Поточная химия

Химическая реакция протекает в непрерывном потоке

В проточной химии , также называемой реакторостроением , химическая реакция протекает в непрерывном потоке, а не в периодическом производстве . Другими словами, насосы перекачивают жидкость в реактор, и там, где трубы соединяются друг с другом, жидкости контактируют друг с другом. Если эти жидкости реакционноспособны, происходит реакция. Химия потоков — это хорошо зарекомендовавший себя метод, который можно использовать в больших масштабах при производстве больших количеств данного материала. Однако этот термин был придуман химиками лишь недавно для его применения в лабораторных масштабах и описывает небольшие пилотные установки и лабораторные установки непрерывного действия. ^[1] Часто используются микрореакторы . ^[2]

Пакетная обработка против потока

Сравнение определений параметров в Batch vs Flow

• Стехиометрия реакции : При серийном производстве она определяется концентрацией химических реагентов и их объемным соотношением . В потоке это определяется концентрацией реагентов и соотношением их скоростей.
• Время пребывания: при серийном производстве оно определяется тем, как долго сосуд выдерживается при заданной температуре. В потоке объемное время пребывания определяется соотношением объема реактора и общей скорости потока, поскольку чаще всего используются реакторы с поршневым потоком .

Запуск реакций потока

Выбор проведения химической реакции с использованием проточной химии либо в микрореакторе , либо в другом смесительном устройстве имеет множество плюсов и минусов.

Преимущества

• Температуру реакции можно поднять выше точки кипения растворителя, поскольку объем лабораторных устройств обычно невелик. Обычно несжимаемые жидкости используются без объема газа, поэтому коэффициент расширения в зависимости от давления невелик.
• Смешивание может быть достигнуто за считанные секунды в меньших масштабах, используемых в проточной химии.
• Теплообмен усиливается. Главным образом потому, что соотношение площади к объему велико. В результате эндотермические и экзотермические реакции можно легко и последовательно термостатировать. Градиент температуры может быть крутым, что позволяет эффективно контролировать время реакции.
• Безопасность повышается:
  • В тепловой массе системы преобладает аппарат, что делает тепловые выбросы маловероятными.
  • Меньший объем реакции также считается преимуществом с точки зрения безопасности. ^[3]
  • Реактор работает в установившемся режиме .
• Проточные реакции можно автоматизировать с гораздо меньшими усилиями, чем периодические реакции. ^[4] Это позволяет осуществлять автоматическую эксплуатацию и планирование экспериментов. Соединив выход реактора с системой детекторов, можно пойти дальше и создать автоматизированную систему, которая может последовательно исследовать ряд возможных параметров реакции (изменяющаяся стехиометрия , время пребывания и температура) и, следовательно, исследовать параметры реакции с небольшими или незначительными затратами. никакого вмешательства.

Типичными факторами являются более высокая урожайность/селективность, меньшая потребность в рабочей силе или более высокий уровень безопасности.

• Многостадийные реакции могут быть расположены в непрерывной последовательности. Это может быть особенно полезно, если промежуточные соединения нестабильны, токсичны или чувствительны к воздуху, поскольку они существуют лишь кратковременно и в очень небольших количествах.
• Положение вдоль текущего потока и момент времени реакции напрямую связаны друг с другом. Это означает, что можно организовать систему таким образом, чтобы в текущий реакционный поток можно было вводить дополнительные реагенты в нужный момент времени.
• Можно организовать проточную систему так, чтобы очистка сочеталась с реакцией. Используются три основных метода:
  • Твердофазная очистка ^[5]
  • Хроматографическое разделение
  • Жидкость/Жидкостная экстракция
• Реакции, в которых участвуют реагенты, содержащие растворенные газы, легко проводиться, тогда как в периодическом режиме необходим реактор «бомбы» под давлением.
• Многофазные жидкостные реакции (например, катализ с фазовым переносом ) можно проводить простым способом с высокой воспроизводимостью в широком диапазоне масштабов и условий.
• Масштабирование проверенной реакции может быть достигнуто быстро с минимальными затратами на разработку процесса или вообще без нее ^[6] либо путем изменения объема реактора, либо путем параллельной работы нескольких реакторов, при условии, что потоки пересчитываются для достижения того же времени пребывания.

