硝基苯的氫化
應用說明
資料豐富的實驗帶來了最多的資訊量，從而減少了實驗。這種效率有助於識別各種反應參數之間的關係，並導致對過程的更好理解。
反應量熱法與原位製程分析技術 （PAT） 結合使用，透過結合動力學和熱力學參數的知識，有助於確定化學製程的最佳操作條件。
氫化反應
在高溫和高壓下進行安全反應監測
氫化反應是散裝和精細化學品生產中最重要的反應類別之一。當將氫原子添加到有機化合物中時，雙鍵或三鍵被還原為單鍵。 這種還原使得烯烴和炔烷基形成 C-C 單鍵，酮、醛或酯形成 C-O 鍵，以及亞胺或腈形成 C-N 鍵（胺）。
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氫化反應的類型
1. 還原氫化
這種類型的氫化涉及用氫還原化合物。例如，通過在雙鍵中添加氫原子，可以將烯烴還原為烷烴。
2. 氫解
這種類型的氫化涉及使用氫裂解分子中的化學鍵。例如，酯可以通過在 C-O 鍵上添加氫原子來水解為醇和羧酸。
3. 催化氫化
這種類型的氫化是化學和製藥行業的關鍵過程，對於烯烴的有效還原至關重要。
該視頻深入概述了基本原理、基本技術和關鍵反應參數，包括溫度、壓力、催化劑選擇和氫氣進料速率，必須精確控制這些參數以優化反應速率、選擇性和產率。
了解即時監控和製程分析技術 （PAT） 如何幫助克服常見挑戰，例如管理中間產物和副產物的形成，同時確保製程安全和產品品質。ReactIR 和其他原位工具可以增強對過程的理解，從而對氫化應用進行自信、數據驅動的優化。
氫化反應的機理
單鍵是通過將氫原子添加到具有雙鍵或三鍵官能團的有機化合物中而形成的。單步形成的氫化反應產物的例子包括：
- C—C 烯烴和炔炔的單鍵
- C—來自酮、醛或酯的 O 鍵
- 來自亞胺或腈 的 C—N 鍵（胺）
金屬催化劑常用於加氫反應，以降低轉化的高能壘，通常稱為催化加氫。例如，烯烴和炔炔需要鎳、鈀或鉑催化劑才能轉化為烷烴。當使用吸附在各種基材上的金屬時，氫化反應可以是均勻的，也可以是非均質的。例如，為了實現均勻的不對稱氫化，特定的配體與銠和銥金屬催化劑配位。
在所有情況下，催化劑的選擇都會極大地影響氫化反應。催化劑影響氫化反應的因素包括催化劑濃度、溶劑、底物純度、溫度和壓力。
加氫的行業例子和商業應用
Fine Chemicals: Tracking Exothermic Hydrogenation Steps With RC1
德爾加多，J.，薩爾塞多，WNOV，Devouge-Boyer，C.，Hebert，J.，Legros，J.，Renou，B.，Held，C.，Grenman，H.，和 Leveneur，S. （2023）。烷基乙酰丙酸鹽和乙酰丙酸氫化對 Ru/C 的反應焓——實驗條件和烷基鏈長度的影響。 化學工程研究與設計，171， 289–298。https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.01.025
本例介紹了如何使用自動化高通量實驗優化批量加氫反應催化劑的研究。作者描述了他們如何結合使用 ReactIR™ 原位 FTIR 光譜 和 RC1 高壓反應量熱儀 來監測和控制氫化過程，並對反應動力學 和產物形成進行 原位測量。
研究表明，使用梅特勒-托利多儀器進行自動化高通量實驗方法可以顯著提高間歇式加氫反應催化劑優化的效率和準確性。作者指出，使用 ReactIR 和 RC1 反應器控制單元可以實時監測反應，這有助於根據反應動力學和產物形成確定最佳催化劑條件。使用 FTIR 和 反應量熱儀 來優化加氫工藝和催化劑，從而在間歇式加氫中實現更快、更高效的反應優化。
Fine Chemicals: Efficient Hydrogenation Catalyst Screening Using In-Situ FTIR
