẻ dài hơn, làm giảm năng suất của quy trình. Trong các thiết bị bình phản ứng khuấy trộn, cơ chế truyền nhiệt là đối lưu cưỡng bức và là một phần cần đặc biệt quan tâm khi điều chỉnh quy mô quy trình từ phòng thí nghiệm sang nhà máy.
Hiểu biết cơ bản về quá trình pha trộn là cần thiết cho việc mở rộng quy mô trong phát triển hóa học. Pha trộn là việc giảm hoặc loại bỏ sự không đồng nhất của các pha có thể trộn lẫn hoặc bất khả xâm phạm. Mục đích là để giảm hoặc loại bỏ građien nhiệt độ hoặc nồng độ, hoặc để đảm bảo phân tán tốt nhiều pha.
Mở rộng quy mô một quá trình hóa học từ phòng thí nghiệm sang sản xuất chỉ mang lại kết quả hữu ích khi hệ số truyền nhiệt chính xác. Nếu nhiệt trở và tỷ lệ phản ứng chỉ mang tính tương đối, thì phải sử dụng biên độ an toàn lớn, dẫn đến đầu tư lớn hơn hoặc thời gian mẻ dài hơn, làm giảm năng suất của quy trình. Trong các thiết bị bình phản ứng khuấy trộn, cơ chế truyền nhiệt là đối lưu cưỡng bức và là một phần cần đặc biệt quan tâm khi điều chỉnh quy mô quy trình từ phòng thí nghiệm sang nhà máy.
Hiểu biết cơ bản về quá trình pha trộn là cần thiết cho việc mở rộng quy mô trong phát triển hóa học. Pha trộn là việc giảm hoặc loại bỏ sự không đồng nhất của các pha có thể trộn lẫn hoặc bất khả xâm phạm. Mục đích là để giảm hoặc loại bỏ građien nhiệt độ hoặc nồng độ, hoặc để đảm bảo phân tán tốt nhiều pha.
