Disolventes y mtodos de reaccin no convencionales

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MICROONDAS EN SÍNTESIS ORGÁNICA
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Onda electromagnética
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Espectro electromagnético
4
Espectro de microondas

• Espectro 1 cm - 1 m (30000 - 300 MHz)
• RADAR 1-25 cm (30000 - 1200 MHz)
• Industria tabla
• Doméstico 2450 MHz (12,24 cm)
• Telecomunicaciones (móviles) resto del espectro

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Mecanismos de absorción de energía

• Rotación dipolar
• Conducción iónica

Las microondas penetran en sustancias
semi-sólidas, como la carne y los tejidos vivos a
una distancia proporcional a su densidad de
energía. Los teléfonos móviles pueden dañar la
salud a través del calentamiento dieléctrico?
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Rotación dipolar
La producción de calor depende de la temperatura
y la viscosidad. Puede fundirse el hielo con un
horno de microondas?
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Conducción iónica
La producción de calor se produce por pérdidas
por fricción y depende del tamaño, carga y
conductividad de los iones y de la interacción
con el disolvente.
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Dependencia de la permitividad con la frecuencia

• En contraste con el vacío, la permitividad de los
  materiales depende de la frecuencia
• La dependencia de la frecuencia muestra que la
  polarización del material no responde de forma
  instantánea al campo aplicado

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Permitividad compleja
C capacidad de un condensador C0 capacidad
del vacío D0 amplitud del desplazamiento E0
amplitud del campo eléctrico e constante
dieléctrica e pérdida dieléctrica tan d
e/e factor de disipación
e
e
d
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Dependencia de la permitividad compleja de la
frecuencia
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Disipación de microondas

• Los cambios en las propiedades físicas de un
  compuesto pueden tener una influencia dramática
  sobre el factor de disipación (tangente de
  pérdida)
• hielo (e' 3,2, e'' 0,0029, tan d 0,0009,
  casi transparente a microondas)
• agua a 25 ºC (e' 78, e'' 12,48, tan d 0,123)

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Dependencia de la frecuencia de las propiedades
dieléctricas

• e'' alcanza el máximo a 18 GHz a 25 ºC
• Los hornos domésticos de microondas funcionan a
  2,45 GHz para conseguir el calentamiento en el
  interior de los alimentos

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Calentamiento por microondas vs. baño convencional

• Las paredes de los recipientes (borosilicatos,
  cuarzo, teflón) son transparentes a las microondas

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Ventajas de la activación por microondas

• La energía de microondas se puede introducir de
  forma remota, sin contacto entre la fuente y los
  compuestos químicos.
• La entrada de energía a la muestra se inicia al
  encender la fuente y se acaba al apagarla.
• Las velocidades de calentamiento son mayores que
  las obtenidas de forma convencional (si al menos
  uno de los componentes se acopla fuertemente con
  microondas)
• Recipiente abierto o cerrado
• Aumento del rendimiento
• Disminución del tiempo de reacción
• Aumento de la pureza de los productos

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Aumentos de velocidad de reacción por microondas

• Efectos térmicos (mayoritarios)
• Efectos específicos (térmicos) de microondas
  supercalentamiento de disolventes (sin
  ebullición), eliminación de efectos de pared
• Activación de catalizadores heterogéneos

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Activación no térmica específica por microondas?

• Microondas a 2,45 GHz no puede excitar
  transiciones rotacionales.
• La v de reacción en sistemas homogéneos en
  sistemas con calentamiento convencional y por
  microondas es la misma.
• Mejoras por microondas supercalentamiento,
  calentamiento no uniforme, calentamiento
  diferencial y/o procesos de transporte.
• No hay activación específica por microondas.

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Equipamiento

• Horno doméstico de microondas
• Horno dedicado (multimodo y monomodo)
• Reactor

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Horno doméstico de microondas

• No permite monitorizar la T
• Campo no homogéneo
• Falta de controles de seguridad
• Recipientes abiertos disolventes orgánicos ?
  arcos eléctricos ? violentas explosiones
• Recipientes cerrados alta P ? explosiones

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Horno de microondas dedicado

• Agitación magnética o mecánica
• Medición de T (sondas de fibra óptica o sensores
  de IR)
• Medición de P
• Regulación continua de potencia
• Enfriamiento eficiente tras la reacción
• Programación asistida por ordenador
• Cavidades a salvo de explosiones

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Horno multimodo

• Similar al doméstico
• V grande (varios litros)
• Recipiente abierto o cerrado
• Microondas se reflejan en las paredes
• Permite la radiación de varios recipientes

Milestone
CEM
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Reactores. Escala de investigación

• Monomodo
• V pequeño (50 ml cerrado 150 ml abierto)
• Radiación electromagnética dirigida a un
  recipiente rectangular o circular
• Situado a una distancia fija del emisor

CEM
CEM
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Reactores. Escala industrial
flujo continuo (Milestone)
batch (Milestone)
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Reacciones con disolventes a presión
24
Reactor de microondas en continuo (CMR)
cavidad de reacción
Resonance 521
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Reactor de microondas en batch (CMR)

• Capacidad de calentamiento rápido
• Control variable de energía
• Medida directa de P y T
• Agitación

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Síntesis Orgánica Asistida por Microondas (MAOS)

• Primera reacción descrita

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Reacciones a presión atmosférica

• Permiten utilizar material de vidrio estándar
• Los núcleos magnéticos de WeflonTM (teflón
  impregnado de carbono) permiten absorber
  microondas

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Reacciones a alta presión

• Los viales cerrados permiten alcanzar altas
  temperaturas (MeOH, 160ºC CH2Cl2, 100ºC)
• Hornos monomodo hasta 20 bar, según la técnica
  de sellado
• Hornos multimodo hasta 100 bar

