Química de Fluxo Contínuo: Reação de Difenildiazometano com Ácido p-Nitrobenzoico

Summary

Química de fluxo carrega ambientais e vantagens económicas, aproveitando a mistura superior, transferência de calor e custo benefícios. Neste documento, nós fornecemos uma planta para transferir processos químicos do lote para o modo de fluxo. A reação de diphenyldiazomethane (DDM) com o ácido p– nitrobenzoic, realizado em lote e fluxo, foi escolhido para a prova de conceito.

Abstract

Tecnologia de fluxo contínuo tem sido identificado como instrumental para sua ambiental e económica vantagens alavancar superior mistura, transferência de calor e economia através da estratégia “dimensionamento para fora” em oposição a tradicional “escala acima”. Neste documento, nós relatamos a reação de diphenyldiazomethane com p– nitrobenzoic ácido nos modos lote e fluxo. Para efetivamente transferir a reação do lote para o modo de fluxo, é essencial para a primeira conduta a reação no lote. Como consequência, a reação de diphenyldiazomethane primeiro foi estudada em lote em função da temperatura, tempo de reação e concentração para obter informações de cinéticas e parâmetros de processo. A afinação de reator de fluxo de vidro é descrita e combina dois tipos de módulos de reação com a “mistura” e “linear” microestruturas. Finalmente, a reação de diphenyldiazomethane com o ácido p– nitrobenzoic com êxito foi realizada no reator de fluxo, com até 95% conversão da diphenyldiazomethane em 11 min. Esta prova de reação conceito visa proporcionar uma visão para os cientistas a considerar a tecnologia de fluxo competitividade, sustentabilidade e versatilidade em suas pesquisas.

Introduction

Engenharia e química verde estão criando uma mudança de cultura para a futura direção da indústria^1,2,3,4. Tecnologia de fluxo contínuo tem sido identificada como instrumental para suas vantagens ambientais e económicas, aproveitando a mistura superior, transferência de calor e economia através da estratégia “dimensionamento para fora” em oposição a tradicional “escala acima”^{5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10}.

Embora as indústrias produzindo produtos de alto valor, como a indústria farmacêutica há muito tempo têm favorecido o processamento em lote, as vantagens da tecnologia de fluxo tornaram atraentes devido a competição econômica e benefícios de produção comercial ^{de montagem 11}. por exemplo, quando os processos de ampliação do lote, unidades de escala-piloto devem ser construídas e operadas para determinar o calor exato e mecanismos de transferência de massa. Isto é dificilmente sustentável e subtrai-se substancialmente da vida patente do produto comercializável. Em contraste, processamento de fluxo contínuo permite as vantagens de escala para fora, eliminando a fase de planta-piloto e engenharia associados produção escala um significativo incentivo financeiro. Além do impacto econômico, tecnologia contínua também permite atômica e processos eficientes de energia. Por exemplo, mistura aprimorada melhora a transferência de massa para sistemas bifásicos, conduzindo a rendimentos melhorados, estratégias de recuperação de catalisador e esquemas de reciclagem posteriores. Além disso, a capacidade de gerenciar com precisão a temperatura de reação conduz a um controle preciso da reação cinética e produto distribuição¹². O controle de processo avançado, a qualidade do produto (seletividade do produto) e reprodutibilidade são impactantes tanto a partir de perspectivas ambientais e financeiras.

