تعد تفاعلات الهدرجة من بين أهم فئات التفاعل في إنتاج كل من المواد الكيميائية السائبة والدقيقة. عند إضافة ذرات الهيدروجين إلى مركب عضوي ، يتم تقليل الروابط المزدوجة أو الثلاثية إلى روابط مفردة. يتيح هذا التخفيض تكوين روابط مفردة C-C من الألكينات والألكينات ، وروابط C-O من الكيتونات أو الألدهيدات أو الإسترات ، وروابط C-N (الأمينات) من الإيمينات أو النتريل.
ملاحظة التطبيق
توفر التجارب الغنية بالبيانات أكبر قدر ممكن من المعلومات ، مما يؤدي إلى عدد أقل من التجارب. تساعد هذه الكفاءة في تحديد العلاقات بين مجموعة واسعة من معلمات التفاعل وتؤدي إلى فهم أكبر للعملية.
يساعد قياس حرارية التفاعل المستخدم جنبا إلى جنب مع التكنولوجيا التحليلية للعملية في الموقع (PAT) على تحديد ظروف التشغيل المثلى لعملية كيميائية من خلال الجمع بين معرفة المعلمات الحركية والديناميكية الحرارية.
3. الهدرجة التحفيزية
هذا النوع من الهدرجة هو عملية رئيسية في الصناعات الكيماوية والصيدلانية ، وهو أمر بالغ الأهمية للحد الفعال من الألكينات.
يقدم هذا الفيديو نظرة عامة متعمقة على المبادئ الأساسية والتقنيات الأساسية ومعلمات التفاعل الحرجة ، بما في ذلك درجة الحرارة والضغط واختيار المحفز ومعدل تغذية الهيدروجين ، والتي يجب التحكم فيها بدقة لتحسين معدل التفاعل والانتقائية والإنتاجية.
اكتشف كيف يمكن أن تساعد تقنية المراقبة في الوقت الفعلي وتحليل العمليات (PAT) في التغلب على التحديات الشائعة مثل إدارة تكوين المنتجات الوسيطة والثانوية ، مع ضمان سلامة العملية وجودة المنتج. يمكن ل ReactIR ، والأدوات الأخرى في الموقع ، تعزيز فهم العملية ، مما يتيح التحسين الواثق والقائم على البيانات لتطبيقات الهدرجة الخاصة بك.
تتشكل الروابط المفردة عن طريق إضافة ذرات الهيدروجين إلى مركب عضوي بوظيفة الرابطة المزدوجة أو الثلاثية. تتضمن أمثلة منتجات تفاعل الهدرجة التي تتشكل في خطوة واحدة ما يلي:
غالبا ما تستخدم المحفزات المعدنية في تفاعلات الهدرجة لتقليل حاجز الطاقة العالي للتحول وغالبا ما يشار إليها باسم الهدرجة التحفيزية. على سبيل المثال ، تتطلب الألكينات والألكينات محفزا من النيكل أو البلاديوم أو البلاتين لتتحول إلى ألكانات. يمكن أن تكون تفاعلات الهدرجة متجانسة أو غير متجانسة عند استخدام المعادن الممتزة على ركائز مختلفة. على سبيل المثال ، لتحقيق هدرجة متجانسة غير متماثلة ، يتم تنسيق روابط محددة مع محفزات معدن الروديوم والإيريديوم.
في جميع الحالات ، يؤثر اختيار المحفز بشكل كبير على تفاعل الهدرجة. تشمل عوامل المحفز التي تؤثر على تفاعل الهدرجة تركيز المحفز والمذيب ونقاء الركيزة ودرجة الحرارة والضغط.
