均相催化是指催化劑和反應物處於同一相（通常為液態或氣態）的廣泛反應。催化劑的目的是加快反應速率，這是通過降低給定溫度下反應的活化能來實現的。這使得能夠以經濟或化學有效的方式進行可能難以或不可能進行的反應。催化劑參與反應，但它們不會像反應物那樣被消耗或轉化。使用均相催化進行反應具有一個主要優勢，因為催化劑和溶液或氣體中的反應物緊密接觸，從而實現顯著的分子相互作用。均相催化劑的一個問題是，當試圖在反應結束時去除或分離催化劑時，緊密相互作用的優勢變成了劣勢。
多種化合物和化學類別都可以用作均相催化劑，包括水性介質中的酸和鹼、離子液體、酶和過渡金屬絡合物。過渡金屬配合物在均相催化中尤為重要，因為它們具有很高的反應選擇性和範圍。使用這些有機金屬化合物的關鍵是確定正確的配體和配位，以實現所需的反應結果。在毒性/危害較小的介質中使用毒性較低、富含地球的金屬進行這些反應，並開發在較溫和條件下高效運行的催化劑方面付出了大量努力。成功應用均相催化的關鍵是深入瞭解催化劑的構效關係、反應動力學、機理、催化迴圈、活性催化劑狀態、關鍵中間體和催化劑降解過程。通過使用過程分析技術進行精心設計的實驗，可以獲取此資訊。
均相催化對現代生活所需化學品的開發和生產的影響是不可估量的。均相催化廣泛用於製藥、聚合物、精細化工和大宗化學品的生產。均相化學的數噸應用包括氫化將原油轉化為燃料和氨生產、加氫甲醯化從烯烴生產醛、從甲醇羰基化生產乙酸、烯烴低聚化以生產聚合物等。
均相催化在製藥和精細化學品的生產中同樣重要，並且與間歇和流式工藝相容。均相催化用於通過 C-H 鍵功能化策略合成新型中間體和 API，以及通過 Suzuki 型偶聯反應形成 C-C 鍵，提供了廣泛的反應範圍。通過設計具有新型配體和配位的過渡金屬絡合物，可以精確控制對映選擇性和立體選擇性合成。均相催化提供了化學轉化的機會，而非催化合成很難實現這些轉化，成本高昂或效率低下。通過減少與產生廢物的危險化學品的化學計量反應的使用，並在較溫和的條件下進行轉化，均相催化與綠色化學倡議的目標一致。
均相催化對可持續生產、緩解氣候變化和開發替代燃料來源具有重要影響。在溫和條件下在無毒介質中使用地球上豐富的 3D 金屬的研究工作大大加快了。利用均相催化技術，從生物有機來源（如廢棄生物質）合成先進材料、高價值化學品和可持續燃料，均正在開發中。
在這些當前和潛在應用中成功使用均相催化的關鍵是徹底的機理理解、基本原理金屬配體設計以及對構效關係和效應反應變數的深入理解。數據豐富的過程分析技術和先進的機理建模有助於獲取這些資訊。
胡德，DM，詹森，RA，文亞德，DJ，弗龍切克，FR 和 斯坦利，G（2023 年）。陽離子鈷 （II） 雙膦加氫甲醯化催化：原位光譜和反應研究。J. Am. Chem. Soc.， 145（36）， 19715–19726. https://doi.org/10.1021/jacs.3c04866
通過原位觀察和跟蹤關鍵的鈷中間體，ReactIR 測量揭示了加氫甲醯化的催化劑結構、活性和穩定性。
作者評論說，陽離子 Co（II） 螯合雙膦催化劑系統 HCo（CO）ₓ（雙膦），x = 1-3，對內部支鏈烯烴的加氫甲醯化反應非常有效。該催化劑在溫度和壓力下既具有活性又穩定，而其他鈷催化劑系統（如 HCo（CO）₄）則無法實現。然而，其他小組的研究假設，這些陽離子Co（II） 雙膦催化劑系統中的真正催化劑實際上是 HCo（CO）₄。本文中介紹的研究結合了包括原位 FTIR、NMR 和 EPR 在內的光譜研究，表明 [HCo（CO）ₓ（bisphosphine）]⁺， x = 1–3，是主要的加氫甲醯化催化劑系統。
