Гидрирование

Гидрирование — одна из ключевых химических реакций.  За один этап оно позволяет образовывать простые связи C-C из алкенов и алкинов, связи C-O из кетонов, альдегидов или сложных эфиров и связи C-N (амины) из иминов или нитрилов и т. д. На реакцию гидрирования оказывают влияние несколько факторов, включая тип и концентрацию катализатора, растворитель, степень чистоты субстрата, температура и давление. При изучении характеристик катализатора обычно рассматривается четыре параметра: выход, селективность, TON/TOF, активность и стабильность. Непрерывный сбор аналитических данных в процессе каждого эксперимента помогает ученым-химикам устранять барьеры для лучшего понимания каждой реакции. Понимание начала, механизма, конверсии и конечной точки реакции, а также профиля примесей или побочных продуктов позволяет быстрее принимать решения о необходимых изменениях в химических условиях или параметрах процесса. 

Автономные методы анализа, требующие отбора проб из реактора под давлением, могут затруднять изучение процессов реакции гидрирования. Проблемы таких методов связаны с нестабильностью промежуточных продуктов реакции и задержкой, которая необходима для анализа образцов вручную. Из-за трудоемкого отбора и анализа проб, а также задержек в результатах при использовании автономных методов часто невозможно точно определить конечную точку реакции. Для облегчения экспериментов с интенсивной обработкой данных исследователи применяют инструменты процессно-аналитической технологии (PAT), помещая их непосредственно в реакционные сосуды in situ. Непрерывные исследования реакции в режиме реального времени помогают понять фундаментальную природу процессов. Более быстрое принятие решений способствует сокращению числа экспериментов и времени на масштабирование процесса. Практически мгновенная обратная связь по направлению реакции помогает увеличить селективность и выход реакции. Определение идеальной конечной точки путем остановки реакции в определенный момент времени и устранения риска образования побочных продуктов помогает сократить время цикла и увеличить выход реакции. 

Например, с помощью восстановления производных нитробензола обычно получают промежуточные продукты, которые используются в синтезе активных фармацевтических ингредиентов (API) и химически чистых реактивов.  Селективность и реакционная способность, влияющие на соотношение гидроксиламина и анилина, зависят от множества переменных, в том числе от типа растворителя, катализатора, температуры и давления. Для разработки и контроля процесса желательно более глубокое понимание того, как эти переменные влияют на эффективность реакции. 

На этом графике показано восстановление нитробензола без катализатора. Компоненты легко обнаруживаются и сопровождаются потреблением Ф-NO₂ и образованием Ф-NH₂. Мониторинг течения реакции показывает быстрое и мгновенное потребление исходного материала и образование анилина без каких-либо признаков наличия промежуточных продуктов. Профили концентрации компонентов используются для определения точной конечной точки процесса образования Ф-NH₂. Информацию о механизме и кинетике реакции можно получить, указывая кинетику нулевого порядка для потребления Ф-NO₂ и образования Ф-NH₂. Можно определить критические параметры процесса, такие как характер катализатора, которые приводят к полной конверсии нитробензола, хорошему выходу нитробензола и оптимальному времени реакции.

В примере, где использовался другой катализатор, данные указывают на появление Ar-NHOH в качестве промежуточного продукта, что увеличивает время реакции получения Ar-NH₂. Спектрометр ReactIR in situ помогает точно определить конечную точку для промежуточного продукта Ф-NHOH и конечного продукта Ф-NH₂. Информацию о механизме и кинетике реакции можно получить на графике из формы профилей компонентов, которая указывает на наличие двух кинетических режимов. Кинетика нулевого порядка наблюдается и для потребления Ф-NO₂, и для образования Ф-NHOH, тогда как для отложенного образования Ф-NH₂ наблюдается кинетика первого порядка (относительно СФ-NHOH). В процессе анализа определяются критические параметры процесса, такие как характер катализатора, что дает лучший выход продукта Ar-NH_2.

В процессе гидрирования различных партий и при масштабировании возникают проблемы нестабильности кинетики реакции, селективности, реакционной способности и конечных точек. Эта презентация включает четыре практических примера:

• восстановление нитробензила,
• реакция Розенмунда,
• восстановление пиразина,
• восстановительное аминирование.

Встроенная система ИК-Фурье спектроскопии ReactIR — это технология in situ, которая  передает текущие сведения о реакции. Это позволяет мгновенно принимать решения на протяжении всего эксперимента, например относительно момента прекращения реакции. Спектрометр ReactIR обладает рядом преимуществ перед альтернативными аналитическими методами:

• устойчивость к образованию пузырьков или твердых веществ, что делает метод идеальным для реакций гидрирования или любых гетерогенных реакций;
• нет необходимости извлекать пробы, исследование гидрирования происходит в естественной среде, позволяя сохранять целостность химической реакции;
• соблюдение закона Ламберта-Бера, что делает возможными качественные и количественные измерения.

Хотя интеграция средств процессно-аналитической технологии (PAT) позволяет проводить комплексный и непрерывный анализ реакции в режиме реального времени, эти методы не дают полную информацию о качественном и количественном составе примесей в малых количествах. Для анализа примесей традиционно применяют автономные методы, однако отбор проб под давлением затруднен и данные измерений часто ограничены. Для понимания механизма образования побочных продуктов необходимо определить то, на какой стадии гидрирования образуется побочный продукт, а затем — какие параметры вызывают это образование. В данном практическом примере рассказывается о том, как получить такие данные и как принимать обоснованные решения при работе с реакциями под давлением.

Процессы гидрирования обычно сопровождаются выделением большого количества энергии. Поэтому перед масштабированием процесса проводят общие исследования безопасности и кинетики на основе калориметрии теплового потока, измерения поглощения водорода и спектроскопии в режиме реального времени (средний ИК-диапазон). Для предсказания поведения параметров широкомасштабного процесса, таких как температура и время реакции, и их влияния на уровень остаточных промежуточных продуктов и примесей в лаборатории можно использовать реакционный калориметр. Сценарии протекания процесса, составленные на основе анализа переноса массы и энергии, так же как и полного кинетического анализа, могут привести к увеличению стабильности катализаторов, оптимальному температурному профилю и времени реакции.

• Синтез полимеров
• Исследования кинетики химических реакций
• Разработка и масштабирование химических процессов
• Теплопередача и масштабирование процессов
• Смешивание и массоперенос
• Химия непрерывных потоков
• Безопасность химических процессов
• Процессно-аналитическая технология
• Контроль остаточных изоцианатов