化学反应动力学研究

反应动力学可测量反应速率、影响化学反应速度的因素，并深入了解反应机理。了解反应动力学对于控制反应和指导反应的目标结果至关重要。通过测试和确定变量对反应速率的影响，优化产物并减少副产物。

通过对反应动力学的研究，可以确定反应中基本步骤的各个级数与反应的总级数。了解反应级数很重要，因为它决定了反应物浓度与反应速率之间的关系。例如，如果反应总体为二级反应，则表示反应速率按反应物浓度的平方增加。确定各个反应物的级数，以及体现各个反应物的浓度对反应的加速或减慢程度。 

原位分子光谱产生动力学速率信息

通过在实际反应条件下测量反应组分浓度随时间的变化，ReactIR与ReactRaman等原位光谱可提供用于化学动力学研究的关键信息。通常，根据初始速率研究计算化学反应动力学。通过人为方式使一种试剂保持高浓度，确保浓度始终恒定，然后通过另外一种试剂的浓度变化计算动力学速率。受到离线分析中的多种障碍的影响，在超过最初几分钟后，不会捕捉到大部分的浓度变化，因此必须在不同浓度条件下多次重复实验。

相比之下，ReactIR与ReactRaman可在反应过程中提供连续的数据，由于数据具有全面性，因此仅需较少几次实验即可计算出速率定律。

支持通过离线分析方法进行分析的原位反应取样

当合成需要通过HPLC或NMR或MS进行离线分析时，EasySampler全自动取样系统可在不干扰反应混合物的情况下提供反应样品。系统以预设的时间间隔自动提取反应样品，并对其进行淬灭和稀释，为分析做好准备。除了提供必要的动力学信息外，EasySampler全自动取样系统还提供通过色谱法进行离线定量分析的样品，此方法可用于通过单变量或多变量方法校准光谱测量。这些校准套件允许ReactIR与ReactRaman对反应混合物实时进行直接定量测量。

原位测量对于获取动力学信息的价值：

• 在整个反应过程中测量反应物与产物的浓度与时间数据，确保不会遗漏任何信息
• 为RPKA等先进的动力学技术进行包含大量数据的实验
• 减少测定速率常数、速率定律和其他重要动力学信息所需的实验次数
• 快速测试反应变量对反应结果的影响
• 获取完整信息以证实假设的反应机理

Foth, P. J., Malig, T. C., Yu, H., Bolduc, T. G., Hein, J. E., & Sammis, G. M. (2020). Halide-Accelerated Acyl Fluoride Formation Using Sulfuryl Fluoride.Organic Letters, 22(16), 6682–6686. 

作者报告了一种从羧酸开始的SO₂F₂介导取代反应的新方法。他们确定了SO₂F₂介导的酸活化形成了一个瞬时酸酐中间体，该中间体转变为类似的酰氟。他们还报告说，四丁基氯化铵或溴化物可加速酰氟的形成。

ReactIR测量通过检测瞬态酸酐中间体和跟踪与酰氟产物形成相关的1846 cm^-1 处的光谱带，深入了解了3-苯基丙酸与相应酰氟发生硫酰氟介导反应的机理。此外，ReactIR测量还显示，存在四丁基卤化铵时，转化为酰氟的速率提高。通过经由1820 cm^-1 C=O峰跟踪酸酐中间体的形成和转化，作者表明四丁基卤化铵可加速酸酐向酰氟的转化。此外，通过COPASI（复杂路径模拟器）使用IR数据进行动力学建模，他们发现所提出的卤化物加速过程机理得到了有力支持。

Malig, T. C., Yunker, L. P. E., Steiner, S., & Hein, J. E. (2020). Online HPLC Analysis of Buchwald-Hartwig Aminations from within an Inert Environment.Chemrxiv.org. 

