催化反应通常用于加快特定化学物的反应速率。 从本质上说，催化剂的作用是为反应提供一种替代的、低能量的途径。 为此，催化物质将与反应物相互作用，形成中间化合物。 这种中间物是瞬时存在的，它形成后就会分裂，但保持原来的催化剂种类不变。 反应完成时，催化剂的化学结构或质量不受反应的影响。
催化反应通常有两种类型：
- 非均相催化反应指的是催化剂和反应物以两种不同的相存在，如催化剂为固体，而反应物为溶液。
- 均相催化反应指的是催化剂与反应物的相相同，如催化剂和反应物溶解在同一种溶液中。
催化反应定义
为什么必需监测催化反应？
- 催化剂提供了提高反应速度和结果的另外一种途径，因此务必透彻了解反应动力学。 这不仅提供了有关反应速率的信息，而且还提供了对反应机制的深入了解。
- 催化剂与反应物之间的相互作用也要进行研究。 催化反应会产生瞬时中间体，这是催化过程、反应速率和较终产物的关键。 识别催化反应产生的中间体是一个正在进行的研究领域，能够洞察中间体的存在和结构的工具对此非常有帮助。
- 监测反应变化因素和条件对催化过程的影响对于反应优化来说非常重要。 温度、压力、反应物和催化剂浓度，以及其他化学和物理参数对产品、产量和催化反应中的副产品具有非常重大的影响。
- 为了选择较佳的催化剂和反应条件组合，研究不同催化剂对某种特定反应产生的活性及其产物及副产物的测定都具有重要的意义。
- 监测和了解催化反应的能量对于确保安全的反应和成功的规模放大来说至关重要。
使用原位FTIR光谱仪研究催化反应的价值
- 研究实际反应条件（包括升高的压力和温度）下的均相和非均相催化反应。
- 检测并帮助识别催化反应中间体。
- 快速获取数据来确定反应动力学，了解反应机理和路径。
- 快速跟踪和监测催化反应产生的产物和副产物。
- 测试和开发理想的反应条件，优化较终产物的产率，较大程度减少副产物。
- 针对特定的反应快速确定较佳催化剂和条件。
- 消除了传统样品提取和离线分析导致的时间延迟。
- 避免了样品提取导致的空气、水分的引入或反应中断。
- 较大程度减少了操作人员接触有毒化学品、潜在能量反应或危险反应条件的机会。
催化反应示例
案例研究：八羰基二钴催化反应中的中间物识别
经授权改编：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. 版权所有(2018) 美国化学学会。
研究人员使用高压ReactIR研究了1,3-丁二烯到3-戊酸甲酯的水甲氧基羰基化过程。 存在吡啶时，我们已经知道Co2(CO)8能够催化此反应。 进行此研究时，未能识别任何中间体，而该项目的目标之一就是识别中间物。
较初，使用甲醇作为溶剂，在100oC，75 bar一氧化碳的Co2(CO)8和[Co(MeOH)6][Co-(CO)4]2 平衡混合物中加入了1,3-丁二烯。 根据ReactIR特征曲线，研究人员识别了中间体η3-C4H7Co(CO)3，对反应加热几个小时之后，形成了3-戊酸甲酯产物以及Co2(CO)8和[Co(MeOH)6][Co-(CO)4]2的混合物。
ReactIR揭示并帮助识别了钴中间体，并对该催化机制提供了更多的见解。
使用吡啶作为溶剂时，中间体种类[CoPy6][Co(CO4]2是所识别的唯一金属种类。 加热混合物之后，这种钴-吡啶中间体消失，在ReactIR光谱特征曲线中观察到了η3-C4H7Co(CO)3和3-戊酸甲酯产物的存在。
随着在高温下的进一步混合，这种η3-C4H7Co(CO)3中间体转换为了 [CoPy6][Co(CO4]2并形成了附加的戊酸产物。 研究人员报告说，与使用甲醇作为溶剂相比，使用吡啶作为溶剂时η3-C4H7Co(CO)3到3-戊酸甲酯的转换速度快了四倍。
在此示例中，ReactIR对于检测钴-吡啶中间体非常有帮助，且提供了催化机制的相关信息。 ReactIR揭示了，使用吡啶作为溶剂时的转换速度要快得多。 这说明了原位FTIR在确定较佳催化剂/溶剂组合，从而优化催化反应中的用途。
案例研究：通过连续流催化不对称加氢
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.