陽離子鈷 （II） 雙膦催化劑系統的原位 FTIR 研究使用配備高壓矽 ATR 探針的 ReactIR 系統進行。在 30–54 bar 1：1 H₂/CO 下使用 Co（acac）（DPPBz） 催化劑前驅體進行 101.5 小時的實驗，研究了不同溫度的影響。在室溫下，從鈷 5 座標、17e⁻ 配合物 [Co（acac）（CO）（DPPBz）]⁺ 觀察到 1937 cm⁻¹ 處的 Co-CO 波段。在 120 °C 時，催化劑前驅體與 H₂ 反應，觀察到從 2088 到 1974 cm⁻¹ 的許多新羰基帶，而 1937 cm⁻¹ 帶隨著時間的推移逐漸減小。作者指出，在 [HCo（CO）ₓ（DPPBz）]⁺， x = 1–3 催化劑混合物的初始形成過程中，觀察到 1888 cm⁻¹ 附近的強羰基帶。他們指出，這可能是由 [Co（CO）₄]⁻ 陰離子引起的，這表明陽離子 Co（II） 催化劑正在分解成 HCo（CO）₄ 和 [Co（CO）₄]⁻ 陰離子。溫度迴圈實驗表明，從 120 到 140 °C 冷卻到室溫會導致 1888 cm⁻¹ 波段再次出現，然後將溫度升高回 120–140 °C 會導致 1888 cm⁻¹ 波段消失。穩定性研究表明，在 120 °C 和 53 bar （1：1 H₂/CO） 時，1888 cm⁻¹ 譜帶完全消失，而被認為是由 [HCo（CO）ₓ（DPPBz）]⁺， x = 1–3 催化劑系統引起的譜帶保持不變。此外，IR 的 IR 波段強度保持不變，表明沒有分解成鈷金屬。
在 101 小時的實驗結束時，將系統置於環境溫度和壓力下，再次觀察到 1888 cm⁻¹ 的強譜帶以及由 19e⁻ 三羰基絡合物 [HCo（CO）₃（DPPBz）]⁺ 產生的增強的 2086 cm⁻¹ 譜帶。然後將該溶液用於加氫甲醯化反應，產生與使用新鮮Co（acac）（DPPBz） 催化劑前驅體相同的結果。
考慮到該擴展溫度實驗所證明的催化劑系統的穩定性，作者提出 1888 cm⁻¹ 條帶與二元 CO 橋式鈷 （I） 二聚體 [Co₂（μCO）₂（CO）（DPPBz）₂]²⁺ 的形成有關，而不是 [Co（CO）₄]⁻ 陰離子。如果 1888 cm⁻䞋 波段是催化劑前驅體分解成 HCo（CO）₄ 和 [Co（CO）₄]⁻ 陰離子的結果，那麼人們可以預期會看到 HCo（CO）₄ 的進一步分解形成鈷金屬，並且 IR 波段強度發生顯著變化。進行的 DFT 計算導致開發出二元 Co（I） 二聚體 [Co₂（μ-CO）₂（CO）（DPPBz）₂]²⁺ 的擬議結構。
此外，紅外研究表明，當催化劑前驅體與 H₂ 反應形成催化劑時，由於二聚體引起的 1888 cm⁻¹ 帶同時形成。在進行催化的較高溫度下，二聚體不穩定，不太可能成為活性催化劑種類。
作者得出結論，廣泛的 EPR、原位 NMR、原位 FTIR 和反應研究都支援擬議的陽離子 Co（II） 雙膦催化劑系統：HCo（CO）ₓ（雙膦），x = 1-3，並深入考慮電子因素和結構解釋了加氫甲醯化的穩定性和優異活性。
