Hydrogenační reakce

Hydrogenace patří mezi nejvýznamnější třídu reakcí při výrobě velkoobjemových a jemných chemikálií. Adicí atomů vodíku na organickou sloučeninu se sníží funkčnost dvojné nebo trojné vazby a vytvoří se jednoduché vazby. Hydrogenační reakce umožňuje v jediném kroku vznik jednoduchých vazeb C-C z alkenů a alkynů, vazeb C-O z ketonů a aldehydů či esterů a vazeb C-N (aminů) z iminů nebo nitrilů atd. 

Kovové katalyzátory se často používají v hydrogenačních reakcích k redukci vysokoenergetické bariéry transformace. Například při transformaci alkenů a alkynů na alkany jsou zapotřebí katalyzátory na bázi niklu, palladia nebo platiny. Hydrogenace může být buď homogenní, nebo heterogenní, s použitím kovů adsorbovaných na různých substrátech. V prvním případě se například pro dosažení asymetrické hydrogenace používají kovové katalyzátory na bázi rhodia a iridia, koordinované se specifickými ligandy. Ve druhém případě vznikají alkany z uhlíkových složek s dvojnou nebo trojnou vazbou. Ve všech případech volba katalyzátoru výrazně ovlivňuje hydrogenační reakci, stejně jako koncentrace katalyzátoru, rozpouštědlo, čistota substrátu, teplota a tlak.

Použití hydrogenačních reakcí v průmyslových a komerčních aplikacích je četné a dobře známé. V potravinářských výrobcích se tekuté potravinářské oleje hydrogenací přeměňují na pevné jedlé tuky.  V ropném průmyslu jsou hydrogenovány různé uhlovodíky za použití katalyzátorů k vytvoření alkanů v benzínu a hydrogenace uhlí představuje alternativní zdroj paliva. Hydrogenace oxidu uhelnatého se používá pro výrobu velkoobjemového množství metanolu a Haber-Boschův proces používá kovové katalyzátory k syntéze amoniaku z dusíku a vodíku.

U jemných chemikálií používaných nebo vyráběných ve farmaceutické chemii jsou hydrogenační reakce neméně důležité. Klasickým příkladem je použití chlortris(trifenylfoshexin)rhodia, Wilkinsonova katalyzátoru, k redukci alkenů a alkynů bez ovlivnění jiných funkčních skupin v molekule. Další skupina katalyzátorů s Josiphos difosfinovými ligandy se používá pro enantioselektivní hydrogenační reakce. Pro hydrogenace existuje řada specificky přizpůsobených katalyzátorů, které používají přechodové kovy s chirálními ligandy, které do cílové sloučeniny přenášejí chiralitu.  

Hydrogenační reakce se často uskutečňují za potenciálně náročných podmínek, včetně zvýšeného tlaku a teploty za přítomnosti katalyzátorů. Proto je monitorování důležité ze dvou úzce souvisejících důvodů: 1. Optimalizovaný výnos a 2. Bezpečný proces. Bezpečné reakce jsou dobře řízené reakce, které produkují zamýšlené produkty a minimalizují nežádoucí a potenciálně nebezpečné vedlejší produkty. Stejně jako u mnoha jiných reakcí umožňuje pochopení vzniku, mechanismu, přeměny a koncového bodu reakce a rovněž profilu nečistot nebo vedlejších produktů rychleji rozhodnout, jaké změny chemických podmínek nebo parametrů procesu je třeba provést. 

