加氢反应
在高温和高压下进行安全反应监测
加氢反应是散装和精细化学品生产中最重要的反应类别之一。当向有机化合物中添加氢原子时，双键或三键被还原为单键。 这种还原使得烯烃和炔烃形成 C-C 单键，酮、醛或酯形成 C-O 键，亚胺或腈形成 C-N 键（胺）。
/content/hk/zh/home/applications/L1_AutoChem_Applications/L2_ReactionAnalysis/hydrogenation.fb.1.c.11.html
加氢反应的类型
1. 还原加氢
这种类型的氢化涉及用氢还原化合物。例如，通过在双键中添加氢原子，可以将烯烃还原为烷烃。
2. 氢解
这种类型的氢化涉及使用氢裂解分子中的化学键。例如，酯可以通过在 C-O 键上添加氢原子来水解为醇和羧酸。
加氢反应机理
单键是通过将氢原子添加到具有双键或三键官能团的有机化合物中而形成的。在单个步骤中形成的氢化反应产物的例子包括：
- 来自烯烃和炔烃的 C—C 单键
- 来自酮、醛或酯的 C—O 键
- 来自亚胺或腈 的 C—N 键（胺）
金属催化剂常用于加氢反应，以降低转化的高能垒，通常称为催化加氢。例如，烯烃和炔烃需要镍、钯或铂催化剂才能转化为烷烃。当使用吸附在各种基材上的金属时，氢化反应可以是均匀的，也可以是非均质的。例如，为了实现均匀的不对称加氢，特定的配体与铑和铱金属催化剂配位。
在所有情况下，催化剂的选择都会极大地影响加氢反应。催化剂影响加氢反应的因素包括催化剂浓度、溶剂、底物纯度、温度和压力。
加氢的行业实例和商业应用
Fine Chemicals: Tracking Exothermic Hydrogenation Steps With RC1
Delgado， J.、Salcedo， W. N. V.、Devouge-Boyer， C.、Hebert， J.、Legros， J.、Renou， B.、Held， C.、Grenman， H. 和 Leveneur， S. （2023）。烷基乙酰丙酸盐和乙酰丙酸氢化反应焓对 Ru/C– 实验条件和烷基链长度的影响。 化学工程研究与设计，171， 289–298。https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.01.025
本例介绍了如何使用自动化高通量实验优化间歇式加氢反应催化剂的研究。作者描述了他们如何结合使用 ReactIR™原位FTIR光谱 和 RC1高压反应量热仪 来监测和控制加氢过程，并对反应动力学 和产物形成进行 原位测量。
研究表明，使用梅特勒-托利多仪器进行自动化高通量实验方法可以显着提高间歇加氢反应催化剂优化的效率和准确性。作者指出，使用ReactIR和RC1反应器控制单元可以实时监测反应，这有助于根据反应动力学和产物形成确定最佳催化剂条件。使用 FTIR和 反应量热仪 优化加氢工艺和催化剂，在间歇加氢中实现更快、更有效的反应优化。
Fine Chemicals: Efficient Hydrogenation Catalyst Screening Using In-Situ FTIR
拜穆拉托娃，RK，安德烈耶娃，AV，乌弗利安德，IE，希洛夫，GV，布哈尔巴耶娃，FU，Zharmagambetova，AK，和 Dzhardimalieva，GI （2022）。基于氧基中心锆络合物的掺钯金属有机骨架加氢反应中的合成和催化活性。 复合材料科学杂志， 6（10）， 299。https://doi.org/10.3390/jcs6100299
作者描述了使用梅特勒-托利多仪器（如EasyMax自动反应器系统 和 原位FTIR探头 ） 对加氢反应进行实时监测。他们还讨论了集成机器人平台以自动化反应筛选过程，从而实现反应条件的高通量优化。
