Katalyserade reaktioner

Katalyserade reaktioner används vanligtvis för att påskynda hastigheten med vilken en specifik kemi fortskrider. I huvudsak är katalysatorns verkan att tillhandahålla en alternativ väg med lägre energi för reaktionen.  För att detta ska ske interagerar det katalytiska ämnet med en reaktant och bildar en intermediär förening. Denna intermediär är övergående på så sätt att efter att den har bildats, bryts den sönder och lämnar den ursprungliga katalysatorarten oförändrad. En katalysator påverkas inte av reaktionen så långt som den kemiska strukturen eller massan vid reaktionens slut.

Det finns två allmänna typer av katalyserade reaktioner:

• Heterogen katalyserad reaktion är när katalysatorn och reaktanten existerar i två olika faser, såsom en fast katalysator med en reaktant i lösning.
• Homogen katalyserad reaktion är när katalysatorn och reaktanten är i samma fas, såsom när katalysatorn och reaktanterna löses upp i samma lösning.  

• Katalysatorer skapar en alternativ väg för att öka hastigheten och resultatet av en reaktion, så en grundlig förståelse för reaktionskinetiken är viktig. Det ger inte bara information om reaktionshastigheten, utan ger också insikt i reaktionsmekanismen.
• Katalysatorinteraktion med en reaktant är också av intresse. Katalyserade reaktioner producerar transienta intermediärer som är nyckeln till den katalytiska processen, reaktionshastigheten och slutprodukterna.  Att identifiera intermediärer som produceras av katalytiska reaktioner är ett pågående forskningsområde, och verktyg som ger insikt i närvaron och strukturen av intermediären är användbara.
• Att mäta effekten av reaktionsvariabler och betingelser på en katalytisk process är viktigt för reaktionsoptimering. Temperatur, tryck, reaktant- och katalysatorkoncentrationer, såväl som andra kemiska och fysikaliska parametrar har djupgående effekt på de produkter, utbyten och biprodukter som produceras i en katalytisk reaktion.
• Att undersöka aktiviteten och mäta produkter och biprodukter som produceras av olika katalysatorer för en given reaktion är viktigt för att välja den bästa kombinationen av katalysator och reaktionsbetingelser.
  
• Att mäta och förstå energin i en katalyserad reaktion är viktigt för att säkerställa en säker reaktion och framgångsrik uppskalning.

• Undersöka homogena och heterogena katalyserade reaktioner under verkliga reaktionsförhållanden, inklusive vid förhöjt tryck och temperatur.
• Detektera och hjälpa till att identifiera viktiga katalyserade reaktionsintermediärer.
• Skaffa snabbt data för att bestämma reaktionskinetik, förstå reaktionsmekanism och väg.
• Spåra och mät omedelbart produkter och biprodukter som produceras av katalytiska reaktioner.
• Testa och utveckla idealiska reaktionsförhållanden för att optimera slutproduktens utbyte och minimera sidoprodukter.
• Bestäm snabbt den bästa katalysatorn och villkoren för specifik reaktion.
• Eliminera de tidsfördröjningar som kommer från traditionell provextraktion och offlineanalyser.
• Eliminera införandet av luft, fukt eller störande reaktion till följd av provextraktion.
• Minimera operatörens exponering för giftiga kemikalier, potentiellt energetiska reaktioner eller farliga reaktionsförhållanden.

Anpassad med tillstånd från Tuba, R., Mika, L., Bodor, A. Pustai, Z., Toth, I. och Horvath, I., "Mekanism för den pyridinmodifierade kobolt-katalyserade hydroximetoxikarbonyleringen av 1,3-butadien", Organometallics, 22, 2003, 1582-1584. Upphovsrätt (2018) American Chemical Society.

Med hjälp av högtrycks-ReactIR undersökte forskarna hydrometoxikarbonyleringen av 1,3-butadien till metyl-3-pentenoat.  I närvaro av pyridin var Co₂ (CO) ₈ känt för att katalysera denna reaktion. Vid tidpunkten för undersökningen hade inga intermediärer identifierats och ett av målen med projektet var att identifiera intermediärer.

