Xúc tác hữu cơ là việc sử dụng các phân tử hữu cơ cụ thể có thể đẩy nhanh các phản ứng hóa học thông qua kích hoạt xúc tác. Trái ngược với hai loại chất xúc tác chính khác, kim loại hữu cơ và enzym, xúc tác hữu cơ không yêu cầu sử dụng kim loại hoặc các phân tử phức tạp lớn để đạt được sự kích hoạt xúc tác. Do hiệu quả và tính chọn lọc của chúng, chất xúc tác hữu cơ được quan tâm trong các nỗ lực hướng tới hóa học bền vững. Thật vậy, xúc tác hữu cơ hỗ trợ một số nguyên lý chính của hóa học xanh, cung cấp các tổng hợp ít nguy hiểm hơn, hiệu quả năng lượng cao hơn và kinh tế nguyên tử.
Xúc tác hữu cơ không đối xứng rất hữu ích để đạt được các dạng hợp chất đối kháng và / hoặc diastereomer mong muốn, đặc biệt quan trọng trong tổng hợp dược phẩm. Các phản ứng sử dụng chất xúc tác hữu cơ thường tiến hành thông qua bốn cơ chế riêng biệt dựa trên việc chất xúc tác hoạt động như axit Lewis, bazơ Lewis, axit Brønsted hay bazơ Brønsted. Như vậy, phạm vi xúc tác hữu cơ khá rộng, ảnh hưởng đến nhiều loại phản ứng khác nhau.
Sách trắng này trình bày các ví dụ từ nghiên cứu được bình duyệt gần đây cho thấy thông tin chuyên sâu và kiểm soát chính xác do công nghệ của METTLER TOLEDO cung cấp hỗ trợ hóa học xanh và bền vững như thế nào trong bốn chủ đề chủ đề:
Có rất nhiều lợi thế khi sử dụng chất xúc tác hữu cơ trong tổng hợp chiral. Chất xúc tác hữu cơ có xu hướng là các phân tử tương đối đơn giản, mạnh mẽ, rẻ tiền và sẵn có. Chất xúc tác hữu cơ có thể được điều chỉnh để tạo ra các chất đối kháng cụ thể một cách hiệu quả. Vì chúng không chứa kim loại nên chúng thường ít độc hại hơn và tạo ra ít chất thải nguy hại hơn để làm sạch. Các điều kiện phản ứng cần thiết cho xúc tác hữu cơ có xu hướng ít khắc nghiệt hơn về nhiệt độ / áp suất và chất xúc tác hữu cơ ít nhạy cảm với không khí và độ ẩm hơn so với chất xúc tác kim loại hữu cơ. Do đó, xúc tác hữu cơ hứa hẹn để đạt được hóa học bền vững. Chất xúc tác hữu cơ khá hữu ích để thực hiện các tổng hợp khó hoặc không thể thực hiện bằng các phương tiện khác. Mặc dù chất xúc tác enzym có hoạt tính cao, hiệu quả và chọn lọc, nhưng chúng có xu hướng có phạm vi hạn chế và ủng hộ việc hình thành một chất đối xứng, điều này có thể không được chấp nhận.
Về nhược điểm, chất xúc tác hữu cơ không hiệu quả hoặc hoạt động như xúc tác enzyme. Điều này có nghĩa là tải chất xúc tác phải cao hơn nhiều, phản ứng có xu hướng chậm hơn và có các vấn đề liên quan đến việc tách các sản phẩm ra khỏi chất xúc tác. Do đó, việc mở rộng quy mô phản ứng dựa trên xúc tác hữu cơ cho các ứng dụng công nghiệp có thể là một thách thức. Hơn nữa, chất xúc tác hữu cơ kém hiệu quả hơn chất xúc tác kim loại hữu cơ khi hóa học yêu cầu kích hoạt các liên kết trơ, chẳng hạn như trong chức năng hóa C-H. Điều quan trọng cần lưu ý là, được đẩy nhanh bởi nghiên cứu nâng cao về hóa học xanh, những nỗ lực đáng kể đang được tiến hành trong việc sử dụng các kim loại dồi dào trên trái đất như sắt để thay thế các kim loại chuyển tiếp độc hại hoặc đắt tiền hơn, do đó phần nào giảm thiểu một trong những lợi thế của xúc tác hữu cơ.
