Kontinuierlicher Fluss Chemie: Reaktion des Diphenyldiazomethane mit p- Nitrobenzoic Säure
Summary
Flow Chemie trägt ökologische und wirtschaftliche Vorteile durch den Einsatz überlegener mischen, Wärmeübertragung und Kostenvorteile. Hier bieten wir eine Blaupause, um chemische Prozesse von Batch auf Flow-Modus übertragen. Die Reaktion des Diphenyldiazomethane (DDM) mit p– Nitrobenzoic Säure, durchgeführt im Batch und Flow, wählte man für Beweis des Konzeptes.
Abstract
Kontinuierlicher Flow Technologie wurde identifiziert als Instrumental für seine ökologischen und ökonomischen Vorteile nutzt Superior mischen, Wärmeübertragung und Kosteneinsparungen durch die “Skalierung,” Strategie im Gegensatz zu den traditionellen “Skalierung bis”. Hier berichten wir über die Reaktion von Diphenyldiazomethane mit p– Nitrobenzoic Säure im Batch und Flow-Modus. Um effektiv die Reaktion von Batch zu Flow-Modus übertragen, gilt es, erste Verhalten die Reaktion im Batch. Infolgedessen war die Reaktion der Diphenyldiazomethane studierte zunächst in Batch als Funktion der Temperatur, Reaktionszeit und Konzentration kinetische Informationen einholen und Prozessparameter. Das Glas fließen Reaktor Setup beschrieben und verbindet zwei Arten der Reaktion Module mit “mischen” und “linear” Mikrostrukturen. Schließlich die Reaktion von Diphenyldiazomethane mit p– Nitrobenzoic Säure wurde erfolgreich durchgeführt, in der Fluss-Reaktor mit bis zu 95 % Umwandlung von Diphenyldiazomethane in 11 Minuten. Diesem Proof of Concept Reaktion soll Einblick für Wissenschaftler Flow Technologie Wettbewerbsfähigkeit, Nachhaltigkeit und Vielseitigkeit in ihrer Forschung zu berücksichtigen.
Introduction
Grüne Chemie und Technik schaffen einen Kulturwandel für die künftige Ausrichtung der Industrie1,2,3,4. Kontinuierlicher Flow Technologie wurde als maßgeblich für die ökologische und ökonomische Vorteile nutzt überlegene mischen, Wärmeübertragung, identifiziert und Kosteneinsparungen durch die “Skalierung,” Strategie im Gegensatz zu den traditionellen “Skalierung bis”5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10.
Obwohl die Industrie produziert qualitativ hochwertige Produkte wie die Pharmaindustrie lange Stapelverarbeitung begünstigt haben, sind die Vorteile der Strömungstechnik Folge der zunehmenden wirtschaftlichen Wettbewerb und kommerzielle Produktion Vorteile attraktiv geworden 11. Z. B. Skalierung Batch verarbeitet, Pilotmaßstab Einheiten müssen gebaut und betrieben werden präzise Wärme- und Stoffübertragung Mechanismen zu ermitteln. Dies ist kaum nachhaltig und subtrahiert die marktfähige patent Lebensdauer des Produkts erheblich. Im Gegensatz dazu kontinuierliche Verarbeitung ermöglicht die Vorteile des Scale-out, zugeordnete Beseitigung der Pilotanlage Phase und Engineering Produktion Skala-eine erhebliche finanzielle Anreize. Über die wirtschaftlichen Auswirkungen kontinuierlicher Technologie ermöglicht auch atomare und Energie effiziente Prozesse. Zum Beispiel verbessert verbesserte mischen Stoffaustausch für zweiphasige Systeme führt zu verbesserten Erträgen, Katalysator-Recovery-Strategien und nachfolgende Recyclingsysteme. Darüber hinaus führt die Möglichkeit, genau die Reaktionstemperatur verwalten, präzise Kontrolle der Reaktion Kinetik und Produkt Verteilung12. Der verbesserten Prozesssteuerung, Qualität der Produkte (Produktselektivität) und Reproduzierbarkeit sind wirkungsvolle sowohl aus ökologischen und finanziellen Gesichtspunkten.
Flow-Reaktoren sind im Handel mit einer Vielzahl von Größen und Ausführungen erhältlich. Darüber hinaus kann die Anpassung von Reaktoren für Prozess-Anforderungen leicht erreicht werden. Hier berichten wir über Experimente in einem Glas kontinuierlichen Fluss Reaktor (Abbildung 1). Die Versammlung von Mikrostrukturen (161 x 131 x 8 mm) aus Glas ist kompatibel mit einer Vielzahl von Chemikalien und Lösungsmitteln und ist korrosionsbeständig, über einen weiten Temperaturbereich (-25 – 200 ° C) und Druck (bis zu 18 Bar). Die Mikrostrukturen und deren Anordnung wurden für Multi-Injektion, Hochleistungs-mischen, flexible Verweildauer und genaue Wärmeübertragung entwickelt. Die Mikrostrukturen sind ausgestattet mit zwei fluidische Schichten (-25 – 200 ° C bis 3 Bar) für den Wärmeaustausch auf beiden Seiten der Reaktionsschicht. Hitze-Übertragungsraten sind proportional zur Oberfläche Wärmeübertragungsfläche und umgekehrt proportional zum Volumen. Diese Mikrostrukturen ermöglichen, ein optimales Oberflächen-Volumen-Verhältnis für verbesserte Wärmeübertragung. Es gibt zwei Arten von Mikrostrukturen (z.B. Module): “mischen” und “linear” Module (Abbildung 2). Die herzförmigen “mischen” Module sollen Turbulenzen auslösen und zu maximieren, mischen. Im Gegensatz dazu bieten die Linearmodule zusätzliche Verweilzeit.
