Tài liệu Tổng hợp hữu cơ trong dung môi xanh là CO2 siêu tới hạn

GVGD: Mai Hùng Thanh Tùng 1 Hoàng Xuân Ái Phạm Thị Hòa Vũ Duy Hải Thuyết Trình Nguyễn Thanh Bình Lâm Thị Mỹ Hồng Lê Trúc Hòa Nhóm Trưởng 2 3 I II Tổng quan về CO2 siêu tới hạn(sCO2) Tổng hợp hữu cơ trong CO2 siêu tới hạn III CO2 vừa đóng vai trò là dung môi, vừa đóng vai trò là tác chất IV Các phản ứng polymer hóa trong CO2 siêu tới hạn. 4 Cái nhìn chung dưới góc độ hóa học xanh Ưu điểm và hạn chế của CO2 siêu tới hạn Các tính chất hóa lý cơ bản của CO2 5 Thay thế dung môi Cải tiến hiệu suất Tác chất phản ứng Góc độ hóa học xanh 6 1.2 Ưu điểm và hạn chế của CO2 siêu tới hạn. 1.2.1 So sCO2 với phương pháp truyền thống Chất lượng cao Không còn dung môi dư Không ô nhiễm Tách được hàm lượng cao Công nghệ cao và an toàn 7 1.2.2 So sánh sCO2 với dung môi khác Rẻ tiền, dễ kiếm Không ô nhiễm môi trường Hóa hơi không có cặn độc hại Chất trơ Không độc, không ăn mòn Điều chỉnh được các thông số Không bắt lửa Hòa tan tốt, độ chọn lọc cao 8 II I Phải thực hiện ở áp suất cao do đó cao thành nâng giá III sCO2 là dung Áp suất ảnh môi kém phân cực, nên chỉ hưởng nhiều hòa tan tốt các đến lưu chất tác chất và các siêu tới hạn. IV Mới áp dụng ở quy mô phòng thí nghiệm xúc tác kém phân cực Lưu chất siêu tới hạn chỉ nên sử dụng khi phản ứng ở điều kiện đó thực sự có những ưu điểm nổi bật so với phản ứng ở điều kiện thường. Các chất tan tốt trong sCO2 - Aldehyde, Ketone, Ester, Alcohol - Các chất khí như H2, O2, CO… - Các halogen-cacbon có phân tử lượng nhỏ và trung bình - Các hydrocacbon mạch thẳng không phân cực, phân tử lượng thấp và có mạch cacbon dưới 20. - Các hydrocacbon thơm có phân tử lượng nhỏ 10 1.3 Các Tính chất hoá lý cơ bản của CO2 siêu tới hạn 1.3.1 Tính chất một số thông số hóa lý cơ bản Lưu chất siêu tới hạn là một trạng thái vật lý của một chất nào đó ở điều kiện nhiệt độ và áp suất cao hơn nhiệt độ tới hạn (Tc ) và áp suất tới hạn ( Pc ). Giản đồ pha nhiệt độ - áp suất của CO2 11 1.3.2 Thông số hóa lý của CO2 Tên gọi Công thức hóa học Carbon dioxide CO2 (cấu trúc phân tử: O=C=O) Khối lượng phân tử Thể tích ở điều kiện chuẩn Hằng số khí Khối lượng riêng khí ở 273,15Kvà 1,013 bar MCO2 = 44,011 kg/kmol Vmn = 22,263 m3/kmol RCO2 = 0,1889 kJ/(kg.K) ρn = 1,977 kg/m3 Nhiệt độ tới hạn Áp suất tới hạn Khối lượng riêng tới hạn Nhiệt độ thăng hoa Điểm ba Nhiệt độ phân hủy Tc = 304,15 K Pc = 73,75 bar ρc = 466 kg/m3 Ts = 194,25 K; Ps = 0,981 bar TT = 216,55 K; PT = 5,18 bar 12 >1473,15 K Các hình chụp thể hiện sự biến mất dần về mặt phân chia pha của CO2 khi tăng nhiệt độ và áp suất a) Bề mặt phân chia pha lỏng – khí còn rõ ràng b) Bề mặt phân chia pha mờ dần c) CO2 ở trạng thái siêu tới hạn đồng nhất 13 Khi đã đạt tới độ vànữa áp suất tới cho hạn thì khôngchất còn phân biệtkhí được 2 Tăng nhiệt độnhiệt cao hơn sẽ làm tỉ trọng lỏng và gần Khiđường tăng nhiệt độ đường phân chia 2 pha mờđồng dần nhất. pha nữa, phân cách cũng không còn, tạo pha phân chia 22 pha khí rõ1 ràng. nhau hơn, Đường đường phân cách pha lỏng vẫn tồn tại nhưng khó quan sát 14 15 Bảng 4.2 So sánh tương đối một số thông số vật lý của một lưu chất ở trạng thái khí, trạng thái siêu tới hạn và trạng thái lỏng Tính chất Khí Siêu tới hạn Lỏng Tỷ trọng/g ml-1 10-3 0.4 1 Độ nhớt/Pas 10-5 10-4 10-3 Hệ số khuếch tán/cm2 .s-1 0.1 10-3 10-5 - 10-6 Tỷ trọng: Lỏng > Siêu tới hạn > Khí Độ nhớt: Lỏng > Siêu tới hạn > Khí Hệ số khuếch tán: Khí > Siêu tới hạn > Lỏng 16 Hình 4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên tỷ trọng của CO2 17 Ví dụ: Sự phụ thuộc độ tan phần mol của benzoic acid trong sCO2 vào nhiệt độ và áp suất. Hình 4.4 Sự phụ thuộc độ tan phần mol của benzoic acid trong sCO2 theo nhiệt độ và áp suất 18 1.4 Quá trình phân riêng trong lưu chất siêu tới hạn Ngày xưa: Sản phẩm là chất lỏng: để phân riêng sản phẩm ra khỏi lưu chất siêu tới hạn là hạ nhiệt độ, và sau đó dùng thêm phương pháp lọc hoặc bốc hơi loại dung môi Sản phẩm dạng rắn: làm nguội nhanh sẽ không khống chế được dạng thù hình hoặc kích thước hạt của vật liệu rắn thu được. Ngày nay: Có thể sử dụng một số kỹ thuật để kết tủa sản phẩm rắn ra khỏi dung môi siêu tới hạn mà vẫn khống chế được các đặc tính vật lý của sản phẩm. Các kỹ thuật này bao gồm: Giản nở nhanh– RESS.  Sử dụng lưu chất siêu tới hạn làm dung môi tạo ra sự kết tủa.  Kỹ thuật phun phân tán thích hợp. 19 1.4.1 Kỹ Thuật RESS: Được sử dụng nhiều trong các quá trình hình thành các màng film mỏng, quá trình phân lập các hợp chất cơ kim không bền dễ phân hủy. Tổng hợp được các vật liệu tổ hợp (composite) bằng cách đồng kết tủa hỗn hợp các chất rắn trong cùng một lưu chất siêu tới hạn Ưu điểm: Sản phẩm rắn hình thành có độ phân bố kích thước hạt rất hẹp. Quá trình RESS xảy ra nhanh và không cần phải sử dụng đến điều kiện chân không. Còn có thể được sử dụng để ổn định các phức cơ kim. Nhược điểm: Chỉ có thể áp dụng cho các chất có khả năng tan được trong lưu chất siêu tới hạn. 20