ديلجادو ، ج. ، سالسيدو ، دبليو إن في ، ديفوج بوير ، سي ، هيبرت ، جيه ، ليجروس ، جيه ، رينو ، ب. ، هيلد ، سي ، جرينمان ، إتش ، وليفينور ، س. (2023). المحتوى الحراري التفاعلي لهدرجة ليفولينات الألكيل وحمض الليفولينيك على Ru / C - تأثير الظروف التجريبية وطول سلسلة الألكيل. أبحاث وتصميم الهندسة الكيميائية ، 171 ، 289-298. https://doi.org/10.1016/j.psep.2023.01.025
يقدم هذا المثال دراسة حول كيفية تحسين المحفزات لتفاعلات الهدرجة الدفعية باستخدام التجارب الآلية عالية الإنتاجية. يصف المؤلفون كيف استخدموا مزيجا من التحليل الطيفي الموضعي ل ReactIR™ FTIR ومسعر تفاعل الضغط العالي RC1 لمراقبة عملية الهدرجة والتحكم فيها وإجراء قياسات في الموقع لحركية التفاعل وتكوين المنتج.
أظهرت الدراسة أن نهج التجريب الآلي عالي الإنتاجية باستخدام أجهزة METTLER TOLEDO يمكن أن يحسن بشكل كبير كفاءة ودقة تحسين المحفز لتفاعلات الهدرجة الدفعية. لاحظ المؤلفون أن استخدام وحدة التحكم في مفاعل ReactIR و RC1 مكن من المراقبة في الوقت الفعلي للتفاعل ، مما سهل تحديد ظروف المحفز المثلى بناء على حركية التفاعل وتكوين المنتج. أدى استخدام FTIR وأدوات قياس حرارية التفاعل لتحسين عمليات الهدرجة والمحفزات إلى تحسين التفاعل بشكل أسرع وأكثر كفاءة في هدرجة الدفعات.
بايموراتوفا ، آر كيه ، أندرييفا ، إيه في ، أوفلاند ، آي إي ، شيلوف ، جي في ، بوخارباييفا ، إف يو ، جارماغامبيتوفا ، إيه كيه ، ودجارديماليفا ، جي آي (2022). التخليق والنشاط التحفيزي في تفاعل الهدرجة للأطر المعدنية العضوية المخدرة بالبلاديوم على أساس مجمعات الزركونيوم المتمركزة حول أوكسو. مجلة علوم المركبات ، 6 (10) ، 299. https://doi.org/10.3390/jcs6100299
يصف المؤلفون استخدام أدوات METTLER TOLEDO مثل نظام المفاعل الآلي EasyMax ومسبار FTIR في الموقع للمراقبة في الوقت الفعلي لتفاعلات الهدرجة. كما يناقشون دمج منصة روبوتية لأتمتة عملية فحص التفاعل ، مما يسمح بتحسين ظروف التفاعل عالية الإنتاجية.
تساعد المنصات الآلية في تقليل الوقت والموارد اللازمة لتحسين تفاعلات الهدرجة ، فضلا عن تحسين كفاءة ودقة العملية. يوفر استخدام أدوات التحليل الطيفي FTIR في الموقع جنبا إلى جنب مع المنصة الآلية طريقة موثوقة وفعالة لفحص تفاعلات الهدرجة وتطويرها.
تشانغ ، واي ، يوان ، إم ، ليو ، دبليو ، شي ، جيه ، وتشو ، س. (2018). هدرجة نقل غير متماثلة محفزة من الإيريديوم لكيتونات الألكينيل باستخدام فورمات الصوديوم والإيثانول كمصادر للهيدروجين. رسائل عضوية ، 20 (15) ، 4486-4489. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.8b01787
يصف هذا المثال طريقة جديدة لهدرجة النقل غير المتماثل لكيتونات الألكينيل باستخدام محفزات الإيريديوم. يناقش المؤلفون استخدام مطياف ReactIR لمراقبة تقدم التفاعل في الوقت الفعلي ، مما يسمح لهم بتحسين ظروف التفاعل ومراقبة وسيطات التفاعل. سمح استخدام نظام مفاعل EasyMax™ لإعداد التفاعل بالتحكم الدقيق في معلمات التفاعل مثل درجة الحرارة وسرعة التحريك .
مكن الجمع بين أدوات مراقبة التفاعل في الموقع ونظام محفز الإيريديوم الباحثين من أداء التفاعل بقابلية عالية للتكرار والدقة. يمكن توسيع هذا النهج ليشمل التفاعلات التحفيزية الأخرى ، مما يسمح بتحسين وتحليل تفاعل أكثر كفاءة ودقة.
