Reazioni chimiche con le microonde


    Una reazione chimica si conduce, in estrema sintesi, somministrando energia ad un sistema (molecole reagenti) in maniera tale da portarle ad uno stato d’alta energia (stato di transizione). In questo stato, i reagenti possiedono conformazioni e strutture tali da "assomigliare" al sistema d’arrivo (prodotti).

    Chimici e chimici-fisici sono in grado di analizzare le reazioni chimiche dal punto di vista energetico e possono persino costruire le curve d’energia potenziale, in modo tale da descrivere in quale misura le reazioni è favorite, quanta energia è richiesta per superare la barriera dello stato di transizione, ecc.

    [inline: 1=Immagine - 1 - A sinistra, il livello d’energia dei prodotti è inferiore a quella dei reagenti]
    Immagine - 1 - A sinistra, il livello d’energia dei prodotti è inferiore a quella dei reagenti. La reazione è favorita ed è esoergonica: ΛG<0. A destra la reazione è sfavorita ed è endoergonica: ΛG>0.

    A prescindere dall’andamento della reazione, è indispensabile fornire una certa quantità d’energia per innescarla.

    La più comune fonte d’energia è il calore ma, soprattutto nell’ultima decade, l’uso delle microonde (MW, microwave) nella sintesi organica è sempre più studiata ed applicata, soprattutto nel campo di ricerca accademica e farmaceutica.

    Con questa tecnologia è possibile condurre reazioni chimiche in tempi più ristretti ed in condizioni più blande rispetto a quanto si può ottenere secondo le metodiche "classiche" di riscaldamento della massa di reazione.

    Il riscaldamento per convenzione è quello comunemente usato per far reagire due molecole. Il calore è fornito da una sorgente (bruciatore, vapore ad alta pressione e temperatura, ecc.) che deve passare attraverso le pareti del recipiente in cui si conduce la reazione (pallone da laboratorio, caldaia industriale, ecc.) prima di raggiungere la massa di reazione.

    Si tratta di un fenomeno lento che richiede più o meno tempo secondo il materiale di cui è costituito il recipiente. Si tratta, in sostanza, di valutare le capacità e le conducibilità termiche dei materiali.

    La diffusione delle microonde, a volte utilizzate in combinazione con un riscaldamento "tradizionale" (microwave-assisted synthesis), non sono condizionate dalla conducibilità termica del materiale, in quanto le microonde sono una radiazione elettromagnetica (λ=1mm–1m, frequenza da 100–5000MHz) che attraversa il recipiente e porta ad un istantaneo riscaldamento localizzato.

    La radiazione, essendo costituita da un campo elettrico e magnetico ortogonali fra loro, inducono una polarizzazione dell’ambiente circostante la molecola che allineandosi con il campo generato (dipolo ionico) genera un "super-riscaldamento".

    La cinetica di una reazione è relazionata dalla equazione di Arrhenius:

    k=Ae-Ea/RT

    dove A=costante di Arrhenius

    Ea=energia d’attivazione

    R=costante dei gas

    T=temperatura assoluta (K)

    Se si considera il riscaldamento per convenzione, con T s’indica la temperatura della massa di reazione che si raggiunge fornendo il calore, ad esempio, con una resistenza.

    Se, invece, si applica una radiazione nel campo delle microonde, poiché si attivano direttamente attraverso l’interazione dipolo-dipolo tra le molecole polari ed il campo elettromagnetico, si assiste alla dissipazione dell’energia attraverso una "super-agitazione" ed urti molecolari in seguito ai movimenti dei dipoli nel movimento d’allineamento con il campo elettrico alternato della radiazione.

    L’intervallo di tempo in cui avviene quest’innalzamento di temperatura è estremamente breve (10-9s), tale per cui le molecole stesse non sono in grado di raggiungere un equilibrio termico per rilasciare l’energia in eccesso.

    L’effetto delle MW si ripercuote nell’incremento del termine A dell’equazione d’Arrhenius (il termine pre-esponenziale rappresenta la probabilità d’urti fra le molecole). Certamente, l’abbassamento del livello energetico dello stato di transizione, e quindi l’abbassamento dell’energia d’attivazione, è decisivo.

    È, inoltre, interessante valutare, caso per caso (reazione per reazione) i parametri chimici che possono influenza e/o modificare l’efficacia del riscaldamento per microonde. Ad esempio, la diversa natura dei solventi inutilizzati.

