Considerati i risultati precedentemente ottenuti nella reazione di -amminazione asimmetrica in batch (paragrafo 1.5E), anche per la preparazione dei CFR monolitici è stato deciso di impiegare materiali a base polistirenica. Per quanto riguarda le dimensioni del reattore, sono state selezionate due colonne in acciaio inossidabile di tipo HPLC, entrambe di 0.46 cm di diametro interno e con lunghezza l pari a 10 cm (CFR-1) o 15 cm (CFR-2). Sulla base di quanto discusso nel paragrafo 1.3, questa scelta colloca i dispositivi sviluppati nel campo dei minireattori a flusso.
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Il metodo scelto per preparare i CFR monolitici si è basato sul processo di mold
copolymerization descritto da Fréchet.[64] La procedura consiste nel riempire la colonna (lo “stampo”) con la soluzione di feed (composta da monomero funzionale, agente reticolante, iniziatore radicalico e porogeni) e, dopo aver sigillato il tutto, nell’effettuare la polimerizzazione mediante riscaldamento (Figura 2.2).
Figura 2.2. Preparazione del monolita macroporoso tramite il processo di “molding” descritto da Fréchet.
Le condizioni sperimentali utilizzate nel presente studio si sono basate su quanto descritto da Luis e collaboratori per la preparazione di CFR monolitici 19a,b, contenenti unità di TADDOL (cfr. paragrafo 1.3c).[18] In particolare, il monomero chirale 136 (20 mol%) e DVB (20, 80 mol%) sono stati sottoposti a copolimerizzazione radicalica iniziata da AIBN, in una soluzione contenente 1-dodecanolo e toluene come agenti porogeni (Schema 2.3). Il rapporto di questi due componenti (3:1 v/v) è stato scelto in modo da ottenere un materiale caratterizzato dalla presenza sia di pori convettivi (necessari, come discusso, per consent ire il flusso attraverso il CFR), sia di micro- e mesopori (richiesti per avere un’elevata area superficiale).[18] Inoltre, il contenuto complessivo di porogeni nella miscela di feed è stato fissato al valore standard per queste polimerizzazioni (circa 60 vol%), in modo da preparare dispositivi che presentassero un significativo volume libero interno (attorno al 60%, appunto).[15]
In dettaglio, la preparazione dei CFR ha comportato la preparazione della soluzione di feed mediante mescolamento dei vari componenti in una provetta. Dopo deossigenazione mediante gorgogliamento di N2, la miscela è stata trasferita nella colonna in acciaio, chiusa all’estremità
inferiore e mantenuta in un provettone flussato con azoto. La colonna è stata quindi sigillata sotto azoto, pesata per determinarne il contenuto di miscela di feed e poi immersa in un bagno ad olio termostatato alla temperatura di 70°C. Dopo un tempo di polimerizzazione di 21-24 h,
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la colonna è stata rimossa dal bagno ad olio e, dopo raffreddamento e lavaggio esterno con etere etilico, è stata pesata nuovamente per confermare che non vi fossero state perdite durante la polimerizzazione. Una delle estremità del dispositivo è stata quindi collegata ad una pompa HPLC e il monolite polimerico contenuto al suo interno è stato lavato con THF anidro (0.10-0.04 mL min-1) per rimuovere i porogeni ed eventuali monomeri non polimerizzati. Questa operazione è stata eseguita finché nei lavaggi non è stata più osservata la presenza di sostanze rilevabili all’UV (~24 h). A tale proposito è comunque importante osservare che l’analisi 1
H NMR dei lavaggi ha escluso la presenza di quantità significative di derivati alcaloidici. Questo risultato ha confermato la sostanziale completezza del processo di formazione del monolite e, pertanto, l’incorporazione pressoché quantitativa del precursore chirale nel reattore. La caratterizzazione dei materiali ottenuti in queste condizioni è stata effettuata mediante IR e misure di area superficiale (assorbimento di N2, metodo BET).[169] I
CFR sono stati inoltre valutati dal un punto di vista fluidodinamico, misurando la contro- pressione esercitata della colonna quando vi era fatto fluire THF a valori crescenti di portata.
