一种使用MCR-ALS结合红外在线光谱研究反应机理的方法

技术领域

本发明涉及一种使用MCR-ALS结合红外在线光谱研究反应机理的方法，属于光谱分析技术领域。 

背景技术

近年来，随着我国化学化工呈现产业化迅猛发展，人们投入了大量人力、物力研究反应机理从而开拓新的生产过程和质量控制的新途径、新方法，进而达到进行新产品开发，降低成本，减少对环境污染的目的。 

目前的反应机理研究主要应用密度泛函量化计算，同位素跟踪，中间体捕捉剂以及在线测量等方法。 

绝大多数的化学反应是平行或连串反应，故应该有一个最佳反应时间，有时最佳反应时间非常短暂，用离线分析法很难精确判断，不是反应已向非目标方向移动，就是反应未进行完全，以致产生了副产物或转化率比较低。而在线红外技术凭借自身具有分析速度快、分析效率高、使用费用低、重现性好、可实现瞬时分析，不需要对样品做预处理就可实现待测样品的无损非破坏性测定等优点，可实现实时监测反应进行情况、跟踪反应物和生成物的浓度变化，并及时精确地判断反应终点等。可进行反应机理和动力学的研究、反应条件的优化，无疑对实际生产过程具有重要的指导意义。 

但是实际反应体系中，由于反应条件的多样性以及不稳定性，会造成测量过程中的基线不一致，最广泛应用的线内分析技术衰减全反射红外（ATR-IR），卤化银光纤探头，在使用过程中也会放出热量，对测量结果产生干扰；不仅如此，复杂反应体系里面往往以不同于离线测量状态的形式，聚集了多个结构类似的中间体使数据卷积化，造成解析观察困难。 

发明内容

本发明的目的是提供一种使用多元曲线分辨—交替最小二乘（multivariate curve resolution-alternating least squares，MCR-ALS）算法分离在线原位红外光谱数据，提取反应中纯组分的光谱及其相对浓度曲线，从而推导出反应机理的方法， 

本发明的目的是这样实现的：

一种使用MCR-ALS结合红外在线光谱研究反应机理的方法，包括以下步骤：

（1）将在线红外光纤探头（ATR-IR）与液氮制冷的检测器和红外测量仪连接，把红外光纤探头插入反应器内在线收集红外光谱数据，测量波数范围是4.000 - 560 cm^-1；

反应器内进行的化学反应温度在-120℃到200℃之间，反应体系压力不能超过400 bar，并且溶液中不能含有王水及成分比类似物；

（2）将收集的红外光谱数据用Matlab数学矩阵研究室软件做小波变化去噪以及基线校正，然后用主成分分析（PCA）和 简化自模式（Simplisma）两种算法按不同成分数分离后得的子空间之间进行比较，最终确定体系内的成分数，完成预处理；

（3）得到的预处理数据进行渐进因子分析（EFA）得到体系中每个组分的出现点和消失点，从而得到体系内各组分的相对浓度预估值，再代入MCR-ALS程序中进行交替最小二乘迭代200次，得到最终优化后的体系内各组分的浓度曲线图和纯组分红外光谱；

（4）从浓度曲线图可以确定该组分是反应物、中间体还是产物，再结合每种物质被解析出的红外光谱图推导其结构，结合浓度曲线图推导出反应机理。

上述步骤（1）完成后，首先对在线红外光谱数据采用一般黑色体系分析方法进行主成分分析（Principal Component Analysis ,PCA），初步确定未知反应内的成分数。 

上述步骤（2）中用主成分分析（PCA）和 简化自模式（Simplisma）两种算法分别按不同成分数进行分离计算，得到的子空间，按照公式D(N)=N-T(N)进行计算并画出子空间差异度随体系内组分数变化图，找出趋势最低点，确定混合体系中的成分数。 

本发明的优点与积极效果：本发明不需要额外的中间体捕捉剂，节约试剂；在线测量，数据准确，信息不滞后；只需在线红外数据，测量方式简单，可测反应众多。 

附图说明

图1为在线监测得到的原始数据; 

图2为子空间比较法确定的主成分数目;

图3为经过小波变换滤噪并重构去除基线后的数据;

图4为反应体系内各组分相对浓度的预估值;

图5 为MCR-ALS算法算出的体系中各纯组分物质相对浓度;

图6为分离出的纯组分红外光谱图；

图7为在线红外结合MCR-ALS推测出2-(4-甲基苯基)苯并咪唑合成机理。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细叙述本发明实现过程。 

首先对测量得到的原始数据进行主成分分析（Principal Component Analysis ,PCA）,初步确定未知反应内的成分数。这个初始估计往往比较模糊，不能对体系内的成分数作定论。 

本发明利用不同方法分离的关键基向量都是相似的这一原理，比较子空间之间的差异度，进行判别。用于混合体系中确定体系成分中的化学秩（成分数）的方法。本方法的独特之处就是，即使在体系测量普相似度的这种难分解情况下，仍然可以准确的确定体系成分数。 

子空间法的步骤如下： 

首先，用两种不同方法分离主成分基向量，经标准正交化以后，一组记为A=[ ,,…, ],另一组记为B=[,,…,].A,B中i,j个向量分别被记为,,子空间A,B的维度为N。

