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上期回顧

上期內(nèi)容介紹了原位檢測(cè)與過(guò)程分析（ICPA）技術(shù)平臺(tái)集成的分子光譜（中紅外）原位檢測(cè)功能在反應(yīng)機(jī)理研究中的應(yīng)用。針對(duì)胺類(lèi)與1,4-二羰基衍生物合成吡咯的Paal-Knorr反應(yīng)，通過(guò)紅外光譜原位采集、光譜預(yù)處理以及特征吸收峰趨勢(shì)分析等過(guò)程，可識(shí)別反應(yīng)中間體半縮醛胺的特征峰，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步研究工藝條件對(duì)反應(yīng)歷程的影響。

圖1 Paal-Knorr吡咯合成反應(yīng)機(jī)理

Paal-Knorr 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，如動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算通常需要獲取等溫反應(yīng)過(guò)程中組分濃度隨反應(yīng)時(shí)間變化數(shù)據(jù)。常規(guī)的操作流程為取樣、樣品預(yù)處理及色譜定量，這類(lèi)離線(xiàn)檢測(cè)方法不但操作復(fù)雜，同時(shí)組分的濃度分析、時(shí)間控制等存在一定誤差。特別是針對(duì)反應(yīng)速率較快、不易淬滅的反應(yīng)，如本案例采用的乙醇胺和2, 5-己二酮的Paal-Knorr反應(yīng)，離線(xiàn)定量的準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重制約。

ICPA平臺(tái)能夠在反應(yīng)過(guò)程中原位、實(shí)時(shí)采集體系紅外光譜數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合定量模型可以計(jì)算并顯示各組分瞬時(shí)濃度。此過(guò)程可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作，并且消除離線(xiàn)定量操作引入的誤差。另外，原位檢測(cè)技術(shù)大數(shù)據(jù)通量的特點(diǎn)更顯著提升了動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

圖2 ICPA平臺(tái)在線(xiàn)紅外光譜定量程序界面

根據(jù)本反應(yīng)案例的紅外特征，可利用1710 cm-1位置的吸收峰計(jì)算反應(yīng)物2, 5-己二酮的瞬時(shí)濃度，753cm-1位置的吸收峰計(jì)算產(chǎn)物的瞬時(shí)濃度。動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算過(guò)程分為以下幾個(gè)步驟：

01_建立動(dòng)力學(xué)模型

該反應(yīng)過(guò)程可以用連串反應(yīng)描述，反應(yīng)物A和B首先通過(guò)加成反應(yīng)形成中間體1，再通過(guò)分子內(nèi)加成環(huán)化形成中間體2，中間體2快速脫水得到產(chǎn)物。根據(jù)反應(yīng)特點(diǎn)，作如下假設(shè)與近似：（1）組成反應(yīng)機(jī)理的每一步反應(yīng)均為基元反應(yīng)；（2）每一步反應(yīng)均視為不可逆；（3）中間體2和中間體3脫水反應(yīng)速率快，中間體1轉(zhuǎn)化為中間體2的速率可代表中間體1轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的速率。因此，本反應(yīng)可以用2步連串反應(yīng)進(jìn)行描述，其中k1和k2分別表示生成中間體1和產(chǎn)物的速率常數(shù)。

02_紅外光譜采集

在0℃、10℃、30℃、50℃的等溫條件下進(jìn)行間歇式反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中原位采集體系紅外光譜，獲得1710 cm-1和 753cm-1吸收峰的強(qiáng)度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)。結(jié)果如下圖所示：

圖3 等溫反應(yīng)過(guò)程1710 cm-1和 753cm-1吸收峰強(qiáng)度隨時(shí)間變化

03_特征物質(zhì)定量

通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理，1710 cm-1和 753cm-1位置的峰與相鄰吸收峰之間幾乎沒(méi)有交疊，可利用單變量定量模型計(jì)算反應(yīng)物2,5-己二酮和產(chǎn)物的瞬時(shí)濃度。結(jié)果如下圖所示：

圖4 (a)反應(yīng)物2,5-己二酮和(b)產(chǎn)物濃度隨時(shí)間變化

04_動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合

利用反應(yīng)速率方程和紅外定量數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件擬合可得到反應(yīng)速率常數(shù)k1和k2，結(jié)果如下表所示：

表1 數(shù)據(jù)擬合得到的反應(yīng)速率常數(shù)

T/K	1/T×1000	k1×100	k2×1000	lnk1	lnk2
278.15	3.595	5.416	3.901	-5.218	-5.547
303.15	3.299	8.057	8.234	-4.821	-4.799
313.15	3.193	9.217	7.094	-4.687	-4.948
323.15	3.095	9.78	11.955	-4.627	-4.427
333.15	3.002	11.952	17.927	-4.427	-4.021

進(jìn)一步根據(jù)阿倫尼烏斯方程lnk=lnA-Ea/RT對(duì)lnk與1/T進(jìn)行線(xiàn)性擬合，可計(jì)算得到表觀(guān)活化能Ea1和Ea2，結(jié)果如下圖所示：

圖5 反應(yīng)活化能擬合結(jié)果

綜上，可得到由反應(yīng)物生成中間體1的表觀(guān)活化能為10.64 kJ/mol，由中間體1生成產(chǎn)物的表觀(guān)活化能為19.72 kJ/mol，該計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)值非常接近^[1]。

05_動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證

根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和計(jì)算得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)可預(yù)測(cè)反應(yīng)物、中間體和產(chǎn)物的濃度隨時(shí)間變化規(guī)律。如圖6所示，通過(guò)軟件模擬與紅外定量得到的變化趨勢(shì)基本吻合，說(shuō)明該動(dòng)力學(xué)模型可以較好地描述反應(yīng)過(guò)程。

圖6 反應(yīng)物、中間體和產(chǎn)物濃度變化趨勢(shì)驗(yàn)證（0℃條件下反應(yīng)）

ICPA 平臺(tái)多參數(shù)聯(lián)用

原位數(shù)據(jù)聯(lián)用是ICPA技術(shù)平臺(tái)的另一大特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)組合分析放熱功率、分子光譜、粘度和顆粒度等維度的反應(yīng)特征信息，可以全面、深入地認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

圖7 原位檢測(cè)與過(guò)程分析技術(shù)平臺(tái)組成

本案例還可以利用ICPA平臺(tái)的在線(xiàn)量熱功能獲取反應(yīng)放熱相關(guān)的過(guò)程數(shù)據(jù)。如采用半間歇方式進(jìn)行反應(yīng)，可測(cè)試得到動(dòng)態(tài)變化的反應(yīng)熱流、熱轉(zhuǎn)化率以及物料積累率。以上數(shù)據(jù)體現(xiàn)了該反應(yīng)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征。

圖8 (a)反應(yīng)放熱、(b)轉(zhuǎn)化率和(c)物料積累隨反應(yīng)時(shí)間變化

我們將通過(guò)紅外與在線(xiàn)量熱分別計(jì)算得到的轉(zhuǎn)化率曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者非常接近?？梢哉J(rèn)為前者代表了反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率變化，后者代表了反應(yīng)完成度變化，均可以體現(xiàn)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)特征。理論上，化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化率越高，兩者的差異越小。

圖9 原位紅外與量熱計(jì)算得到的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率變化趨勢(shì)對(duì)比

參考文獻(xiàn)

[1] Moore J S , Jensen K F . “Batch” Kinetics in Flow: Online IR Analysis and Continuous Control[J]. Angew. Chem. 2014, 126, 480 –483.