اعتبارات السلامة والبيئة
هناك العديد من المخاطر المرتبطة بتفاعلات الهدرجة ، بما في ذلك:
يمكن أن يكون لتفاعلات الهدرجة آثار بيئية محتملة بسبب استخدام المحفزات والمذيبات ، والتي يمكن أن تولد نفايات وربما تضر بالبيئة. للتخفيف من هذه الآثار البيئية المحتملة ، يستخدم العلماء الآن برامج نمذجة التفاعل الكيميائي ومحاكاته لتقليل استخدام المواد الخطرة . باستخدام المحاكاة الحاسوبية ، يمكن للمهندسين التنبؤ بنتيجة التفاعل وتحسين الظروف لتقليل النفايات وتقليل استخدام المواد الكيميائية الضارة.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام نمذجة التفاعل لتحديد المحفزات والمذيبات البديلة والأكثر صداقة للبيئة ، والتي يمكن أن تقلل من تأثير التفاعل على البيئة. باستخدام نمذجة التفاعل الكيميائي لتصميم تفاعلات الهدرجة وتحسينها ، من الممكن تقليل النفايات وتقليل التأثير البيئي مع الحفاظ على كفاءة التفاعل وتكلفته أو تحسينه.
يعد فحص محفز الهدرجة خطوة حاسمة في تطوير تفاعل هدرجة ناجح. يتضمن تقييم المحفزات المختلفة لتحديد الأكثر كفاءة وفعالية لتفاعل معين. أثناء عملية الغربلة ، يتم النظر في عوامل مثل معدل التفاعل والانتقائية واستقرار المحفز لاختيار الأفضل.
تتضمن عملية الفحص عادة إجراء سلسلة من التجارب مع محفزات مختلفة ، وتقييم النتائج ، وإجراء مقارنات لتحديد المحفز الأنسب. بالإضافة إلى المحفزات التقليدية مثل النيكل والبلاديوم ، يمكن أيضا تقييم المحفزات الأخرى مثل الروديوم والإيريديوم والروثينيوم. تعتبر نتيجة عملية فحص محفز الهدرجة مهمة لأنها تؤثر بشكل مباشر على الكفاءة والتكلفة والنجاح العام لتفاعل الهدرجة.
التحدي الآخر في تفاعلات الهدرجة هو تحقيق الدرجة المطلوبة من الانتقائية ، أو القدرة على هدرجة انتقائية لروابط معينة أو مجموعات وظيفية جزيئية مع ترك الآخرين دون تفاعل. قد يكون هذا صعبا ، خاصة عندما يحتوي الجزيء على روابط متعددة أو مجموعات وظيفية يمكن هدراستهاج.
التحليل الطيفي FTIR في الموقع هو تقنية تحليلية توفر معلومات فورية وتمكن من اتخاذ قرارات قابلة للتنفيذ في الوقت الفعلي. تقنية مسبار FTIR ، مثل ReactIR ، منيعة للجسيمات الصلبة والغازات ومعظم ظروف التفاعل ، وتوفر مزايا مقارنة بالطرق التحليلية البديلة غير المتصلة بالإنترنت مع القدرة على:
التحدي الآخر في تفاعلات الهدرجة هو تعطيل المحفز أو فقدان النشاط التحفيزي بمرور الوقت. يمكن أن يحدث هذا بسبب عوامل مختلفة ، مثل تسمم المحفز بالشوائب في المواد المتفاعلة أو المنتجات الثانوية ، أو عن طريق التلبيد (تكوين كتلة صلبة) للمحفز. يوفر استخدام نظام أخذ العينات الآلي القائم على المسبار عينات تفاعل تمثيلية على مدى فترات طويلة ، حتى تحت الضغط.
التحكم في الضغط
عادة ما يتم إجراء تفاعلات الهدرجة تحت ضغط عال ، والذي يمكن أن يكون خطيرا ويتسبب في تعطل المعدات ، مما قد يؤدي إلى وقوع حوادث وإصابات. على هذا النحو ، من المهم التحكم بعناية في الضغط أثناء التفاعل للتأكد من بقائه ضمن نطاق آمن ومتسق.