Použití in situ FTIRmonitoringu reakcí a reakční kalorimetrie snižuje počet experimentů a dobu nutnou na zavedení procesu do praxe, zvyšuje bezpečnost, selektivitu a výnos, zkracuje dobu cyklu a minimalizuje vznik vedlejších produktů.   Navíc pro přesné kvantitativní měření reakčních složek a profilů nečistot pomocí off-line HPLC umožňuje systém EasySampler automatické, bezobslužné vzorkování hydrogenačních reakcí při tlaku a teplotě a rovněž automatické ochlazení a ředění odebraných vzorků pro podporu off-line HPLC měření 

Reaktory pro chemickou syntézu a reakční kalorimetrie

• Přesná, automatická kontrola pro testování a optimalizaci parametrů reakce
• Měření průtoku tepla za aktuálních podmínek reakce – tlak, teplota, dávkování, míchání atd.  
• Zajištění bezpečných a optimalizovaných reakcí - podpora bezpečného zavedení do praxe

Spektrometry FTIR

• Sledování postupu reakce v reálném čase; sledování reaktantů, reagentů, meziproduktů, produktů a vedlejších produktů
• Měření reakčních složek za přítomnosti pevných částic a bublin
• Získání klíčových informací o kinetice a mechanice reakce
• Odstranění obtíží provázejících off-line měření reakcí při tlaku a teplotě – minimalizace extrakce vzorků a narušení reakční rovnováhy  

Automatické in-line vzorkování

• Vzorkování a chlazení hydrogenačních reakcí za procesních podmínek v předem nastavených časech
• Zajištění vzorků pro off-line HPLC analýzu profilů nečistot, kinetiky a pro splnění požadavků předpisů
• Podpora kvantitativního HPLC měření reakčních složek pro kalibraci grafů IR trendů

Spektroskopie ReactIR FTIR jetechnika in situ, která poskytuje okamžité informace a umožňuje provádět účinná rozhodnutí v reálném čase. Jelikož je technologie ReactIR sondy odolná vůči poškození většinou reakčních podmínek, pevnými částicemi a plyny, nabízí v porovnání s alternativními analytickými metodami tyto výhody:

• Zkoumání homogenních a heterogenních hydrogenací za skutečných reakčních podmínek, včetně zvýšeného tlaku a teploty
• Identifikace, sledování a měření reaktantů, reagentů, produktů, meziproduktů reakcí a vedlejších produktů vznikajících při hydrogenacích
• Rychle získání informací bohatých na data pro stanovení kinetiky reakce, pochopení reakčního mechanismu a cesty
• Testování a vytváření ideálních reakčních podmínek pro optimalizaci výnosu konečného produktu a minimalizaci vedlejších produktů
• Rychlá kontrola katalyzátorů a podmínek pro specifické hydrogenační reakce
• Vyloučení vnosu vzduchu, vlhkosti nebo narušení reakční rovnováhy v důsledku extrakce vzorků

Zjistěte, jak vědci na Tokijské univerzitě dokázali využít in situ spektroskopie k provedení tandemové hydroformylace/hydrogenace.

Automatické, bezobslužné vzorkování s použitím sondy poskytuje reprezentativní reakční vzorky po dlouhou dobu –  dokonce i při působení tlaku.

V Novartisu dokázali výzkumní pracovníci důkladněji pochopit mechanismus faktorů, které ovlivňují hydrogenační reakce a vedlejší produkty. Dodatečným použitím kvantitativních HPLC měření v průběhu hydrogenační reakce, kde bylo vzorkování dříve nemožné, došlo k rychlé korekci předpokladů a byl zpracován realistický mechanistický model, jehož výsledkem byla vyšší produktivita a kratší časové průběhy.

Podívejte se, jak EasySampler umožnil získat tyto poznatky. 

Hydrogenační procesy jsou typicky silně exotermické, což je důvod, proč se před zavedením do praxe provádí komplexní zkoumání bezpečnosti a kinetiky pomocí kalorimetrie s měřením průtoku tepla, měření absorpce vodíku a on-line spektroskopie (mid-IR). Predikce chování procesů ve velkém rozsahu, jako je teplota nebo čas reakce, a jeho vlivu na zbytkové úrovně meziproduktů a nečistot lze provádět v laboratoři s využitím reakčního kalorimetru. Scénáře procesů na základě přenosu hmoty a tepla a rovněž úplná kinetická charakterizace mohou zlepšit stabilitu katalyzátoru a zajistit optimální profil pracovní teploty a reakční doby.

