異相催化加氫高效優(yōu)化方案
摘要：
● 使用Vapourtec V-3泵實(shí)現(xiàn)催化劑和氫氣與底物的精確控制比例；
● 無需重新裝載固定床，快速篩選條件；
● 易于處理由固體、液體和氣體組成的復(fù)雜流體；
● 在7bar下進(jìn)行了16個(gè)實(shí)驗(yàn)，耗時(shí)不到12小時(shí)；
● 使用異相催化劑進(jìn)行選擇性加氫，可用于多種產(chǎn)品。
在流動(dòng)中的異相催化加氫
氫是地球上最輕的元素，同時(shí)也是宇宙中最豐富的元素之一。在化學(xué)合成領(lǐng)域，氫發(fā)揮著多重作用，包括還原劑和氫源的角色，以及催化劑在有機(jī)合成、能源轉(zhuǎn)化和環(huán)?；瘜W(xué)等方面的廣泛應(yīng)用，對(duì)這些領(lǐng)域產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。
異相催化加氫是化學(xué)中使用頗為廣泛的反應(yīng)之一，涉及到催化劑在不同相（通常是氣體和液體或固體）之間介導(dǎo)氫氣與有機(jī)物之間的反應(yīng)，提供了許多化合物的獨(dú)特機(jī)理路線。然而，盡管進(jìn)行了大量的技術(shù)開發(fā)，例如高壓釜、密封管、并行催化劑篩選技術(shù)和微波技術(shù)，但仍然具有一定的挑戰(zhàn)性，難以開發(fā)和優(yōu)化。在研究環(huán)境中使用這些反應(yīng)常常會(huì)有所保留，因?yàn)樵O(shè)備需要一定程度的專業(yè)知識(shí)，并且許多實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)在進(jìn)行基礎(chǔ)的優(yōu)化化學(xué)時(shí)也需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。
德祥將在本文為大家介紹了一種非常簡(jiǎn)單的中壓異相催化O-芐基香草醛的加氫反應(yīng)，如圖1所示，使用Vapourtec E系列將三個(gè)相（固體催化劑、試劑溶液和氫氣）結(jié)合在流動(dòng)化學(xué)系統(tǒng)中。我們證明，通過調(diào)整反應(yīng)條件，使用直觀的優(yōu)化策略，快速確定形成每種產(chǎn)物的優(yōu)化條件。
圖1：使用氫氣和碳載鈀漿進(jìn)行O-芐基香草醛的異相催化加氫
實(shí)驗(yàn)設(shè)置
圖2：Vapourtec easy-MedChem
所有反應(yīng)均使用配備漿液泵集成裝置的Vapourtec easy-MedChem進(jìn)行，并使用1.5mm孔徑的管道進(jìn)行吸入和攜帶漿液，如圖3所示。
圖3：Easy-MedChem配置圖，使用SF-10作為背壓調(diào)節(jié)器
氫氣來自配備低壓調(diào)節(jié)器的氫氣瓶，輸出5 bar，經(jīng)過檢驗(yàn)閥后通過V-3泵傳遞。試劑溶液含有0.2 M的O-芐基香草醛，與Pd/C漿液混合后稀釋為0.1 M。所需質(zhì)量/體積的Pd/C漿液在乙酸乙酯中制備，并在吸入過程中持續(xù)攪拌。試劑和漿液在T形接頭中混合，并在第二個(gè)T形接頭中與流入的氫氣流混合。反應(yīng)混合物進(jìn)入Vapourtec反應(yīng)器，再進(jìn)入處于壓力調(diào)節(jié)模式的Vapourtec SF-10，維持7 bar的壓力。產(chǎn)物在減壓后手動(dòng)收集，并在分析前進(jìn)行過濾。
實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化
溫度對(duì)圖1中的產(chǎn)物2的生成的影響通過使用15 mg/ml Pd/C催化劑負(fù)載和3倍摩爾過量的氫進(jìn)行測(cè)定，如圖4所示。
圖4：溫度對(duì)加氫產(chǎn)物2香草醛收率的影響
