异相催化加氢高效优化方案
摘要：
● 使用Vapourtec V-3泵实现催化剂和氢气与底物的精确控制比例；
● 无需重新装载固定床，快速筛选条件；
● 易于处理由固体、液体和气体组成的复杂流体；
● 在7bar下进行了16个实验，耗时不到12小时；
● 使用异相催化剂进行选择性加氢，可用于多种产品。
在流动中的异相催化加氢
氢是地球上最轻的元素，同时也是宇宙中最丰富的元素之一。在化学合成领域，氢发挥着多重作用，包括还原剂和氢源的角色，以及催化剂在有机合成、能源转化和环保化学等方面的广泛应用，对这些领域产生着深远的影响。
异相催化加氢是化学中使用颇为广泛的反应之一，涉及到催化剂在不同相（通常是气体和液体或固体）之间介导氢气与有机物之间的反应，提供了许多化合物的独特机理路线。然而，尽管进行了大量的技术开发，例如高压釜、密封管、并行催化剂筛选技术和微波技术，但仍然具有一定的挑战性，难以开发和优化。在研究环境中使用这些反应常常会有所保留，因为设备需要一定程度的专业知识，并且许多实验室系统在进行基础的优化化学时也需要耗费大量的时间和精力。
德祥将在本文为大家介绍了一种非常简单的中压异相催化O-苄基香草醛的加氢反应，如图1所示，使用Vapourtec E系列将三个相（固体催化剂、试剂溶液和氢气）结合在流动化学系统中。我们证明，通过调整反应条件，使用直观的优化策略，快速确定形成每种产物的优化条件。
图1：使用氢气和碳载钯浆进行O-苄基香草醛的异相催化加氢
实验设置
图2：Vapourtec easy-MedChem
所有反应均使用配备浆液泵集成装置的Vapourtec easy-MedChem进行，并使用1.5mm孔径的管道进行吸入和携带浆液，如图3所示。
图3：Easy-MedChem配置图，使用SF-10作为背压调节器
氢气来自配备低压调节器的氢气瓶，输出5 bar，经过检验阀后通过V-3泵传递。试剂溶液含有0.2 M的O-苄基香草醛，与Pd/C浆液混合后稀释为0.1 M。所需质量/体积的Pd/C浆液在乙酸乙酯中制备，并在吸入过程中持续搅拌。试剂和浆液在T形接头中混合，并在第二个T形接头中与流入的氢气流混合。反应混合物进入Vapourtec反应器，再进入处于压力调节模式的Vapourtec SF-10，维持7 bar的压力。产物在减压后手动收集，并在分析前进行过滤。
实验条件优化
温度对图1中的产物2的生成的影响通过使用15 mg/ml Pd/C催化剂负载和3倍摩尔过量的氢进行测定，如图4所示。
图4：温度对加氢产物2香草醛收率的影响
这确定了在一系列条件下研究催化剂活性的重要性，以避免反应性或选择性差的区域。这种类型的研究特别适合连续流动，因为反应条件可以比批处理系统更快地改变。
优化选择性
反应优化是任何过程设计的关键阶段，但可能需要大量资源。使用Vapourtec Easy-MedChem，可以快速、使用最少的试剂和催化剂进行直观的两种产品的选择性加氢优化。
为了优化图1中的产物2和产物4的选择性加氢，首先在表1中的条件下进行了一次实验（Run1）。进行后续优化实验，减少了氢的过量。观察到其中一种产物显著减少，而另外两种主要产物的比例保持不变。进一步在不同的温度、氢气比和催化剂负荷下进行了实验，并发现在实验7和8的条件下，可以有选择性地产生产物2或产物4，同时实现高转化率并抑制3的形成。
表1：给出产物2和产物4的选择性生产的早期实验和条件；Pd/C负载以催化剂在乙酸乙酯中的毫克/毫升测量
催化剂载量的影响
使用不同Pd/C密度浆料研究了催化剂载量的影响。通过浆料泵送或原液流速调整比例。
图5：不同催化剂载荷在80℃下的影响
实验证明催化剂载量显著影响反应产物。浆料异相催化有优势，可精确控制催化剂和底物比例。1 mg/ml载荷下产物2选择性高，转化率低。提高至3 mg/ml可显著提高转化率，保持所需产物选择性。
实验结论
使用Vapourtec Easy-MedChem，可以快速优化使用Pd/C浆料和氢气的催化加氢反应。使用V-3泵控制氢气流量 比使用分批方法更容易准确控制氢气到底物的比例。
图6：V-3泵
本文还介绍了通过使用Pd/C混浆泵送的方式，可以快速评估一系列反应条件，无需在实验之间重新装填固定床新催化剂，并避免使用固定床时可能出现的传热限制。使用这种方式使用催化剂可以增加该反应的可优化参数的数量，并允许更好地控制反应和过程设计。
Vapourtec SF-10泵的使用扩展了系统的能力，这些泵使得在连续流动中快速研究固体、液体和气体的复杂混合物成为可能，并通过精确调节氢气和催化剂的化学计量比和混合温度点来控制选择性。
图7：Vapourtec SF-10
Vapourtec流动合成仪
英国Vapourtec流动合成仪满足微通道热光电连续流动合成，专注前沿技术，智领连续制造未来。
● E系列：操作简单的一体化机型，能泵送有机金属化合物、强酸和轻浆料；
● R系列：能独立运行或与其它设备集成、高度模块化系统，API软件支持AI迭代优化；
● 多种反应器可选，全系列主机通用；
● 连续搅拌罐式反应器、盘管反应器、柱式反应器、光/电催化反应器、冷却反应器。