拜穆拉托娃，RK，安德烈耶娃，AV，烏弗揚德，IE，希洛夫，GV，布哈爾巴耶娃，FU，Zharmagambetova，AK，和 Dzhardimalieva，GI （2022）。基於氧基中心鋯配合物的鈀摻雜金屬有機骨架加氫反應的合成和催化活性。 複合材料科學雜誌， 6（10）， 299。https://doi.org/10.3390/jcs6100299
作者描述了使用梅特勒-托利多儀器（例如 EasyMax 自動化反應器系統 和 原位 FTIR 探頭 ）來即時監測氫化反應。他們還討論了機器人平台的集成，以自動化反應篩選過程，從而實現反應條件的高通量優化。
自動化平台有助於減少優化氫化反應所需的時間和資源，並提高過程的效率和準確性。將原位FTIR光譜儀器 與 自動化平臺結合使用，為篩選和開發氫化反應提供了可靠高效的方法。
Pharmaceutical: Asymmetric Transfer Hydrogenation
張 Y.、袁 M.、劉 W.、謝 J. 和周 Q. （2018）。使用甲酸鈉和乙醇作為氫源的犥催化炔基酮的不對稱轉移氫化。 有機快報， 20（15）， 4486–4489。https://doi.org/10.1021/acs.orglett.8b01787
本例描述了一種使用銥催化劑對炔基酮進行不對稱轉移氫化的新方法。作者討論了使用 ReactIR 光譜儀 實時監測反應進度，使他們能夠優化反應條件並監測反應中間體。使用EasyMax™反應器系統 進行反應設置， 可以精確控制溫度和攪拌速度等反應參數。
原位反應監測儀器 與銥催化劑系統的結合 使研究人員能夠以高重復性和準確性進行反應。這種方法可以擴展到其他 催化反應，從而實現更有效率、更準確的反應優化和分析。
氫化反應的挑戰
安全和環境考慮
氫化反應存在多種風險，包括：
- 爆炸危險：氫氣高度易燃，如果積聚在密閉空間內，可能會引起爆炸。
- 火災危險：氫化反應會產生熱量，如果控制不當，可能會導致火災。
- 毒性：一些氫化催化劑，例如鎳，如果吸入或攝入可能有毒。
- 對環境造成的影響：氫化反應會產生廢物，如果處理不當，可能會危害環境。
- 健康風險：某些氫化產品，例如氫化植物油，與心臟病風險增加有關。
- 安全風險：氫化反應可能是放熱的，並在過程中產生熱量，如果控制不當，可能會導致熱失控。
- 試劑的處理： 催化劑和中間體必須小心處理，因為它們可能具有腐蝕性、毒性、易燃性和反應性。值得注意的是，這些風險可以透過遵循適當的安全協議並使用適當的設備和材料來減輕。
氫化對環境的影響
由於使用催化劑和溶劑，氫化反應可能會對環境產生潛在的影響，從而產生廢物並可能危害環境。 為了減輕這些潛在的環境影響，科學家現在正在利用 化學反應建模和模擬軟體 來減少有害物質的使用。透過使用電腦模擬，工程師可以預測反應結果並優化條件，以最大限度地減少浪費並減少有害化學物質的使用。
此外，反應建模可用於識別替代的、更環保的催化劑和溶劑，從而進一步減少反應對環境的影響。透過使用化學反應模型來設計和優化氫化反應，可以最大限度地減少浪費並減少對環境的影響，同時保持或提高反應的效率和成本。
加氫催化劑篩選
加氫催化劑篩選是成功開發加氫反應的關鍵一步。它涉及評估各種催化劑，以確定針對特定反應最有效和最有效的催化劑。在篩選過程中，會考慮催化劑的反應速率、選擇性和穩定性等因素來選擇最佳催化劑。
篩選過程通常涉及使用不同的催化劑進行一系列實驗，評估結果，並進行比較以確定最合適的催化劑。除了鎳和鈀等傳統催化劑外，還可以評估銠、銥和釕等其他催化劑。加氫催化劑篩選過程的結果很重要，因為它直接影響加氫反應的效率、成本和整體成功。
催化劑選擇
氫化反應的另一個挑戰是達到所需的選擇性程度，或選擇性地氫化某些鍵或分子官能團而使其他鍵或分子官能團不反應的能力。這可能很困難，特別是當分子包含多個可以氫化的鍵或官能團時。
