原位在线红外光谱技术在反应研究的价值

原位在线红外光谱技术在反应研究的价值

自1994年科研人员将用于实时反应分析的原位在线红外光谱技术（FTIR、ReactIR）引入市场以来，它已稳步成为学术界和工业界用于帮助开发新分子和反应优化的重要分析工具。由于数据是在实际反应条件下生成的，因此它是唯一的，并且与HPLC、NMR和其他离线分析数据正交互补。通常，正是分析数据与这种原位技术提供的关键信息相结合，为具有挑战性的机理或动力学研究提供了答案。

在这篇综述中，介绍了两个最近发表的案例。之所以选择这些例子，是这些领域都是当前的研究热点，并强调了如何将原位中红外光谱技术与传统的离线分析技术结合使用，以获得有价值的反应信息、机理理解和对正在研究的反应的模型验证。然后，研究人员能够快速证明他们的假设，并借此指导进一步的研究。本文的目的是介绍作者的工作，并展示他们如何使用原位技术。

案例1：钒催化糠醇Achmatowicz重排的机理研究

方案1 糠醇的Achmatowicz重排反应

Scripps研究所，CA和在New Brunswic的Bristol Myers Squibb k, NJ的研究人员使用ReactIR来帮助理解金属中心在从呋喃衍生物中构建吡喃酮中的作用，作为研究改善反应条件的一部分。由于催化剂的敏感性，反应在亚环境温度下的惰性气氛下进行。原位反应红外光谱是一种理想的技术，可以产生高质量的信息，而不必担心影响催化剂的活性。

ReactIR提供了有关反应物质浓度随时间变化的详细信息。这些信息随后用于动力学研究和支持反应机理的研究。图1显示了反应物种的时间动力学分布，并提供了对糠醛Achmatowicz重排机制的见解。请参阅全文中提出的重组机理。

图1 以VO (tBuO)3为催化剂的方案1反应的催化种类(%)随时间的动力学曲线

本研究的一个关键部分是调查为什么钒催化糠醛氧化生产产物3(方案1)，尽管开始时反应速率很好。由于其测量的连续性，ReactIR光谱学非常适合监测反应。在这种情况下，当寻找反应减缓的原因时，原位光谱的数据密度有助于确定反应速度减缓的确切性质和相关条件。

ReactIR光谱数据与1H NMR数据比较，显示出良好的相关性。这验证了该方法是一种准确和快速的跟踪反应的方法(图2)。参考上面的段落，该数据用于研究反应过程，并且它在一个反应中提供了更多的数据点。由于数据点之间的密集程度，即使关键事件发生在两个离线样本之间，也可以精确确定关键反应过程;再加上连续的数据流为详细的动力学研究提供了大量的信息。

图2 方案1反应中反应物1和产物3的FTIR和NMR监测的时间动力学曲线比较

这项工作还有一些额外的有趣的细节;首先，作者使用了反应过程动力学分析，并将其与51V核磁共振波谱和现场红外数据结合使用来探测反应机理本身;其次，作者对所涉及的方法及其解释进行了极好的讨论。我们鼓励读者参考上面引用的原始文献以了解全部细节。

案例2：含芳环分子中不饱和碳-碳键的选择性加氢还原

方案2 4-羟基香豆素(4HC)的潜在用途，说明了不饱和C-C键选择性氢化的重要性

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员研究了从生物质中产生香豆素和二氢香豆素(DHC)的化学和生物催化反应。这些化合物的生产可以为精细化学和制药构建块的形成开辟新的途径。这些分子的制造需要4-羟基香豆素(4HC)选择性氢化成4-羟基二氢香豆素(4HDHC)，这反过来又需要在芳香环存在下还原不饱和C-C键，如方案2所述。在这项工作中特别值得注意的是，达到合成目标所需的少量转换。

在4HC加氢到4HDHC的过程中，ReactIR用于在线和实时表征还原反应，减少了通过离线采样和分析进行监测的必要性和复杂性。

图3 用(a) 2% Pd/SiO2和(b) (2% Pd- 4% Au)/SiO2加氢4HC的红外吸光度与反应时间的关系。1630 cm-1处的吸光度对应4HC(浅蓝色)，1780 cm-1处的吸光度对应4HDHC和DHC(深蓝色)，1744 cm-1处的吸光度对应过氢化产物(绿色)。反应条件:348 K, 27 bar H2, 133 mM 4HC in THF, cat: 4HC = 0.42 g/g， (a) Pd: 4HC = 0.009 mol/mol， (b) Pds: 4HC = 0.13 mol/mol

在中红外中使用指纹区域，可以在研究反应中的分子时使用高度的特异性。因此，通常可以看到一个化学键相对于另一个化学键的还原程度的差异。在这个例子中，研究人员利用了这一点。

由于FTIR的这种特定官能团测量能力，ReactIR在整个反应过程中成功地监测了每个还原物质的吸光度(可以认为是浓度，因为比尔定律告诉我们吸光度与浓度成正比)以及过氢化产物。这些测量是在27 bar压力和75℃高温下进行的，没有萃取取样或干扰反应系统。为了进一步补充和量化ReactIR结果，对每个反应中不同时间点获得的提取样品子集进行了HPLC和GC分析。根据ReactIR组分趋势的形状，确定反应的机制，如起始、终点、动力学和副产物(过氢化物质)。

在图3和图4中，使用原位中红外光谱的化学动力学研究通过实时提供反应组分的浓度依赖性，提高了对反应机理和途径的理解。由于数据的全面性，在反应过程中连续的数据允许用较少的实验来计算速率定律。原位红外光谱通常用作离线分析技术(如HPLC和NMR)的互补正交信息，通常提供完成对反应理解的拼图缺失的那一块。

图4 用2% Pd/SiO2加氢4HC的红外吸光度与反应时间的关系。(a) 1630 cm-1 (4HC)波段，(b) 1780 cm-1 (4HDHC和DHC)波段，(c) 1744 cm-1(过氢化产物和4HC)波段的HPLC和GC数据(点)与FTIR吸光度数据(线)的比较。反应条件:348 K, 27 bar H2, 133 mM 4HC in THF, cat: 4HC = 0.42 g/g, PdS: 4HC = 0.009 mol/mol

总结

在许多情况下，了解反应的途径需要为每一种物质构建准确的反应过程变化曲线，这些曲线以浓度与时间的关系表示，从而确定反应动力学。原位中红外光谱是提供这些信息的理想技术，因为它可以快速收集非常详细的反应过程信息。

中红外光谱法为反应分析带来了几个明显的优势。首先，利用中红外指纹区，可以对化学物质进行个体追踪，从而为反应机理提供线索。第二，比尔定律给出了反应物质的吸光度与其浓度之间的联系。这种关系意味着我们可以使用离线测量来确定离线样品的浓度，然后使用该数据点来“缩放”中红外剖面。上面的例子表明离线样品的浓度测量和原位样品的测量形状之间有很好的相关性。

在研究中，对中红外生成的剖面的信心有时是关键的一步。所引用的两个例子都展示了对所涉及技术的正交特性的出色使用。研究人员能够通过两种不同的测量来验证他们的反应谱，得到非常匹配的浓度谱，然后用于确定反应动力学。