Cinétique chimique

La cinétique de réaction fournit une mesure des vitesses de réaction, des facteurs qui affectent la vitesse d'une réaction chimique et un aperçu des mécanismes réactionnels. Il est essentiel de comprendre la cinétique d'une réaction pour pouvoir contrôler la réaction et orienter le résultat souhaité. En testant et en identifiant comment les variables affectent la vitesse d'une réaction, on peut optimiser les produits et réduire les produits dérivés.

L'étude de la cinétique de réaction permet de déterminer l'ordre individuel des étapes élémentaires d'une réaction et l'ordre général de la réaction. Il est important de connaître l'ordre d'une réaction, car il définit la relation entre la concentration des réactifs et la vitesse de réaction. Par exemple, si une réaction est globalement de second ordre, cela signifie que la vitesse de réaction augmente du carré de la concentration des réactifs. On détermine l'ordre des réactifs individuels pour refléter à quel point la concentration d'un réactif individuel accélère ou ralentit une réaction. 

La spectroscopie moléculaire in situ fournit des informations sur la vitesse cinétique

En mesurant les changements de concentration des espèces réactionnelles en fonction du temps dans des conditions de réaction réelles, la spectroscopie in situ comme ReactIR et ReactRaman fournit des informations essentielles pour les études de cinétique chimique. En règle générale, on calcule la cinétique chimique à partir des études de vitesse initiales. On maintient un réactif à une concentration artificiellement élevée de manière à ce que la concentration soit effectivement constante, puis les paramètres cinétiques sont calculés d'après le changement de concentration d'un autre réactif. En raison des obstacles associés à l'analyse hors ligne, la plupart des changements de concentration ne sont jamais capturés après les quelques premières minutes. Il est donc nécessaire de répéter l'expérience à plusieurs reprises en faisant varier les concentrations.

En revanche, ReactIR et ReactRaman fournissent des données continues tout au long d'une réaction, ce qui permet de calculer les lois de vitesse avec moins d'expériences, en raison de la nature complète des données.

Échantillonnage réactionnel in situ pour faciliter l'analyse par des méthodes d'analyse hors ligne

Lorsque les synthèses nécessitent une analyse hors ligne par HPLC, RMN ou MS, EasySampler peut fournir des échantillons de réaction sans perturber le mélange réactionnel. Le système prélève automatiquement un échantillon de réaction à des intervalles de temps prédéfinis, le trempe et le dilue pour le préparer à l'analyse. En plus de fournir les informations cinétiques nécessaires, EasySampler fournit des échantillons pour une analyse quantitative hors ligne par chromatographie que l'on peut ensuite utiliser pour étalonner les mesures spectroscopiques via des méthodes univariées ou multivariées. Ces kits d'étalonnage permettent à ReactIR et ReactRaman de fournir des mesures quantitatives directes en temps réel sur les mélanges réactionnels.

Valeur des mesures in situ pour obtenir des informations cinétiques :

• mesurer les données de concentration en fonction du temps pour les réactifs et les produits tout au long de la réaction afin de ne manquer aucune information ;
• permettre des expériences riches en données pour les techniques cinétiques avancées telles que RPKA ;
• réduire le nombre d'expériences nécessaires pour déterminer les constantes de vitesse, les lois de vitesse et d'autres informations cinétiques importantes ;
• tester rapidement les effets des variables de réaction sur le résultat de la réaction ;
• obtenir des informations complètes pour corroborer les mécanismes de réaction postulés.

Foth, P. J., Malig, T. C., Yu, H., Bolduc, T. G., Hein, J. E., & Sammis, G. M. (2020). Halide-Accelerated Acyl Fluoride Formation Using Sulfuryl Fluoride. Organic Letters, 22(16), 6682–6686.

Les auteurs présentent une nouvelle méthode pour les réactions de substitution induites par SO₂F₂ à partir d'acides carboxyliques. Ils ont déterminé que l'activation acide médiée par le SO₂F₂ forme un intermédiaire anhydride transitoire qui se transforme en fluorure d'acyle analogue. Ils signalent également que le chlorure ou le bromure de tétrabutylammonium accélère la formation de fluorure d'acyle.

