ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA DISEÑO DE UNA PLANTA PILOTO PARA LA OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA (4-MU) POR MICROONDAS MEDIANTE LA REACCIÓN DE PECHMANN – DUISBERG PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA JARAMILLO HERRERA MAYRA ALEJANDRA [email protected] DIRECTORA: DRA. FLORINELLA MUÑOZ BISESTI [email protected] Quito, Febrero 2015 © Escuela Politécnica Nacional 2015 Reservados todos los derechos de reproducción DECLARACIÓN Yo, Mayra Alejandra Jaramillo Herrera, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente. _______________________________ Mayra Alejandra Jaramillo Herrera CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Mayra Alejandra Jaramillo Herrera, bajo mi supervisión. ___________________________ Dra. Florinella Muñoz Bisesti DIRECTORA DEL PROYECTO AUSPICIO La presente investigación contó con el auspicio financiero del proyecto interno PII– DCN-002–2012, “Síntesis de β Metil Umbelliferona (4-MU) por microondas mediante la reacción de Pechmann-Duisberg y purificación del producto para su comercialización”, que se ejecutó en el Departamento de Ciencias Nucleares de la Escuela Politécnica Nacional. AGRADECIMIENTOS Antes de comenzar, quiero citar una frase que ha marcado mi vida: “Todo esfuerzo tiene su recompensa”. Primero, quiero agradecer a Dios y a mi Virgencita del Cisne, por darme sus bendiciones, guiar mi camino y permitirme alcanzar una meta importante en mi vida. A mi papito, que siempre ha estado a mi lado y ha sido mi ejemplo de perseverancia; a mi mamita, que con sus consejos y su amor me supo levantar el ánimo cuando sentía que ya no podía más. A mis hermanos, que con sus ocurrencias me dieron muchos momentos de felicidad, aunque estemos lejos. A toda mi familia que siempre estuvo a mi lado, dándome consejos y brindándome su amor. En especial a mis tías: Esperanza, Janeth y Consuelo, a mis ñaños: Henry, Edwin, Alex, Grace y Miriam, y a mi padrino José. A mi directora de tesis, la Dra. Florinella Muñoz, gracias por su confianza brindada, su tiempo, su paciencia y por compartir sus conocimientos para que este proyecto se realice de la mejor manera. A mis amigos de toda la vida, en especial a Irma por siempre estar conmigo y compartir alegrías y tristezas. A Dany por haberme apoyado en todo momento, por su paciencia y su cariño. A mis amig@s de Ingeniería Química, que tuve la oportunidad de conocer y con los que compartí muchos momentos felices y difíciles durante esta travesía. En especial a Ibeth, Mabe, Majo, Lore, Cristian y Tamy, quienes me supieron escuchar y brindar su amistad. Finalmente, quiero agradecer a todas las personas del Departamento de Ciencias Nucleares, quienes me apoyaron y brindaron su ayuda cuando lo necesitaba, a Pao, Ing. Marquito, Dra. Catalina, Dr. Patricio, Doña Nancita, así como a los chicos tesistas y ex-tesistas (Meche y Jessy M). DEDICATORIA Primeramente, quiero dedicar el presente trabajo a mi abuelita Eumelia, que aunque ya no esté con nosotros, sé que desde el cielo nos envía sus bendiciones, como siempre lo hizo. A mis padres, Francisco y Carmen, que siempre me han apoyado y brindado su amor incondicional y han creído en mí en todo momento. También a mis dos amores, Robin y Pauleth, que espero que cumplan todos sus sueños. i ÍNDICE DE CONTENIDOS PÁGINA RESUMEN INTRODUCCIÓN xvii xix 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1 1.1. Umbelliferona: Características, fuentes y usos 1.1.1. Características 1.1.2. Fuentes 1.1.3. Usos 1 1 2 4 1.2. Reacción de Pechmann-Duisberg 1.2.1. Catalizadores utilizados para la reacción de Pechmann 1.2.2. Mecanismo de reacción 5 7 9 1.3. Síntesis orgánica de cumarinas por microondas 1.3.1. Mecanismos de calentamiento dieléctrico por microondas 1.3.1.1 Mecanismo de calentamiento dieléctrico por Polarización Dipolar 1.3.1.2 Mecanismo de calentamiento dieléctrico por Conducción 1.3.2. Síntesis orgánica por el método de calentamiento convencional en comparación con el método de radiación microondas 1.3.3. Tipos de microondas 1.3.3.1 Cavidades Monomodo 1.3.3.2 Cavidades Multimodo 1.3.4. Escalamiento de síntesis orgánica por microondas 1.3.4.1 Escalado en batch 1.3.4.2 Escalado para síntesis en paralelo 1.3.4.3 Escalado en sistemas de Flujo Continuo y Parada de Flujo 16 19 19 20 21 23 25 26 1.4 Catálisis Homogénea 1.4.1 Generalidades sobre la catálisis 1.4.2 Catálisis Homogénea 28 28 31 2. PARTE EXPERIMENTAL 36 2.1. Determinación de las zonas de máxima incidencia de irradiación en el microondas, mediante el uso de diferentes cargas de agua 37 Caracterización de los reactivos y la β Metil Umbelliferona por espectrofotometría UV-VIS 39 Síntesis de la β Metil Umbelliferona mediante la reacción de PechmannDuisberg por el método convencional y no convencional 2.3.1. Síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional 40 40 2.2. 2.3. 11 13 14 15 ii 2.3.2. Síntesis de β Metil Umbelliferona por el método no convencional 2.3.3. Identificación y cuantificación de β Metil Umbelliferona por HPLC 2.3.3.1 Determinación de las condiciones de operación para el análisis por HPLC 2.3.3.2 Identificación de β Metil Umbelliferona por HPLC 2.3.3.3 Cuantificación de β Metil Umbelliferona por HPLC 2.3.4. Comparación de las técnicas HPLC y Gravimétrica, empleadas para determinar la conversión en la síntesis convencional y no convencional de β Metil Umbelliferona 2.4. 