监测氢化反应

氢化是较重要的化学反应之一。 氢化反应只需一步即可使烯烃和炔烃形成C-C简单键、酮类、醛类或酯类形成C-O键，亚胺或腈类形成C-N（胺类）等。 氢化受许多因素的影响，例如：催化剂类型、催化剂浓度、溶剂、基材纯度、温度和压力。 在考虑催化剂性能时，通常会考虑四种参数：产量、选择性、TON/TOF、活性和稳定性。 化工人员在每次实验中不断采集分析数据，这为较有效地了解每次反应的结果 清除了障碍。 了解反应开始、机理、转化与终点以及杂质或副产物情况，可更快速地确定需要改变的化学条件或工艺参数。 

使用离线方法难以了解氢化反应过程，这些方法需要在加压时从反应釜内提取样品。 离线方法的弊端包括反应中间体与产物不稳定以及分析手动样品时带来延迟等。 由于取样和分析需要投入大量人力以及结果延迟的缘故，通过离线方法经常无法准确确定反应终点。 为了快速进行数据充足的实验，研究人员原位采用直接插入反应容器内的探头技术 。 为了了解基本工艺，进行连续实时反应测量。 运用此方法更快速作出决策，以减少实验次数和工艺放大生产的时间；通过对反应方向即时反馈提高选择性/产量；通过在特定时间点停止反应和避免副产物形成的风险确定理想的终点，进而缩短周期时间和提高产量。 

例如，还原硝基苯衍生物常用于制成活性药物成分（API）与精细化工合成时使用的中间体。 反应的选择性与反应性可产生不同比例的羟胺/苯胺，这取决于溶剂类型、催化剂、温度与压力等多种因素。 更好地了解这些因素影响反应性能的方式对于工艺开发与控制有益。 

此图显示的是不使用催化剂进行的硝基苯还原。 通过Ф-NO₂的消耗和Ф-NH₂的形成可轻松检测和跟踪组分。 对反应进度进行的监测显示，原料消耗以及苯胺形成快速，并且没有证据表明存在中间体。 组分浓度曲线图用于测定制成Ф-NH₂的精准终点。 可推断出指示Ф-NO₂消耗与Ф-NH₂形成的零阶动力学的机理与动力学信息。 可识别将会造成硝基苯完全转化、硝基苯产量较多以及反应时间得到优化的重要工艺参数，例如：催化剂的性质。

在此例中，由于使用了另外一种催化剂，因此数据显示出现中间体Ar-NHOH，这导致生成Ar-NH₂的反应时间较长。 通过采用原位ReactIR光谱仪，可轻松测定Ф-NHOH中间体与Ф-NH₂产物的精准终点。 通过图示，可根据组分曲线形状（表明存在两种动力学机制）推断出机理与动力学信息。 通过Ф-NO₂消耗与Ф-NHOH形成观察零阶动力学，通过Ф-NH₂延迟形成观察近一阶动力学（关于CФ-NHOH）。 识别催化物特性等关键工艺参数，这有助于提高Ar-NH_{2产物的产量。}

在批量一致性与放大生产过程中，氢化在反应动力学、选择性、反应活性方面遇到挑战。 本演示文稿中包含四个案例研究：

• 硝基苯还原
• 罗森蒙德还原
• 吡嗪还原
• 还原性氨化反应

在线 ReactIR FTIR光谱仪 是一种原位方法，可提供关于反应 的即时信息。 可在整个实验中立即作出决策（例如：结束反应的时间等）。 与其他分析方法相比，ReactIR具有许多优点，例如：

• 不受气泡或固体影响，是氢化反应或任何非均相反应的理想之选
• 无需取样，具备在自然环境中测量氢化的能力，同时保持化学反应的完整性
• 符合朗伯-比尔定律，可进行定性和定量测量

尽管集成PAT工具可实时对反应进行全面和持续分析，但是这些方法会限制关于低含量杂质分布的关键信息。 离线方法被认定为杂质分析的标准方法，但是在压力条件下对氢化反应取样具有一定难度，通常会对测量数据产生限制。 了解副产物形成的机理需要首先识别副产物形成的氢化步骤，然后确定造成副产物形成的参数。 在此案例研究中，将对在处理压力反应的同时获取此信息和进行明智决策的方法进行解释。

氢化过程通常会大量放热，因此在放大生产之前，在热流量热法、氢吸收测量和在线光谱仪（中红外）的基础上进行全面的安全和动力学研究。 可在实验室内使用反应量热仪预测大规模工艺行为（例如：温度或反应时间）及其对残留中间体和杂质含量的影响。 基于质量与热传输以及全面动力学定性的工艺方案可提高催化剂稳定性、优化工艺温度和反应时间。

• 高分子合成
• 化学反应动力学研究
• 化学工艺开发和放大生产
• 热传递与工艺放大生产
• 混合与传质
• 连续流动化学
• 化学工艺安全性
• 工艺分析技术
• 控制残留异氰酸酯