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

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).