כימיה זרימה מחוממת: קפיצת מדרגה בסינתזה אורגנית

חוקרים מאוניברסיטת ליאז' פרסמו מדריך שיעזור להבין טוב יותר ולנצל את מרחב התגובה החדש הקשור לתנאים מחוממים-על.

טכנולוגיות מיקרו/מזופלואידיות מאוניברסיטת ליאז' משנות את הסינתזה הכימית על ידי מתן אפשרות לתגובות מהירות ויעילות יותר. למרות אתגרים עם זמני תגובה ארוכים יותר, חידושים כמו טכנולוגיית זרימה מחוממת במיוחד מציעים פתרונות על ידי זירוז משמעותי של תגובות, שיפור הפרודוקטיביות והקיימות כאחד.

יוזמות מחקר במרכז לטכנולוגיה משולבת וסינתזה אורגנית של אוניברסיטת ליאז' בבלגיה מדגישות את הפוטנציאל העצום של טכנולוגיות מיקרו/מזופלואידיות לפתיחת תחומים חדשים של תגובות כימיות. טכנולוגיות אלו מאפשרות עיבוי של לוחות זמנים ומרחבים של תהליך, מרחיבות את האפשרויות לפרודוקטיביות משופרת ולגילוי מסלולי תגובה חדשים. המדריך המפרט את ההתקדמות הללו פורסם לאחרונה בכתב העת חשבונות של מחקר כימי.

טכנולוגיית זרימה רציפה וכורים מיקרו/מזופלואידים מראים הבטחה גדולה לעיצוב מחדש של מסלולים מסורתיים לקראת ייצור כימיים, אך עדיין מתמודדים עם אתגרים. טכנולוגיית הזרימה פועלת בתוך מסגרת זמן ומרחב שונה מאוד בהשוואה לטכנולוגיות תהליך קונבנציונליות. כפי שנדון במאמר קודם, מסגרת הזמן לתגובה היא פרמטר קריטי להבטחת תהליכי זרימה קיימא בקנה מידה גדול. בעוד שתהליכי אצווה מתאימים בנוחות לתגובות איטיות על פני פרקי זמן ממושכים (דקות עד ימים), כורי זרימה מתוכננים בדרך כלל לזמני תגובה קצרים בהרבה (באופן אידיאלי פחות מדקה אחת, אך יכולים להתמודד באופן סביר עם תגובות של עד כ-15 דקות כדי לשמור על כדאיות כלכלית בהיקפי ייצור ).

מגבלות זמן תגובה בטכנולוגיית זרימה

אילוץ זה משמעותי, מכיוון שתגובות רבות דורשות פרקי זמן ארוכים יותר כדי להגיע להשלמה. זה נתפס לעתים קרובות כאחד המכשולים העיקריים לקראת אימוץ נרחב יותר של טכנולוגיית זרימה. לדוגמה, תגובה מסדר שני (1 M) במים עם אנטלפיה של הפעלה של 9.8 קק"ל מול^-1 ואנטרופיית הפעלה של -0.0456 קק"ל מול^-1 דורש 5 ימים כדי להגיע להשלמה (>99% המרה) בטמפרטורת החדר.

ברפלוקס (100 מעלות צלזיוס), קצב התגובה עולה פי 35, אך עדיין לוקח יותר מ-3 שעות עד להשלמתו, מה שהופך אותו ללא מתאים לטכנולוגיית זרימה. תהליכי אצווה פועלים בדרך כלל בתוך נקודת הרתיחה של הממס. זה מגביל באופן דרסטי את חלון טמפרטורת התגובה ודורש שינויי ממס כדי להשיג טמפרטורות גבוהות יותר, מה שמציג חסרונות נוספים. בחירת הממס הופכת מוגבלת לנקודות רתיחה, ולעתים קרובות פוגעת בתאימות התגובה, המסיסות, הסלקטיביות, העלות והרעילות.

"טכנולוגיית זרימה מחוממת ממנפת את היתרונות של תהליכי זרימה על ידי הפעלה מעל נקודות רתיחה של ממס כדי לשפר את קצבי התגובה, לשפר את הפרודוקטיביות והבטיחות, וליישר קו עם יעדי הקיימות", מסביר ז'אן-כריסטוף מונבליו, ראש מעבדת CiTOS. אם נחזור לדוגמה שלנו, אותה תגובה בתנאים מחוממים-על ב-200 מעלות צלזיוס במים תראה תאוצה של פי 713, שעלולה להגיע להשלמה תוך 10 דקות." כמו אשף, תנאים מחוממים מתריסים לחוכמה נפוצה, דוחסים הן מסגרות זמן והן של חלל בתוך תהליכים והופכים תגובות איטיות לנגישות לטכנולוגיית זרימה.

למרות היתרונות המשמעותיים שלה, הגישה לתנאי זרימה מחוממים היא מורכבת ודורשת משאבים, במיוחד עבור עולים חדשים. בחשבון זה, אנו מספקים סקירה תמציתית של כימיה של זרימה מחוממת, כולל מושגי מפתח, אפשרויות כור ושיטות אימוץ אסטרטגיות באמצעות עיצוב ניסויים, כימיה של בדיקות מיקרוגל, נתוני קינטיקה ומכניקת קוונטים. "המטרה שלנו היא להנחות את החקירה של מרחבים כימיים מורחבים ולהאיץ סינתזה אורגנית, מסכם ז'אן-כריסטוף מונבליו. אנו גם מדגישים דוגמאות עדכניות מהמעבדה שלנו ומתורמים מובילים אחרים ברחבי העולם."

מימון: מכון המחקר WEL, Fonds De La Recherche Scientifique – FNRS