這確定了在一系列條件下研究催化劑活性的重要性，以避免反應(yīng)性或選擇性差的區(qū)域。這種類型的研究特別適合連續(xù)流動(dòng)，因?yàn)榉磻?yīng)條件可以比批處理系統(tǒng)更快地改變。
優(yōu)化選擇性
反應(yīng)優(yōu)化是任何過程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵階段，但可能需要大量資源。使用Vapourtec Easy-MedChem，可以快速、使用最少的試劑和催化劑進(jìn)行直觀的兩種產(chǎn)品的選擇性加氫優(yōu)化。
為了優(yōu)化圖1中的產(chǎn)物2和產(chǎn)物4的選擇性加氫，首先在表1中的條件下進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn)（Run1）。進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，減少了氫的過量。觀察到其中一種產(chǎn)物顯著減少，而另外兩種主要產(chǎn)物的比例保持不變。進(jìn)一步在不同的溫度、氫氣比和催化劑負(fù)荷下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)7和8的條件下，可以有選擇性地產(chǎn)生產(chǎn)物2或產(chǎn)物4，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率并抑制3的形成。
表1：給出產(chǎn)物2和產(chǎn)物4的選擇性生產(chǎn)的早期實(shí)驗(yàn)和條件；Pd/C負(fù)載以催化劑在乙酸乙酯中的毫克/毫升測(cè)量
催化劑載量的影響
使用不同Pd/C密度漿料研究了催化劑載量的影響。通過漿料泵送或原液流速調(diào)整比例。
圖5：不同催化劑載荷在80℃下的影響
實(shí)驗(yàn)證明催化劑載量顯著影響反應(yīng)產(chǎn)物。漿料異相催化有優(yōu)勢(shì)，可精確控制催化劑和底物比例。1 mg/ml載荷下產(chǎn)物2選擇性高，轉(zhuǎn)化率低。提高至3 mg/ml可顯著提高轉(zhuǎn)化率，保持所需產(chǎn)物選擇性。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
使用Vapourtec Easy-MedChem，可以快速優(yōu)化使用Pd/C漿料和氫氣的催化加氫反應(yīng)。使用V-3泵控制氫氣流量 比使用分批方法更容易準(zhǔn)確控制氫氣到底物的比例。
圖6：V-3泵
本文還介紹了通過使用Pd/C混漿泵送的方式，可以快速評(píng)估一系列反應(yīng)條件，無需在實(shí)驗(yàn)之間重新裝填固定床新催化劑，并避免使用固定床時(shí)可能出現(xiàn)的傳熱限制。使用這種方式使用催化劑可以增加該反應(yīng)的可優(yōu)化參數(shù)的數(shù)量，并允許更好地控制反應(yīng)和過程設(shè)計(jì)。
Vapourtec SF-10泵的使用擴(kuò)展了系統(tǒng)的能力，這些泵使得在連續(xù)流動(dòng)中快速研究固體、液體和氣體的復(fù)雜混合物成為可能，并通過精確調(diào)節(jié)氫氣和催化劑的化學(xué)計(jì)量比和混合溫度點(diǎn)來控制選擇性。
圖7：Vapourtec SF-10
Vapourtec流動(dòng)合成儀
英國(guó)Vapourtec流動(dòng)合成儀滿足微通道熱光電連續(xù)流動(dòng)合成，專注前沿技術(shù)，智領(lǐng)連續(xù)制造未來。
● E系列：操作簡(jiǎn)單的一體化機(jī)型，能泵送有機(jī)金屬化合物、強(qiáng)酸和輕漿料；
● R系列：能獨(dú)立運(yùn)行或與其它設(shè)備集成、高度模塊化系統(tǒng)，API軟件支持AI迭代優(yōu)化；
● 多種反應(yīng)器可選，全系列主機(jī)通用；
● 連續(xù)攪拌罐式反應(yīng)器、盤管反應(yīng)器、柱式反應(yīng)器、光/電催化反應(yīng)器、冷卻反應(yīng)器。