在原位光谱测量因重叠光谱峰或关键组分浓度较低而不太可行的情况下，对反应混合物进行在线HPLC分析的能力非常有用。作者报告称开发了一种反应监测系统，该系统从手套箱内的反应混合物中提取定时样品，对其稀释后传送至手套箱外的HPLC进行分析，然后使整个系统为下一个反应样品做好准备。微处理器处理并自动执行该系统的步骤。他们采用这一新系统跟踪一系列Buchwald-Hartwig胺化作用的反应动力学。各种胺化反应展现出有趣且有些出乎意料的特征。例如，使用芳基卤化物碘苯和溴苯进行的合成展现了典型动力学所不具备的独特特征。

该自动化系统的一个关键组件是EasySampler全自动取样系统探头，用于提取经过稀释的反应样品，并将其输送至注射泵，然后由注射泵将样品输送至纳米阀上的注射回路。通过计算机的控制，注入回路在HPLC泵与柱体之间对中，以进行样品注入和分析。系统自动冲洗管路，并向EasySampler全自动取样系统探头填充稀释剂，为提取下一个样品做准备。 

Wei, B., Sharland, J. C., Lin, P., Wilkerson-Hill, S. M., Fullilove, F. A., McKinnon, S., Blackmond, D. G., & Davies, H. M. L. (2019). In Situ Kinetic Studies of Rh(II)-Catalyzed Asymmetric Cyclopropanation with Low Catalyst Loadings.ACS Catalysis, 10(2), 1161–1170. 

作者指出四羧酸二铑作为与重氮化合物发生反应的催化剂的重要性，在该反应中氮被消除，并形成瞬时金属卡宾中间体。这些催化剂已被证明可用于许多合成，包括对映选择性环丙烷化。受到铑的成本与其他因素的影响，他们有兴趣研究以非常低的负载量使用这些铑催化剂进行的环丙烷化反应。具体来说，他们使用一系列新的手性二铑催化剂研究了环丙烷化动力学，以确定它们在低催化剂负载量下的相对性能。

使用ReactIR技术进行的原位FTIR测量被证明是研究这些反应的理想方法，该方法通过跟踪2103 cm-1处叠氮化物IR峰的消失速率研究这些反应。对多种不同催化剂的环丙烷化动力学进行了测量，但研究人员决定进一步研究其中一种速率较慢的催化剂，因为它展现出了最高水平的对映选择性。他们发现，将催化剂负载量从0.0025 mol%减少至0.001 mol%造成了对映选择性降低。为了在较低的催化剂负载量下实现高对映选择性，使用各种溶剂和反应条件进行了一系列实验。他们发现碳酸二甲酯被证明是实现较低负载量和高对映选择性的出色溶剂。研究人员将这一新信息应用于丙型肝炎药物合成中一种重要中间体的合成，结果使催化剂负载量降低了200倍，并且具有更高的对映选择性。

获取关于反应动力学、机理与路径的更详细信息。为优化和保证化学行业放大生产的安全性提供支持。 ReactIR与ReactRaman原位光谱可以实时监测间歇与连续流动合成的化学反应。 

• 绘制关键反应组分的实时变化趋势曲线：反应物、中间体、产物与副产物
• 为传统的动力学分析或反应过程动力学分析（RPKA）方法获取丰富数据信息。
• 取出样品时，监测那些难以、不可能或不希望进行离线分析的反应（低温、升温/高压，粘稠、有毒试剂，高能反应、对空气/湿度敏感的、瞬时中间体）。
• 研究反应或过程的关键阶段，如反应起点、诱导期、累积、转化和终点。检测反应停滞或扰动情况。迅速确定变量对反应的影响
• 利用ReactRaman监测晶型和多晶型，并利用ReactIR研究溶剂效应和过饱和情况，深化对溶液结晶过程的理解。 

EasySampler全自动取样系统是一种自动化、无人值守的技术，可提供具有代表性且可重现的样品。这种基于探头的技术具有一个微型取样槽，可随时取样、原位淬灭与稀释，为分析离线样品做准备。 

EasySampler全自动取样系统通过按需提供样品帮助了解反应。在反应条件下进行取样，使其具有真正的代表性。样品采集和加盖时间戳后，可通过离线分析方法进行分析，并将结果集成回数据流中。还有一个价值，那就是可通过自动与无缝数据采集提高数据质量。自动化取样精准度的提高可确保比手动取样更高的质量。 

深入了解化学反应动力学和反应步骤机理可加速过程的开发与优化。Reaction Lab是一种建模工具，可提供有关过程中反应步骤动力学的更详细知识。它通过同时对一系列变量的影响建模帮助优化这些反应，从而揭示反应的最佳操作条件。Reaction Lab有助于了解反应机理，并允许根据此见解更有效地设计过程。动力学建模还有助于更好地了解反应的潜在可靠性。可以观察反应对不同特定参数与条件影响的响应，以及生成的有助于深入了解产量/杂质权衡的响应曲面。