يجب اتخاذ تدابير السلامة المناسبة لحماية العمال والمعدات. يتضمن ذلك استخدام المعدات المصنفة بالضغط ، مثل المفاعلات والأنابيب ، بالإضافة إلى أجهزة السلامة مثل صمامات تخفيف الضغط ومقاييس الضغط.
إدارة الحرارة
تفاعلات الهدرجة طاردة للحرارة ، مما يعني أنها تطلق الحرارة. يمكن أن تكون إدارة حرارة التفاعل أمرا صعبا ، حيث يمكن أن تسبب الحرارة الزائدة مشاكل مثل الهروب الحراري (زيادة سريعة في درجة الحرارة) أو تحلل المواد المتفاعلة.
يستخدم قياس حرارية التفاعل لتحديد المعلمات الديناميكية الحرارية والحركية ، والتي تعتبر ضرورية لتصميم وتحسين العمليات الكيميائية وتقييمات السلامة.
تعد قياسات السعرات الحرارية عالية الدقة تحت الضغط ضرورية للحصول على بيانات جديرة بالثقة وموثوقة لتقييمات سلامة العمليات.
قد تؤدي نتائج قياس السعرات الحرارية غير الدقيقة إلى:
مراقبة تفاعل الهدرجة في المنشورات التي راجعها الأقران
في عملية كيميائية تسمى الهدرجة ، يضاف الهيدروجين إلى جزيء. في درجات الحرارة العادية ، لا تكون الهدرجة مفيدة من الناحية الديناميكية الحرارية ، وبالتالي يلزم وجود محفز. غالبا ما يكون هذا المحفز مصنوعا من المعدن. المارجرين وزيت التربنتين المعدني والأنيلين هي بعض الأمثلة على السلع التي تم تهدرجها.
تحدث عملية الهدرجة ، والمعروفة أيضا باسم تفاعل الاختزال ، عندما تضاف جزيئات الهيدروجين إلى الألكين. تنشأ الألكانات عن طريق تفاعل إضافي بين الألكينات وغاز الهيدروجين في وجود محفز ، عادة ما يكون معدنيا.
الهدرجة هي عملية تستخدم على نطاق واسع في الصناعة الكيميائية لإضافة الهيدروجين إلى المركبات العضوية غير المشبعة ، بهدف إنتاج مركبات مشبعة. يشارك المهندسون الكيميائيون بشكل كبير في تصميم وتحسين عمليات الهدرجة ، والتي تلعب دورا حيويا في مختلف الصناعات ، بما في ذلك إنتاج الأغذية والوقود.
في صناعة المواد الغذائية ، يستخدم الهدرجة بشكل شائع لإنتاج الدهون الصلبة من الزيوت السائلة ، مثل السمن والسمن. عن طريق هدرجة الزيوت النباتية ، يمكن تحسين استقرارها وخصائصها الوظيفية وجودتها الشاملة. وبالمثل ، في إنتاج الوقود ، يمكن أن تنتج هدرجة الهيدروكربونات غير المشبعة في النفط الخام مركبات أكثر استقرارا وأقل تفاعلا.
كجزء مهم من عملية الهدرجة ، يجب على المهندسين الكيميائيين اختيار المحفزات المناسبة ، ومفاعلات التصميم ، وظروف العملية لتحسين التحويل والانتقائية ، وإدارة اعتبارات السلامة المرتبطة بتفاعلات الهدرجة عالية الضغط. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يسعوا جاهدين لتطوير عمليات هدرجة مستدامة وصديقة للبيئة تقلل من النفايات واستهلاك الطاقة.
تعتمد ظروف التفاعل النموذجية للهدرجة على التفاعل المحدد والمواد المتفاعلة المعنية. تتضمن بعض المعلمات الشائعة التي غالبا ما تستخدم في تفاعلات الهدرجة ما يلي:
تعتمد ظروف التفاعل المستخدمة في تفاعلات الهدرجة على المواد المتفاعلة المحددة والمنتج المطلوب ، ويمكن أن يؤدي تحسين هذه الظروف إلى تحسين كفاءة التفاعل والانتقائية.
