催化反應

催化反應通常用於加速特定化學進展的速度。從本質上講，催化劑的作用是為反應提供替代的、較低能量的途徑。 為此，催化物質與反應物相互作用並形成中間化合物。這種中間體是瞬態的，因為它在形成後會分解，使原始催化劑種類保持不變。催化劑在反應完成時的化學結構或質量不受反應的影響。

催化反應一般有兩種類型：

• 多相催化反應 是指催化劑和反應物存在於兩個不同的相中，例如固體催化劑與溶液中的反應物。
• 均相催化反應 是指催化劑和反應物處於同一相，例如催化劑和反應物溶解在同一溶液中。  

• 催化劑創造了一條替代路徑來提高反應的速度和結果，因此對反應動力學的透徹理解很重要。這不僅提供了有關反應速率的信息，還可以深入了解反應機制。
• 催化劑與反應物的相互作用也令人感興趣。催化反應產生瞬態中間體，這些中間體是催化過程、反應速率和最終產物的關鍵。 識別催化反應產生的中間體是一個正在進行的研究領域，深入了解中間體的存在和結構的工具很有用。
• 測量反應變數和條件對催化過程的影響對於反應優化非常重要。溫度、壓力、反應物和催化劑濃度以及其他化學和物理參數對催化反應中產生的產物、產率和副產物有深遠的影響。
• 為了選擇催化劑和反應條件的最佳組合，研究不同催化劑在給定反應中產生的活性並測量產物和副產物非常重要。
  
• 測量和了解催化反應的能量對於確保安全反應和成功放大非常重要。

• 研究實際反應條件下的均相和非均相催化反應，包括在高壓和高溫下。
• 檢測並協助識別關鍵催化反應中間體。
• 快速獲取數據，用於確定反應動力學、了解反應機制和途徑。
• 即時追蹤和測量催化反應產生的產物和副產物。
• 測試和開發理想的反應條件，以優化最終產物產量並最大限度地減少副產物。
• 快速確定特定反應的最佳催化劑和條件。
• 消除傳統樣品提取和離線分析帶來的時間延遲。
• 消除樣品萃取過程中引入空氣、濕氣或干擾反應。
• 最大限度地減少操作員接觸有毒化學物質、潛在的高能反應或危險反應條件。

經 Tuba， R.、Mika， L.、Bodor， A. Pustai， Z.、Toth， I. 和 Horvath， I. 許可改編，“吡啶改性鈷催化的 1,3-丁二烯羥甲氧基羰基化的機制”，有機金屬學，22,2003,1582-1584。版權所有 （2018） 美國化學會。

研究人員使用高壓 ReactIR 研究了 1,3-丁二烯氫甲氧基羰基化為甲基-3-戊烯酸酯。 在吡啶存在下，已知 Co₂（CO）₈ 會催化該反應。在研究時，尚未確定中間體，該項目的目標之一是識別中間體。

最初，使用甲醇作為溶劑，並將 1,3-丁二烯添加到 Co₂（CO）₈ 和 [Co（MeOH）₆][Co-（CO）₄]₂ 的平衡混合物中，在 75 bar 一氧化碳和 100^°C 下。 根據 ReactIR 曲線，研究人員確定了一種中間體^{η 3-C}₄H₇Co（CO）₃，加熱反應幾個小時後，甲基-3-戊烯酸酯產物與 Co₂（CO）₈ 和 [Co（MeOH）₆][Co-（CO）₄]₂ 的混合物一起形成。

ReactIR 揭示了並幫助鑑定了鈷中間體，並提供了對催化機制的更多見解。

當使用吡啶作為溶劑時，中間物質 [CoPy₆][Co（CO₄]₂ 是唯一鑑定的金屬物質。 混合物加熱後，鈷-吡啶中間體消失，在 ReactIR 光譜輪廓中觀察到^{η 3-C}₄H₇Co（CO）₃ 和甲基-3-戊烯酸酯產物的存在。

在溫度下進一步混合，η^3-C₄H₇Co（CO）₃ 中間體轉化為[CoPy₆][Co（CO₄]₂ 並形成額外的戊酸酯產物。研究人員報告說，與甲醇相比，當吡啶用作溶劑時，η^3-C₄H₇Co（CO）₃ 轉化為甲基-3-戊烯酸酯的速度快四倍。

在此範例中，ReactIR 可用於檢測鈷吡啶中間體，並提供有關催化機制的資訊。ReactIR 顯示，當吡啶用作溶劑時，轉化率要快得多。這展示了使用 原位 FTIR 來確定優化催化反應的最佳催化劑/溶劑組合。

