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Condições de fluxo superaquecidas comprimem a estrutura espaço-temporal das reações, abrindo a porta para novas possibilidades. Crédito: University of Liège/P. Bianchi
Pesquisadores da Universidade de Liège lançaram um guia para ajudar a entender e utilizar melhor o novo espaço de reação associado a condições superaquecidas.
As tecnologias micro/mesofluídicas da Universidade de Liège estão transformando a síntese química ao permitir reações mais rápidas e eficientes. Apesar dos desafios com tempos de reação mais longos, inovações como a tecnologia de fluxo superaquecido oferecem soluções ao acelerar significativamente as reações, aumentando a produtividade e a sustentabilidade.
Iniciativas de pesquisa no Centro de Tecnologia Integrada e Síntese Orgânica da Universidade de Liège, na Bélgica, destacam o vasto potencial das tecnologias micro/mesofluídicas para abrir novas áreas de reações químicas. Essas tecnologias permitem a condensação de escalas de tempo e espaços de processos, ampliando as possibilidades de produtividade aprimorada e a descoberta de novas vias de reação. O guia detalhando esses avanços foi publicado recentemente no periódico Contas de Pesquisa Química.
A tecnologia de fluxo contínuo e os reatores micro/mesofluídicos mostram grande promessa para remodelar as rotas tradicionais em direção à fabricação química, mas ainda enfrentam desafios. A tecnologia de fluxo opera em um espaço e prazo muito diferentes em comparação com as tecnologias de processo convencionais. Conforme discutido em um artigo anterioro intervalo de tempo para uma reação é um parâmetro crítico para garantir processos de fluxo viáveis em larga escala. Enquanto processos em lote acomodam confortavelmente reações lentas em intervalos de tempo estendidos (minutos a dias), reatores de fluxo são tipicamente projetados para tempos de reação muito mais curtos (idealmente menos de um minuto, mas podem lidar razoavelmente com reações de até cerca de 15 minutos para manter a viabilidade econômica em escalas de produção).
Restrições de tempo de reação na tecnologia de fluxo
Essa restrição é significativa, pois muitas reações exigem prazos mais longos para serem concluídas. Isso é frequentemente visto como um dos principais obstáculos para a adoção mais ampla da tecnologia de fluxo. Por exemplo, uma reação de segunda ordem (1 M) em água com uma entalpia de ativação de 9,8 kcal mol-1 e uma entropia de ativação de -0,0456 kcal mol-1 requer 5 dias para atingir a conclusão (>99% de conversão) em temperatura ambiente.
No refluxo (100 °C), a taxa de reação aumenta 35 vezes, mas ainda leva mais de 3 horas para atingir a conclusão, tornando-a inadequada para a tecnologia de fluxo. Os processos em lote geralmente operam dentro do ponto de ebulição do solvente. Isso limita drasticamente a janela de temperatura da reação e requer mudanças de solvente para atingir temperaturas mais altas, o que introduz desvantagens adicionais. As escolhas de solventes ficam restritas aos pontos de ebulição, muitas vezes comprometendo a compatibilidade da reação, solubilidade, seletividade, custo e toxicidade.
“A tecnologia de fluxo superaquecido alavanca as vantagens dos processos de fluxo operando acima dos pontos de ebulição do solvente para aumentar as taxas de reação, melhorando a produtividade e a segurança, e alinhando-se com as metas de sustentabilidade, explica Jean-Christophe Monbaliu, chefe do CiTOS Lab. Voltando ao nosso exemplo, a mesma reação sob condições superaquecidas a 200 °C na água veria uma aceleração de 713 vezes, potencialmente atingindo a conclusão em 10 minutos.” Como um mago, as condições superaquecidas desafiam a sabedoria comum, comprimindo os quadros de tempo e espaço dentro dos processos e tornando as reações lentas passíveis de tecnologia de fluxo.
Apesar de seus benefícios significativos, acessar condições de fluxo superaquecido é complexo e exige muitos recursos, especialmente para iniciantes. Nesta Conta, fornecemos uma visão geral concisa da química do fluxo superaquecido, incluindo conceitos-chave, opções de reatores e métodos de adoção estratégica usando Design de Experimentos, química de teste de micro-ondas, dados cinéticos e Mecânica Quântica. “Nosso objetivo é orientar a exploração de espaços químicos estendidos e acelerar a síntese orgânica, conclui Jean-Christophe Monbaliu. Também destacamos exemplos recentes de nosso laboratório e de outros colaboradores importantes em todo o mundo.”
Referência: “Novas oportunidades para síntese orgânica com química de fluxo superaquecido” por Pauline Bianchi e Jean-Christophe M. Monbaliu, 23 de julho de 2024, Contas de Pesquisa Química.
DOI: 10.1021/acs.accounts.4c00340
Financiamento: Instituto de Pesquisa WEL, Fonds De La Recherche Scientifique – FNRS