Năm 2000, Giáo sư David MacMillan đã đặt ra thuật ngữ "xúc tác hữu cơ" để mô tả việc sử dụng các phân tử hữu cơ dưới cân bằng để kích hoạt các phản ứng¹. Năm 2005, Giáo sư Benjamin List đề xuất rằng chất xúc tác hữu cơ có thể được phân loại dựa trên cơ chế của chúng, tức là hoạt động như axit hoặc bazơ Lewis và axit hoặc bazơ Brønsted. Một số công trình trước đó trong việc phát triển chất xúc tác không chứa kim loại chiral tập trung vào việc sử dụng các hợp chất amin và xeton. Tuy nhiên, đã có sự mở rộng đáng kể của nghiên cứu và phát triển chất xúc tác hữu cơ trong 20 năm qua. Chúng bao gồm các ion imini, piperidine, enamine, 4-dimethylaminopyridine (DMAP), 2-amino-2'-hydroxy-1,1'-binaphthyl (NOBIN), proline, imidazolidinone, muối thiazolium, amoni enolate và urê-, thiourea-, phosphen-, carbene-, axit photphoric chất xúc tác hữu cơ dựa trên axit photphoric. Chất xúc tác hữu cơ đã được sử dụng cho một số lớp phản ứng phổ biến nhất, bao gồm Diels-Alder, Freidel-Crafts, Mannich aminoalkylations, phản ứng bổ sung Michael, phản ứng aldol, v.v. Có hàng ngàn chất xúc tác hữu cơ đã được tổng hợp và sử dụng cho một loạt các lớp phản ứng.
1. Imbler, S., Santora, M., & Engelbrecht, C. (2021, ngày 6 tháng 10 năm 2021). Giải Nobel Hóa học được trao cho các nhà khoa học cho công cụ xây dựng chất xúc tác tốt hơn. Thời báo New York. https://www.nytimes.com/2021/10/06/science/nobel-prize-chemistry.html
Ứng dụng xúc tác hữu cơ đang phát triển theo cấp số nhân vì những ưu điểm vốn có của nó. Một phần lý do cho sự phát triển này là kết quả trực tiếp của sự hiểu biết sâu sắc về động học, cơ chế và con đường của các quá trình xúc tác này. Khi chú trọng nhiều hơn vào các ứng dụng công nghiệp của xúc tác hữu cơ, nhu cầu ngày càng tăng về thông tin liên quan đến việc mở rộng quy mô và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng.
Để thu thập dữ liệu chất lượng cao cho các phép đo này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác và chính xác các thông số/biến phản ứng cơ bản, bao gồm nhiệt độ, áp suất, tốc độ định lượng chất phản ứng và tốc độ khuấy. Lò phản ứng hóa học tự động EasyMax™ và OptiMax™ được sử dụng trong các phòng thí nghiệm học thuật và công nghiệp cho mục đích này. Khả năng của EasyMax gần đây đã được mở rộng để cho phép kiểm soát chính xác nhiệt độ thấp tới -90 °C, do đó mở rộng không gian thiết kế cho các quy trình xúc tác nói chung. Ngoài ra, EasyMax có thể được trang bị khả năng đo nhiệt lượng (EasyMax HFCal) để đo các đặc tính nhiệt động lực học của phản ứng và cân nhắc về an toàn.
Sự đảm bảo được cung cấp bởi khả năng kiểm soát lò phản ứng vượt trội tạo điều kiện cho sự tin tưởng vào độ chính xác đo lường của các loại phản ứng bao gồm thuốc thử, chất phản ứng, loại chất xúc tác, chất trung gian thoáng qua và tạp chất phụ phẩm. Các thí nghiệm giàu dữ liệu từ theo dõi tại chỗ, thời gian thực của các loài phản ứng này tăng tốc độ phát triển các thông số động học và hỗ trợ cho các cơ chế phản ứng được đề xuất, bao gồm cả các chu trình xúc tác. Như đã được chứng minh trong tài liệu hóa học, quang phổ FTIR và Raman tại chỗ, thời gian thực là những phương pháp đã được chứng minh để hiểu sâu về các phản ứng xúc tác. ReactIR™ và ReactRaman™ được thiết kế đặc biệt để phân tích phản ứng hóa học và có một loạt các đầu dò chèn và tế bào dòng chảy xử lý phạm vi nhiệt độ và áp suất rộng thường được yêu cầu cho các cuộc điều tra phản ứng xúc tác.
Khi cần phân tích bằng sắc ký, EasySampler™ là một công nghệ lấy mẫu tự động để thu thập mẫu nội tuyến, làm nguội và pha loãng các mẫu phản ứng. Công nghệ này cho phép lấy mẫu trong điều kiện phản ứng, loại bỏ các vấn đề liên quan đến việc lấy mẫu hóa học thủ công được thực hiện ở nhiệt độ, áp suất và / hoặc phản ứng nhạy cảm với không khí khó khăn. Để phân tích HPLC trực tuyến, DirectInject-LC™ có thể được sử dụng để hiểu phản ứng và kết tinh gần thời gian thực. Lấy mẫu và tiêm phản ứng nhanh hoàn toàn tự động biến HPLC thành một công nghệ mới mạnh mẽ để theo dõi phản ứng trực tuyến.