Till en början användes metanol som lösningsmedel och 1,3-butadien tillsattes till en jämviktsblandning av Co₂ (CO) ₈ och [Co (MeOH) ₆] [Co (CO) ₄]₂ under 75 bar kolmonoxid vid 100^°C.  Baserat på ReactIR-profilen identifierade forskarna en intermediär, η^3-C₄H₇Co(CO)₃, och efter att ha värmt upp reaktionen i flera timmar bildades metyl-3-pentenoatprodukten tillsammans med en blandning av Co₂ (CO) ₈ och [Co (MeOH) ₆] [Co-(CO) ₄]₂.

ReactIR avslöjade och hjälpte till med identifieringen av koboltintermediärerna och gav ytterligare insikt i den katalytiska mekanismen.

När pyridin användes som lösningsmedel var den intermediära arten [CoPy₆][Co(CO₄]₂ den enda metallarten som identifierades.  Efter upphettning av blandningen försvann kobolt-pyridinintermediären och förekomst av η^3-C₄H₇Co(CO)₃ och metyl-3-pentenoatprodukten observerades i ReactIR-spektralprofilen.

Vid ytterligare blandning under temperatur omvandlas η^3-C₄H₇Co(CO)3-intermediären till[CoPy₆][Co(CO₄]₂ och ytterligare pentanoatprodukt bildas. Forskarna rapporterade att omvandlingen av η^3-C₄H₇Co(CO)₃ till metyl-3-pentenoat var fyra gånger snabbare när pyridin användes som lösningsmedel, jämfört med metanol.

I det här exemplet var ReactIR användbart för att detektera kobolt-pyridinintermediären och gav information om den katalytiska mekanismen. ReactIR avslöjade att omvandlingshastigheten var mycket snabbare när pyridin användes som lösningsmedel. Detta demonstrerar användningen av in situ FTIR för att bestämma den bästa kombinationen av katalysator och lösningsmedel för att optimera en katalytisk reaktion.

Rueping, M., Bootwicha, T., Sugiono, E., "Kontinuerlig flödeskatalytisk asymmetrisk hydrogenering: Reaktionsoptimering med hjälp av FTIR in-line-analys, Beilstein J. Org. Chem. (2012), 8, 300-307.

I denna forskning visade forskarna för första gången att kontinuerlig flödeskemi kan utföra en katalytisk asymmetrisk överföringshydrogeneringsreaktion.  För att övervaka bildandet av produkten användes ett ReactIR-system utrustat med en specialdesignad ATR-flödescell som kopplades ihop med mikroreaktorn. Eftersom ett av målen med arbetet var att hitta en optimal uppsättning betingelser för reaktionen, fästes ReactIR i slutet av reaktionsströmmen.  

Deras initiala ansträngningar fokuserade på den asymmetriska hydrogeneringen av bensoxazin i närvaro av Hantzsch dihydropyridin som vätekälla och en kiral Brønsted-syrakatalysator. IR-band på 1479 cm-1 och 1495 cm-1 för bensoxazinreaktanten respektive dihydrobensoxazinprodukten användes för spårningsändamål

Möjligheten att spåra dessa band i realtid med online FTIR gav det sätt på vilket optimering av reaktionen åstadkoms.

Bland de många fördelarna med att använda kontinuerlig mikroflödesteknik för att undersöka reaktioner är förmågan att snabbt ändra reaktionsvariabler, såsom reaktant- och katalysatorkoncentration, flödeshastighet och temperatur, och att se effekten av dessa förändringar på reaktionsresultatet.

Vid katalyserad asymmetrisk hydrogenering av bensoxazin till dihydrobensoxazin utfördes en stegring av reaktionstemperaturen från 5 ^°C till 60 ^°C.  Författarna rapporterade att de uppnådde ett produktutbyte på 98 % genom att utföra reaktionen vid 60 ^oC vid en flödeshastighet på 0,1 ml och en uppehållstid på 1 timme.

Med hjälp av informationen från detta inledande arbete fortsatte forskaren att tillämpa detta katalytiska mikroflödesreaktionsprotokoll på en serie bensoxziner, kinoliner, quinoxaliner och 3 H-indoler.  Reaktionsbetingelserna för var och en av dessa serier optimerades.

Författarna avslutade med att konstatera: "Genom att tillämpa FTIR inline-övervakning kan reaktionsparametrar snabbt screenas i en enda reaktionsuppsättning, och de optimala reaktionsförhållandena kan erhållas mycket snabbare jämfört med den klassiska sekvensen för att genomföra reaktionen följt av analys."

Liten och lätt
Den strömlinjeformade profilen passar lätt in i fysiskt begränsade områden som en dragskåpa.