Les mesures ReactIR ont fourni des informations sur le mécanisme de la réaction (induite par le fluorure de sulfuryle) de l'acide 3-phénylpropionique au fluorure d'acyle correspondant. Pour ce faire, elles ont détecté l'anhydride transitoire et ont suivi une bande à 1 846 cm^-1 associée à la formation du produit de fluorure d'acyle. De plus, les mesures ReactIR ont montré que la vitesse de conversion en fluorure d'acyle augmentait avec la présence des halogénures de tétrabutylammonium. En suivant la formation et la conversion de l'anhydride intermédiaire via le pic C=O de 1 820 cm^-1, les auteurs ont montré que les halogénures de tétrabutylammonium accélèrent la conversion de l'anhydride en fluorure d'acyle. De plus, en utilisant les données IR avec la modélisation cinétique via COPASI (Complex Pathway Simulator), ils ont trouvé un fort soutien à leur mécanisme proposé pour le processus d'accélération des halogénures.

Malig, T. C., Yunker, L. P. E., Steiner, S., & Hein, J. E. (2020). Online HPLC Analysis of Buchwald-Hartwig Aminations from within an Inert Environment. Chemrxiv.org. 

La capacité de l'analyse HPLC en ligne des mélanges réactionnels est très utile dans les situations où les mesures spectroscopiques in situ sont moins réalisables, souvent en raison du chevauchement des pics spectraux ou de la faible concentration d'espèces clés. Les auteurs rapportent le développement d'un système de surveillance de réaction. Ce système prélève un échantillon minuté d'un mélange réactionnel contenu dans une boîte à gants ; il le dilue, le transmet à un système HPLC situé à l'extérieur de la boîte à gants pour analyse, puis prépare l'ensemble du système pour l'analyse de l'échantillon de réaction suivant. Un microprocesseur gère et automatise les étapes de ce système. Ils ont utilisé ce nouveau système pour suivre la cinétique de réaction d'une série d'aminations de Buchwald-Hartwig. Les différentes réactions d'amination ont présenté des profils intéressants et quelque peu inattendus. Par exemple, les synthèses utilisant des halogénures d'aryle, l'iodobenzène et le bromobenzène, présentaient des profils distincts qui ne montraient pas de cinétique classique.

La sonde EasySampler est un composant clé de ce système. On l'utilise pour prélever un échantillon de réaction dilué puis le distribuer à une pompe pousse-seringue, qui à son tour envoie l'échantillon à une boucle d'injection sur une nanovanne. Sous le contrôle de l'ordinateur, la boucle d'injection est alignée entre la pompe HPLC et la colonne pour l'injection et l'analyse de l'échantillon. Le système rince automatiquement les lignes et remplit la sonde EasySampler de diluant en vue du prélèvement de l'échantillon suivant. 

Wei, B., Sharland, J. C., Lin, P., Wilkerson-Hill, S. M., Fullilove, F. A., McKinnon, S., Blackmond, D. G., & Davies, H. M. L. (2019). In Situ Kinetic Studies of Rh(II)-Catalyzed Asymmetric Cyclopropanation with Low Catalyst Loadings. ACS Catalysis, 10(2), 1161–1170.

Les auteurs soulignent l'importance des tétracarboxylates de dirhodium en tant que catalyseurs pour les réactions avec des composés diazo, dans lesquelles l'azote est éliminé et des intermédiaires de carbènes métalliques transitoires se forment. Ces catalyseurs se sont avérés utiles pour un certain nombre de synthèses, notamment les cyclopropanations énantiosélectives. En raison du coût du rhodium et d'autres facteurs, ils souhaitaient étudier les cyclopropanations à l'aide de ces catalyseurs au rhodium à de très faibles charges. Plus précisément, ils ont étudié la cinétique de la cyclopropanation à l'aide d'une série de nouveaux catalyseurs chiraux de dirhodium afin de déterminer leurs performances relatives à de faibles charges de catalyseur.

Les mesures FTIR in situ à l'aide de la technologie ReactIR se sont avérées être un moyen idéal pour étudier ces réactions en suivant la vitesse de disparition du pic IR de l'azoture à 2 103 cm-1. Les chercheurs ont mesuré la cinétique des cyclopropanations pour un certain nombre de catalyseurs différents, mais ils ont décidé de se concentrer sur le catalyseur présentant des vitesses plus lentes, car il présentait le plus haut niveau d'énantiosélectivité. Ils ont constaté qu'une réduction de la charge de catalyseur de 0,0025 mol% à 0,001 mol% entraînait une diminution de l'énantiosélectivité. Afin d'obtenir une énantiosélectivité élevée à de faibles charges de catalyseur, une série d'expériences a été réalisée avec différents solvants et conditions de réaction. Ils ont constaté que le carbonate de diméthyle s'est avéré être un solvant supérieur pour obtenir des charges plus faibles et une énantiosélectivité élevée. Les chercheurs ont appliqué ces nouvelles informations à la synthèse d'un produit intermédiaire important utilisé pour produire un médicament contre l'hépatite C. Cela a permis de diviser par 200 la charge catalytique avec une énantiosélectivité encore plus élevée.