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Reacciones a alta temperatura

• Límites típicos
• monomodo 250 ºC
• multimodo 300 ºC
• Los viales de teflón o perfluoroalcoxi se
  deforman
• vidrio
• cuarzo

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Reacciones sin disolvente (I)

• Evitar grandes volúmenes de disolvente reduce las
  emisiones y la necesidad de redestilación
• El tratamiento es simple por extracción,
  destilación o sublimación
• Los soportes sólidos reciclables pueden usarse en
  lugar de ácidos minerales y oxidantes
  contaminantes
• La ausencia de disolvente facilita el escalado
• La seguridad aumenta al reducir los riesgos de
  sobrepresión y explosiones

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Reacciones sin disolvente (II)

• Condensaciones sin catalizador
• Procesos termolíticos intramoleculares
  (transposición, eliminación)
• Los resultados dependen del tamaño de la muestra

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Reacciones sin disolvente no activadas

• Problemas Calentamiento no uniforme, mezclado,
  determinación precisa de T
• En general, las sustancias orgánicas sólidas no
  absorben microondas ? Se añade un disolvente
  polar DMF, agua

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Reactivos sin disolvente con sensibilizador
sólido (I)

• Los reactivos se adsorben sobre soportes ácidos o
  básicos porosos débilmente absorbentes de
  microondas (alúmina, sílice, bentonita,
  montmorillonita K10, arcillas KSF, zeolitas), no
  fuertemente absorbentes (grafito)
• Se necesita disolvente para eluir los productos
  después de la reacción.
• Transformaciones unimoleculares de compuestos
  orgánicos (desprotección, transposición,
  oxidación, deshidratación)
• Condensaciones (alquilación de carboxilatos,
  acetilación)

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Reactivos sin disolvente con sensibilizador
sólido (II)
El carbono amorfo y el grafito absorben
fuertemente las microondas y pueden usarse como
"sensibilizadores" de microondas
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Métodos con disolventes

• Disolventes polares de alto punto de ebullición
• Recipientes abiertos
• Hornos de microondas domésticos no modificados
• Reacciones (de mg a multi-gramo) en varios minutos

• Desventajas
• Limitación a disolventes polares de alto punto de
  ebullición
• (DMSO, etilen-glicol, diglyme, triglyme,
  N-metilmorfolina, DMF, 1,2-diclorobenceno)
• Pueden presentar dificultades en el aislamiento
  de los productos

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Disolventes supercalentados y reacciones a reflujo

• Disolventes con tiempos de relajación mayores a
  65 ps (a 2450 MHz) tienen tangentes de pérdida
  que aumentan con la temperatura y son
  susceptibles al supercalentamiento
• Pueden usarse refrigerantes transparentes a
  microondas, como CO2
• Reacciones organometálicas, Diels-Alder,
  arilsulfonación

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Reacciones en agua
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Reacciones en líquidos iónicos

• No inflamables
• Amplio intervalo de temperatura (gt 300 ºC)
• Presión de vapor despreciable
• Absorben fuertemente microondas mediante
  conducción iónica

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Sistemas de microondas a presión

• Alta temperatura
• Rápidos calentamiento, enfriamiento y facilidad
  de uso en reacciones a alta T
• Control del calentamiento
• Reacciones exotérmicas, calentamiento diferencial
  y mezclas de reacción viscosas
• Recipientes de reacción
• Reacciones con un paso de destilación
• Operación flexible

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Agua a alta temperatura

• Reacciones con agua a alta T
• Reacciones en ácido y base acuosos
• Formación de sal limitante
• Evitación de extracción de disolvente mediante
  procesos de adsorción basados en resinas

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Catálisis de transferencia de fase
calentamiento dieléctrico selectivo de mezclas
agua/CHCl3
42
Catálisis por transferencia de fase
43
Tecnologías tándem

• Sonicación
• UV
• Electroquímica

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Limitaciones y aspectos de seguridad

• Mezclas de baja absorción riesgo de daño de los
  componentes del instrumento (sensores, p. ej.)
• Prevención Añadir sustancias que absorben
  microondas (como líquidos iónicos o, mejor aún,
  núcleo de Weflon).
• Sobrecarga con mezclas de alta absorción
• Prevención mezclas diluidas o programación de
  rampas de calentamiento
• Explosión del vial
• Prevención no usar compuestos peligrosos, como
  nitrocompuestos o azidas, ni disolventes
  explosivos, como éter
• Remedio límite de presión del tapón (20 bar)
  inferior al del recipiente (40-50 bar),
  aspiración de vapores de disolvente, protección
  de la instrumentación, sensores de disolventes
  orgánicos
• Emisión de gases
• Prevención no deben superarse los límites
  operativos
• Supercalentamiento del disolvente
• Evitar núcleos magnéticos con core de 3,06 cm
  (descargas de chispas)
• Generación de puntos calientes
• Evitar metales o compuestos metálicos o usar, al
  menos, agitación

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Conclusiones

• Introducción a escala de laboratorio y planta
  piloto, con escalado sencillo
• Síntesis comercial de compuestos químicos de
  alto valor y pequeño volumen
• Menores tiempos de reacción, mayores
  rendimientos y productos de reacción más limpios
• La elección del disolvente no está controlada
  por el punto de ebullición, sino por las
  propiedades dieléctricas, que pueden modificarse
  (como los líquidos iónicos)
• La monitorización de T y P permiten un mejor
  control de los parámetros de reacción
• Mayor eficiencia energética debido al
  calentamiento del interior
• Permite adaptación al procesado automático en
  paralelo o secuencial
• Respuesta rápida