自动化平台有助于减少优化加氢反应所需的时间和资源，并提高工艺的效率和准确性。将原位 FTIR 光谱仪器 与自动化平台相结合 ，为筛选和开发加氢反应提供了一种可靠且有效的方法。
Pharmaceutical: Asymmetric Transfer Hydrogenation
张 Y.、袁 M.、刘 W.、谢 J. 和周 Q. （2018）。使用甲酸钠和乙醇作为氢源的炔基酮的铱催化不对称转移氢化。 有机快报， 20（15）， 4486–4489。https://doi.org/10.1021/acs.orglett.8b01787
本示例描述了一种使用铱催化剂对炔基酮进行不对称转移加氢的新方法。作者讨论了使用ReactIR光谱仪 实时 监测反应进程，使他们能够优化反应条件并监测反应中间体。使用EasyMax™反应器系统 进行反应设置， 可以精确控制反应参数，如温度和搅拌速度。
原位反应监测仪器 与铱催化剂系统的结合 使研究人员能够以高重现性和准确性进行反应。这种方法可以扩展到其他 催化反应，从而实现更高效、更准确的反应优化和分析。
氢化反应的挑战
安全和环境考虑
氢化反应存在多种风险，包括：
- 爆炸危险：氢气高度易燃，如果积聚在密闭空间内，可能会引起爆炸。
- 火灾隐患：氢化反应会产生热量，如果控制不当，可能会导致火灾。
- 毒性：一些氢化催化剂，例如镍，如果吸入或摄入可能有毒。
- 对环境造成的影响：氢化反应会产生废物，如果处理不当，可能会危害环境。
- 健康风险：某些氢化产品，如氢化植物油，与心脏病风险增加有关。
- 安全风险：加氢反应可能是放热的，并在过程中产生热量，如果控制不当，可能会导致热失控。
- 试剂的处理： 催化剂和中间体必须小心处理，因为它们可能具有腐蚀性、毒性、易燃性和反应性。值得注意的是，可以通过遵循适当的安全协议并使用适当的设备和材料来减轻这些风险。
氢化对环境的影响
由于使用催化剂和溶剂，氢化反应可能会产生潜在的环境影响，从而产生废物并可能危害环境。 为了减轻这些潜在的环境影响，科学家们现在正在利用 化学反应建模和模拟软件 来减少有害物质的使用。通过使用计算机模拟，工程师可以预测反应结果并优化条件，以最大限度地减少浪费并减少有害化学物质的使用。
此外，反应建模可用于识别替代的、更环保的催化剂和溶剂，这可以进一步减少反应对环境的影响。通过使用化学反应模型来设计和优化加氢反应，可以最大限度地减少浪费并减少对环境的影响，同时保持或提高反应的效率和成本。
加氢催化剂筛选
加氢催化剂筛选是成功加氢反应的关键步骤。它涉及评估各种催化剂，以确定针对特定反应最有效和最有效的催化剂。在筛选过程中，会考虑催化剂的反应速率、选择性和稳定性等因素，以选择最佳催化剂。
筛选过程通常涉及使用不同的催化剂进行一系列实验、评估结果并进行比较以确定最合适的催化剂。除了镍和钯等传统催化剂外，还可以评估铑、铱和钌等其他催化剂。加氢催化剂筛选过程的结果很重要，因为它直接影响加氢反应 的效率、成本和整体成功。
催化剂选择
氢化反应的另一个挑战是实现所需的选择性程度，即选择性地氢化某些键或分子官能团而使其他键或分子官能团不反应的能力。这可能很困难，特别是当分子包含多个可以氢化的键或官能团时。
原位 FTIR 光谱 是一种分析技术，可提供即时信息并实时做出可作的决策。 FTIR 探针技术（例如 ReactIR）不受固体颗粒、气体和大多数反应条件的影响，与其他离线分析方法相比具有以下优势，能够：
- 研究实际反应条件下的均匀和非均相加氢，包括在高压和高温下
- 识别、跟踪和测量氢化过程中产生的反应物、试剂、产物、反应中间体和副产物
- 快速获取数据丰富的信息，用于确定反应动力学并了解 反应机理 和途径
- 测试和开发理想的加氢条件，以优化最终产品产量并最大限度地减少副产品
- 快速筛选特定加氢反应的催化剂和条件
- 消除样品提取 过程中引入空气、水分或干扰性反应平衡
催化剂失活