Reaktionsövervakning under alla kemiska förhållanden
Det finns alternativ för batch- eller flödeskemi och en mängd olika förhållanden, inklusive förhöjda tryck-/temperaturreaktioner och frätande reagenser.

Inget flytande kväve krävs
Infraröda mätningar kan göras kontinuerligt och obevakat så länge som nödvändigt för att rymma en syntes. 

Kraftfull programvara
iC IR-programvara gör det enkelt och intuitivt att ställa in och erhålla reaktionsprofiler. Det finns programvara för iC Kinetik och Reaction Progress Kinetic Analysis som använder IR-data för att snabbt och enkelt ta fram information om reaktionshastigheten.

I detta webbseminarium diskuterar Huw M. L. Davies, professor i kemi vid Emory University, Fourier Transform Infrared (FTIR) spektroskopi för att förstå effekten av katalysator, substrat och karbenoidprekursor på hastigheten och effektiviteten av rodiumkatalyserade reaktioner. Optimerade system med en substrat-till-katalysatorbelastning på mer än 1 000 000 utvecklades.

Den här presentationen innehåller:

• Studiet av donator/acceptor-karbenoider som är de centrala intermediärerna bakom kemin.
• Hur man tillämpar karbenoidkemi för syntes av farmaceutiska mål.

• Optimering av katalysatorreaktion
• Enzymatisk katalys
• Övervakning av hydrogeneringsreaktioner
• Mätning av polymerisationsreaktioner
• Mycket reaktiv kemi
• Syntes Reaktioner

Få insikt i kinetik, termodynamik, katalytiska cykler och reaktionsmekanismer för att säkerställa säkra och effektiva processer. Med den ökade användningen av organometallisk katalys och organokatalys vid utveckling och tillverkning av läkemedel och kemikalier är verktyg för att utveckla och optimera dessa reaktioner i stor skala avgörande.  Experimentella data som samlats in av PAT och som används tillsammans med Dynochem och Reaction Labs avancerade modelleringsverktyg ger ett effektivt sätt att få insikt i katalytiska reaktioner. Vid bedömning av kinetik under utveckling av katalytiska reaktioner modellerar Reaction Lab samtidigt effekten av variabler, inklusive temperatur, tryck, katalysatorbelastning, reaktant-, produkt- och biproduktkoncentrationer för att ge en bästa uppsättning reaktionsförhållanden. Reaktionens respons på specifika varierande parametrar och förhållanden kan observeras, och responsytor kan genereras som ger insikt i avvägningar mellan avkastning och förorening samt reaktionens robusthet. Hela den katalytiska reaktionen kan modelleras eller så kan enskilda steg i den katalytiska cykeln utvärderas för att ge förbättrade modeller vid behov. Dynochem möjliggör uppskalning av katalytiska reaktioner genom att modellera effekten av variabler, inklusive temperatur, tryck, blandningshastigheter och värmeöverföring för att snabbt identifiera lämpliga processförhållanden som säkerställer både säker drift och uppfyller målen för avkastning/förorening. Dynochem är särskilt viktigt för att optimera och skala upp katalytiska reaktioner som i sig är energetiska eller som utförs under potentiellt farliga förhållanden, och hjälper till att hantera risker genom att utveckla modeller för responsytor som avslöjar säkra driftsförhållanden.

Nedan följer ett urval av industrirelaterade publikationer där heterogena och homogena katalyserade reaktioner framgångsrikt undersökts:

