技术分享｜原位检测与过程分析技术及应用（二）

一、上期回顾

上期内容介绍了原位检测与过程分析（ICPA）技术平台集成的分子光谱（中红外）原位检测功能在反应机理研究中的应用。针对胺类与1,4-二羰基衍生物合成吡咯的Paal-Knorr反应，通过红外光谱原位采集、光谱预处理以及特征吸收峰趋势分析等过程，可识别反应中间体半缩醛胺的特征峰，在此基础上可以进一步研究工艺条件对反应历程的影响。

图1  Paal-Knorr吡咯合成反应机理

二、Paal-Knorr 反应动力学研究

反应动力学研究，如动力学参数计算通常需要获取等温反应过程中组分浓度随反应时间变化数据。常规的操作流程为取样、样品预处理及色谱定量，这类离线检测方法不但操作复杂，同时组分的浓度分析、时间控制等存在一定误差。特别是针对反应速率较快、不易淬灭的反应，如本案例采用的乙醇胺和2, 5-己二酮的Paal-Knorr反应，离线定量的准确性受到严重制约。

ICPA平台能够在反应过程中原位、实时采集体系红外光谱数据，同时结合定量模型可以计算并显示各组分瞬时浓度。此过程可实现全自动化操作，并且消除离线定量操作引入的误差。另外，原位检测技术大数据通量的特点更显著提升了动力学参数计算结果的准确性与可靠性。

图2  ICPA平台在线红外光谱定量程序界面

根据本反应案例的红外特征，可利用1710 cm^-1位置的吸收峰计算反应物2, 5-己二酮的瞬时浓度，753cm^-1位置的吸收峰计算产物的瞬时浓度。动力学参数计算过程分为以下几个步骤：

01 建立动力学模型

该反应过程可以用连串反应描述，反应物A和B首先通过加成反应形成中间体1，再通过分子内加成环化形成中间体2，中间体2快速脱水得到产物。根据反应特点，作如下假设与近似：（1）组成反应机理的每一步反应均为基元反应；（2）每一步反应均视为不可逆；（3）中间体2和中间体3脱水反应速率快，中间体1转化为中间体2的速率可代表中间体1转化为产物的速率。因此，本反应可以用2步连串反应进行描述，其中k1和k2分别表示生成中间体1和产物的速率常数。

02 红外光谱采集

在0℃、10℃、30℃、50℃的等温条件下进行间歇式反应，反应过程中原位采集体系红外光谱，获得1710 cm^-1和 753cm^-1吸收峰的强度随时间变化数据。结果如下图所示：

图3  等温反应过程1710 cm^-1和 753cm^-1吸收峰强度随时间变化

03 特征物质定量

通过数据预处理，1710 cm-1和 753cm-1位置的峰与相邻吸收峰之间几乎没有交叠，可利用单变量定量模型计算反应物2,5-己二酮和产物的瞬时浓度。结果如下图所示：

图4 (a)反应物2,5-己二酮和(b)产物浓度随时间变化

04 动力学参数拟合

利用反应速率方程和红外定量数据，通过软件拟合可得到反应速率常数k1和k2，结果如下表所示：

表1 数据拟合得到的反应速率常数

进一步根据阿伦尼乌斯方程lnk=lnA-Ea/RT对lnk与1/T进行线性拟合，可计算得到表观活化能Ea1和Ea2，结果如下图所示：

图5 反应活化能拟合结果

综上，可得到由反应物生成中间体1的表观活化能为10.64 kJ/mol，由中间体1生成产物的表观活化能为19.72 kJ/mol，该计算结果与文献值非常接近^[1]。

05 动力学模型验证

根据反应动力学模型和计算得到的动力学参数可预测反应物、中间体和产物的浓度随时间变化规律。如图6所示，通过软件模拟与红外定量得到的变化趋势基本吻合，说明该动力学模型可以较好地描述反应过程。

图6 反应物、中间体和产物浓度变化趋势验证（0℃条件下反应）

三、ICPA 平台多参数联用

原位数据联用是ICPA技术平台的另一大特点和优势，通过组合分析放热功率、分子光谱、粘度和颗粒度等维度的反应特征信息，可以全面、深入地认识化学反应过程。

图7 原位检测与过程分析技术平台组成

本案例还可以利用ICPA平台的在线量热功能获取反应放热相关的过程数据。如采用半间歇方式进行反应，可测试得到动态变化的反应热流、热转化率以及物料积累率。以上数据体现了该反应的热力学与动力学特征。

图8 (a)反应放热、(b)转化率和(c)物料积累随反应时间变化

我们将通过红外与在线量热分别计算得到的转化率曲线进行对比，可以发现两者非常接近。可以认为前者代表了反应物转化率变化，后者代表了反应完成度变化，均可以体现反应的动力学特征。理论上，化学反应转化率越高，两者的差异越小。

图9 原位红外与量热计算得到的反应转化率变化趋势对比

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