Rueping， M.、Bootwicha， T.、Sugiono， E.，“連續流催化不對稱氫化：使用 FTIR 在線分析進行反應優化，Beilstein J. Org. Chem. （2012）， 8， 300-307。

在這項研究中，科學家首次展示了 連續流動化學 進行 催化不對稱 轉移加氫反應的能力。 為了監測產物的形成，利用了配備專門設計的 ATR 流通池的 ReactIR 系統並與微反應器耦合。由於這項工作的目標之一是找到一組最佳的反應條件，因此將 ReactIR 連接到反應流的末端。  

他們最初的工作重點是在漢茨二氫吡啶作為氫源和手性布倫斯特德酸催化劑存在下苯並噁嗪的不對稱氫化。苯並噁嗪反應物和二氫苯並噁嗪產物分別在 1479 cm-1 和 1495 cm-1 處的紅外波段用於跟踪目的

使用在線 FTIR 實時跟踪這些波段的能力提供了完成反應優化的方法。

使用連續微流技術研究反應的眾多優點之一是能夠快速改變反應變量，例如反應物和催化劑濃度、流速和溫度，並查看這些變化對反應結果的影響。

在苯並噁嗪的催化不對稱氫化中，將反應溫度從 5 ^oC 上升到 60 ^oC。 作者報告說，通過在 98 ^°C 下以 0.1 ml 的流速和 0.1 小時的停留時間進行反應，實現了 1% 的產物收率。

利用這項初步工作中的信息，科學家繼續將這種催化微流反應方案應用於一系列苯並噁嗪、喹啉、喹啉和 3 種H-吲哚。 這些系列中的每一個都經過優化。

作者最後指出 ：“通過應用 FTIR 在線監測，可以在單個反應設置中快速篩選反應參數，並且與進行反應後進行分析的經典序列相比，可以更快地獲得最佳反應條件。

小巧輕便
流線型輪廓可輕鬆融入物理受限區域，例如通煙機。

任何化學條件下的反應監測
可選擇用於批量或流動化學，以及各種條件，包括高壓/溫度反應和腐蝕性試劑。

無需液氮
紅外測量可以連續且無人值守，只要有必要以適應合成。 

強大的軟體
iC IR 軟體使設定和取得反應曲線變得簡單直觀。iC Kinetics and Reaction Progress Kinetic Analysis 軟體可使用 IR 資料快速輕鬆地開發反應速率資訊。

在本次網路研討會中，埃默里大學化學教授 Huw ML Davies 討論了傅立葉變換紅外 （FTIR） 光譜，以了解催化劑、底物和碳苯類前體對銠催化反應速率和效率的影響。開發了底物對催化劑負載量大於 1,000,000 的優化系統。

本次演講包括：

• 供體/受體類碳苯的研究，它們是化學背後的核心中間體。
• 如何 將碳素 化學應用於 藥物靶點的合成。

• 催化劑反應優化
• 酶催化
• 監測氫化反應
• 測量聚合反應
• 高反應性化學
• 合成反應

深入了解動力學、熱力學、催化循環和反應機制，以確保安全有效的過程。隨著 有機金屬 催化和 有機催化 在藥品和化學品的開發和製造中的使用增加，用於大規模開發和優化這些反應的工具至關重要。 PAT 獲得的實驗數據與 Dynochem 和 Reaction Lab 先進的建模工具結合使用，提供了深入了解催化反應的有效方法。在評估催化反應發展過程中的動力學時，反應實驗室同時對變量的影響進行建模，包括溫度、壓力、催化劑負荷、反應物、產物和副產物濃度，以提供一組最佳的反應條件。可以觀察反應對特定變化參數和條件的響應，並生成響應面，從而深入了解產率/雜質權衡以及反應的魯棒性。可以對整個催化反應進行建模，也可以評估催化循環中的各個步驟，以便在必要時提供改進的模型。Dynochem 透過對溫度、壓力、混合速率和傳熱等變數的影響進行建模，從而快速識別適當的製程條件，從而確保安全運作並滿足產量/雜質目標，從而擴大催化反應的規模。Dynochem 對於優化和擴大固有能量或在潛在危險條件下進行的催化反應尤其重要，它通過開發揭示安全操作條件的響應面模型來幫助管理風險。

以下是成功研究非均相和均相催化反應的行業相關出版物的精選：

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