将Spinsolve® NMR波谱仪与H-Cube® Pro流动反应器连接，实现快速反应优化

背景介绍

近年来，连续流反应器和台式核磁共振波谱仪联合使用因其对化学合成和分析的变革性影响而引起了人们的极大关注。连续流反应器具有明显的优势，包括对反应参数的精确控制、安全性的增强和反应效率的提高。台式核磁共振波谱仪则可以为反应动力学、中间体和最终产物提供非破坏性的定量分析。两者集成能够实时监测反应参数的变化，促进快速甚至自动化的反应优化，而且优势在加速反应发现和优化过程中是显而易见的。研究人员可以利用NMR数据对反应条件进行实时调整，从而提高产率和选择性。此外，在线分析无需进行样品制备，从而简化了工作流程并最大限度地减少了浪费。

在本应用中，我们将Magritek的Spinsolve 80 ULTRA台式核磁共振波谱仪与ThalesNano的H-Cube^® Pro流动反应器联合使用。Spinsolve ULTRA型号是一款具有高分辨率的紧凑型波谱仪，对于采集溶解在质子化溶剂中的化合物的谱图极具优势。另一方面，H-Cube^® Pro具有多种优势，包括增强的安全性、精确的反应控制、高效率、降低的催化剂负载量和广泛的基质兼容性。它的自动化能力使其能够以多种方式简化加氢反应，使其成为化学合成和研究的宝贵工具。为了展示这种联合应用的好处，我们优化了反应参数（温度、压力、H₂当量和液体流速），以最大限度地提高肉桂醇的氢化作用（图1）。结果表明，通过集成快速在线分析工具，如核磁共振波谱仪，可以在几个小时内获取反应参数的全部谱图信息，以优化反应。

图1：肉桂醇双键的氢化反应

实验设置

在图2中，展示了安装在通风橱内的装置的照片。其中，Thales Nano的H-Cube^® Pro配备了HPLC泵，以精确设置原料溶液的流速。使用的催化剂药筒是来自ThalesNano的10% Pd/C cartridge。氢气通过H-Cube^®控制电解产生，随后在进入催化剂之前与基质溶液混合。通过反应器后剩余的未反应氢气在H-Cube^®的出口处使用Zaiput “SEP-10”气液相分离器进行有效分离。使用配备有反应监测Kit2（RMK2）的Spinsolve Ultra 80 MHz Multi-X 台式核磁共振波谱仪，应用溶剂抑制功能，连续采集¹H NMR谱图进行反应动力学监测。RMK2包括一个玻璃流动池，使反应混合物能够以连续或停止流动模式无缝泵送通过Spinsolve的检测区域。在本次实验中，我们将反应器的输出端连接到流动池，并在连续模式下监测H-Cube Pro，使用HPLC泵控制流速。起始原料为浓度为0.5摩尔的肉桂醇甲醇溶液（22.487 g / 167.59 mmol in 335 ml）。通过使用1D ¹H WET序列、4次扫描、10秒重复时间，每2分钟采集一张反应混合物的谱图。将WET序列设置为抑制3.3 ppm和4.9 ppm的两个甲醇信号，同时，该序列可以进行碳去耦，从而有效地从谱图中消除碳卫星峰。

图2：将H-Cube^® Pro流动反应器与Spinsolve 80 ULTRA相结合用于在线反应监测的装置图。Spinsolve配备了反应监测系统RMK2，包含一个玻璃流动池（1），可以使反应混合物循环通过NMR谱仪进行在线检测。流动反应器通过电解在安全模式下产生氢化所需的H₂，并在（2）中将其与溶液混合，气泡检测器（3）确认H₂的存在，然后，起始原料最终进入含有CatCart^®催化剂的柱加热器（4）。

实验结果

核磁共振在线监测的成功应用依赖于高性能的溶剂抑制功能，该功能可以衰减大的溶剂峰信号，否则这些信号将与样品中反应物/产物的较小信号重叠。图3分别为在连续流动模式下采集的氢谱和使用WET溶剂抑制功能的氢谱，清晰的展示了WET抑制功能如何显著降低甲醇峰，消除了与3.5 ppm的CH₂信号的重叠，同时去除了甲醇的CH₃的¹³C卫星峰。