Недостатки

• Для точного непрерывного дозирования необходимо специальное оборудование (например, насосы ), соединения и т. д.
• Должны быть установлены процедуры запуска и остановки.
• Масштабирование микроэффектов , таких как высокое соотношение площади к объему, невозможно, и эффект масштаба может оказаться неприменимым. Обычно расширение масштабов приводит к созданию специализированного завода.
• Вопросы безопасности при хранении реактивных материалов по-прежнему актуальны.

Недостатки обсуждались Пашковой и Грейнером с учетом создания небольших непрерывных производственных процессов. ^[7]

Реакторы непрерывного действия

стадии реакции многоячеечного проточного реактора

Реакторы непрерывного действия обычно имеют трубчатую форму и изготавливаются из нереакционноспособных материалов, таких как нержавеющая сталь, стекло и полимеры. Методы смешивания включают только диффузию (если диаметр реактора небольшой, например, <1 мм, как в микрореакторах ) и статические смесители . Реакторы непрерывного действия позволяют хорошо контролировать условия реакции, включая теплообмен, время и смешивание.

Время пребывания реагентов в реакторе (т.е. количество времени, в течение которого реакция нагревается или охлаждается) рассчитывается исходя из объема реактора и скорости потока через него:

${\displaystyle {\text{Residence time}}={\frac {\text{Reactor Volume}}{\text{Flow Rate}}}}$

Следовательно, для достижения более длительного времени пребывания реагенты можно закачивать медленнее и/или использовать реактор большего объема. Производительность может варьироваться от нанолитров до литров в минуту.

Некоторыми примерами проточных реакторов являются реакторы с вращающимся диском; ^[8] реакторы с вращающейся трубкой; многоячеечные проточные реакторы; реакторы с колебательным потоком; микрореакторы ; шестигранные реакторы; и «аспирационные реакторы». В аспирационном реакторе насос перемещает один реагент, что приводит к всасыванию реагента. Этот тип реактора был запатентован примерно в 1941 году компанией Нобель для производства нитроглицерина .

Масштаб проточного реактора

Меньшие по размеру микропоточные реакторы или микрореакторы могут сделать их идеальными для экспериментов по разработке технологических процессов. Хотя можно управлять потоковыми процессами в тоннном масштабе, синтетическая эффективность повышается за счет улучшения тепло- и массопереноса, а также массопереноса.

микрореактор

Ключевые области применения

Использование газов в потоке

Реакторы проточного типа лабораторного масштаба являются идеальными системами для использования газов, особенно токсичных или связанных с другими опасностями. Газовые реакции, которые наиболее успешно адаптированы для протекания, — это гидрирование и карбонилирование , ^{[9] [10],} хотя работы также проводились с использованием других газов, например, этилена и озона . ^[11]

Причины пригодности проточных систем для работы с опасными газами следующие:

• Системы позволяют использовать катализатор с неподвижным слоем . В сочетании с низкой концентрацией раствора это позволяет всем соединениям адсорбироваться на катализаторе в присутствии газа.
• Из системы постоянно выбрасывается сравнительно небольшое количество газа, что устраняет необходимость во многих специальных мерах предосторожности, обычно необходимых при работе с токсичными и/или легковоспламеняющимися газами.
• Добавление давления означает, что гораздо большая часть газа будет находиться в растворе во время реакции, чем обычно.
• Значительно улучшенное смешивание твердой, жидкой и газообразной фаз позволяет исследователю использовать кинетические преимущества повышенных температур, не беспокоясь о вытеснении газа из раствора.

Фотохимия в сочетании с проточной химией

Фотохимия в непрерывном потоке имеет множество преимуществ перед фотохимией в периодическом режиме . Фотохимические реакции определяются количеством фотонов , которые способны активировать молекулы, вызывая желаемую реакцию. Большое соотношение площади поверхности к объему микрореактора максимизирует освещенность и в то же время обеспечивает эффективное охлаждение, что уменьшает побочные тепловые продукты .

Электрохимия в сочетании с проточной химией

Электрохимия в непрерывном потоке, как и непрерывная фотохимия, предлагает множество преимуществ по сравнению с аналогичными периодическими условиями. Электрохимию, как и фотохимические реакции, можно рассматривать как «безреагентные» реакции. В электрохимической реакции реакции способствует количество электронов, которые способны активировать молекулы, вызывая желаемую реакцию. Аппарат непрерывной электрохимии уменьшает расстояние между используемыми электродами, чтобы обеспечить лучший контроль количества электронов, передаваемых в реакционную среду, что обеспечивает лучший контроль и селективность. ^[12] Недавние разработки в области электрохимических проточных систем позволили объединить реакционно-ориентированные электрохимические проточные системы с видово-ориентированной спектроскопией, что позволяет провести полный анализ реакций, включающих несколько стадий переноса электрона, а также нестабильные промежуточные соединения. ^[13] Эти системы, называемые спектроэлектрохимическими системами, могут позволить использовать УФ-Вид , а также более сложные методы, такие как электрохемилюминесценция . Более того, использование электрохимии обеспечивает еще одну степень гибкости, поскольку пользователь может контролировать не только параметры потока и характер самого электрохимического измерения, но также геометрию или природу электрода (или электродов в случае электродной решетки). ^[14]

