Flow chemistry

La sintesi chimica in flusso è il processo di esecuzione di reazioni chimiche in un capillare o nei canali di un microreattore: i reagenti disciolti nel solvente di reazione vengono pompati, spinti attraverso un dispositivo di miscelazione -una giunzione a T o un miscelatore statico- e poi fatti flussare attraverso il reattore a temperatura controllata. La sintesi a flusso costituisce quindi un approccio radicalmente diverso dal metodo tradizionale in reattori ‘batch’ di vetro

Sintesi a flusso continuo

In un esperimento chimico a flusso continuo i reagenti sono continuamente pompati senza interruzioni, generando un flusso continuo di prodotto finale.

Sintesi a flusso ‘plug’

In questo caso vengono pompati “plugs” alternati di reagenti e solvente, in cui ogni plug costituisce una miscela discreta di reazione. Questi plugs non si incontrano mai, sono separati dal solvente e quindi le condizioni di reazione nel reattore (cioè temperatura, stechiometria, tempo di residenza ecc.) possono essere cambiate per ciascuno plug in modo da osservarne l’effetto sulla sintesi. La sintesi a flusso in modalità ‘plug’ si presta bene allo sviluppo metodo, all’ottimizzazione delle condizioni di reazione e alla sintesi di librerie di composti, dove sono richieste quantità minori di prodotto finale.
I sistemi intelligenti di Flow Chemistry, come il sistema Asia della Syrris, possono automatizzare questi processi così da esplorare una gamma di condizioni di reazione o reagenti con la raccolta automatizzata dei singoli plugs, indirizzando da una parte il prodotto finale in un vial di raccolta e d’altra parte il solvente nel waste.

Come avviene la miscelazione?

La miscelazione avviene nel punto di giunzione in cui i flussi di reagenti si incontrano prima di fluire all’interno del reattore (capillare, canale del micro-reattore, colonna, etc.). Spesso il punto di giunzione è un semplice elemento di microfluidica a T, ma laddove fosse richiesta una miscelazione più rapida ed efficiente, ad es. per le reazioni che richiedono un rapido trasferimento di massa, si può utilizzare un micro-miscelatore statico. Ciascuna soluzione coinvolge una tipologia diversa di miscelazione: diffusiva o turbolente.

Quando un fluido scorre attraverso un canale chiuso, si possono verificare due tipologie di flusso a seconda della velocità e della viscosità del fluido: flusso laminare o flusso turbolente. Il flusso laminare tende a verificarsi a velocità inferiori, al di sotto di una soglia alla quale diventa turbolente. Il flusso turbolente è un regime di flusso caratterizzato da vortici o piccole particelle fluide.

In sistemi di chimica in flusso da laboratorio, come il sistema Asia della Syrris, la miscelazione avviene attraverso un regime di miscelazione laterale del flusso laminare:

Quando è richiesta una miscelazione rapida, ad es. nelle reazioni che richiedono un rapido trasferimento di massa, è necessario un flusso turbolente. La miscelazione turbolente è generata invece da un micro-miscelatore statico:

Quali sono i reattori disponibili?

E’ nel reattore che si svolge la reazione chimica vera e propria: come descritto prima due o più reagenti disciolti nel solvente di reazione vengono pompati, spinti attraverso un dispositivo di miscelazione e poi fatti fluire attraverso il reattore a temperatura controllata.

Esiste una varietà di forme e dimensioni per i reattori di sintesi in flusso, ma svolgono tutti lo stesso ruolo: consentono alla reazione chimica di svolgersi in modo continuo. Qui di seguito le principali caratteristiche che dovrebbero avere i reattori di sintesi a flusso:

• Volume flessibile per consentire un’ampia gamma di tempi di residenza (tempi di reazione)
• Eccellente miscelazione
• Eccellente trasferimento di calore
• Buona visibilità ove possibile
• Capacità di eseguire diversi tipi di sintesi, omogenea o eterogenea

		Microreattori di vetro (microchips) I micro-reattori di vetro costituiscono il tipo più comune di reattore utilizzato in un sistema di chimica a flusso. Il micro-reattore viene inserito in un micro-controller che mantiene nell’intero chip la temperatura impostata. Un canale più lungo consentirà un tempo di permanenza più lungo (a parità di portata).
		Reattori capillari/tubolari I reattori tubolari sono costituiti da un lungo tubo avvolto attorno a una struttura termo-controllata. L’ampia lunghezza del capillare offre tempi di residenza molto più lunghi rispetto ai micro-reattori di vetro (oppure una portata molto maggiore della pompa). I reattori tubolari sono disponibili in diversi materiali: il PTFE consente una buona visibilità della reazione ma risulta limitato per le reazioni ad alta temperatura, mentre acciaio inossidabile e Hastelloy consentono di raggiungere temperature e pressioni più elevate.
		Reattori a colonna I reattori a colonna sono tipicamente colonne di vetro adatti alla sintesi eterogenea, dove vengono inseriti reagenti solidi come catalizzatori, enzimi e scavengers su supporto solido.

Allora perché svolgere reazioni chimiche in flusso?

La sintesi in flusso consente un controllo preciso delle condizioni di reazione come stechiometria, miscelazione, controllo della temperatura e tempo di reazione. Il controllo di questi parametri risulta in un eccellente controllo globale della reazione che spesso porta a rese maggiori e una migliore selettività.
Tra i principali motivi per introdurre la sintesi in flusso continuo in laboratorio possiamo citare:

• Reazioni più veloci
• Reazioni più sicure
• Ottimizzazione più rapida della reazione
• Sintesi veloce di librerie di composti
• Condizioni di reazione non raggiungibili in batch
• Reazioni generalmente più selettive
• Scale-up più facile rispetto alla sintesi in batch
• Facile integrazione dell’analisi di reazione
• Purificazione più facile

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