Ventajas y desventajas de la Química de Flujo en el laboratorio de investigación

Tradicionalmente, las reacciones químicas en el laboratorio se llevan a cabo en pasos secuenciales, trabajando por lotes y en ocasiones mediando pasos de purificación. Buscando ahorrar tiempo y recursos, se han desarrollado distintas alternativas como las técnicas de one-pot o de tándem (síntesis en cascada). La química de flujo, más usada a nivel industrial, se ha vuelto también una alternativa atractiva a nivel de laboratorio.

La química de flujo se refiere a reacciones químicas en que el reactivo se encuentra disuelto en un líquido o gas que se mueve con un flujo determinado a través de un sistema. Al llegar a un reactor, se mezcla con otro reactivo llevándose a cabo una reacción química y obteniéndose el producto que seguirá fluyendo en el mismo disolvente.

El sistema necesario para llevar a cabo estas reacciones puede entenderse como una larga tubería por la que fluirán las sustancias. A ella se conectan distintos módulos con funciones específicas: el inyector de reactivos y disolvente, el mezclador, un reactor que proporcione las condiciones de reacción necesarias, un sistema de desactivación de la reacción y los controles de velocidad de flujo, temperatura, presión, etc. Pueden también acoplarse los módulos de análisis y purificación. La versatilidad de la técnica reside en la posibilidad de interconexión entre los módulos pudiéndose montar secuencias con múltiples pasos de reacción.

En el caso del laboratorio de investigación, la implementación de reacciones en flujo presenta distintas ventajas:

• Facilita llevar a cabo reacciones con reactivos considerados peligrosos debido a su uso en pequeñas cantidades. Al poder realizar reacciones en varios pasos, facilita el manejo de intermediarios tóxicos o inestables. Permite mayor control en la desactivación de reactivos en exceso o productos.
• Facilita el control de reacciones muy exotérmicas, y al lograrse un mezclado más rápido permite mejorar el rendimiento de la reacción. 
• Facilita trabajar con reactivos en fase gaseosa, y con condiciones de alta presión y alta temperatura. Para reacciones muy endotérmicas, esto permite acortar el tiempo de reacción.
• Facilita la separación en reacciones sólido/líquido, en que el catalizador sólido (o adsorbido en soporte sólido) está eficientemente empaquetado en un reactor. Disminuye la cantidad de catalizador necesario, y evita la contaminación del producto.

En Fujifilm Wako le ofrecemos catalizadores sólidos optimizados para su uso en sistemas de flujo, como:

Esferas de Pd/C, (Pd 5%) (169-28861). Consiste de microesferas de carbón activado con paladio, para su uso en reacciones de hidrogenación.

Rh-Pt/ (DMPSi-Al2O3) (186-03451). Las nanopartículas de rodio y platino están inmovilizadas en un soporte de dimetilpolisilano y alúmina, permite reacciones de hidrogenación de anillos aromáticos en condiciones suaves.

PAFR-II (162-28971). Catalizador inmovilizado en que la función ácido sulfónico permite llevar a cabo diversas reacciones de esterificación con altos rendimientos.

A pesar de todas sus ventajas, existen diversas dificultades y limitaciones para adaptar esta técnica en un laboratorio de investigación:

• Acceso al equipo específico requerido. Generalmente se requiere de un equipo de microfluidos o de microreactores, bombas, regulador de contrapresión, y un mezclador.
• Ciertas reacciones son difíciles de adaptar a condiciones de flujo, como aquellas que requieren tiempos largos de reacción, aquellas que requieren un reactivo sólido, y en las que se generan precipitados o suspensiones.
• Cuando se busca optimizar las condiciones de un experimento, debe modificarse solo una variable a la vez.

Bibliografía

Guidi, M., Seeberger, P. H., & Gilmore, K. (2020). How to approach flow chemistry. Chemical Society Reviews, 49(24), 8910-8932.

Plutschack, M. B., Pieber, B., Gilmore, K., & Seeberger, P. H. (2017). The hitchhiker’s guide to flow chemistry∥. Chemical reviews, 117(18), 11796-11893.