在此研究中，科研人员第一次展示了连续流化学执行催化不对称转换加氢反应的能力。 为了监测产物的形成，使用了一个配备了专门设计的ATR流通池的ReactIR系统，并连接了微反应器。 因为本次研究的目标之一是找出较佳反应条件集合，所以在反应流的较后连接了ReactIR。
他们较初的工作主要关注存在Hantzsch二氢吡啶作为氢源和手性Brønsted酸性催化剂的条件下的苯并恶嗪的不对称加氢。 对于苯并恶嗪反应物和二氢苯并恶嗪产物分别使用了1479 cm-1和1495 cm-1的红外光带进行跟踪。
使用在线FTIR实时跟踪这些光带的能力提供了多种方法，从而实现了反应的优化。
使用连续微流技术研究反应有许多优点，其中之一是能够快速改变反应变量，如反应物和催化剂的浓度、流速和温度，而且能够观察这些变化对反应结果的影响。
在苯并恶嗪到二氢苯并恶嗪的催化不对称加氢过程中，执行了从5oC到60 oC的反应升温。作者报道，在60 oC，0.1 ml流速和1小时停留时间条件下执行反应可达到98 %的产物产量。
利用这项初步工作中的信息，科学家继续将这种催化微流反应方法应用于一系列苯并恶嗪类、喹啉类、喹恶啉类和3H-吲哚类化合物。 每个此类物质的反应条件均得以优化。
作者较后总结说：“通过应用FTIR在线监测，可以在一个反应设置中快速筛选反应参数，与分析后执行反应的传统顺序相比，获取较佳反应条件的速度要快得多。”
使用原位FTIR了解催化反应
全新的ReactIR 702L
体积小巧，重量轻
简化的外形可轻松放入有限的物理空间内，如通风橱内。
任何化学条件下的反应监测
提供了批次或流动化学以及各种条件选项，包括高压/温度反应和腐蚀性试剂。
不需要液氮
只要合成需要，就可以进行连续和无人参与的红外监测。
功能强大的软件
iC IR软件使得反应曲线的设置和获取变得简单直观。iC动力学和反应进度动力学分析软件可以使用IR数据快速简便地生成反应速度信息。
了解不对称铑催化卡宾体反应
在此网上技术交流讲座中，埃默里大学的化学教授Huw M. L. Davies讨论了使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪来了解催化剂、底物和卡宾前体对铑催化反应速率和效率的影响。 开发了底物和催化剂负载量大于1,000,000的的优化系统。
此演示文稿包括：
- 化学背后的核心中间体-给体/受体卡宾体化合物的研究。
- 如何对制药目标物的合成应用卡宾体化学。
实时催化反应监测
原位 傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪可实时监控关键反应组分。 即使在离线采样及分析困难等严苛的条件下（如压力或极端温度下的反应），ReactIR均可监测反应进程，提供反应开始、动力学、转化率、中间物和终点相关的具体信息。 应用包括：
催化反应自动化
通过控制温度、混合、加样及pH值，小容量的化学合成反应器允许化学家快速有效地、日以继夜地进行试验。 自动化实验室反应器与无人值守、代表性采样或原位分析工具相结合，可提供更高水平的工艺开发，从而了解从颗粒尺寸到分子水平的反应路径、动力学与反应进程。 这些化学合成反应器使用方便，实验重复性强，一键单击即可提供报告，允许安全的数据存储和数据共享，结果可以很容易地在全球各地的工作人员之间共享。
行业相关出版物中的催化反应
下面是部分行业相关出版物，其中介绍了使用原位FTIR光谱仪研究均相和非均相催化反应：
- 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.