corrispondente sistema packed-bed e ben 18 volte maggiore di quella del reattore batch. Tali risultati sono stati giustificati tenendo conto che, nel caso di un CFR del primo tipo, la dif- fusione delle molecole da e verso i siti catalitici interessa distanze molto minori rispetto ad un CFR impaccato e, soprattutto, ad un reattore batch: infatti, le dimensioni dei canali ma- croporosi che permettono il flusso convettivo del liquido all‟interno del monolite sono minori di circa un ordine di grandezza rispetto alla distanza media tra i grani di catalizza- tore nei sistemi packed-bed.
Negli ultimi anni, in flow chemistry hanno iniziato a trovare un notevole interesse anche i monoliti porosi a base di zeoliti. Le zeoliti sono alluminosilicati microporosi, ampiamente usati in processi petrolchimici, nella sintesi di prodotti di chimica fine e nell‟abbattimento di inquinanti atmosferici (ad esempio attraverso l‟ossidazione di composti organici volati- li e la riduzione selettiva di NOx)174. Dal momento che questi materiali mostrano proprietà
catalitiche intrinseche (legate alla presenza di siti acidi, basici oppure redox a seconda del- la specifica natura della zeolite), esiste un grande interesse nello sviluppo di CFR monoli- tici a base di zeoliti. Tuttavia, fino a pochi anni fa il raggiungimento di tale obiettivo veni- va ostacolato dal fatto che le procedure classiche di preparazione di questi materiali non permettonol‟ottenimentodellastruttura monoliticadesiderata,mabensì di cristallididi- mensioni comprese tra i 2 ed i 10 μm174. Del resto, anche procedure più particolari (come la deposizione,tramitewashcoating, dicristallidizeolite all‟internodeimacropori di mo- noliti ceramici inerti) si sono dimostrate piuttosto limitate nei risultati183.
Tale problema è stato risolto solo recentemente, attraverso l‟introduzione di due procedu- re per la sintesi diretta di monoliti zeolitici puri e contenenti un‟adeguata rete di macropo- ri interconnessi174. La prima, sviluppata nel 2005 da Schüth et al.184, si fonda sulla tecnica della replica a stampo (replica-templating): la sintesi della zeolite è condotta in presenza di un monolite poroso organico con funzione di stampo, la cui successiva rimozione tramite calcinazione lascia la struttura della zeolite come replica negativa del templato originale. La seconda, messa a punto nel 2010 da Galarneau et al.185, prevede invece l‟impiego di una trasformazione pseudomorfica: un monolite poroso di silice (MonoSil o Si(HIPE)) viene in- fatti convertito nella corrispondente zeolite cristallina mediante esposizione ad una solu- zione contenente sali di alluminio; lavorando in condizioni opportune, questa trasforma- zione avviene senza distruggere la struttura macroporosa originale, fornendo così monoli-
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ti porosi di zeolite di forma cilindrica, che possono essere utilizzati come CFR dopo rive- stimento con un tubo in PTFE termorestringente.
ii) CFR monolitici di tipo organico
Come già detto (cfr. paragrafo 1.2.1.2), le resine di tipo gel sono materiali caratterizzati da scarsa rigidità ed elevato swelling: tali proprietà riducono notevolmente la loro permeabili- tà, rendendole quindi poco interessanti per la preparazione di monoliti utilizzabili in flow
chemistry. Pertanto, l‟unica classe di polimerici organici reticolati che viene usata per otte-
nere CFR monolitici è quella delle resine macroporose112.
La preparazione dei monoliti porosi organici è molto simile a quella delle resine macropo- rose usate come supporti per reazioni in batch (cfr. paragrafo 1.2.1.2): anche in questo caso viene sfruttato un processo di polimerizzazione-precipitazione, in cui un monomero è co- polimerizzatoconunCL(impiegatoinquantitàelevate)inpresenza di un appropriato sol- venteporogeno;l‟unicadifferenza è che il processo non viene condotto in sospensione (su-
spension polymerization) ma bensì all‟interno di uno stampo tubulare o piatto (mold polyme- rization).
Sulla base di tutte le considerazioni fatte in 1.2.1.2, è evidente che nel pianificare la prepa- razione di un monolite organico poroso bisogna prendere in considerazione diversi fatto- ri. Per esempio, non è possibile aumentare arbitrariamente il carico catalitico del monolite finale senza compromettere la sua stabilità strutturale e le sue proprietà fluido-dinamiche: infatti, l‟impiego di quantità elevate di agente reticolante (generalmente > 30 mol%), ne- cessarie per sviluppare e rendere stabile la struttura macroporosa del materiale, e di po- rogeno (60-70 vol%), che permettono invece di regolare la frazione di volume vuoto del monolite, pone un limite superiore al contenuto di monomero monofunzionale (cioè quel- lo recante il catalizzatore o il precursore catalitico) che può essere introdotto nella miscela di feed112. Un altro elemento molto importante è la natura chimica del monomero mono- funzionale: infatti, poiché tutti i fenomeni descritti in 1.2.1.2 dipendono anche dalle carat- teristichedi solubilitàdelle catene polimeriche in crescita, nello sviluppo di un nuovo CFR monolitico può essere necessario un complesso lavoro di ottimizzazione delle condizioni sperimentali, in modo da raggiungere un compromesso soddisfacente tra tutte le caratte- ristiche di rilievo del materiale (resistenza meccanica, carico di catalizzatore, volume dei pori convettivi, superficie totale)119.