    Se sono impiegati solventi pola, l’energia delle MW è distribuita fra solvente e reagenti. Solventi non polari sono trasparenti alle radiazioni MW.

    Se i reagenti sono polari, è possibile osservare una netta differenza nel condurre la reazione con un riscaldamento per convenzione e con le MW.

    Nell’ultima decade, numerosi sono stati gli studi e le ricerche che hanno permesso di sviluppare ed applicare la tecnologia delle MW.

    Ad esempio, la tecnica EMS (Enhanced Microwave Synthesis) abbina l’irraggiamento delle microonde con il raffreddamento della massa di reazione che, comprimendo l’aria contenuta, esaspera la localizzazione dell’energia.

    [inline: 2=Immagine - 2 - Esempio dell’efficacia di una reazione condotta con MW]
    Immagine - 2 - Esempio dell’efficacia di una reazione condotta con MW. Si tratta di una reazione di Cross-Coupling mediata con catalizzatore organometallico, Pd(Oac)2

    Con la CMS (Conventional Microwave Synthesis) l’irraggiamento è utilizzato per raggiungere nel più breve tempo possibile la temperatura ottimale della massa di reazione.

    In questo modo si evita che la potenza dell’irraggiamento svanisca col tempo.

    La scelta di una tecnica piuttosto che un’altra è da valutare in funzione del tipo di riscaldamento che si vuole utilizzare e del tipo di reazione e substrato che si sta studiando.

    In questo senso, la letteratura offre una vastissima raccolta d’esempi.

    Alchilazioni, acilazioni, reazioni asimmetriche, condensazioni, cicloaddizioni, sintesi d’eterocicli, carbanioni, organometalli, ossidazioni, sintesi con peptici e nucleotidi, fotochimica, polimeri, reazioni in fase solida, alogenazioni sono alcuni esempi di reazioni e classi di composti che hanno trovato vantaggio nell’uso delle microonde.

    [inline: 3=Immagine - 3 - Esempio di reazione condotta in EMS per la sintesi di alpha-cheto amidi]
    Immagine - 3 - Esempio di reazione condotta in EMS per la sintesi di alpha-cheto amidi.

    Recentemente, anche in campo biochimico si sono trovate interessanti applicazioni.

    Spesso i substrati biochimici sono termosensibili, l’uso delle microonde permette di condurre reazioni anche a temperature dell’ordine dei 30°–40°C.

    Soprattutto, l’uso delle MW ha visto una diffusione nel campo delle sintesi di peptidi in fase solida (SPPS, solid-phase peptide synthesis).

    La radiazione delle microonde è certamente una sorgente alternativa utile per condurre reazioni chimiche in condizioni blande ed in tempi ristretti.

    Questo giustifica il sempre più elevato numero di pubblicazioni a riguardo.

    Tuttavia, si tratta ancora di una tecnologia applicabile solo in un ambito ristretto come il laboratorio.

    Lo sviluppo successivo è quello di scale-up, vale a dire lo sviluppo verso una scala di grandezza maggiore come quell’industriale o semi-industriale.

    Attualmente, si realizzano sintesi su scala del grammo, è facile capire gli inconvenienti ed i problemi strumentali per un’applicazione su più vasta scala.

    Attualmente, la tecnologia delle MW è applicata industrialmente per le essiccazioni.

    Esistono numerose macchine e forni sviluppati per qualsiasi processo e prodotto da trattare.

    [inline: 4=Immagine - 4 - Esempi di forni ed essiccatori a MW, per uso industriale]
    Immagine - 4 - Esempi di forni ed essiccatori a MW, per uso industriale.

    Questo è un buon punto di partenza per lo sviluppo di sorgenti e sistemi per l’irraggiamento MW da applicare nelle sintesi chimiche organiche.

    Bibliografia

    Hayes, "Microwave synthesis: chemistry at the speed of light", CEM Publ. 2002;

    Wheless, "Microwave-enhanced chemistry: fundamentals, sample preparation and applications", CAS 1997;

    Bradley, "Modern drug discovery", 2001;

    Loupy, "Microwaves in organic chemistry", Wiley 2002;

    Loupy, Perreux, "A tentative razionalization of microwave effects in organic synthesis according to the reaction medium, and mechanism considerations", Tetrahedron, 57, 9199-9223, 2001;



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