Lò phản ứng tổng hợp tự độngEasyMax và OptiMax là máy trạm hóa học lý tưởng cho nghiên cứu, phát triển và tối ưu hóa thông số của các phản ứng xúc tác hữu cơ. Các trạm tổng hợp cung cấp khả năng kiểm soát chính xác hầu như tất cả các biến phản ứng, bao gồm cả những biến số được thực hiện ở nhiệt độ cao hoặc dưới môi trường xung quanh.
Hệ thống ReactIR và ReactRaman cho phép các nhà khoa học đo lường xu hướng và hồ sơ phản ứng trong thời gian thực, cung cấp thông tin rất cụ thể về động học, cơ chế, con đường và ảnh hưởng của các biến phản ứng đối với hiệu suất. Sử dụng quang phổ phân tử, các máy phân tích này theo dõi các chất phản ứng, thuốc thử, chất trung gian, các loại xúc tác, sản phẩm và sản phẩm phụ khi chúng thay đổi trong quá trình phản ứng. Raman và FTIR là các phương pháp bổ sung và tùy thuộc vào hóa học được nghiên cứu, mỗi phương pháp đều có điểm mạnh riêng.
EasySampler cung cấp lấy mẫu tự động hoặc lập trình sẵn hoặc tức thời của các phản ứng hóa học trên toàn bộ trình tự phản ứng. EasySampler tự động thu thập các mẫu phản ứng, làm nguội mẫu ngay lập tức ở điều kiện phản ứng và cuối cùng pha loãng mẫu đến nồng độ do người dùng chỉ định.
DirectInject-LC đại diện cho một bước đột phá lớn trong phân tích phản ứng hóa học, cung cấp khả năng phân tích sắc ký lỏng tại chỗ, thời gian thực. DirectInject-LC tạo điều kiện phân tích nhanh chóng, tại chỗ các mẫu thông qua lấy mẫu và tiêm hoàn toàn tự động, cho phép theo dõi liên tục tiến trình phản ứng.
Schnitzer, T., & Wennemers, H. (2020). Vô hiệu hóa các chất xúc tác amin thứ cấp thông qua phản ứng Aldol – xúc tác amin trong điều kiện không dung môi. Tạp chí Hóa học Hữu cơ, 85(12), 7633–7640. https://doi.org/10.1021/acs.joc.0c00665
Các tác giả nhận xét rằng amin chiral là chất xúc tác tuyệt vời cho phản ứng của các chất ưa điện với xeton hoặc aldehyde, nhưng các sản phẩm phụ không mong muốn có thể vô hiệu hóa chất xúc tác ở mức chất xúc tác rất thấp. Để thăm dò quá trình khử hoạt động đối với chất xúc tác amin, họ đã sử dụng một tripeptide xúc tác hiệu quả các phản ứng bổ sung liên hợp của aldehyde và nitroolefin ở tải chất xúc tác là ≤1 mol%. Trong các thí nghiệm của mình, họ đã sử dụng FTIR tại chỗ (ReactIR) để theo dõi tốc độ phản ứng như một hàm của thời gian để hình thành sản phẩm γ-nitroaldehyde trong điều kiện có nồng độ phản ứng và tải trọng chất xúc tác khác nhau.
Ở tải chất xúc tác 1% hoặc 0,1%, nồng độ cao nhất của nguyên liệu ban đầu nitroolefin dẫn đến tốc độ phản ứng cao nhất. Tuy nhiên, đối với cả hai chất xúc tác, tốc độ đã chậm lại theo thời gian. Hơn nữa, họ quan sát thấy rằng nồng độ nitroolefin thấp nhất cung cấp tốc độ phản ứng cao hơn và sau 16 giờ, nhiều sản phẩm hơn được hình thành bởi các phản ứng có nồng độ nguyên liệu ban đầu thấp hơn. Họ nói rằng một hợp chất được hình thành theo thời gian khi phản ứng diễn ra phải làm vô hiệu hóa chất xúc tác.
Qua điều tra sâu hơn, họ xác định rằng phản ứng aldol đã vô hiệu hóa chất xúc tác bằng cách tạo thành một hợp chất ngoài chu kỳ trung gian và sự khử hoạt tính lớn nhất ở nồng độ chất nền cao và tải chất xúc tác thấp. Hơn nữa, chúng đạt được năng suất tuyệt vời ở mức tải chất xúc tác thấp bằng cách sử dụng chất xúc tác peptide hóa chọn lọc cao. Họ nhận xét rằng đối với năng suất sản phẩm, việc sử dụng các chất xúc tác amin này, tính chọn lọc hóa học, phản ứng và tính chọn lọc lập thể là rất quan trọng. Điều này đặc biệt quan trọng khi xem xét các phản ứng không dung môi mong muốn cho hóa học bền vững.