Obtenez des informations complètes sur la cinétique de réaction ainsi que les mécanismes et déroulements réactionnels. Assurez une extrapolation sûre et optimale des procédés chimiques. La spectroscopie in situ ReactIR et ReactRaman permet de surveiller en temps réel les réactions chimiques pour les synthèses par lots et en flux continu. 

• Développez des profils de tendance en temps réel pour les principaux types de réaction : réactifs, produits intermédiaires, produits et sous-produits
• Obtenez des informations exhaustives pour les méthodes d'analyse cinétique classiques ou d'analyse cinétique de l'évolution de la réaction (RPKA)
• Suivez les réactions pour lesquelles il est difficile, impossible ou non souhaitable de prélever un échantillon en vue d'une analyse hors ligne (basse température, température/pression élevée, réactifs visqueux ou toxiques, réactions hautement énergétiques, sensibilité à l'air/humidité, intermédiaires transitoires).
• Étudiez les principales étapes d'une réaction ou d'un procédé, comme le point de départ d'une réaction, la période d'induction, l'accumulation, la conversion et le point final. Détectez les retards ou les variations de réaction. Déterminez rapidement les effets des variables sur les réactions.
• Approfondissez votre compréhension des procédés de cristallisation des solutions grâce au système ReactRaman pour surveiller la forme cristallographique et le polymorphisme, et grâce au système ReactIR pour étudier les effets des solvants et la sursaturation. 

EasySampler est une technologie automatisée sans surveillance qui fournit des échantillons représentatifs et reproductibles. La technologie à sonde est dotée d'une micropoche qui permet de prélever des échantillons à tout moment, de tremper in situ et de diluer les échantillons hors ligne prêts à être analysés. 

EasySampler facilite la compréhension des réactions en fournissant des échantillons à la demande. L'échantillonnage est effectué dans des conditions de réaction réellement représentatives. Les échantillons, une fois collectés et horodatés, peuvent être analysés via des méthodes d'analyse hors ligne et les résultats peuvent être réintégrés dans le flux de données. Un avantage supplémentaire réside dans la qualité accrue des données grâce à la collecte automatique et continue de ces dernières. L'exactitude et la précision accrues de l'échantillonnage automatisé offrent une qualité supérieure à l'échantillonnage manuel. 

Une connaissance approfondie de la cinétique chimique et des mécanismes des étapes de réaction accélère le développement et l'optimisation des procédés.Reaction Lab est un outil de modélisation qui fournit des connaissances approfondies sur la cinétique des étapes de réaction dans un procédé. Il facilite l'optimisation de ces réactions en modélisant les effets d'une gamme de variables simultanément, révélant ainsi le meilleur ensemble de conditions opératoires pour la réaction. Reaction Lab facilite la compréhension des mécanismes réactionnels et permet de concevoir des procédés plus efficacement en fonction de ces informations. La modélisation cinétique permet également de mieux comprendre la robustesse potentielle d'une réaction. On peut observer la réponse de la réaction à l'effet de paramètres et de conditions spécifiques variables ainsi que les surfaces de réponse générées donnant un aperçu des compromis rendement/impuretés.

Pour tirer le meilleur parti de la modélisation cinétique, il est important d'utiliser les données expérimentales des méthodes d'analyse. Reaction Lab prend en charge les données des méthodes hors ligne et en ligne.Les données expérimentales permettent de calculer avec précision les constantes de vitesse et les énergies d'activation à utiliser dans les modèles. Pour les réactions très rapides, ou pour les réactions qui présentent parfois des périodes de changement rapide de composition, davantage de points de données sont nécessaires que les méthodes hors ligne ne peuvent en fournir. L'analyse spectroscopique in situ en temps réel par ReactIR ou ReactRaman est idéale pour ces situations, ainsi que pour les réactions impliquant des analytes instables ou lorsque l'accès à un échantillon est difficile ou dangereux. Dans tous les cas, l'obtention de données expérimentales précises pour la cinétique nécessite un excellent contrôle de la température des réactions, comme le permettent les réacteurs chimiques automatisés. 