图3：叠加谱图，使用标准脉冲序列采集的谱图（蓝色），具有碳去耦功能的WET溶剂抑制序列采集的谱图（红色）。测量是在液体流速为1mL/min的连续流动模式下进行的。

为了优化反应条件，系统地改变各种参数（温度、压力、氢气量和液体流速），并连续获取谱图以确定最佳参数组合。图4提供了在温度和压力的增量变化过程中收集的系列谱图。以彩色标记特征峰的信号区域。起始材料的双键和CH₂基团的质子分别用红色和黄色标记，而产物的CH₂质子用浅蓝色、深蓝色和绿色突出显示。叠加谱图显示，随着压力和温度的升高，起始材料的信号降低，而产物的信号增加。为了量化试剂浓度，对信号区域进行积分并乘以单个响应因子以获得绝对浓度。

图4：在优化肉桂醇双键还原的实验过程中，用Spinsolve RMX软件获得的叠加谱图。采用WET脉冲序列，抑制3.3 ppm和4.9 ppm的甲醇信号。同时，进行碳去耦以消除¹³C卫星峰。

图5为图4中标记区域的浓度随时间变化绘制的曲线，左图为起始原料，右图为产物。曲线中的每个点对应于图4中的叠加谱图，每个图中的不同曲线表示从不同积分区域独立获得的浓度。这些曲线之间的良好一致性证明了定量方法的准确性和稳定性。在每个稳态阶段收集的点的最小分散性突出了测量的精度。在改变反应参数之后，通常在10分钟内达到新的稳定状态。每当在H-Cube^®上设置新的压力值（在图中用竖线标记）时，在达到新的稳定状态之前，起始材料的信号会短暂增加。产生这种短暂增加的情况是因为在系统将反应器压力调整到新的设定值时氢气流量暂停。一旦反应压力稳定在新的设定值，氢气流就恢复，反应器迅速达到以恒定转化率为特征的稳定状态。反应区域和NMR波谱仪之间的管路体积是几毫升，因此在反应期间，在混合物离开柱后的几分钟内，所有上述数据都可以实时访问，这使我们能够从NMR数据中直接确定是否已经实现了代表每种特定设置的稳定状态。

图5：Spinsolve反应监测软件（RMX）上实时显示的原料（左）和产物（右）浓度图的屏幕截图。每个图上的不同曲线对应于使用起始原料和产物的不同化学基团的信号计算的浓度。可以看出，这些值一致性很高，表明NMR响应的良好线性度。应该注意的是，系统使用已知浓度的外标进行校准，通过对谱图中的不同信号使用相同的响应因子来量化反应物和产物的浓度。

图6显示了在图4和图5反应优化过程中稳态期间采集的部分谱图，这些结果表明，对于本实验中的反应，压力的增加显著提高了转化率，而温度的变化不会导致转化率的显著增加。

图6：在反应处于稳态的情况下，针对不同的温度和压力值收集的一组谱图。测量是在42NmL/min的氢气量和1mL/min的液体流速下进行的。

图7：在60℃的温度和40bar的压力下，将氢化反应以氢含量的函数进行优化。

以类似的方式，确定了转化依赖性对其他反应参数的影响。图7显示了在60°C的温度和40bar的压力下，作为氢含量的函数收集的谱图。右图曲线表明需要42NmL/min的氢气量来实现完全转化。此外，还研究了液体流速对转化率的影响，如图8所示。随着流速的增加，若同时保持所有其他参数不变，则会导致转化率的降低。这是由于较高的液体流速导致底物在柱上的停留时间减少而导致的预期现象。

图8：在40°C的温度、40bar的压力和42 NmL/min的氢气量下，作为液体流速函数的转化率。

结论

总的来说，通过以上实验成功证明了连续流反应器与在线NMR波谱仪相结合用于实时反应监测的优势。与传统的批处理方案和离线分析相比，这项技术提供了各种优势——由于在插入新的反应条件后10-15分钟内即可达到稳定状态，研究人员可以在一天内轻松分析至少30种不同的参数组合，大大促进和加快了反应优化进程。

台式NMR和H-Cube^®的结合具有节省时间和成本的优势，也是优化氢化反应的有效、安全的方法。同样值得注意的是，H-Cube^®和Spinsolve波谱仪在整个反应过程中表现得非常稳定，每次选择相同的设置时都能提供一致的转换值。