Als Proof of Concept wählten wir die gut beschriebene Reaktion von Diphenyldiazomethane mit Carbonsäuren13,14,15,16,17. Das Reaktionsschema ist in Abbildung 3dargestellt. Die erste Übertragung des Protons aus der Carbonsäure, die Diphenyldiazomethane ist langsam und die Rate-Bestimmung Schritt. Der zweite Schritt ist schnell und liefert das Reaktionsprodukt und Stickstoff. Die Reaktion wurde zunächst untersucht, um relative Säure der organischen Carbonsäuren in organischen Lösungsmittel (aprotischen und protic) zu vergleichen. Die Reaktion ist erster Ordnung in der Diphenyldiazomethane und erster Ordnung in Carbonsäuren.
Experimentell wurde die Reaktion in Anwesenheit des großen Überschuss der Carbonsäure (10 Molaren Äquivalente) durchgeführt. Infolgedessen war die Rate Pseudo erster Ordnung in Bezug auf die Diphenyldiazomethane. Die zweite Bestellung Rate konstant erhalten Sie dann, die experimentell ermittelten Pseudo erste Bestellung Rate konstant durch die Ausgangskonzentration der Carbonsäure dividiert. Zunächst die Reaktion von Diphenyldiazomethane mit Benzoesäure (pKa = 4.2) wurde untersucht. Batch, erschienen die Reaktion relativ langsam, etwa 90 % erreicht werden Umwandlung in 96 Minuten. Da die Reaktionsgeschwindigkeit direkt proportional zu den Säuregehalt der Carbonsäure ist, wählten wir als Reaktionspartner saurer Carbonsäure, p– Nitrobenzoic Säure (pKa = 3.4), die Reaktionszeit zu verkürzen. Die Reaktion von p– Nitrobenzoic Säure mit Diphenyldiazomethane in wasserfreiem Ethanol war somit im Batch und Fluss (Abbildung 4) untersucht. Die Ergebnisse werden im folgenden Abschnitt ausführlich bereitgestellt.
Wenn die Reaktion im Äthanol durchgeführt wird, können die drei Produkte gebildet werden: (i) Benzhydryl-4-Nitrobenzoate ergibt sich aus der Reaktion von p– Nitrobenzoic Säure mit der Diphenylmethan Diazonium Mittelstufe; (Ii) Benzhydryl Ethylether, die Reaktion des Lösungsmittels, Ethanol, mit Diphenylmethan Diazonium entnommen ist; und (Iii) Stickstoff. Die Produktverteilung wurde nicht untersucht, wie es in der Literatur gut dokumentiert ist; Vielmehr haben wir unsere Aufmerksamkeit auf den Technologie-Transfer der Batch-Reaktion auf kontinuierlichen Fluss13,14,15. Experimentell wurde das Verschwinden der Diphenyldiazomethane überwacht. Die Reaktion verläuft mit einer lebendigen Farbveränderung, die optisch durch UV-Vis Spektroskopie beobachtet werden kann. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Diphenyldiazomethane eine stark lila Verbindung ist, während alle anderen Produkte aus der Reaktion farblos sind. Daher kann die Reaktion auf eine qualitative Basis visuell kontrolliert und quantitativ gefolgt von UV-Spektroskopie (d.h. Verschwinden der Diphenyl Diazomethan Absorption bei 525 nm). Hier berichten wir zunächst die Reaktion der Diphenyldiazomethane und p– Nitrobenzoic Säure in Ethanol im Batch als Funktion der Zeit. Zweitens war die Reaktion erfolgreich übertragen und in das Glas fließen Reaktor durchgeführt. Der Fortschritt der Reaktion wurde festgestellt, durch die Überwachung des Verschwindens der Diphenyldiazomethane mit UV-Spektroskopie (im Batch und Flow-Modus).
Protocol
Representative Results
Discussion
Flow-Chemie hat viel Aufmerksamkeit kürzlich mit einem Durchschnitt von etwa 1.500 Publikationen zum Thema jährlich in Forschungsbereichen der Chemie (29 %) und Engineering (25 %) gewonnen. Viele erfolgreiche Prozesse wurden im Fluss durchgeführt. In zahlreichen Fällen zeigte sich Flow Chemie, höhere Leistungen für viele Anwendungen wie die Vorbereitungen der pharmazeutisch Wirkstoffe30,31, Naturprodukte32, Batch auszustellen und Spe…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir möchten Corning danken für das Geschenk des Reaktors Glas fließen.
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 |
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