Hydrierung

Die Hydrierung gehört zu den am häufigsten verwendeten chemischen Reaktionen. Hydrierungsreaktionen ermöglichen die Bildung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einfachbindungen aus Alkenen und Alkinen, von Kohlenstoff-Sauerstoff-Einfachbindungen aus Ketonen, Aldehyden oder Estern und von Kohlenstoff-Stickstoff-Einfachbindungen (Aminen) aus Iminen oder Nitrilen in nur einem Schritt. Die Hydrierung wird durch mehrere Faktoren beeinflusst, u. a. Katalysator, Katalysatorkonzentration, Lösemittel, Reinheit des Substrats, Temperatur und Druck. Bei der Untersuchung der Katalysatorleistung werden in der Regel mehrere Parameter berücksichtigt: Ausbeute, Selektivität, TON/TOF, Aktivität und Stabilität. Durch die kontinuierliche Erfassung von Analysedaten während jedes Experiments gewinnen Chemiker mit jedem Experiment weitere Erkenntnisse. Durch ein Verständnis der Initiierung, des Mechanismus, der Konversion und des Endpunkts der Reaktion sowie des Unreinheits- oder Nebenproduktprofils können schnellere Entscheidungen über erforderliche Änderungen der chemischen Bedingungen oder der Prozessparameter getroffen werden. 

Das Verständnis der Hydrierungsreaktion wird bei Offline-Techniken erschwert, da bei diesen Techniken die Probe unter Druck aus dem Reaktor entnommen werden muss. Bei Offline-Techniken werden häufig Schwierigkeiten durch die Instabilität der Zwischen- und Endprodukte sowie durch den hohen Zeitaufwand zur Analyse der manuellen Proben verursacht. Aufgrund der laborintensiven Probennahme und -analyse sowie der Verzögerung bei Resultaten kann der Reaktionsendpunkt mit Offline-Techniken häufig nicht genau bestimmt werden. Zur Erleichterung datenreicher Experimente verwenden Forscher Prozessanalysetechnologie direkt im Reaktionsgefäß (in-situ). Kontinuierliche Reaktionsmessungen in Echtzeit werden zur Gewinnung fundamentaler Prozesserkenntnisse verwendet. Dadurch können schnellere Entscheidungen zu folgenden Zwecken getroffen werden: Reduzierung der Experimentanzahl und des Zeitaufwands zur Skalierung, Erhöhung der Selektivität/des Ertrags aus beinah umgehendem Feedback über die Reaktionsrichtung, Reduzierung der Zykluszeit und Verbesserung des Ertrags durch Bestimmung des idealen Endpunkts, indem die Reaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt unterbrochen wird und dadurch das Risiko der Bildung eines Nebenprodukts vermieden wird. 

Die Reduktion der Nitrobenzolderivaten dient beispielsweise zur Produktion von Zwischenprodukten, die für die Synthese von Arzneimittelwirkstoffen (APIs) und Feinchemikalien verwendet werden. Die Selektivität und Reaktivität der Reaktion führen zu verschiedenen Verhältnissen zwischen Hydroxylamin und Anilin und sind abhängig von verschiedenen Variablen, einschließlich Lösemittel, Katalysator, Temperatur und Druck. Ein besseres Verständnis darüber, wie diese Variablen die Reaktionsleistung beeinflussen, ist für die Prozessentwicklung und -steuerung von Vorteil. 

Dieses Diagramm zeigt die Reduktion von Nitrobenzol ohne Katalysator. Die Komponenten werden leicht detektiert und gefolgt von dem Verbrauch von Ф-NO₂ und der Bildung von Ф-NH₂. Die Überwachung des Reaktionsfortschritts zeigt einen schnellen und sofortigen Verbrauch des Ausgangsmaterial und die Bildung von Anilin ohne eine nachweisliche Bildung eines Zwischenprodukts. Die Komponentenkonzentrationsprofile werden zur Bestimmung eines genauen und präzisen Endpunkts für die Produktion von Ф-NH₂ verwendet. Die Informationen über den Reaktionsmechanismus und die Reaktionskinetik können abgeleitet werden und zeigen eine Kinetik nullter Ordnung sowohl für den Verbrauch von Ф-NO₂ als auch für die Bildung von Ф-NH₂ an. Kritische Prozessparameter (z. B. Katalysatoreigenschaften) können identifiziert werden, sodass eine vollständige Nitrobenzolumwandlung, eine hohe Ausbeute an Nitrobenzol und eine optimierte Reaktionszeit erreicht werden.

