Каталитические реакции

Катализируемые реакции обычно используются для увеличения скорости протекания химических процессов. Задача катализатора — обеспечить альтернативный, низкоэнергетический путь протекания реакции.  Для этого каталитическое вещество взаимодействует с реагентом и образует промежуточное соединение. Это промежуточное вещество является переходным, поскольку после образования оно разрушается, а исходные каталитические компоненты остаются неизменными. Катализатор не расходуется в процессе реакции и не влияет на химическую структуру и массу по ее окончании.

Существует два основных типа катализируемых реакций:

• Гетерогенная катализируемая реакция — это реакция, в которой катализатор и реагент находятся в двух разных фазах, например твердый катализатор и реагент в виде жидкой фазы.
• Гомогенная катализируемая реакция — это реакция, в которой катализатор и реагент находятся в одной и той же фазе, например, когда катализатор и реагенты растворяются в одном и том же растворе.  

• Использование катализаторов — это альтернативный способ увеличения скорости и выхода реакции, поэтому важно глубоко понимать ее кинетику. Знание кинетики дает представление не только о скорости реакции, но и о ее механизме.
• Также интересен механизм взаимодействия катализатора с реагентом. В ходе каталитических реакций образуются переходные промежуточные соединения, которые играют важную роль в каталитическом процессе, влияют на скорость реакции и конечные продукты.  Идентификация таких промежуточных продуктов — это активно развивающаяся область исследований, которой необходимы инструменты, дающие представление о присутствии промежуточного продукта и его строении.
• Исследование влияния переменных и условий реакции на каталитический процесс помогает оптимизировать реакции. Температура, давление, концентрация реагентов и катализаторов, а также другие химические и физические параметры оказывают большое влияние на продукты, выход и побочные соединения, образующиеся в результате каталитической реакции. 
• Изучение активности и анализ конечных и побочных продуктов, полученных с участием различных катализаторов в данной реакции, помогают выбрать оптимальное сочетание катализатора и условий реакции. 
  
• Исследование и понимание энергетики каталитической реакции необходимы для обеспечения безопасности и успешного масштабирования.     

• Изучение гомогенных и гетерогенных каталитических реакций в реальных условиях, в том числе при повышенном давлении и температуре.
• Помощь в определении ключевых промежуточных продуктов каталитической реакции.
• Быстрое получение данных для определения кинетики реакции, понимания механизма и путей ее протекания.
• Мгновенное отслеживание и оценка основных и побочных продуктов, полученных в результате каталитических реакций.
• Создание идеальных условий реакции для оптимизации выхода конечных продуктов и сокращения побочных продуктов.
• Быстрое определение подходящего катализатора и условий для конкретной реакции.
• Не нужно тратить время на отбор проб и автономный анализ.
• Так как отбор проб не нужен, ход реакции не нарушается.
• Оператор защищен от воздействия токсичных химических веществ, потенциально опасных реакций и условий.

Адаптировано с разрешения Tuba, R., Mika, L., Bodor, A. Pustai, Z., Toth, I. and Horvath, I., “Mechanism of the Pyridine-Modified Cobalt-Catalyzed Hydroxymethoxycarbonylation of 1,3-Butadiene”, Organometallics, 22, 2003, 1582–1584. Copyright (2018) American Chemical Society.

Используя спектрометрию ReactIR высокого давления, исследователи изучили гидрометоксикарбонилирование 1,3-бутадиена в метил-3-пентеноате.  Как известно, присутствие пиридина  Co₂(CO)₈ катализирует эту реакцию. На момент проведения исследования не было выявлено никаких промежуточных продуктов, и одной из целей проекта было идентифицировать такие продукты.  

Первоначально в качестве растворителя использовали метанол, в равновесную смесь Co₂(CO)₈ and [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂ с давлением моноксида углерода 75 бар при 100^oC добавляли 1,3-бутадиен.  С помощью ReactIR исследователи определили промежуточное соединение η³-C₄H₇Co(CO)₃. Затем повышали температуру реакции в течение нескольких часов, в результате чего образовался метил-3-пентеноат, а также смесь Co₂(CO)₈ и [Co(MeOH)₆][Co-(CO)₄]₂.

Спектрометр ReactIR помог выявить и идентифицировать промежуточные продукты кобальта, а также глубже понять механизм катализа.

Когда в качестве растворителя использовали пиридин, в промежуточном соединении были обнаружены только молекулы металла [CoPy₆][Co(CO₄]₂.  После нагревания смеси интермедиат кобальта и пиридина исчезает, а в ИК-спектре наблюдается присутствие η³-C₄H₇Co(CO)₃ и продукта метил-3-пентеноата.

При дальнейшем перемешивании под действием температуры промежуточное соединение η³-C₄H₇Co(CO)₃ превращалось в[CoPy₆][Co(CO₄]₂ и дополнительно образовывался пентаноат. Как отмечают исследователи, превращение η³-C₄H₇Co(CO)₃ в метил-3-пентеноат происходило в четыре раза быстрее, когда в качестве растворителя применяли пиридин вместо метанола. 

В этом примере благодаря спектрометру ReactIR удалось обнаружить промежуточное соединение кобальт-пиридин и получить информацию о механизме катализа. Также с помощью прибора было установлено, что скорость конверсии была намного выше, когда в качестве растворителя использовали пиридин. Это демонстрирует эффективность применения ИКФС in situ для определения лучшего сочетания катализатора и растворителя и оптимизации каталитической реакции.