Процесс развития

Разработка процесса меняется с последовательного подхода на параллельный. В пакетном режиме сначала работает химик, а затем инженер-химик. В проточной химии это меняется на параллельный подход, при котором химик и инженер-химик работают интерактивно. Обычно в лаборатории есть установка, которая является инструментом для обоих. Эта установка может быть коммерческой или некоммерческой. Масштаб разработки может быть небольшим (мл/час) для проверки идеи с использованием чиповой системы и в пределах пары литров в час для масштабируемых систем, таких как технология проточного минизавода. Чиповые системы в основном используются для работы с жидкостью и жидкостью, тогда как проточные мини-заводы могут работать с твердыми или вязкими материалами.

Масштабирование микроволновых реакций

Микроволновые реакторы часто используются для мелкосерийной химии. Однако из-за экстремальных температур и давлений, достигаемых в микроволновой печи, часто бывает трудно перенести эти реакции на обычные немикроволновые устройства для последующей разработки, что приводит к трудностям с масштабированием исследований. Проточный реактор с подходящей способностью работать при высоких температурах и контролем давления может напрямую и точно имитировать условия, создаваемые в микроволновом реакторе. ^[15] Это облегчает синтез больших количеств за счет увеличения времени реакции.

Решения для масштабов производства

Системы потока можно масштабировать до тонн в час. Модернизация завода (от партии к продолжению ^{[ необходимы пояснения ]} для существующего завода), эксплуатация агрегата (замена только одной стадии реакции) и модульная многоцелевая установка (разбиение установки непрерывного действия на модульные блоки) являются типичными решениями реализации для поточных процессов.

Другие варианты использования потока

Можно проводить эксперименты в потоке, используя более сложные методы, такие как химия твердой фазы. Твердофазные реагенты , катализаторы или поглотители можно использовать в растворе и прокачивать через стеклянные колонны, например, при синтезе алкалоида природного продукта оксомаритидина с использованием твердофазной химии. ^[16]

Растет интерес к полимеризации как непрерывному процессу. Например, обратимый перенос цепи присоединения-фрагментации или RAFT- полимеризация. ^{[17] [18] [19]}

Методы непрерывного потока также использовались для контролируемого получения наночастиц. ^[20] Очень быстрое перемешивание и превосходный контроль температуры в микрореакторах способны обеспечить стабильное и узкое распределение наночастиц по размерам.

Химия сегментированного потока

Как обсуждалось выше, проведение экспериментов в системах с непрерывным потоком затруднено, особенно когда разрабатываются новые химические реакции, что требует отбора нескольких компонентов, различной стехиометрии, температуры и времени пребывания. В непрерывном потоке эксперименты проводятся последовательно, что означает, что можно проверить одно экспериментальное условие. Экспериментальная производительность сильно варьируется, и, как правило, для достижения устойчивого состояния требуется в пять раз больше времени пребывания . При изменении температуры необходимо учитывать тепловую массу реактора, а также периферийных устройств, таких как жидкостные ванны. Чаще всего необходимо учитывать время анализа.

Сегментированный поток — это подход, который повышает скорость проведения скрининга, оптимизации и создания библиотек в проточной химии. В сегментированном потоке используется подход « пробкового потока », при котором экспериментальные смеси определенного объема создаются и затем вводятся в проточный реактор высокого давления. Диффузия сегмента (реакционной смеси) сводится к минимуму за счет использования несмешивающегося растворителя на переднем и заднем концах сегмента.

Одним из основных преимуществ химии сегментированных потоков является возможность проводить эксперименты последовательным/параллельным образом, при этом эксперименты с одинаковым временем пребывания и температурой могут проводиться и вводиться повторно. Кроме того, объем каждого эксперимента не зависит от объема расходомерной трубки, что позволяет экономить значительное количество реагента на эксперимент. При проведении скрининга реакций и библиотек состав сегментов обычно зависит от состава вещества. При оптимизации реакции сегменты различаются в зависимости от стехиометрии.