原位 FTIR 光譜 是一種分析技術，可提供即時資訊並即時做出可操作的決策。 FTIR 探針技術（例如 ReactIR）不受固體顆粒、氣體和大多數反應條件的影響，與其他離線分析方法相比具有以下優勢：
- 研究實際反應條件下的均勻和非均相氫化，包括在高壓和高溫下
- 識別、追蹤和測量氫化過程中產生的反應物、試劑、產物、反應中間體和副產物
- 快速獲取數據豐富的信息，以確定反應動力學並了解反應機制和途徑
- 測試和開發理想的氫化條件，以優化最終產品產量並最大限度地減少副產品
- 快速篩選特定氫化反應的催化劑和條件
- 消除樣品萃取 過程中引入空氣、水分或干擾性反應平衡
催化劑停用
氫化反應的另一個挑戰是催化劑失活或隨著時間的推移而失去催化活性。這可能是由多種因素引起的，例如催化劑因反應物或副產物中的雜質而中毒，或催化劑的燒結（形成固體物質）。使用 基於探針的自動采樣系統 ，即使在壓力下也能在較長時間內提供代表性的反應樣品。
進行氫化反應的安全措施
壓力控制
氫化反應通常在高壓下進行，這可能很危險並導致設備故障，從而可能導致事故和傷害。因此，在反應過程中仔細控制壓力以確保其保持在安全和一致的範圍內非常重要。
應採取適當的安全措施來保護工人和設備。這包括使用額定壓力設備，如反應堆和管道，以及安全裝置，如洩壓閥和壓力表。
熱管理
氫化反應是放熱的，這意味著它們會釋放熱量。管理反應熱可能具有挑戰性，因為過多的熱量會導致熱失控（溫度快速升高）或反應物分解等問題。
反應量熱法 用於 識別熱力學和動力學參數，這對於化學過程的設計和優化以及安全性評估至關重要。
壓力下的高精度量熱測量對於製程安全評估的可靠數據至關重要。
量熱結果不準確可能會導致：
- 缺乏對準確熱化學數據的了解
- 事故和人員傷害的風險
- 對數據沒有信任 - 工廠無法以最佳方式運行
- 環境後果
- 金錢和聲譽損失
其他資源
相關產品
引文和參考文獻
同行評審出版物中的氫化反應監測
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氫化常見問題
What is a hydrogenation reaction with an example?
在稱為氫化的化學過程中，氫被添加到分子中。在常溫下，氫化在熱力學上並不有利，因此需要催化劑。這種催化劑通常由金屬製成。人造黃油、礦物松節油和苯胺是氫化商品的幾個例子。
What type of reaction is hydrogenation?
氫化過程，也稱為還原反應，當氫分子添加到烯烴中時就會發生。烷烴是通過烯烴和氫氣在催化劑（通常是金屬）存在下的加成反應產生的。
What is the main purpose of hydrogenation?
氫化是化學工業中廣泛使用的一種向不飽和有機化合物中添加氫氣的工藝，目的是生產飽和化合物。化學工程師積極參與加氫製程的設計和優化，加氫製程在食品和燃料生產等各個行業中發揮著至關重要的作用。
在食品工業中，氫化通常用於從液體油中生產固體脂肪，例如人造奶油和起酥油。透過氫化植物油，可以提高其穩定性、功能特性和整體品質。同樣，在燃料生產中，原油中不飽和碳氫化合物的氫化可以產生更穩定、反應性更低的化合物。
作為加氫過程的重要組成部分，化學工程師必須選擇合適的催化劑、設計反應器和工藝條件，以優化轉化和選擇性，並管理與高壓加氫反應相關的安全考慮因素。此外，他們必須努力開發可持續且環保的加氫工藝，最大限度地減少浪費和能源消耗。
What are the reaction conditions for hydrogenation?
氫化的典型反應條件取決於具體反應和所涉及的反應物。氫化反應中經常使用的一些常見參數包括：
- 溫度
- 壓
- 催化劑
- 溶劑
- 氫氣源
- 反應時間
用於氫化反應的反應條件取決於特定的反應物和所需的產物，這些條件的優化可以提高反應效率和選擇性。