Lagerspets， E.， Valbonetti， E.， Eronen， A. & Repo， T. （2021）.一種基於銅 （I）-硫代苯羧二胺的伯醇有氧氧化的新催化方法。分子催化， 509， 111637. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2021.111637
ReactIR 提供了對新型銅 （I） 催化劑氧化醇和二醇的機理差異的見解。
醇類氧化成各自的醛通常是用無機氧化劑進行的，但這種方法可能需要苛刻的條件，並且會產生大量的危險廢物和副產品。因此，人們在開發更良性、成本更低、選擇性更好的化學方面付出了巨大的努力。使用具有 N-供體配體（如聯吡啶或菲咯啉）的銅基催化劑以及穩定的自由基 2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧基 （TEMPO） 和 N-甲基咪唑 （NMI） 作為輔助鹼，是以更可持續的方式實現氧化的一個活躍的研究領域。理想的做法是開發一種用於醇氧化的催化系統，該系統可優化催化活性和化學選擇性，同時在環境溫度下使用空氣作為氧化劑。作者使用噻吩和碳二胺型配體開發了新型新型銅 （I） 催化劑，滿足了這些目標。
根據早期工作的觀察，他們合成並測試了一系列六種噻吩碳二胺作為苯甲醇氧化反應的銅 （I） 基催化劑中的支援配體。一種使用配體 1-（噻吩-2-基）-N-（4-（三氟甲氧基）苯基）甲苯胺的銅催化劑系統對苄醛的氧化活性最高，這是由於苯基上對位取代的三氟甲氧基的電負性增加。在優化條件下，在具有π活化底物的八種伯醇上測試了催化劑的反應性，所有這些底物都以極高的產率轉化為相應的醛。
為了將反應的範圍擴展到不同的底物，使用這種新的銅催化劑系統進行了一系列二醇的氧化。在其他銅催化劑和酶催化劑系統中，二醇形成內酯的過程是通過乳醇中間體進行的，從而獲得非常好的產率。新的銅 （I） - 噻吩碳巴二胺系統顯示出不同的選擇性，產生乳醇作為主要產品，而不是內酯。對於二醇，ReactIR 測量表明，形成乳醇的環化反應發生得很快，沒有觀察到醛的 IR 波段，這與苯甲醇的反應形成鮮明對比，其中立即觀察到 1704 cm⁻¹ 處由醛的形成和積累產生的突出光譜帶。根據實驗證據，作者評論說，他們的新銅系統似乎對伯醇氧化為醛具有選擇性。當乳醇在環化反應中形成時，羥基轉化為仲醇，仲醇不會氧化。有趣的是，相比之下，他們發現對於 1,4-丁二醇，會形成非常高產率的熱力學更穩定的內酯。
總之，銅 （I）-硫代苯碳二胺催化劑被證明對脂肪族、烯丙基和苄基伯醇的有氧氧化為其相應的醛具有高效和選擇性。該催化劑還可有效將許多二醇選擇性氧化成各自的乳醇。
ReactIR™ 和 ReactRaman™ 使科學家能夠即時跟蹤催化反應趨勢和曲線，提供有關動力學、機理、途徑以及反應變數對性能影響的精確資訊。這些分析儀使用分子光譜法測量反應物、試劑、催化中間體、產物和副產物，因為它們在反應過程中會發生變化。來自這些反應組分的原位即時跟蹤的數據豐富實驗可加快動力學參數的開發，支援提出的反應機理和催化迴圈，並闡明變數對反應結果的影響。ReactIR 和 ReactRaman 具有一系列插入式探頭和流通池，可處理間歇或連續流動反應的催化反應研究通常需要的寬溫度和壓力範圍。
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