Rueping, M., Bootwicha, T., Sugiono, E., “Continuous-flow catalytic asymmetric hydrogenations: Reaction optimization using FTIR in-line analysis, Beilstein J. Org. Chem. (2012), 8, 300–307.

В этом исследовании ученые впервые продемонстрировали возможность провести каталитическую реакцию несимметричного гидрирования с переносом водорода с помощью методов химии непрерывных потоков.  Для контроля за образованием продукта использовали систему ReactIR, оборудованную специально разработанной проточной ячейкой ATR в сочетании с микрореактором. Поскольку одна из целей работы заключалась в том, чтобы найти оптимальный набор условий для реакции, ReactIR подключили в конце потока реакции.  

Первоначально исследователи изучали несимметричное гидрирование бензоксазина в присутствии дигидропиридина, полученного по методу Ганча, в качестве источника водорода и хирального кислотного катализатора Бренстеда. Для отслеживания рассматривали полосы ИК-спектра в диапазонах 1479 см-1 и 1495 см-1 для бензоксазинового реагента и продукта дигидробензоксазина соответственно.

Применение ИКФС для отслеживания этих полос в режиме реального времени позволило оптимизировать реакцию. 

Одно из множества преимуществ использования технологии непрерывного микропотока для исследования реакций — возможность быстро менять параметры реакции, такие как концентрация реагента и катализатора, скорость потока и температура, а также наблюдать за влиянием этих изменений на результат.

В ходе катализируемого несимметричного гидрирования бензоксазина до дигидробензоксазина температуру реакции повышали с 5 ^oC до 60 ^oC. Авторы сообщают о том, что добились выхода продукта 98 % путем проведения реакции при 60 ^oC, скорости потока 0,1 мл и времени удержания 1 час. 

Используя данные первоначальной работы, исследователи продолжили применять этот протокол реакции к ряду бензоксинов, хинолинов, хиноксалинов и 3H-индолов.  Для каждой серии были оптимизированы условия реакции.

Авторы пришли к выводу, что «с помощью ИК-Фурье-спектроскопии в технологическом потоке можно оперативно отслеживать параметры отдельной реакции и намного быстрее определять оптимальные условия реакции по сравнению с классической методикой, при которой анализ проводят после реакции».

Маленький и легкий
Обтекаемый корпус легко разместить в ограниченных пространствах, например в вытяжном шкафу.

Мониторинг реакции в любых химических условиях
Система доступна в разных конфигурациях для реакторов периодического и непрерывного действия, а также для различных условий, включая повышенное давление и (или) температуру, а также присутствие коррозионных реагентов.

Без жидкого азота.
Измерение спектра выполняется в непрерывном режиме без участия оператора. Длительность такого анализа полностью охватывает процесс синтеза. 

Мощное программное обеспечение
Программное обеспечение iC IR позволяет настраивать и получать профили реакции простым и интуитивно понятным способом. Имеется пакет ПО iC для кинетического анализа — iC Kinetics and Reaction Progress. Оно позволяет быстро определять скорости реакции на основании данных ИК-спектра.

В этом вебинаре профессор химии Университета Эмори Хув М. Л. Дэвис (Huw M. L. Davies) рассказывает о том, как ИК-Фурье спектроскопия помогает понять влияние катализатора, субстрата и предшественника карбеноида на скорость и эффективность реакций, катализируемых родием. В рамках исследования были разработаны оптимизированные системы с TON свыше 1 000 000.

Эта презентация включает следующие темы:

• Изучение донорных и акцепторных карбеноидов, которые являются центральными промежуточными продуктами.
• Применение химии карбеноидов к синтезу фармацевтических мишеней.

• Оптимизация каталитических реакций.
• Ферментативный катализ.
• Мониторинг реакций гидрирования.
• Исследование реакций полимеризации.
• Химические составы с высокой реакционной способностью.

Ниже представлен ряд отраслевых публикаций, в которых для исследования гетерогенных и гомогенных катализируемых реакций применяли ИКФС in situ:

• Willcox, D., Nouch, R., Kingsbury, A., Robinson, D., Carey, J., Brough, S., Woodward, S.  “Kinetic Analysis of Copper(I)/Feringa-Phosphoramidite Catalyzed AlEt3 1,4-Addition to Cyclohex-2-en-1-one” , ACS Catal. 2017, 7, 6901−6908.
• Das, U., Higman, C., Gabidullin, B., Hein, J., Baker, R. T., “Efficient and Selective Iron-Complex-Catalyzed Hydroboration of Aldehydes”, ACS Catal. 2018, 8, 1076−1081.
• Fu, W., Nie, M., Wang, A., Cao, Z., Tang, W., “Highly Enantioselective Nickel-Catalyzed Intramolecular Reductive Cyclization of Alkynones”, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 2520–2524.
• Höfler, D, van Gemmeren, M., Wedemann, P., Kaupmees, K., Leito, I.,  Leutzsch, M., Lingnau, J., List, B., “1,1,3,3-Tetratriflylpropene (TTP) – A Strong, Allylic C–H Acid for Brønsted and Lewis Acid Catalysis“, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1411–1415.
• Atodiresei, I., Vila, C., Rueping, M., “Asymmetric Organocatalysis in Continuous Flow: Opportunities for Impacting Industrial Catalysis”, ACS Catal. 2015, 5, 1972−1985.
• Zhang, Y-M., Yuan, M-L., Liu, W-P., Xie, J-H., Zhou, Q-L., “Iridium-Catalyzed Asymmetric Transfer Hydrogenation of Alkynyl Ketones Using Sodium Formate and Ethanol as Hydrogen Sources”, Org. Lett. 2018, 20, 4486−4489.