La combinaison des PAT in situ et de la modélisation cinétique du laboratoire de réaction permet de développer des procédés robustes et évolutifs, en s'assurant que les étapes de réaction individuelles sont bien comprises et entièrement optimisées.

• Profilage des impuretés des réactions chimiques
  
• Chimie en flux continu
• Transfert de chaleur et extrapolation
• Transfert de masse et vitesse de réaction
• Cristallisation et recristallisation

Vous trouverez ci-dessous une sélection d'études sur la cinétique de réaction chimique parues dans des revues scientifiques récentes.

• Bispo, F. J. S., Kartnaller, V., & Cajaiba, J. (2019). Controlling Nitrogen Oxide (NOx) Emissions from Exothermic Nitrogen Generation Systems for Application in Subsea Environments. ACS Omega, 4(26), 21985–21992
  
  
• Cao, Y., Du, S., Ke, X., Xu, S., Lan, Y., Zhang, T., Tang, W., Wang, J., & Gong, J. (2020). Interplay between Thermodynamics and Kinetics on Polymorphic Behavior of Vortioxetine Hydrobromide in Reactive Crystallization. Organic Process Research & Development, 24(7), 1233–1243
  
  
• Dance, Z. E. X., Crawford, M., Moment, A., Brunskill, A., & Wabuyele, B. (2020). Kinetics, Thermodynamics, and Scale-Up of an Azeotropic Drying Process: Mapping Rapid Phase Conversion with Process Analytical Technology. Organic Process Research & Development, 24(9), 1665-1674
  
  
• Fath, V., Lau, P., Greve, C., Kockmann, N., & Röder, T. (2020). Efficient Kinetic Data Acquisition and Model Prediction: Continuous Flow Microreactors, Inline Fourier Transform Infrared Spectroscopy, and Self-Modeling Curve Resolution. Organic Process Research & Development, 24(10), 1955-1968
  
  
• Foth, P. J., Malig, T. C., Yu, H., Bolduc, T. G., Hein, J. E., & Sammis, G. M. (2020). Halide-Accelerated Acyl Fluoride Formation Using Sulfuryl Fluoride. Organic Letters, 22(16), 6682–6686
  
  
• Gray, M., Hines, M. T., Parsutkar, M. M., Wahlstrom, A. J., Brunelli, N. A., & RajanBabu, T. V. (2020). Mechanism of Cobalt-Catalyzed Heterodimerization of Acrylates and 1,3-Dienes. A Potential Role of Cationic Cobalt(I) Intermediates. ACS Catalysis, 10(7), 4337–4348
  
  
• Grzelak, M., Frąckowiak, D., & Marciniec, B. (2020). Dialkenylgermanes as Precursors of Silsesquioxane‐based Macromolecular Structures. Chemistry – an Asian Journal, 15(10), 1598–1604
  
  
• Grzelak, M., Frąckowiak, D., Januszewski, R., & Marciniec, B. (2020). Introduction of organogermyl functionalities to cage silsesquioxanes. Dalton Transactions (Cambridge, England: 2003), 49(16), 5055–5063
  
  
• Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle-Smith, M. A., Zacuto, M. J., & Doyle, A. G. (2020). Nickel/Photoredox-Catalyzed Methylation of (Hetero)aryl Chlorides Using Trimethyl Orthoformate as a Methyl Radical Source. Journal of the American Chemical Society, 142(16), 7683–7689
  
  
• Li, S.-S., & Wang, J. (2020). Cu(I)/Chiral Bisoxazoline-Catalyzed Enantioselective Sommelet–Hauser Rearrangement of Sulfonium Ylides. The Journal of Organic Chemistry, 85(19), 12343–12358
  
  
• Lim, J. J., Arrington, K., Dunn, A. L., Leitch, D. C., Andrews, I., Curtis, N. R., Hughes, M. J., Tray, D. R., Wade, C. E., Whiting, M. P., Goss, C., Liu, Y. C., & Roesch, B. M. (2019). A Flow Process Built upon a Batch Foundation—Preparation of a Key Amino Alcohol Intermediate via Multistage Continuous Synthesis. Organic Process Research & Development, 24(10), 1927-1937
  