Сегментированный поток также используется в онлайн-ЖХМС, как аналитической, так и препаративной, где сегменты обнаруживаются при выходе из реактора с помощью УФ-излучения и впоследствии разбавляются для аналитической ЖХМС или вводятся непосредственно для препаративной ЖХМС.

Смотрите также

• Химическая реакция
• Микрофлюидика
• Микрореактор
• Органическая химия
• Реактор поршневого типа

Рекомендации

1. А. Киршнинг (редактор): Химия в проточных системах и Химия в проточных системах II Тематическая серия в журнале Beilstein Journal of Organic Chemistry с открытым доступом .
2. Гуиди, Мара; Сибергер, Питер Х.; Гилмор, Керри (2020). «Как подойти к химии потоков». Обзоры химического общества . 49 (24): 8910–8932. дои : 10.1039/C9CS00832B . hdl : 21.11116/0000-0007-5D9A-4 . PMID  33140749. S2CID  226241802.
3. Мовсисян, М.; Дельбеке, EIP; Бертон, JKET; Баттилоккио, К.; Лей, СВ; Стивенс, резюме (12 сентября 2016 г.). «Укрощение опасной химии с помощью технологии непрерывного потока». Обзоры химического общества . 45 (18): 4892–4928. дои : 10.1039/C5CS00902B. ISSN  1460-4744. ПМИД  27453961.
4. Фитцпатрик, Дэниел Э.; Баттилоккьо, Клаудио; Лей, Стивен В. (19 февраля 2016 г.). «Новая интернет-платформа для мониторинга, контроля и автономной самооптимизации реакций химического синтеза». Исследования и разработки органических процессов . 20 (2): 386–394. дои : 10.1021/acs.oprd.5b00313 . ISSN  1083-6160.
5. Смит, Кристофер Д.; Баксендейл, Ян Р.; Транмер, Джеффри К.; Бауманн, Маркус; Смит, Стивен С.; Льютуэйт, Рассел А.; Лей, Стивен В. (2007). «Меченые фосфиновые реагенты для облегчения проведения реакции путем очистки с переключением фаз с использованием модульного проточного реактора». Орг. Биомол. Хим . 5 (10): 1562–1568. дои : 10.1039/b703033a. PMID  17571185. S2CID  9891686.
6. Борос, Золтан; Надь-Дьёр, Ласло; Катаи-Фаджиас, Каталин; Кохедьи, Имре; Линг, Иштван; Надь, Тамаш; Ивани, Золтан; Ола, Марк; Рушич, Дьёрдь; Темеси, Отто; Волк, Балаж (01.06.2019). «Производство в непрерывном потоке на заключительном этапе синтеза вортиоксетина. Формирование пиперазинового кольца на проточной платформе с упором на производительность и масштабируемость». Журнал проточной химии . 9 (2): 101–113. doi : 10.1007/s41981-019-00036-x. ISSN  2063-0212. S2CID  155898388.
7. Пашкова, А.; Грейнер, Л. (2011). «На пути к мелкомасштабному непрерывному химическому производству: технологические пробелы и проблемы». Химия Инжениор Техник . 83 (9): 1337–1342. doi :10.1002/cite.201100037.
8. Оксли, Пол; Брехтельсбауэр, Клеменс; Рикар, Франсуа; Льюис, Норман; Рамшоу, Колин (2000). «Оценка технологии реакторов с вращающимся диском для производства фармацевтических препаратов» (PDF) . Индийский англ. хим. Рез . 39 (7): 2175–2182. дои : 10.1021/ie990869u. Архивировано из оригинала (PDF) 10 августа 2017 года . Проверено 10 мая 2013 г.
9. Чаджаги, Чаба; Борчек, Бернадетт; Нис, Кристиан; Ковач, Ильдико; Секелихиди, Жолт; Байко, Золтан; Урге, Ласло; Дарвас, Ференц (22 марта 2008 г.). «Высокоэффективное аминокарбонилирование путем введения CO в реактор непрерывного действия под давлением». Орг. Летт . 10 (8): 1589–1592. дои : 10.1021/ol7030894. ПМИД  18358035.
10. Меркаданте, Майкл А.; Ледбитер, Николас Э. (июль 2011 г.). «Реакции алкоксикарбонилирования с непрерывным потоком, катализируемые палладием, с использованием прототипа реактора, в который можно одновременно загружать газ и нагревать». Орг. Биомол. Хим . 9 (19): 6575–6578. дои : 10.1039/c1ob05808h. ПМИД  21850299.