Schema 2.3. Preparazione dei reattori monolitici CFR-1 e CFR-2.
2.2.1. Dispositivo CFR-1.
Il primo CFR monolitico (CFR-1) è stato preparato utilizzando la colonna HPLC da 10 cm di lunghezza e una miscela di feed costituita da 6 wt% di 136, 36 wt% di DVB (20), 15 wt% di toluene e 42 wt% di 1-dodecanolo (AIBN 1 wt% rispetto ai monomeri). La composizione corrisponde all’anticipato rapporto 40/60 fra monomeri e porogeni e a un carico di organoca- talizzatore nel monolite finale pari a 0.12 mmol g-1.
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La determinazione BET dell’area superficiale del materiale ha fornito un valore relativamente elevato (240 m2 g-1), che suggerisce un significativo contenuto di piccoli pori.† Inoltre, come si può osservare nella Figura 2.3 la colonna ha fornito una contropressione inferiore ai 5 Kg cm-2 per valori di flusso di THF fino a 0.05 mL min-1 (50 µL min-1). Oltre a evidenziare indirettamente la presenza di pori convettivi nel monolite, tale comportamento ha confermato la possibilità di impiego del CFR in trasformazioni organocatalitiche a flusso condotte con sistemi basati su pompe a siringa (paragrafo 2.3).
Figura 2.3. Contro-pressione in funzione della portata per il reattore CFR-1 (Condizioni: THF, 25°C).
2.2.2. Dispositivo CFR-2.
Il secondo CFR monolitico (CFR-2) è stato preparato utilizzando la colonna HPLC da 15 cm di lunghezza e una miscela di feed costituita da 17 wt% di 136, 25 wt% di DVB (20), 15 wt% di toluene e 42 wt% di 1-dodecanolo (AIBN 1 wt% rispetto ai monomeri). Anche in questo caso la composizione è stata scelta in modo da conformarsi al rapporto standard 40/60 fra monomeri e porogeni. Al contrario, rispetto a CFR-1 il rapporto tra monomero chirale (136) e DVB (20) è stato incrementato, con l’obiettivo di ottenere un monolite contenente un carico di organocatalizzatore superiore (0.41 mmol g-1). Grazie anche alla maggior lunghezza della
†
Sfortunatamente, il metodo di misura disponibile (single point) forniva solo il valore di area superficiale e non la curva di distribuzione della porosità. Quest’ultimo tipo di informazione richiederebbe la determinazione dell’isoterma di adsorbimento completa o, per i macropori, l’impiego di tecniche di misura alternative (es. porosimetria a mercurio). 0 10 20 30 40 50 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 C o n tr o -pr es si o n e (K g cm - 2 ) Flusso (mL min-1)
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colonna, CFR-2 risultava perciò contenere una quantità di derivato chirale circa cinque volte maggiore che CFR-1.
Nonostante il minor grado di reticolazione, anche CFR-2 ha mostrato caratteristiche fluido- dinamiche accettabili per gli scopi di questo lavoro. Infatti, come si può osservare nella
Figura 2.4 il dispositivo poteva essere impiegato con flussi fino a 50 µL min-1 senza eccedere i 5 Kg cm-2 di contro-pressione. A tale proposito è interessante notare che, a differenza del
CFR-1, nel caso del reattore ora in esame il profilo della pressione presentava un incremento
piuttosto brusco in corrispondenza di portate dell’ordine di a 75 µL min-1
. Tale fenomeno, probabilmente legato alla minor rigidità del monolite (e quindi alla sua più spiccata tendenza a collassare ad alti flussi), non ne ha comunque precluso l’utilizzo per le prove di catalisi asimmetrica in continuo di questa Tesi.
Figura 2.4. Contro-pressione in funzione della portata per il reattore CFR-2 (Condizioni: THF, 25°C).
0 10 20 30 40 50 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 C o n tr o -pr es si o n e (K g cm - 2) Flusso (mL min-1)
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