Zhang, Z., & List, B. (2013). Động học của phản ứng Mukaiyama Aldol xúc tác Chiral Disulfonimide. Tạp chí Hóa học Hữu cơ Châu Á, 2(11), 957–960. https://doi.org/10.1002/ajoc.201300182
Các tác giả nhận xét rằng phản ứng aldol Mukaiyama là một phương pháp hiệu quả, đã được chứng minh để phát triển các phân tử chiral. Trong nghiên cứu trước đây, các tác giả đã phát triển chiral sulfonimides, là axit Brønsted mạnh và khi silyl hóa, là chất xúc tác axit Lewis hữu cơ tuyệt vời có thể xúc tác các phản ứng aldol Mukaiyama với tính chọn lọc đối kháng cao. Hơn nữa, họ nói rằng họ đã nghiên cứu một số biến đổi xúc tác axit Lewis và muốn phát triển cái nhìn sâu sắc hơn về cơ chế của các chất xúc tác hữu cơ này. Trong nghiên cứu được đề cập trong bài viết này, họ đã thực hiện một nghiên cứu động học về phản ứng aldol Mukaiyama xúc tác bằng chiral sulfonamide thông qua Phân tích động học tiến trình phản ứng (RPKA) dựa trên dữ liệu từ các thí nghiệm ReactIR.
Dựa trên các thí nghiệm này, họ xác định rằng phương trình tốc độ cho phản ứng aldol Mukaiyama được xúc tác bởi disulfonimide 4 có thể được mô tả là tốc độ = k x [1] 0,55 x [2] x [4] và năng lượng kích hoạt là 2,9 kcal mol-1, phù hợp với quan sát rằng phản ứng diễn ra nhanh chóng ngay cả ở nhiệt độ thấp. Hơn nữa, dựa trên động học, họ đề xuất một chu trình xúc tác trong đó trạng thái nghỉ của chất xúc tác có thể là sự kết hợp của chất xúc tác silyl hóa (5) và aldehyde liên kết với chất xúc tác (6).
Zhang, Z., Bae, HY, Guin, J., Rabalakos, C., Van Gemmeren, M., Leutzsch, M., Klussmann, M., & List, B. (2016). Chất xúc tác hữu cơ axit Lewis chống anion không đối xứng để tạo ra quá trình cyanosilyl hóa có thể mở rộng của aldehyde. Truyền thông tự nhiên, 7(1). https://doi.org/10.1038/ncomms12478
Các tác giả báo cáo đã phát triển một phương pháp xúc tác hữu cơ axit Lewis bất đối xứng để cyanosilyl hóa aldehyde bằng cách sử dụng trimethylsilyl cyanide và chất xúc tác trước chiral disulfonimide. Do hoạt động cao, tải chất xúc tác từ 0,05% đến 0,005% có hiệu quả trong việc tạo ra sản phẩm cyanohydrin mong muốn. Các tác giả báo cáo rằng một giai đoạn không hoạt động của chất xúc tác được quan sát thấy có thể được gây ra một cách đảo ngược bởi nước. FTIR tại chỗ đã được sử dụng để hiểu thêm về sự phát triển này và cung cấp cái nhìn sâu sắc về chu trình tiền xúc tác.
Để theo dõi nồng độ của chất phản ứng aldehyde, dải cacbonyl 1703 cm-1 đã được theo dõi so với thời gian. Điều thú vị là không có phản ứng nào được quan sát thấy trong một khoảng thời gian, sau đó quá trình biến đổi diễn ra khá nhanh. Các tác giả cho rằng lý do cho thời kỳ ngủ đông có thể liên quan đến nước trong hỗn hợp phản ứng, và một giao thức thí nghiệm bổ sung lượng nước được kiểm soát vào hỗn hợp phản ứng đã chứng minh rằng nước thực sự chịu trách nhiệm cho sự thiếu hoạt động thông qua quá trình thủy phân của các loài có hoạt tính xúc tác. Trong nghiên cứu trước đó trong đó acetal silyl ketene được phản ứng với aldehyde với sự hiện diện của chất xúc tác disulfonimide, không có thời kỳ ngủ đông nào được quan sát thấy. Họ nghĩ rằng điều này có thể là do khả năng phản ứng cao của silyl ketene acetal với chất xúc tác trước, ngay lập tức tái tạo chất xúc tác hữu cơ axit Lewis hoạt động. Để kiểm tra giả thuyết này trong công việc hiện tại, họ đã sử dụng một lượng xúc tác silyl ketene acetal làm chất kích hoạt và thấy rằng thời gian ngủ đông đã được tránh được. Dựa trên các thí nghiệm tiếp theo, họ đề xuất một chu trình tiền xúc tác phản ánh thời kỳ ngủ đông.