Przegrzane warunki przepływu ściskają czasoprzestrzenne ramy reakcji, otwierając drzwi do nowych możliwości. Źródło: Uniwersytet w Liège/P. Bianchi
Naukowcy z Uniwersytetu w Liège opublikowali przewodnik, który pomoże lepiej zrozumieć i wykorzystać nową przestrzeń reakcyjną związaną z warunkami przegrzania.
Technologie mikro/mezofluidyczne opracowane na Uniwersytecie w Liège przekształcają syntezę chemiczną, umożliwiając szybsze i bardziej wydajne reakcje. Pomimo wyzwań związanych z dłuższymi czasami reakcji innowacje takie jak technologia przepływu przegrzanego oferują rozwiązania, znacznie przyspieszając reakcje, zwiększając zarówno produktywność, jak i zrównoważony rozwój.
Inicjatywy badawcze prowadzone w Centrum Zintegrowanej Technologii i Syntezy Organicznej Uniwersytetu w Liège w Belgii podkreślają ogromny potencjał technologii mikro/mezofluidycznych w otwieraniu nowych obszarów reakcji chemicznych. Technologie te umożliwiają kondensację skal czasowych i przestrzeni procesów, poszerzając możliwości zwiększonej produktywności i odkrywając nowe ścieżki reakcji. Niedawno w czasopiśmie opublikowano przewodnik szczegółowo opisujący te postępy Rachunki badań chemicznych.
Technologia ciągłego przepływu i reaktory mikro/mezofluidyczne są bardzo obiecujące w zakresie przekształcania tradycyjnych dróg w kierunku produkcji chemicznej, ale nadal stoją przed wyzwaniami. Technologia przepływowa działa w zupełnie innych ramach czasowych i przestrzennych w porównaniu z konwencjonalnymi technologiami procesowymi. Jak omówiono w poprzedni artykułramy czasowe reakcji są parametrem krytycznym zapewniającym wykonalność procesów przepływowych na dużą skalę. Podczas gdy procesy wsadowe z łatwością umożliwiają powolne reakcje w dłuższych ramach czasowych (od minut do dni), reaktory przepływowe są zwykle projektowane na znacznie krótsze czasy reakcji (najlepiej poniżej jednej minuty, ale mogą w rozsądny sposób obsługiwać reakcje do około 15 minut, aby utrzymać opłacalność ekonomiczną w skali produkcyjnej) ).
Ograniczenia czasu reakcji w technologii przepływowej
To ograniczenie jest znaczące, ponieważ wiele reakcji wymaga dłuższych ram czasowych, aby mogły zostać ukończone. Jest to często postrzegane jako jedna z głównych przeszkód na drodze do szerszego zastosowania technologii przepływowej. Na przykład reakcja drugiego rzędu (1 M) w wodzie o entalpii aktywacji 9,8 kcal mol-1 i entropia aktywacji wynosząca -0,0456 kcal mol-1 wymaga 5 dni do osiągnięcia zakończenia (> 99% konwersji) w temperaturze pokojowej.
W temperaturze wrzenia (100°C) szybkość reakcji wzrasta 35-krotnie, jednak jej zakończenie nadal zajmuje ponad 3 godziny, co czyni ją nieodpowiednią dla technologii przepływowej. Procesy okresowe zazwyczaj działają w temperaturze wrzenia rozpuszczalnika. To drastycznie ogranicza zakres temperatur reakcji i wymaga zmiany rozpuszczalnika w celu osiągnięcia wyższych temperatur, co wprowadza dodatkowe wady. Wybór rozpuszczalników ogranicza się do temperatur wrzenia, często pogarszając zgodność reakcji, rozpuszczalność, selektywność, koszt i toksyczność.
„Technologia przepływu przegrzanego wykorzystuje zalety procesów przepływowych, działając powyżej temperatur wrzenia rozpuszczalnika, aby zwiększyć szybkość reakcji, poprawić produktywność i bezpieczeństwo oraz dostosować się do celów zrównoważonego rozwoju”, wyjaśnia Jean-Christophe Monbaliu, szef laboratorium CiTOS. Wracając do naszego przykładu, ta sama reakcja w warunkach przegrzania w wodzie o temperaturze 200°C spowodowałaby 713-krotne przyspieszenie i potencjalnie zakończyłaby się w ciągu 10 minut”. Jak czarodziej, przegrzane warunki zaprzeczają powszechnej mądrości, ściskając zarówno ramy czasowe, jak i przestrzenne w ramach procesów i umożliwiając powolne reakcje podatne na technologię przepływu.
Pomimo znaczących korzyści, dostęp do warunków przepływu przegrzanego jest złożony i wymaga dużych zasobów, szczególnie w przypadku nowicjuszy. Na tym koncie zapewniamy zwięzły przegląd chemii przepływu przegrzanego, w tym kluczowe koncepcje, opcje reaktorów i metody strategicznego przyjęcia z wykorzystaniem projektowania eksperymentów, chemii testów mikrofalowych, danych kinetycznych i mechaniki kwantowej. „Naszym celem jest kierowanie eksploracją rozszerzonych przestrzeni chemicznych i przyspieszenie syntezy organicznej”, podsumowuje Jean-Christophe Monbaliu. Zwracamy także uwagę na najnowsze przykłady z naszego laboratorium i innych wiodących autorów na całym świecie”.
Odniesienie: „Nowe możliwości syntezy organicznej z chemią przepływu przegrzanego” autorstwa Pauline Bianchi i Jean-Christophe M. Monbaliu, 23 lipca 2024 r., Rachunki badań chemicznych.
DOI: 10.1021/acs.accounts.4c00340
Finansowanie: Instytut Badawczy WEL, Fonds De La Recherche Scientifique – FNRS
