Dolaşım Reaktörü, Çok Adımlı Reaksiyonları Yürütebilir ve Saflaştırabilir
Fotograf-1 : Dönen reaktör, çözücü katmanlarını yoğunluklarına ve çözünürlüklerine göre ayırabilir. 22 seviyeli bir yoğunluk “merdiven” (solda), çözünmeyen bitişik katmanlar içerir. Her iki bitişik katman kümesinin birbiriyle karışabildiği, ancak çözünmeyen komşularıyla karışmadığı belirsiz çözüm çiftlerine sahip bir sistem (sağda). Araştırmacılar, görselleştirmeye yardımcı olmak için katmanlara boyalar ekledi.
Basit sistem, bağımsız reaksiyonlar için farklı yoğunluklarda çözümler düzenlemek için merkezkaç kuvvetini kullanır.
Kimyagerler, akış reaktörlerini kullanarak kimyasal reaksiyon dizilerini otomatikleştirebilirler, ancak bu sistemlerin kurulumu ve kontrolü için genellikle gelişmiş mühendisliğe ihtiyaç vardır. Bartosz Grzybowski ve Ulsan Ulusal Bilim ve Teknoloji Enstitüsü ve Polonya Bilimler Akademisi’nden meslektaşları, çok adımlı reaksiyonları çalıştırabilen ve karmaşık akışkanlar ve karıştırıcılar olmadan ürünleri ayırabilen bir sistem tasarladılar (Nature 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2768-9).
Yeni sistemde ekip, hem sulu hem de organik olmak üzere farklı yoğunluklarda çok sayıda çözücü ve çözeltiyi boş, dairesel bir kaba enjekte etti. Kabın 750 ila 5.400 rpm arasında sabit bir hızda döndürülmesi, çözücüleri ayrı katmanlar halinde organize olmaya zorladığı görüldü. Araştırmacılar bir çözelti eklediğinde, çevreye doğru döner. Grzybowski, “Sonra başka bir sıvı eklersiniz, dışarı çıkar ve içeriye doğru başka bir katman oluşturur. Katmanlar eklemeye devam ettikçe sıvılar tahta bir Rus bebeği gibi katlanır” dedi. En yoğun çözelti en dıştaki eşmerkezli daireyi oluştururken, en az yoğun olan en içteki çemberi oluşturur. Katmanlar 150 μm kadar ince olsalar bile karışmazlar.
Eş merkezli daireler oluşturulduktan sonra ekip, reaksiyonları başlatmak için katmanlara reaktifleri enjekte etmeye başlayabilir. Reaktantların ve ürünlerin farklı katmanlarda çözünecek şekilde tasarlanmasıyla, bileşikler, her reaksiyon gerçekleştiğinde katmanlar arasında göç eder. Örneğin, polar olmayan bir çözücüye eklenen organik bir bileşik, bir tuz oluşturmak üzere reaksiyona girebilir, bu daha sonra komşu bir sulu katmana geçerek, yan taraftaki polar çözücüde çözünür bir ürün oluşturmak için başka bir reaksiyona girebilir. Gribovsky, “Sürekli olarak – A, B, C – farklı bölgelerde tepki verecekler” dedi. Esasen, araştırmacılar merkeze hammadde ekleyebilir ve ayrılan ürünlerini en dış katmandan toplayabilir.
Bu sistemi kullanarak Grzybowski ve çalışma arkadaşları, üç küçük molekülün çok adımlı sentezleri dahil olmak üzere çok sayıda reaksiyon ve ayırma gerçekleştirdi: 1,4-fenilendiakrilik asit dimetil ester, fenasetin ve diloksanit furoat.
Fotograf-2 : 1,4-fenilendiakrilik asit dimetil ester oluşturmak için, reaktifler çözünürlüklerine bağlı olarak bir döner reaktörün (solda) katmanları boyunca hareket eder, merkez toluen katmanından (3) dış diklorometan katmanına (1) gider.
Genel olarak, daha ince tabakalar, bileşiklerin daha hızlı yer değiştirmesine yol açar. Ancak reaksiyonları hızlandırmak için Grzybowski ve çalışma arkadaşları, kabın dönüş hızında hızlı değişiklikler yaptı. Bu hız değişiklikleri, bireysel katmanların geçici olarak birbirine girmesine neden oldu. Grzybowski “Katmanları karıştırmadan katmandan katmana aktarımı hızlandıran katman sınırlarının yakınında yerel karıştırma var” dedi.
Grzybowski, merkezkaç kuvvetleri “kaya gibi” kararlı bir katman organizasyonu oluşturur ve sürdürür dedi. Bu nedenle istenmeyen karıştırma olası değildir. Kesikli ve akış sistemlerinden farklı olarak, bu yeni yaklaşım borulara veya karıştırma cihazlarına ihtiyaç duymaz. Araştırmacılar, dönme hızını değiştirerek katmanların ne kadar karışacağını kolayca kontrol edebilirler.
Sistem; aynı zamanda bileşikleri katmanlar arasında ileri geri hareket ettirebilir, katmanlar arasında aynı anda asit ve baz ekstraksiyonları yapabilir ve küçük moleküller veya nanopartiküllerin teknik olarak zor ayrımlarını gerçekleştirebilir.
Glasgow Üniversitesi’nde karmaşık kimyasal sistemleri araştıran Lee Cronin, yeni yöntemin küçük ölçekli, çok adımlı sentez ve teşhis için çok fazla potansiyele sahip güzel bir yenilik olduğunu söylüyor. Bununla birlikte, sistemin, farklı taşıyıcı çözücülerin etkili bir şekilde ayrı katmanlar oluşturması için doğru viskozite ve yoğunluğun sağlanması gibi bazı zorluklar sunduğuna dikkat çekiyor, böylece reaksiyonlar sorunsuz bir şekilde gerçekleşebilir.
Grzybowski, döner reaktörün potansiyel olarak daha karmaşık reaksiyonlar gerçekleştirebileceğini söyledi. Bununla birlikte, kimyagerlerin çeşitli molekül türlerini çözmek için farklı yoğunluklara ve yeteneklere sahip çok sayıda çözücü sistemi bulması gerekeceğinden dolayı çok sayıda aşamalı reaksiyonların tasarlanması zor olabilir dedi.
Kaynak : acs.org