11. Ройдхаус, Мэриленд; Гайни, А.; Константину, А.; Канту-Перес, А.; Мазервелл, Всемирный банк; Гаврилидис, А. (23 июня 2011 г.). «Озонолиз в потоке с использованием капиллярных реакторов». Орг. Процесс Рез. Дев . 15 (5): 989–996. дои : 10.1021/op200036d.
12. Нойхаузер, Томер; Мандлер, Дэниел (2013). «Новая электрохимическая проточная ячейка для дистанционного зондирования тяжелых металлов». Электроанализ . 25 : 109–115. дои : 10.1002/elan.201200369.
13. Нойхаузер Т., Сноуден М.Е., Тефаше У.М. и Маузеролл Дж., Модульная проточная платформа для спектроэлектрохимического анализа, Аналитическая химия, 2017, 89 (10), 5246-5253, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b04649.
14. Нойхаузер Т., Перри С.С., Висенте-Луис А., Хейс П.Л. и Маузеролл Дж., Лучшее из обоих миров: объединение технологий ультрамикроэлектродов и проточных ячеек, Журнал Электрохимического общества, 2018 г. 165 (2), H10-15 DOI: 10.1149/ 2.0641802джес
15. Дамм, М.; Гласнов, Теннесси; Каппе, Колорадо (2010). «Перевод высокотемпературной микроволновой химии на масштабируемые процессы с непрерывным потоком». Исследования и разработки органических процессов . 14 : 215–224. дои : 10.1021/op900297e.
16. Баксендейл, Ян Р.; Джон Дили; Шарлотта М. Гриффитс-Джонс; Стивен В. Лей; Стин Сааби; Джеффри К. Транмер (2006). «Процесс многоэтапного синтеза алкалоида природного продукта оксомаритидина: новая парадигма молекулярной сборки». Химические коммуникации (24): 2566–2568. дои : 10.1039/B600382F. ПМИД  16779479.
17. Хорнунг, Кристиан Х.; Герреро-Санчес, Карлос; Брашольц, Мальта; Соберн, Саймон; Чифари, Джон; Моад, Грэм; Рицзардо, Эцио; Танг, Сан Х. (март 2011 г.). «Контролируемая RAFT-полимеризация в микрореакторе непрерывного действия». Орг. Процесс Рез. Дев . 15 (3): 593–601. дои : 10.1021/op1003314.
18. Ванденберг, Шутка; Юнкерс, Томас (август 2012 г.). «Использование микрореактора непрерывного действия для тиол-еновой функционализации поли(бутилакрилата), полученного из RAFT». Полим. Хим . 3 (10): 2739–2742. дои : 10.1039/c2py20423a. HDL : 1942/14216 . S2CID  98115101.
19. Сейлер, Хельга; Джонс, Дэвид Дж.; Холмс, Эндрю Б.; Вонг, Уоллес WH (2012). «Непрерывный синтез сопряженных полимеров». хим. Коммун . 48 (10): 1598–1600. дои : 10.1039/c1cc14315h. ПМИД  21909518.
20. Марек Войницкий; Кшиштоф Пацлавский; Магдалена Лути-Блохо; Кшиштоф Фицнер; Пол Окли; Алан Стреттон (2009). «Синтез наночастиц золота в проточном микрореакторе». Руди Метале . Архивировано из оригинала 18 августа 2016 г. Проверено 9 мая 2013 г.

Внешние ссылки

• ReelReactor Химический и биологический реактор непрерывного действия
• Многостадийный органический синтез с непрерывным потоком - мини-обзор химической науки Дэмиена Уэбба и Тимоти Ф. Джеймисона, в котором обсуждается современное состояние техники и освещаются недавние достижения и текущие проблемы, стоящие перед новой областью методов непрерывного потока для многоэтапного синтеза. Опубликовано Королевским химическим обществом.
• Реакторы непрерывного потока: перспективный обзор Пола Уоттса и Шарлотты Уайлс. Опубликовано Королевским химическим обществом.
• Краткий курс «Поточная химия: непрерывный синтез и очистка фармацевтических препаратов и продуктов тонкой химии», предлагаемый в Массачусетском технологическом институте профессорами Тимоти Джеймисоном и Клавсом Йенсеном]