• 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
• Ehnes , C., Lucas, M., Claus, P., “Effects of Various Solvents and Amines on the CO2 Hydrogenation to Formic Acid”, Chem. Ingen. Tech., 2017, 89(3), 303-309.
• Ehnes , C., Lucas, M., Claus, P., “In‐situ ATR‐IR Spectroscopy: Monitoring Hydrogenation of CO2 and Formation of Formic Acid”, Chem. Ingen. Tech., 2016, 88(10), 1474-1479.
• Liu, W-P., Yuan, M-L., Yang, X-H., Li, K., Xie, J-H., Zhou, Q-L., “Efficient Asymmetric Transfer Hydrogenation of Ketones in Ethanol with Chiral Iridium Complexes of SpiroPAP Ligands as Catalysts” ChemComm, 2015, 51, 6123-6125
• Hamilton, P., Sanganee, M., Graham, J., Hartwig,T., Ironmonger,A., Priestley, C., Senior, L., Thompson, D., Webb, M., “Using PAT To Understand, Control, and Rapidly Scale Up the Production of a Hydrogenation Reaction and Isolation of Pharmaceutical Intermediate”, Org. Proc. Res. Dev., 2015, 19 (1), pp 236–243
• Mitchell, C., Strawser, J., Gottlieb, A., Millonig, M., Hicks, F., Papageorgiou, C., “Development of a Modeling-Based Strategy for the Safe and Effective Scale-up of Highly Energetic Hydrogenation Reactions” Org. Process Res. Dev. 2014, 18, 1828−1835
• Crump, B., Goss, C., Lovelace, T., Lewis, R., Peterson, J., “Influence of Reaction Parameters on the First Principles Reaction Rate Modeling of a Platinum and Vanadium Catalyzed Nitro Reduction”, Org. Process Res. Dev. 2013, 17, 1277−1286
• Richner, G., van Bokhoven, J., Neuhold, Y-M., Makoscha M.,Hungerbuhler,K., “In situ infrared monitoring of the solid/liquid catalyst interface during the three-phase hydrogenation of nitrobenzene over nanosized Au on TiO2”, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011,13, 12463-12471
• Littler, B., Looker, A., Blythe, T.,“Optimization of a Hydrogenation Process using Real-Time Mid-IR, Heat Flow and Gas Uptake Measurements”, Org. Process Res. Dev., 2010, 14, 1512–1517
• Casey, C., Beetner, S., Johnson, J., “Spectroscopic Determination of Hydrogenation Rates and Intermediates during Carbonyl Hydrogenation Catalyzed by Shvo's Hydroxycyclopentadienyl Diruthenium Hydride Agrees with Kinetic Modeling Based on Independently Measured Rates of Elementary Reactions”, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130 (7), pp 2285–2295
• Blackmond, D., Ropic, M., Stefinovic, M., “Kinetic Studies of the Asymmetric Transfer Hydrogenation of Imines with Formic Acid Catalyzed by Rh−Diamine Catalysts”, Org. Process Res. Dev., 2006, 10 (3), pp 457–463

Autoři popisují použití chirálního spiro iridiového katalyzátoru pro asymetrickou transfer hydrogenaci různých alkynylketonů na chirální propargylalkoholy s vysokým výnosem a enantioselektivitou.  Zjistili, že při použití HCO2Na jako donoru vodíku se alkynylketon přemění na propargylalkohol s 97% e.e.  Pro zlepšení rychlosti hydrogenace použili HCO2Cs, protože cesiová složka má vyšší rozpustnost v etanolu než ekvivalentní sodná složka. 

Byla použita in situ FTIR spektroskopie ke sledování asymetrické transfer hydrogenace a získání poznatků o mechanismu reakce.  Výsledky ukazují, že došlo k přeměně HCO2Cs na ethyl-karbonát cesný (EtOCO2Cs) a že spektrální pík ketonu v průběhu času zmizel.  Informace ze spekter naznačují, že sůl kyseliny mravenčí a EtOH slouží jako hydridové a protonové zdroje.  

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. DOI:10.1021/acs.orglett.8b01787