若以[]为基表示可得： 

向量为中不能被[]表示的部分，正交与[],对向量取模平方可得下面的公式：

    由上面的式子可知<1。当在B的空间内时，=1，若A,B内的子空间相同，就可认为全在B中；同理，所有都在A中，故可以通过下面这个公式来计算A在B中的程度：

     Tr(.)表示对矩阵求迹，显然0<T(N)<N,故可以这样衡量子空间的差异度

D(N)=N-T(N) , D(N)作为子空间差异函数，整体趋势最低时对应组分数就是我们所求的体系内的成分数。本发明应用PCA和简化自模式(Simple-to-Use Interactive Self-Modeling, Simplisma)这两种算法，分别对原始数据进行分离，然后比较它们每次分离后的结果子空间矩阵之间的差距，得到子空间差异度随维度变化图，当D(N)出现拐点，达到低谷值时对应的维度就是体系内的组分数。

    然后，对在线测量得到的原始数据进行小波变换极限校正和滤噪，减少干扰，降低最终的分析结果误差。 

最后，对预处理过后的数据做渐进因子分析（Evolving Factor Analysis, EFA）处理，得到体系中每个组分的出现点和消失点，作为MCR-ALS迭代的初始预估值，开始200次迭代，最终得到体系内各纯组分物质光谱，及相应的相对浓度曲线，同时用来判定推导出最终的反应机理。 

实施例1 

以下以邻苯二胺与4-甲基苯甲醛为原料合成2-(4-甲基苯基)苯并咪唑为例来说明本发明研究反应机理的方法。

（1）首先，在线红外监测2-(4-甲基苯基)苯并咪唑的合成： 

使用德国布鲁克公司v70型红外光谱仪光纤探头附件在线监测反应进程。在 50 mL 三颈瓶中加入 15 mL 甲醇和1.04 g (10 mmol) 亚硫酸氢钠（催化剂），搅拌均匀后扫描背景，再加入1.08 g (10 mmol)邻苯二胺，升温至回流，加入 1.2 mL (10 mmol) 4-甲基苯甲醛,开始在线收集红外光谱数据，保持在回流搅拌状态下反应2.6小时，使该反应进行完全，得到淡黄色溶液。

得到如图1的一个完全由吸光度数据组成的三维光谱矩阵[1763×1344]。可以看到图片有噪声，比较毛躁，而且整体基线不一致，有起伏现象存在，需要基线校正和滤噪。 

对收集的原始红外光谱数据进行主成分分析，计算结果，见表1。可见，当成分数为6～8时，现有组分的累计贡献度达到99.9%以上，但是体系内具体的成分数仍无法确定，此时需要使用子空间法来确定。画出子空间差异度随体系成分数变化图2，可以看出，当成分数选7时，子空间差异度处于拐点，确立体系组分数为7。 

对原始数据进行小波变换滤噪，选取小波函数DB5，分成4层后，去除高频噪声，从而滤噪。然后再次使用DB5小波函数，对去除噪声后的数据进行分层然后重构，分别分层为1-10层，最终发现分为9层重构结果最好，数据不失真，数据也得到了良好的去噪与基校（如图 3所示）。 

（2）对预处理后的数据进行EFA操作，得到的反应体系内各组分相对浓度的预估值，如图4所示。 

（3）MCR-ALS对EFA结果数据经200次迭代得到图5，可以由相对浓度图判定出，分析得到的7份组分，组分1、2是反应物；组分3、4、5是中间体；组分6、7是产物。同时可以分离出每个组分的红外光谱图，如图6所示： 

分离出的反应物1的特征峰：3044.78 cm^-1为甲基C-H振动，1607.97 cm^-1为C=O双键的特征吸收，通过这些数据可确定为4-甲基苯甲醛。

分离出的反应物2的特征峰：3461.24 cm^-1；3432.62 cm^-1为双肩峰为NH₂的对称与反对称伸缩振动；NH₂的剪式振动1502.02 cm^-1；915.88 cm^-1N-H面外弯曲振动;通过这些数据可确定为邻苯二胺。 

分离出的中间体1的特征峰:3510.22 cm^-1; 3430.70 cm^-1为双肩峰，有极强的NH2键。 

分离出的中间体2的特征峰：3485.89 cm^-1；3409.24 cm^-1；仍然是双肩峰，但是NH₂键强度降低。 

分离出的中间体3的特征峰：没有双肩峰，说明NH₂不存在。 

通过这些数据可确定。 

    分离出的产物1的特征峰：3485.90 cm^-1; 3410.35 cm^-1双肩峰为NH₂的对称与反对称伸缩振动；NH₂的剪式振动1501.81 cm^-1；还有仲氨的面外弯曲振动在900-650（823.35 cm^-1；745.28 cm^-1；671.35 cm^-1；623.62 cm^-1）之间，为单席夫碱2-(4-甲基苯基)苯并咪唑。 

分离出的产物2的特征峰在3500-3300 cm^-1之间没有吸收峰，证明没有N-H键，3045.31 cm^-1；3014.20甲基cm^-1；数据显示与 2-(4-甲基苯基)-3-(4-甲基苄基)苯并咪唑结构一致。 

根据这些分离出的纯组分光谱以及相对浓度曲线，推导出如图7下反应机理，与文献（邻苯二胺与醛合成苯并咪唑衍生物的反应机理研究, 有机化学,2011,31, 672~676）的结果一致，但是操作简单，快捷，只需要在线动态反应数据，无需额外的分析测量手段，经济节约仪器和试剂。