Les conditions d'écoulement surchauffées compriment le cadre spatiotemporel des réactions, ouvrant la voie à de nouvelles possibilités. Crédit : Université de Liège/P. Bianchi
Des chercheurs de l'Université de Liège ont publié un guide pour aider à mieux comprendre et utiliser le nouvel espace de réaction associé aux conditions de surchauffe.
Les technologies micro/mésofluidiques de l'Université de Liège transforment la synthèse chimique en permettant des réactions plus rapides et plus efficaces. Malgré les défis posés par des temps de réaction plus longs, des innovations comme la technologie du flux surchauffé offrent des solutions en accélérant considérablement les réactions, améliorant ainsi à la fois la productivité et la durabilité.
Les initiatives de recherche menées au Centre de Technologie Intégrée et de Synthèse Organique de l'Université de Liège en Belgique soulignent le vaste potentiel des technologies micro/mésofluidiques pour ouvrir de nouveaux domaines de réactions chimiques. Ces technologies permettent de condenser les échelles de temps et les espaces de processus, élargissant ainsi les possibilités d'amélioration de la productivité et de découverte de nouvelles voies de réaction. Le guide détaillant ces avancées a récemment été publié dans la revue Comptes rendus de recherches chimiques.
La technologie à flux continu et les réacteurs micro/mésofluidiques sont très prometteurs pour remodeler les voies traditionnelles de fabrication de produits chimiques, mais ils sont encore confrontés à des défis. La technologie à flux fonctionne dans un espace et un délai très différents de ceux des technologies de processus conventionnelles. Comme indiqué dans un article précédent, le délai d'une réaction est un paramètre critique pour garantir la viabilité des processus à flux à grande échelle. Alors que les procédés par lots s'adaptent confortablement aux réactions lentes sur des délais prolongés (de quelques minutes à quelques jours), les réacteurs à flux sont généralement conçus pour des temps de réaction beaucoup plus courts (idéalement moins d'une minute, mais peuvent raisonnablement gérer des réactions jusqu'à environ 15 minutes pour maintenir la viabilité économique à l'échelle de la production).
Contraintes de temps de réaction dans la technologie des flux
Cette contrainte est importante, car de nombreuses réactions nécessitent des délais plus longs pour être menées à bien. Cela est souvent considéré comme l'un des principaux obstacles à l'adoption plus généralisée de la technologie des flux. Par exemple, une réaction du second ordre (1 M) dans l'eau avec une enthalpie d'activation de 9,8 kcal mol-1 et une entropie d'activation de -0,0456 kcal mol-1 nécessite 5 jours pour atteindre la fin de la transformation (> 99 % de conversion) à température ambiante.
À reflux (100 °C), la vitesse de réaction est multipliée par 35, mais il faut encore plus de 3 heures pour qu'elle soit complète, ce qui la rend inadaptée à la technologie de flux. Les procédés par lots fonctionnent généralement dans la plage de température d'ébullition du solvant. Cela limite considérablement la fenêtre de température de réaction et nécessite des changements de solvant pour atteindre des températures plus élevées, ce qui introduit des inconvénients supplémentaires. Le choix des solvants se limite aux points d'ébullition, ce qui compromet souvent la compatibilité de la réaction, la solubilité, la sélectivité, le coût et la toxicité.
« La technologie de flux surchauffé exploite les avantages des procédés de flux en fonctionnant au-dessus des points d’ébullition des solvants pour améliorer les taux de réaction, améliorer la productivité et la sécurité, et s’aligner sur les objectifs de durabilité », explique Jean-Christophe Monbaliu, responsable du laboratoire CiTOS. Pour revenir à notre exemple, la même réaction dans des conditions de surchauffe à 200 °C dans l’eau verrait une accélération de 713 fois, atteignant potentiellement son terme en 10 minutes. » Tel un magicien, les conditions de surchauffe défient la sagesse commune, comprimant à la fois les cadres temporels et spatiaux au sein des processus et rendant les réactions lentes propices à la technologie de flux.
Malgré ses avantages considérables, l’accès aux conditions d’écoulement surchauffé est complexe et nécessite beaucoup de ressources, en particulier pour les nouveaux venus. Dans ce compte-rendu, nous fournissons un aperçu concis de la chimie des écoulements surchauffés, y compris les concepts clés, les options de réacteur et les méthodes d’adoption stratégique utilisant la conception d’expériences, la chimie des tests par micro-ondes, les données cinétiques et la mécanique quantique. « Notre objectif est de guider l’exploration des espaces chimiques étendus et d’accélérer la synthèse organique, conclut Jean-Christophe Monbaliu. Nous mettons également en évidence des exemples récents de notre laboratoire et d’autres contributeurs de premier plan dans le monde entier. »
Financement : WEL Research Institute, Fonds De La Recherche Scientifique – FNRS