Come punto di partenza per questo approccio possono essere prese in considerazione le procedure sviluppate negli anni Novanta da Fréchet et al.118 che, con il loro lavoro pionie-
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ristico,hannointrodottoiprimiprotocollidipreparazionedi monoliti organici porosi fun- zionalizzati.Piùprecisamente, usando monomeri come glicidil metacrilato (GMA) o 4-clo- rometilstirene, agenti reticolanti come EGDMA o DVB e porogeni come cicloesanolo o 1- dodecanolo,questeprocedureconsentonol‟ottenimentodimonoliticaratterizzatidallapre- senza di vari gruppi funzionali reattivi sulla loro superficie. In seguito questi materiali po- rosi funzionalizzati possono essere sfruttati per l‟immobilizzazione covalente di catalizza- tori, permettendo così la formazione di sistemi utilizzabili in flow chemistry. Questa strate- gia (mold polymerization seguita da grafting) è stata impiegata con successo per la prepara- zione di vari CFR monolitici contenenti complessi metallici186 ed enzimi187. In realtà, seb- bene tale approccio abbia il vantaggio di evitare un lavoro di ottimizzazione delle condi- zioni sperimentali potenzialmente complesso (la natura chimica del monomero di parten- za è infatti sempre la stessa), la quantità di catalizzatore che può essere immobilizzata sul dispositivo è spesso molto bassa188. Questa limitazione può essere superata incorporando l‟unità catalitica già nel corso della polimerizzazione, attraverso l‟impiego di un opportu- no monomero funzionalizzato; in effetti, in letteratura esistono vari lavori che sfruttano questa differente strategia, relativi soprattutto alla produzione di CFR monolitici per tra- sformazioni asimmetriche111,189.In alternativa ai materiali stirenici o acrilici sviluppati da Fréchet, più recentemente Bu- chemeiser et al.190 hanno sviluppato una differente classe di monoliti organici macroporo- si, ottenuti tramite polimerizzazione per metatesi ad apertura d‟anello di monomeri nor- bornenici (ring opening metathesis polymerization, ROMP). Anche per questo tipo di sistemi, CFR monolitici adatti per reazioni a flusso sono stati ottenuti impiegando monomeri nor- bornenici contenenti l‟unità catalitica oppure attraverso il grafting del catalizzatore sul ma- teriale polimerico preformato191.
iii) CFR monolitici di tipo inorganico/organico
Un‟ultima classe di CFR monolitici è quella sviluppata nel 2001 Kirsching et al.192, costitui- ti da compositi vetro/polimero. La preparazione di tali sistemi, spesso indicati con la sigla
PASSflow (polymer assisted solution-phase synthesis flow-through technique), è molto simile a
quella dei CFR monolitici organici di tipo Fréchet: anche in questo caso viene sfruttato un processo di polimerizzazione-precipitazione all‟interno di uno stampo di forma opportu- na, con l‟unica differenza che viene condotto in presenza di un bacchette o anelli Rashig di vetro macroporoso (dp = 1-10 μm) o megaporoso (dp = 50-300 μm) come supporto (Figura
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ci esattamente come i corrispondenti materiali puramente organici, ma hanno il vantaggio di presentare proprietà meccaniche nettamente migliori (per esempio, scarso swelling dello scheletro polimerico) grazie alla presenza della matrice vetrosa rigida. I CFR monolitici di questotiposono stati usati con successo invari tipi ditrasformazionicataliticheaflusso193.
Figura 1.17 – Schema di preparazione di sistemi PASSflow, in cui un monolite organico è ottenuto in presenza di un supporto di vetro poroso.
Da quanto appena descritto, risulta evidente che i CFR possono costituire un vantaggioso strumento per la sintesi organica. A tal proposito, gli esempi riportati in letteratura sugge- riscono che l‟approccio wall-coated è probabilmente il più promettente per i CFR di dimen- sione micrometrica; nel caso dei dispositivi mesofluidici, invece, i sistemi monolitici mo- strano chiari vantaggi su quelli packed-bed.
In realtà, i lavori fin qui pubblicati lasciano ancora alcune questioni irrisolte: il problema della gestione di flussi fluidi polifasici (inclusi quelli supercritici o gassosi)194 e soprattutto l‟effettiva possibilità di realizzare il numbering-up dei dispositivi. Quest‟ultimo aspetto ap- pare particolarmente serio nel caso di sistemi packed-bed e monolitici, in quanto la presen- za del letto catalitico può portare ad una distribuzione disomogenea del flussi fra un reat- tore e l‟altro.