  
• Malig, T. C., Tan, Y., Wisniewski, S. R., Higman, C. S., Carrasquillo-Flores, R., Ortiz, A., Purdum, G. E., Kolotuchin, S., & Hein, J. E. (2020). Development of a telescoped synthesis of 4-(1H)-cyanoimidazole core accelerated by orthogonal reaction monitoring. Reaction Chemistry & Engineering, 5(8), 1421–1428
  
  
• Malig, T. C., Yunker, L. P. E., Steiner, S., & Hein, J. E. (2020). Online HPLC Analysis of Buchwald-Hartwig Aminations from within an Inert Environment. Chemrxiv.org
  
  
• Milella, F., & Mazzotti, M. (2019). Estimation of the Growth and the Dissolution Kinetics of Ammonium Bicarbonate in Aqueous Ammonia Solutions from Batch Crystallization Experiments. Crystal Growth & Design, 19(10), 5907–5922
  
  
• Regenauer, N. I., Jänner, S., Wadepohl, H., & Roşca, D. (2020). A Redox‐Active Heterobimetallic N‐Heterocyclic Carbene Based on a Bis(imino)pyrazine Ligand Scaffold. Angewandte Chemie International Edition, 59(43), 19320–19328
  
  
• Rodič, P., Lekka, M., Andreatta, F., Fedrizzi, L., & Milošev, I. (2020). The effect of copolymerisation on the performance of acrylate-based hybrid sol-gel coating for corrosion protection of AA2024-T3. Progress in Organic Coatings, 147, 105701
  
  
• Rogers, J. A., & Popp, B. V. (2019). Operando Infrared Spectroscopy Study of Iron-Catalyzed Hydromagnesiation of Styrene: Explanation of Nonlinear Catalyst and Inhibitory Substrate Dependencies. Organometallics, 38(23), 4533–4538
  
  
• Schenk, C., Biegler, L. T., Han, L., & Mustakis, J. (2020). Kinetic Parameter Estimation from Spectroscopic Data for a Multi-Stage Solid–Liquid Pharmaceutical Process. Organic Process Research & Development, 25(3), 373-383
  
  
• Svatunek, D., Eilenberger, G., Denk, C., Lumpi, D., Hametner, C., Allmaier, G., & Mikula, H. (2020). Live Monitoring of Strain‐Promoted Azide Alkyne Cycloadditions in Complex Reaction Environments by Inline ATR‐IR Spectroscopy. Chemistry – a European Journal, 26(44), 9851–9854
  
  
• Towns, E. N., Guo, J., O'Brien, A., & Bondi, R. W. (2020). A Method for Real Time Detection of Reaction Endpoints Using a Moving Window T-Test of in Situ Time Course Data. Chemrxiv.org
  
  
• Unno, J., & Hirasawa, I. (2020). Parameter Estimation of the Stochastic Primary Nucleation Kinetics by Stochastic Integrals Using Focused-Beam Reflectance Measurements. Crystals, 10(5), 380
  
  
• Valera Lauridsen, J. M., Cho, S. Y., Bae, H. Y., & Lee, J.-W. (2020). CO2 (De)Activation in Carboxylation Reactions: A Case Study Using Grignard Reagents and Nucleophilic Bases. Organometallics, 39(9), 1652–1657
  
  
• Verissimo Lobo, V. T., Pacheco Ortiz, R. W., Gonçalves, V. O. O., Cajaiba, J., & Kartnaller, V. (2020). Kinetic Modeling of Maleic Acid Isomerization to Fumaric Acid Catalyzed by Thiourea Determined by Attenuated Total Reflectance Fourier-Transform Infrared Spectroscopy. Organic Process Research & Development, 24(6), 988-996
  
  
• Wei, B., Sharland, J. C., Lin, P., Wilkerson-Hill, S. M., Fullilove, F. A., McKinnon, S., Blackmond, D. G., & Davies, H. M. L. (2019). In Situ Kinetic Studies of Rh(II)-Catalyzed Asymmetric Cyclopropanation with Low Catalyst Loadings. ACS Catalysis, 10(2), 1161–1170
  
  
• Zhang, Z., Klussmann, M., & List, B. (2020). Kinetic Study of Disulfonimide Catalyzed Cyanosilylation of Aldehyde Using a Method of Progress Rates. Synlett