Control de las reacciones de hidrogenación

La hidrogenación es una de las reacciones químicas principales.  En un solo paso, una reacción de hidrogenación permite la formación de enlaces C-C simples a partir de alquenos y alquinos, enlaces C-O a partir de cetonas, aldehídos o esteres, y enlaces C-N (aminas) a partir de iminas o nitrilos, etc. En la hidrogenación intervienen varios factores, incluidos el tipo de catalizador, su concentración, el disolvente, la pureza del sustrato, la temperatura y la presión. Al analizar el rendimiento del catalizador se suelen tener en cuenta cinco parámetros: rendimiento, selectividad, número de conversiones (TON) / frecuencia de conversiones (TOF), actividad y estabilidad. Mediante la recopilación continua de datos de análisis en cada experimento, los químicos eliminan las barreras que les impiden  comprender cada reacción del mejor modo posible. La comprensión del inicio, el mecanismo, la conversión y el punto final de la reacción, así como el perfil de impurezas y productos secundarios, permite tomar decisiones más rápido acerca de los cambios que es necesario hacer en las condiciones químicas o los parámetros del proceso. 

Comprender los procesos de la reacción de hidrogenación puede ser difícil con las técnicas fuera de línea, las cuales requieren la extracción de una muestra del reactor mientras aún está bajo presión. Las técnicas fuera de línea se ven afectadas por la inestabilidad de los productos intermedios y de la reacción, así como por el retraso que supone el análisis de muestras manuales. Debido al muestreo y el análisis intensivo en laboratorio y a las demoras en los resultados, no siempre es posible determinar con precisión el punto final de la reacción mediante técnicas fuera de línea. Para facilitar los experimentos con datos abundantes, los investigadores aplican la tecnología analítica de procesos (PAT) insertada directamente en los recipientes de reacción, in situ. Se realizan mediciones continuas y en tiempo real de las reacciones para lograr una comprensión sólida del proceso. El objetivo es tomar decisiones más rápido para reducir el número de experimentos y el tiempo de escalado del proceso; aumentar la selectividad y el rendimiento a partir de la información prácticamente instantánea en la dirección de la reacción; reducir los tiempos de ciclo y mejorar el rendimiento determinando el punto final ideal mediante la detención de una reacción en un punto específico evitando el riesgo de formación de productos secundarios. 

Por ejemplo, la reducción de derivados de nitrobenceno se usa habitualmente en la obtención de productos intermedios usados en la síntesis de ingredientes farmacéuticos activos (API) y productos químicos puros.  La selectividad y la reactividad de la reacción, que dan lugar a diversas relaciones de hidroxilamina / anilina, dependen de múltiples variables, entre las que se incluyen el tipo de disolvente, el catalizador, la temperatura y la presión. Es aconsejable una mejor comprensión del impacto de estas variables sobre el rendimiento de la reacción para el desarrollo y el control de procesos. 

Este gráfico muestra la reducción de nitrobenceno sin catalizador. Los componentes se pueden detectar y seguir fácilmente mediante el consumo de Ф-NO₂ y la formación de Ф-NH₂. El control de la progresión de la reacción muestra que la materia prima se consume de forma rápida e inmediata y que se forma anilina, sin que se observe la presencia de un producto intermedio. Los perfiles de concentración de componentes se usan para determinar un punto final preciso y exacto de la producción de Ф-NH₂. Se puede deducir la información del mecanismo y la cinética, lo cual indica una cinética de orden cero tanto para el consumo de Ф-NO₂ como para la formación de Ф-NH₂. Los parámetros de proceso críticos, como la naturaleza del catalizador, se pueden identificar, lo que daría lugar a una conversión completa del nitrobenceno, un buen rendimiento del nitrobenceno y un tiempo de reacción optimizado.

En este ejemplo, en el cual se ha usado otro catalizador, los datos muestran la aparición de Ar-NHOH como un producto intermedio, lo que dilata el tiempo de reacción para la producción de Ar-NH₂. Al aplicar la espectroscopía in situ de ReactIR, se puede determinar fácilmente un punto final preciso y exacto tanto del producto intermedio Ф-NHOH como del producto final Ф-NH₂. La información sobre mecanismos y cinética se puede deducir del gráfico a partir de la forma de los perfiles de componentes, que muestran dos regímenes cinéticos. Se observa una cinética de orden cero tanto para el consumo de Ф-NO₂ como para la formación de Ф-NHOH, mientras que se observa una cinética de primer orden (con respecto a CФ-NHOH) para la formación retardada de Ф-NH₂. Se identifican parámetros de proceso críticos, como la naturaleza del catalizador, lo cual da lugar a un mejor rendimiento del producto de Ar-NH₂.

Las hidrogenaciones se ven afectadas por la cinética, la selectividad, la reactividad y la variabilidad del punto final de la reacción entre lotes y en el escalado. Esta ponencia incluye cuatro casos prácticos:

• Reducción de nitrobencilo
• Reducción de Rosenmund
• Reducción de pirazina
• Aminación reductora

La espectroscopía de ReactIR FTIR en línea es una técnica in situ, que aporta   información instantánea sobre la reacción. Se pueden tomar decisiones inmediatas durante el experimento, como el momento de finalizar la reacción. ReactIR ofrece ventajas con respecto a los métodos analíticos alternativos, entre otras:

• Impermeabilidad a burbujas o sólidos, por lo que es ideal para las hidrogenaciones o cualquier reacción heterogénea.
• No requiere muestreo extractivo, por lo que permite medir la hidrogenación en su entorno natural y conservar al mismo tiempo la integridad de la reacción química.
• Cumple la ley de Beer-Lambert, lo que permite mediciones cuantitativas y cualitativas

Si bien integrar herramientas de PAT puede proporcionar un análisis completo y continuo de la reacción en tiempo real, la información básica sobre los perfiles de impureza de bajo nivel está muy limitada en estas técnicas. Se considera que las técnicas fuera de línea son la norma en los análisis de impurezas, pero el muestreo de hidrogenaciones bajo presión es complicado y los datos de medición en ocasiones son limitados. Para comprender el mecanismo de formación de un producto intermedio, es necesario identificar en qué paso de la hidrogenación se forma el producto secundario y a continuación, determinar los parámetros que ocasionan la formación de productos secundarios. En este caso práctico se explica cómo recopilar esta información y tomar decisiones fundamentadas al trabajar con reacciones bajo presión.

Los procesos de hidrogenación suelen ser fuertemente exotérmicos, motivo por el cual se realizó una investigación exhaustiva de la seguridad y la cinética, basada en la calorimetría de flujo de calor, las mediciones de la absorción de hidrógeno y la espectroscopía en línea (infrarrojo medio) antes del escalado. Se puede predecir el comportamiento del proceso a gran escala, como la temperatura o el tiempo de reacción y su impacto en los niveles de productos intermedios e impurezas residuales, usando un calorímetro de reacción. Los escenarios de los procesos basados en la transferencia de masa y calor, así como la caracterización cinética completa, pueden causar una mejora de la estabilidad del catalizador, un perfil óptimo de la temperatura del proceso y el tiempo de reacción.

• Síntesis de polímeros
• Estudios cinéticos sobre las reacciones químicas
• Desarrollo y escalado de procesos químicos
• Transferencia de calor y escalado de procesos
• Mezcla y transferencia de masas
• Química de flujo continuo
• Seguridad del proceso químico
• Tecnología analítica de procesos
• Control de isocianatos residuales