为了从动力学建模中获得最大值，使用来自分析方法的实验数据很重要。Reaction Lab可容纳来自离线与在线方法的数据。实验数据有助于计算模型中使用的准确速率常数与活化能。对于非常快速的反应，或者有时表现出成分快速变化的反应，需要的数据点比离线方法能够提供的要多。ReactIR或ReactRaman进行的实时原位光谱分析非常适用于这些情况，也适用于含有不稳定分析物或者难以获取样品或存在危险的反应。无论在什么情况下，为动力学提供准确的实验数据，需要使用类似于自动化化学反应器之类的工具出色地控制反应温度。 

原位PAT与Reaction Lab动力学建模相结合，可确保充分了解与彻底优化各个反应步骤，从而支持建立可靠、可扩展的过程。

• 化学反应杂质分析
  
• 连续流动化学
• 热传递与放大生产
• 传质与反应速率
• 结晶与再结晶

以下是在最近科学期刊上发表的一系列化学反应动力学研究。

• Bispo, F. J. S., Kartnaller, V., & Cajaiba, J. (2019). Controlling Nitrogen Oxide (NOx) Emissions from Exothermic Nitrogen Generation Systems for Application in Subsea Environments. ACS Ω, 4(26), 21985–21992
  
  
• Cao, Y., Du, S., Ke, X., Xu, S., Lan, Y., Zhang, T., Tang, W., Wang, J., & Gong, J. (2020). Interplay between Thermodynamics and Kinetics on Polymorphic Behavior of Vortioxetine Hydrobromide in Reactive Crystallization. Organic Process Research & Development, 24(7), 1233–1243
  
  
• Dance, Z. E. X., Crawford, M., Moment, A., Brunskill, A., & Wabuyele, B. (2020). Kinetics, Thermodynamics, and Scale-Up of an Azeotropic Drying Process: Mapping Rapid Phase Conversion with Process Analytical Technology. Organic Process Research & Development, 24(9), 1665–1674
  
  
• Fath, V., Lau, P., Greve, C., Kockmann, N., & Röder, T. (2020). Efficient Kinetic Data Acquisition and Model Prediction: Continuous Flow Microreactors, Inline Fourier Transform Infrared Spectroscopy, and Self-Modeling Curve Resolution. Organic Process Research & Development, 24(10), 1955–1968
  
  
• Foth, P. J., Malig, T. C., Yu, H., Bolduc, T. G., Hein, J. E., & Sammis, G. M. (2020). Halide-Accelerated Acyl Fluoride Formation Using Sulfuryl Fluoride. Organic Letters, 22(16), 6682–6686
  
  
• Gray, M., Hines, M. T., Parsutkar, M. M., Wahlstrom, A. J., Brunelli, N. A., & RajanBabu, T. V. (2020). Mechanism of Cobalt-Catalyzed Heterodimerization of Acrylates and 1,3-Dienes. A Potential Role of Cationic Cobalt(I) Intermediates. ACS Catalysis, 10(7), 4337–4348
  
  
• Grzelak, M., Frąckowiak, D., & Marciniec, B. (2020). Dialkenylgermanes as Precursors of Silsesquioxane‐based Macromolecular Structures. Chemistry – an Asian Journal, 15(10), 1598–1604
  
  
• Grzelak, M., Frąckowiak, D., Januszewski, R., & Marciniec, B. (2020). Introduction of organogermyl functionalities to cage silsesquioxanes. Dalton Transactions (Cambridge, England: 2003), 49(16), 5055–5063
  
  
• Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle-Smith, M. A., Zacuto, M. J., & Doyle, A. G. (2020). Nickel/Photoredox-Catalyzed Methylation of (Hetero)aryl Chlorides Using Trimethyl Orthoformate as a Methyl Radical Source. Journal of the American Chemical Society, 142(16), 7683–7689
  
  
• Li, S.-S., & Wang, J. (2020). Cu(I)/Chiral Bisoxazoline-Catalyzed Enantioselective Sommelet–Hauser Rearrangement of Sulfonium Ylides. The Journal of Organic Chemistry, 85(19), 12343–12358
  
  
• Lim, J. J., Arrington, K., Dunn, A. L., Leitch, D. C., Andrews, I., Curtis, N. R., Hughes, M. J., Tray, D. R., Wade, C. E., Whiting, M. P., Goss, C., Liu, Y. C., & Roesch, B. M. (2019). A Flow Process Built upon a Batch Foundation—Preparation of a Key Amino Alcohol Intermediate via Multistage Continuous Synthesis. Organic Process Research & Development, 24(10), 1927–1937
  