Reactores de fluxo estão disponíveis comercialmente, com uma grande variedade de tamanhos e modelos. Além disso, personalização de reatores para atender às necessidades do processo pode ser facilmente alcançada. Neste documento, nós relatamos experiências conduzidas em um reator de fluxo contínuo de vidro (Figura 1). A Assembleia de microestruturas (161 milímetros x 131 x 8 mm) de vidro é compatível com uma vasta gama de produtos químicos e solventes e é resistente à corrosão em uma ampla gama de temperaturas (-25 – 200 ° C) e pressões (até 18 bar). As microestruturas e sua disposição foram projetados para mistura multi injeção de alto desempenho, tempo de residência flexível e transferência de calor precisos. Todos as microestruturas estão equipados com duas camadas fluídico (-25 – 200 ° C, até 3 bar) para troca de calor em ambos os lados da camada de reação. Taxas de transferência de calor são proporcional a área de superfície de transferência de calor e inversamente proporcional ao seu volume. Assim, essas microestruturas facilitam uma relação superfície volume ideal para transferência de calor melhorada. Existem dois tipos de microestruturas (isto é, módulos): “misturar” módulos e módulos “lineares” (Figura 2). Os módulos de “mistura” em forma de coração são projetados para induzir turbulência e maximizar a mistura. Em contraste, os módulos lineares fornecem tempo adicional de permanência.

Como prova de conceito, selecionamos a reação bem-descrito de diphenyldiazomethane com ácidos carboxílicos^{13,14,15,16,17}. O esquema de reação é mostrado na Figura 3. A transferência inicial do próton do ácido carboxílico para o diphenyldiazomethane é lenta e é o passo determinante de taxa. O segundo passo é rápido e produz o produto da reação e o nitrogênio. A reação foi inicialmente investigada para comparar a acidez relativa de ácidos carboxílicos orgânicos em solvente orgânico (aprótico e prótico). A reação é de primeira ordem no diphenyldiazomethane e primeira ordem em ácidos carboxílicos.

Experimentalmente, a reação foi realizada na presença do grande excesso de ácido carboxílico (10 molares equivalentes). Como consequência, a taxa foi de pseudo primeira ordem em relação a diphenyldiazomethane. A constante de velocidade de ordem segunda Então pode ser obtido dividindo-se a constante de velocidade obtidos experimentalmente de pseudo primeira ordem pela concentração inicial do ácido carboxílico. Inicialmente, a reação de diphenyldiazomethane com ácido benzoico (pKa = 4.2) foi investigada. No lote, a reação parecia ser relativamente lentos, atingindo cerca de 90% conversão em 96 minutos. Como a taxa de reação é diretamente proporcional à acidez do ácido carboxílico, escolhemos como um parceiro de reação a mais ácido carboxílicos, ácido p– nitrobenzoic (pKa = 3.4) para encurtar o tempo de reação. A reação do ácido de p– nitrobenzoic com diphenyldiazomethane em etanol anidro, portanto, foi investigada em lote e fluxo (Figura 4). Os resultados são fornecidos em detalhe na seção a seguir.

Quando a reação é realizada em etanol, podem formar-se três produtos: (i) benzidrilico-4-nitrobenzoate, que resulta da reação do ácido de p– nitrobenzoic com o difenilmetano diazônio intermediário; (ii) Benzidrílicos éter etílico que é obtida da reação do solvente, etanol, com o difenilmetano diazônio; e (iii) nitrogênio. A distribuição do produto não foi estudada como é bem documentado na literatura; Prefiro focamos a nossa atenção para a transferência de tecnologia da reação de lote para fluxo contínuo de^14,13,15. Experimentalmente, o desaparecimento do diphenyldiazomethane foi monitorado. A reação procede com uma mudança de cores vivas, que pode ser observada visualmente por espectroscopia UV-Vis. Isto resulta do fato de que o diphenyldiazomethane é um composto fortemente roxo enquanto todos os outros produtos da reação são incolores. Portanto, a reação pode ser visualmente monitorizada em uma base qualitativa e quantitativamente, seguida por espectroscopia UV (ou seja, o desaparecimento da absorção difenil diazometano em 525 nm). Neste documento, nós primeiro relatório a reação do ácido de nitrobenzoic – diphenyldiazomethane e pem etanol em lote como uma função do tempo. Em segundo lugar, a reação com êxito foi transferida e realizada em reator de fluxo o vidro. O progresso da reação foi verificado pelo monitoramento o desaparecimento de diphenyldiazomethane usando espectroscopia de UV (nos modos de lote e fluxo).