In diesem Beispiel, in dem ein anderer Katalysator verwendet wurde, zeigen die Daten die Bildung von Ar-NHOH als Zwischenprodukt an, was zu einer längeren Reaktionszeit für die Bildung von Ar-NH₂ führt. Durch die Anwendung der in-situ ReachtIR-Spektroskopie kann ein genauer und präziser Endpunkt sowohl für das Zwischenprodukt Ф-NHOH als auch für das Endprodukt Ф-NH₂ einfach bestimmt werden. Der Reaktionsmechanismus und die Reaktionskinetik können aus dem Diagramm über die Form des Komponentenprofils abgeleitet werden, das Kinetiken zweier Ordnungen anzeigt. Eine Kinetik nullter Ordnung wird für den Verbrauch von Ф-NO₂ und für die Bildung von Ф-NHOH beobachtet, während eine Kinetik annähernd erster Ordnung (im Verhältnis von CФ-NHOH) für die verzögerte Bildung von Ф-NH₂ zu beobachten ist. Kritische Prozessparameter (z. B. Katalysatoreigenschaften) werden bestimmt, was zu einer höheren Ausbeute für das Endprodukt Ar-NH₂ führt.

Hydrierungsreaktionen stellen Herausforderungen bei der Reaktionskinetik, der Selektivität, der Reaktivität und der Endpunktvariabilität von Charge zu Charge und bei der Skalierung auf. Diese Präsentation enthält vier Fallstudien:

• Reduktion von Nitrobenzol
• Rosenmund-Reduktion
• Reduktion von Pyrazin
• Reduktive Aminierung

Die Inline ReactIR FTIR-Spektroskopie  wird in-situ durchgeführt und liefert  Echtzeit-Informationen über eine Reaktion. Dadurch können während des Experiments Entscheidungen getroffen werden, z. B. darüber, wann die Reaktion abgebrochen werden soll. ReactIR bietet aufgrund alternativer Analysemethoden viele Vorteile, u. a.:

• Unempfindlich gegen Blasen und Feststoffe, daher ideal geeignet für Hydrierungen und heterogene Reaktionen
• Keine extraktive Probennahme erforderlich, daher Möglichkeit zur Messung der Hydrierung in ihrer natürlichen Umgebung bei gleichzeitiger Bewahrung der Integrität der chemischen Reaktion
• Erfüllt das Lambert-Beer'sche Gesetz und ist somit für qualitative und quantitative Messungen geeignet

Auch wenn die Integration von PAT-Tools eine umfassende und kontinuierliche Echtzeit-Analyse der Reaktion liefert, sind kritische Informationen über niedere Verunreinigungsprofile mit diesen Techniken begrenzt. Offline-Verfahren gelten bei der Verunreinigungsanalyse als Standard, jedoch ist die Probennahme bei Hydrierungen unter Druck schwierig und die Messdaten sind häufig eingeschränkt. Zum Verständnis des Mechanismus der Nebenproduktbildung muss bestimmt werden, in welchem Schritt der Hydrierung das Nebenprodukt gebildet wird und welche Parameter die Bildung des Nebenproduktes verursachen. In dieser Case Study wird erläutert, wie diese Informationen erfasst und fundierte Entscheidungen bei Arbeiten mit Druckreaktionen getroffen werden können.

Hydrierungsverfahren sind in der Regel stark exotherm, weshalb umfassende sicherheitsrelevante und kinetische Untersuchungen auf Basis von Wärmeflusskalorimetrie, Wasserstoffaufnahmemessungen und Online- Spektroskopie (mittlerer IR-Bereich) vor der Skalierung durchgeführt werden. Das Prozessverhalten, wie etwa Temperatur oder Reaktionszeit, sowie dessen Einfluss auf den Grad an Rückständen und Verunreinigungen kann in einem Labor mit einem Reaktionskalorimeter vorhergesagt werden. Prozessszenarien auf Basis von Stoff- und Wärmeübertragung sowie eine vollständige kinetische Beschreibung können zu erhöhter Katalysatorstabilität, einem optimalen Prozesstemperaturprofil und optimaler Reaktionszeit führen.

• Polymersynthese
• Studien zur Kinetik chemischer Reaktionen
• Entwicklung und Skalierung chemischer Prozesse
• Wärmeübertragung und Prozessskalierung
• Mischen und Massentransfer
• Kontinuierliche Strömungschemie
• Sichere chemische Prozesse
• Prozessanalysetechnologie
• Kontrolle von Isocyanatrückständen