  
• Malig, T. C., Tan, Y., Wisniewski, S. R., Higman, C. S., Carrasquillo-Flores, R., Ortiz, A., Purdum, G. E., Kolotuchin, S., & Hein, J. E. (2020). Development of a telescoped synthesis of 4-(1H)-cyanoimidazole core accelerated by orthogonal reaction monitoring. Reaction Chemistry & Engineering, 5(8), 1421–1428
  
  
• Malig, T. C., Yunker, L. P. E., Steiner, S., & Hein, J. E. (2020). Online HPLC Analysis of Buchwald-Hartwig Aminations from within an Inert Environment. Chemrxiv.org
  
  
• Milella, F., & Mazzotti, M. (2019). Estimation of the Growth and the Dissolution Kinetics of Ammonium Bicarbonate in Aqueous Ammonia Solutions from Batch Crystallization Experiments. Crystal Growth & Design, 19(10), 5907–5922
  
  
• Regenauer, N. I., Jänner, S., Wadepohl, H., & Roşca, D. (2020). A Redox‐Active Heterobimetallic N‐Heterocyclic Carbene Based on a Bis(imino)pyrazine Ligand Scaffold. Angewandte Chemie International Edition, 59(43), 19320–19328
  
  
• Rodič, P., Lekka, M., Andreatta, F., Fedrizzi, L., & Milošev, I. (2020). The effect of copolymerisation on the performance of acrylate-based hybrid sol-gel coating for corrosion protection of AA2024-T3. Progress in Organic Coatings, 147, 105701
  
  
• Rogers, J. A., & Popp, B. V. (2019). Operando Infrared Spectroscopy Study of Iron-Catalyzed Hydromagnesiation of Styrene: Explanation of Nonlinear Catalyst and Inhibitory Substrate Dependencies. Organometallics, 38(23), 4533–4538
  
  
• Schenk, C., Biegler, L. T., Han, L., & Mustakis, J. (2020). Kinetic Parameter Estimation from Spectroscopic Data for a Multi-Stage Solid–Liquid Pharmaceutical Process. Organic Process Research & Development, 25(3), 373–383
  
  
• Svatunek, D., Eilenberger, G., Denk, C., Lumpi, D., Hametner, C., Allmaier, G., & Mikula, H. (2020). Live Monitoring of Strain‐Promoted Azide Alkyne Cycloadditions in Complex Reaction Environments by Inline ATR‐IR Spectroscopy. Chemistry – a European Journal, 26(44), 9851–9854
  
  
• Towns, E. N., Guo, J., O’Brien, A., & Bondi, R. W. (2020). A Method for Real Time Detection of Reaction Endpoints Using a Moving Window T-Test of in Situ Time Course Data. Chemrxiv.org
  
  
• Unno, J., & Hirasawa, I. (2020). Parameter Estimation of the Stochastic Primary Nucleation Kinetics by Stochastic Integrals Using Focused-Beam Reflectance Measurements. Crystals, 10(5), 380
  
  
• Valera Lauridsen, J. M., Cho, S. Y., Bae, H. Y., & Lee, J.-W. (2020). CO2 (De)Activation in Carboxylation Reactions: A Case Study Using Grignard Reagents and Nucleophilic Bases. Organometallics, 39(9), 1652–1657
  
  
• Verissimo Lobo, V. T., Pacheco Ortiz, R. W., Gonçalves, V. O. O., Cajaiba, J., & Kartnaller, V. (2020). Kinetic Modeling of Maleic Acid Isomerization to Fumaric Acid Catalyzed by Thiourea Determined by Attenuated Total Reflectance Fourier-Transform Infrared Spectroscopy. Organic Process Research & Development, 24(6), 988–996
  
  
• Wei, B., Sharland, J. C., Lin, P., Wilkerson-Hill, S. M., Fullilove, F. A., McKinnon, S., Blackmond, D. G., & Davies, H. M. L. (2019). In Situ Kinetic Studies of Rh(II)-Catalyzed Asymmetric Cyclopropanation with Low Catalyst Loadings. ACS Catalysis, 10(2), 1161–1170
  
  
• Zhang, Z., Klussmann, M., & List, B. (2020). Kinetic Study of Disulfonimide Catalyzed Cyanosilylation of Aldehyde Using a Method of Progress Rates. Synlett