• Wu, X., Ding, G., Lu, W., Yang, L., Wang, J., Zhang, Y., Xie, X., & Zhang, Z. (2021). Nickelkatalyserad hydrosilylering av terminala alkener med primära silaner via aktivering av elektrofil kisel-vätebindning. Organiska brev, 23(4), 1434–1439. https://doi.org/10.1021/acs.orglett.1c00111
• Mao, H., Wang, H., Meng, T., Wang, C., Hu, X., Xiao, Z., & Liu, J. (2021). En effektiv miljövänlig CuFe2O4/SiO2-katalysator för vanillyl mandelsyraoxidation i vatten under atmosfärstryck och en mekanismstudie. New Journal of Chemistry, 45(2), 982-992. https://doi.org/10.1039/d0nj04798h
• Baalbaki, H. A., Roshandel, H., Hein, J. E., & Mehrkhodavandi, P. (2021). Omvandling av utspädd CO2 till cykliska karbonater vid subatmosfäriskt tryck med hjälp av en enkel indiumkatalysator. Katalysvetenskap och teknik, 11(6), 2119–2129. https://doi.org/10.1039/d0cy02028a
• Ren, R., Huang, P., Zhao, W., Li, T., Liu, M., & Wu, Y. (2021). Ett nytt ternära organometalliskt Pd(ii)/Fe(iii)/Ru(iii) självorganiserande monolager: den väsentliga ensemblesynergisten för att förbättra den katalytiska aktiviteten. RSC Framsteg, 11(3), 1250–1260. https://doi.org/10.1039/d0ra09347e
• An, Q., Wang, L., Bi, S., Zhao, W., Wei, D., Li, T., Liu, M., & Wu, Y. (2021). Sandwichstrukturerad aryl-diimin Pd (II)/Co (II) monolager—Tillverkning, katalytisk prestanda, synergistisk effekt och mekanismundersökning. Molekylär katalys, 501, 111359. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2020.111359
• Gray, M., Hines, M. T., Parsutkar, M. M., Wahlström, A. J., Brunelli, N. A., & RajanBabu, T. V. (2020). Mekanism för koboltkatalyserad heterodimerisering av akrylater och 1,3-diener. En potentiell roll för katjonisk kobolt(I) intermediärer. ACS-katalys, 10(7), 4337–4348. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b05455
• Kariofillis, S. K., Shields, B. J., Tekle-Smith, M. A., Zacuto, M. J., & Doyle, A. G. (2020). Nickel/fotoredox-katalyserad metylering av (hetero)arylklorider med användning av trimetylortoformiat som källa till metylradikal. Journal of the American Chemical Society, 142(16), 7683-7689. https://doi.org/10.1021/jacs.0c02805
• Verissimo Lobo, V. T., Pacheco Ortiz, R. W., Gonçalves, V. O. O., Cajaiba, J., & Kartnaller, V. (2020). Kinetisk modellering av maleinsyraisomerisering till fumarsyra katalyserad av tiourea bestämd genom försvagad fouriertransformativ infraröd spektroskopi med total reflektans. Organisk processforskning och utveckling, 24(6), 988–996. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00487
• Deacy, A. C., Moreby, E., Phanopoulos, A., & Williams, C. K. (2020). Co(III)/Alkali-Metal(I) heterodinukleära katalysatorer för ringöppnande sampolymerisation av CO2 och propylenoxid. Journal of the American Chemical Society, 142(45), 19150–19160. https://doi.org/10.1021/jacs.0c07980
• Maier, T. M., Gawron, M., Coburger, P., Bodensteiner, M., Wolf, R., van Leest, N. P., de Bruin, B., Demeshko, S., & Meyer, F. (2020). Lågvalens anjoniska α-diimin järnkomplex: Syntes, karakterisering och katalytiska hydroborationsstudier. Oorganisk kemi, 59(21), 16035–16052. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.0c02606
• Dreimann, J. M., Kohls, E., Warmeling, H. F. W., Stein, M., Guo, L. F., Garland, M., Dinh, T. N., & Vorholt, A. J. (2019). In situ infraröd spektroskopi som ett verktyg för övervakning av molekylär katalysator för hydroformylering i kontinuerliga processer. ACS-katalys, 9(5), 4308–4319. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b05066
• Andrea, K. A., & Kerton, F. M. (2019). Triarylboran-katalyserad bildning av cykliska organiska karbonater och polykarbonater. ACS-katalys, 9(3), 1799–1809. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b04282
• Dechert-Schmitt, A. M., Garnsey, M. R., Wisniewska, H. M., Murray, J. I., Lee, T., Kung, D. W., Sach, N., & Blackmond, D. G. (2019). Mycket modulär syntes av 1,2-diketoner via multikomponentkopplingsreaktioner av isocyanider som CO-ekvivalenter. ACS-katalys, 9(5), 4508–4515. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b00581
• Masson-Makdissi, J., Jang, Y. J., Prieto, L., Taylor, M. S., & Lautens, M. (2019). Rodiumkatalyserad tandemisomerisering–allylering: Från diallylkarbonater till α-kvartära aldehyder. ACS-katalys, 9(12), 11808–11812. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04128
• 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 kinetiska studier av Rh(II)-katalyserad asymmetrisk cyklopropanation med låga katalysatorbelastningar. ACS-katalys, 10(2), 1161–1170. https://doi.org/10.1021/acscatal.9b04595