Protocol

avisos de saúde e especificação dos reagentes Benzofenona hidrazona: Pode causar irritação do trato digestivo. As propriedades toxicológicas desta substância não foram investigadas totalmente. Pode causar irritação das vias respiratórias. As propriedades toxicológicas desta substância não foram investigadas totalmente. Pode causar irritação na pele e olho irritação 18. ativado óxido de manganês (MnO 2): (avaliaç?…

Representative Results

Reação de loteDiphenyldiazomethane foi preparado de acordo com a literatura28,29. O composto foi cristalizado de acetato de etila: éter de petróleo (100:2) e o sólido cristalino roxo foi analisado pelo H1 NMR, ponto de fusão e MS. As análises foram consistentes com a estrutura e relataram valores de literatura. A reação de dipheny…

Discussion

Química de fluxo tem ganhado muita atenção recentemente com uma média de cerca de 1.500 publicações sobre o tema anualmente em áreas de pesquisa de engenharia (25%) e química (29%). Muitos processos bem sucedidos têm sido realizados em fluxo. Em numerosos casos, química de fluxo foi demonstrada que apresentam desempenhos superiores em lote para muitas aplicações, tais como os preparativos de ingredientes farmaceuticamente ativos^30,31, produtos naturai…

Materials

Thermometer	HB-USA/ Enviro-safe		Any other instrument scientific company provider works
Benzophenone hydrazone	Sigma-Aldrich		Store at 2-8 °C, 96% purity
Activated MnO2	Fluka		≥ 90% purity, harmful if inhaled or swallowed. Refer to MSDS for more safety precautions
Dibasic KH2PO4	Sigma-Aldrich		Serious eye damage, respiratory irritant. Refer to MSDS for more safety precautions
Dichloromethane (DCM)	Alfa Aesar		≥ 99.7% purity, argon packed
Rotovap	Büchi		accessory parts include Welch self-cleaning dry vacuum model 2027, and Neuberger KNP dry ice trap
Bump trap	Chemglass		Any other instrument scientific company provider works
Neutral Silica Gel (50-200 mM)	Acros Organic/ Sorbent Technology		Respiratory irritant if inhaled, refer to MSDS for more safety precautions
Inert Argon Gas	Airgas		Always ensure proper regulator is in place before using
Medium Porosity Sintered Funnel Glass Filter	Sigma-Aldrich		Any other instrument scientific company provider works
Aluminum Foil	Reynolds Wrap		Any other company works. Used to prevent photolytic damage towards DDM
Para-NO2 benzoic acid	Sigma-Aldrich		Skin contact irritant, eye irritant, respiratory irritant. Refer to MSDS for more safety precautions
Pure ethyl alcohol (200 proof)	Sigma-Aldrich		≥ 99.5% purity, anhydrous. Highly flammable
Toluene	Sigma-Aldrich		≥ 99.8% purity, anhydrous. Skin permeator, flammable
Ortho-xylene	Sigma-Aldrich		99% purity, anhydrous. Toxic to organs and CNS. Adhere to specifications dictated within MSDS
Diphenyl diazo methane	Produced in-house		Respiratory irritant, refer to MSDS for more safety precautions
Corning reactor	Corning Proprietary		Manufactured in 2009. model number MR 09-083-1A
Stop watch	Traceable Calibration Control Company		Any other company that provides monitoring with laboratory grade accredidation works
Analytical balance	Denver Instruments		Model M-2201, or any analytical balance that has sub-milligram capabilities
Dram vials	VWR		2 dram, 4 dram, and 6 dram vials
Micropipettes	Eppendorf		2-20 μL and 100-1000 μL micropipettes work
Glass pipettes	VWR		Any other instrument scientific company provider works
GC-MS	Shimadzu GC		Software associated: GC Real Time Analysis
GC vials	VWR		Any other providing company works
Beakers	Pyrex		500 mL beakers
Syringe pumps	Sigma Aldrich		Teledyne Isco Model 500D
Relief valve	Swagelok		Spring loaded relieve valve
One-way valves	Nupro		10 psi grade
Two-way straight valves	HiP		15,000 psi grade