加氢反应的另一个挑战是催化剂失活或随着时间的推移而失去催化活性。这可能是由多种因素引起的，例如反应物或副产物中的杂质对催化剂的中毒，或催化剂的烧结（固体物质的形成）。使用 基于探针的自动采样系统 ，即使在压力下也能长时间提供具有代表性的反应样品。
进行加氢反应的安全措施
压力控制
加氢反应通常在高压下进行，这可能很危险并导致设备故障，从而可能导致事故和伤害。因此，在反应过程中仔细控制压力以确保其保持在安全和一致的范围内非常重要。
应采取适当的安全措施来保护工人和设备。这包括使用压力等级设备，如反应堆和管道，以及安全装置，如泄压阀和压力表。
热管理
氢化反应是放热的，这意味着它们会释放热量。管理 反应热 可能具有挑战性，因为过多的热量会导致热失控（温度快速升高）或反应物分解等问题。
反应量热法 用于 识别热力学和动力学参数，这对于化学过程的设计和优化以及安全性评估至关重要。
压力下的高精度量热测量对于过程安全评估的可靠数据至关重要。
量热结果不准确可能会导致：
- 缺乏对准确热化学数据的了解
- 事故和人员伤害的风险
- 对数据没有信任 - 工厂无法以最佳方式运行
- 环境后果
- 金钱和声誉损失
其他资源
相关产品
引文和参考文献
同行评审出版物中的加氢反应监测
- Delgado， J.、Salcedo， W. N. V.、Devouge-Boyer， C.、Hebert， J.、Legros， J.、Renou， B.、Held， C.、Grenman， H. 和 Leveneur， S. （2023）。烷基乙酰丙酸盐和乙酰丙酸氢化反应焓对 Ru/C– 实验条件和烷基链长度的影响。 化学工程研究与设计， 171， 289–298。 https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.01.025
- 拜穆拉托娃，RK，安德烈耶娃，AV，乌弗利安德，IE，希洛夫，GV，布哈尔巴耶娃，FU，Zharmagambetova，AK，和 Dzhardimalieva，GI （2022）。基于氧基中心锆络合物的掺钯金属有机骨架加氢反应中的合成和催化活性。 复合材料科学杂志， 6（10）， 299。 https://doi.org/10.3390/jcs6100299
- 惠尔豪斯，KMP，芬纳，S.和怀廷，M.（2022）。高通量实验在选择性硝基加氢条件鉴定中的应用.在 Acs 研讨会系列 （第 79-91 页）。 https://doi.org/10.1021/bk-2022-1420.ch005
- 张 Y.、袁 M.、刘 W.、谢 J. 和周 Q. （2018）。使用甲酸钠和乙醇作为氢源的炔基酮的铱催化不对称转移氢化。 有机快报， 20（15）， 4486–4489。 https：//doi.org/10.1021/acs.orglett.8b01787 https：//doi.org/10.1021/acs.orglett.8b01787
- 埃内斯，C.，卢卡斯，M.，克劳斯，P.（2016）。原位 ATR-IR 光谱：监测 CO2 的氢化和甲酸的形成。 工程师化学技术， 88（10）， 1474–1479。 https://doi.org/10.1002/cite.201600031
- 刘 W.、袁 M.、杨 X.、柯 L.、谢 J. 和周 Q. （2015）。以螺PAP配体的手性铱络合物为催化剂，乙醇中酮的高效不对称转移氢化。 化学通讯， 51（28），6123–6125。 https://doi.org/10.1039/c5cc00479a
- 汉密尔顿，P.，桑加尼，MJ，格雷厄姆，J.，哈特维格，T.，铁匠，A.，普里斯特利，C.，A，L.，高级，汤普森，DR，和韦伯，MR（2014）。使用 PAT 了解、控制和快速扩大加氢反应的生产和医药中间体的分离。 有机工艺研究与开发， 19（1）， 236–243。 https://doi.org/10.1021/op500285x
