Jump to content

Поточная химия

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 микрореакторы . используют [ 2 ]

Пакетная обработка против потока

[ редактировать ]

Сравнение определений параметров в Batch vs Flow

[ редактировать ]

Запуск реакций потока

[ редактировать ]

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

Преимущества

[ редактировать ]
  • растворителя Температуру реакции можно поднять выше точки кипения , 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. Подключив выход реактора к детекторной системе, 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 организованы в непрерывную последовательность. Это может быть особенно полезно, если промежуточные соединения нестабильны, токсичны или чувствительны к воздуху, поскольку они будут существовать 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:
    • Очистка твердой фазы [ 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

[ редактировать ]
  • 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

[ редактировать ]
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:

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

Использование газов в потоке

[ редактировать ]

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 проводились и 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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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, переносимых в реакционную среду, что обеспечивает лучший контроль и селективность. [ 12 ] Недавние разработки в области электрохимических проточных систем позволили объединить реакционно-ориентированные электрохимические проточные системы со спектроскопией, ориентированной на виды, что позволяет проводить полный анализ реакций, включающих несколько стадий переноса электрона, а также нестабильные промежуточные продукты. [ 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 ]

Разработка процесса

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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 масштабными исследованиями. 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

[ редактировать ]

Системы потока можно масштабировать до тонн в час. Модернизация завода (от партии к продолжению) [ нужны разъяснения ] для существующей установки), Unit Operation (замена только одной стадии реакции) и Modular Multi-function (Разрезание установки непрерывного действия на модульные блоки) являются типичными решениями реализации для поточных процессов.

Другие варианты использования потока

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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. требуется в пять раз больше времени пребывания Экспериментальная производительность сильно варьируется, и, как правило, для достижения устойчивого состояния . 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.

Индекс состава сегмента
Состав сегмента
Сегментный поток через реактор
Сегментировать последовательный поток

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.

Сегментный поток через реактор
Сегментный последовательный/параллельный поток
Последовательный/параллельный сегментированный поток
Последовательные/параллельные сегменты

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.

См. также

[ редактировать ]
  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 . ПМИД   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 . ПМИД   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. дои : 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. Латышский . 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, ВБ; 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: сочетание 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 Луты-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.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: db6851fc0ab1e998cb2691e758d7f1ec__1723635300
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/db/ec/db6851fc0ab1e998cb2691e758d7f1ec.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Flow chemistry - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)