- 米切尔，C.，斯特劳瑟，JD，戈特利布，A.，米洛尼格，MH，希克斯，FA 和帕帕乔吉乌，CD （2014）。开发基于建模的策略，以安全有效地扩大高能加氢反应的规模。 有机工艺研究与开发， 18（12），1828–1835。 https://doi.org/10.1021/op500207r
- 克伦普，B.，戈斯，CA，洛夫莱斯，T.，刘易斯，RM 和彼得森，JJ （2013）。反应参数对铂和钒催化硝基还原的第一性原理反应速率建模的影响。 有机工艺研究与开发， 17（10）， 1277–1286。 https://doi.org/10.1021/op400116k
- Richner， G.、Van Bokhoven， JA、Neuhold， Y.、Makosch， M. 和 Hungerbühler， K. （2011）。硝基苯在TiO2上纳米金上三相加氢过程中固/液催化剂界面的原位红外监测。 物理化学化学物理， 13（27），12463。 https://doi.org/10.1039/c1cp20238c
- 利特勒，BJ，卢克，AR 和布莱斯，TA （2010）。使用实时中红外、热流和气体吸收测量优化加氢过程。 有机工艺研究与开发， 14（6）， 1512–1517。 https://doi.org/10.1021/op100169j
- 凯西，CP，比特纳，SE 和约翰逊，JJ （2008）。由 Shvo 的羟基环戊二烯基二钌氢化物催化的羰基加氢过程中氢化速率和中间体的光谱测定与基于独立测量的基本反应速率的动力学建模一致。 美国化学会杂志， 130（7）， 2285–2295。 https://doi.org/10.1021/ja077525c
- 布莱克蒙德，DG，罗皮克，M.和斯特菲诺维奇，M.（2006）。Rh−二胺催化剂催化下亚胺与甲酸不对称转移加氢的动力学研究。 有机工艺研究与开发， 10（3）， 457–463。 https://doi.org/10.1021/op060033k
加氢常见问题解答
What is a hydrogenation reaction with an example?
在称为氢化的化学过程中，氢被添加到分子中。在常温下，加氢在热力学上并不有利，因此需要催化剂。这种催化剂通常由金属制成。人造黄油、矿物松节油和苯胺是氢化商品的几个例子。
What type of reaction is hydrogenation?
当氢分子添加到烯烃中时，就会发生氢化过程，也称为还原反应。烷烃是通过烯烃和氢气在催化剂（通常是金属）存在下的加成反应产生的。
What is the main purpose of hydrogenation?
加氢是化学工业中广泛使用的一种工艺，用于将氢气添加到不饱和有机化合物中，目的是生产饱和化合物。化学工程师积极参与加氢工艺的设计和优化，这在食品和燃料生产等各个行业中发挥着至关重要的作用。
在食品工业中，氢化通常用于从液体油中生产固体脂肪，例如人造黄油和起酥油。通过氢化植物油，可以提高其稳定性、功能特性和整体质量。同样，在燃料生产中，原油中不饱和烃的加氢可以产生更稳定、反应性更低的化合物。
作为加氢过程的关键部分，化学工程师必须选择合适的催化剂、设计反应器和工艺条件，以优化转化和选择性，并管理与高压加氢反应相关的安全考虑因素。此外，他们必须努力开发可持续且环保的加氢工艺，以最大限度地减少浪费和能源消耗。
What are the reaction conditions for hydrogenation?
加氢的典型反应条件取决于具体反应和所涉及的反应物。加氢反应中经常使用的一些常见参数包括：
- 温度
- 压力
- 催化剂
- 溶剂
- 氢源
- 反应时间
用于氢化反应的反应条件取决于特定的反应物和所需的产物，这些条件的优化可以提高反应效率和选择性。