41 42 43 44 44 45 Estudio de la catálisis homogénea de la obtención de β Metil Umbelliferona mediante la reacción de Pechmann-Duisberg para el método convencional 46 2.5. Purificación del producto obtenido 47 2.6. Definición del diagrama de bloques y selección los equipos para una planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 48 2.7. Análisis de los costos de obtención de β Metil Umbelliferona 49 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 50 3.1. Determinación de las zonas de máxima incidencia de irradiación en el microondas, mediante el uso de diferentes cargas de agua 50 Caracterización de los reactivos y la β Metil Umbelliferona por espectrofotometría UV-VIS 52 3.2. 3.3. Síntesis de la β Metil Umbelliferona mediante la reacción de PechmannDuisberg por el método convencional y no convencional 3.3.1. Identificación y cuantificación de β Metil Umbelliferona por HPLC 3.3.1.1 Determinación de las condiciones de operación para el análisis por HPLC 3.3.1.2 Identificación de β Metil Umbelliferona por HPLC 3.3.1.3 Cuantificación de β Metil Umbelliferona por HPLC 3.3.2. Síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional 3.3.2.1 Determinación del diseño experimental para el estudio del proceso de síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional 3.3.2.2 Resultados de la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional 3.3.2.3 Análisis estadístico de los resultados de conversión obtenidos en la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional 3.3.3. Síntesis de β Metil Umbelliferona por el método no convencional 54 54 54 54 55 57 57 57 59 62 iii 3.3.3.1 Determinación del diseño experimental para el estudio del proceso de síntesis de β Metil Umbelliferona por el método no convencional 3.3.3.2 Resultados de la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método no convencional 3.3.3.3 Análisis estadístico de los resultados de conversión obtenidos en la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método no convencional 62 63 65 3.4. Resultados de la purificación del producto obtenido 69 3.5. Estudio de la catálisis homogénea de la obtención de β Metil Umbelliferona mediante la reacción de Pechmann-Duisberg para el método convencional 71 3.6. Definición del diagrama de bloques y selección de los equipos para una planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 3.6.1. Definición del producto y condiciones de operación para la planta piloto 3.6.2. Balance de masa y energía para la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 3.6.3. Definición del diagrama de bloques para la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 3.6.4. Selección de equipos para la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 3.6.5. Lay out de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 76 77 78 79 82 94 3.7. Análisis de los costos de obtención de β Metil Umbelliferona 97 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 102 4.1. Conclusiones 102 4.2. Recomendaciones 103 REFERENCIAS BILIOGRÁFICAS 105 ANEXOS 119 iv ÍNDICE DE TABLAS PÁGINA Tabla 1.1. Principales propiedades de la β Metil Umbelliferona 2 Tabla 1.2. Aplicaciones de las cumarinas 7-sustituidas 5 Tabla 1.3. Beneficios de utilizar el calentamiento por microondas con respecto al calentamiento convencional 18 Tipos de escalado en batch para sistemas de síntesis con microondas 23 Datos de concentración de las soluciones de reactivos y de β Metil Umbelliferona, utilizadas para la caracterización por espectrofotometría UV-Vis 39 Factores de dilución usados en la preparación de muestras de β Metil Umbelliferona 43 Tabla 2.3. Condiciones de operación para el análisis por HPLC 43 Tabla 2.4. Datos de la concentración de las soluciones de reactivos y de β Metil Umbelliferona, utilizadas para la identificación de cada componente químico, mediante análisis por HPLC 44 Datos de concentración de las soluciones de la β Metil Umbelliferona preparadas para la construcción de la curva de calibración 45 Precios de las materias primas, insumos y servicios, actuales en Ecuador 49 Zonas de máxima incidencia de irradiación, registradas en el microondas doméstico PANASONIC, para cada carga de agua 50 Variación del tiempo de irradiación en función de la carga de agua que se utiliza en el microondas 51 Niveles de las variables del diseño experimental para la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona 57 Comparación de la conversión en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona por la técnica gravimétrica y por HPLC 58 Conversión en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica de HPLC 59 Tabla 1.4. Tabla 2.1. Tabla 2.2. Tabla 2.5. Tabla 2.6. Tabla 3.1. Tabla 3.2. Tabla 3.3. Tabla 3.4. Tabla 3.5. v Tabla 3.6. Tabla 3.7. Tabla 3.8. Tabla 3.9. Tabla 3.10. Tabla 3.11. Tabla 3.12. Tabla 3.13. Tabla 3.14. Tabla 3.15. Tabla 3.16. Tabla 3.17. Tabla 3.18. Tabla 3.19. Tabla 3.20. Análisis de varianza para la conversión en la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional 60 Niveles de las variables del diseño experimental para la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona 63 Comparación de la conversión en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona por la técnica gravimétrica y por HPLC 64 Conversión en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica de HPLC 66 Análisis de varianza para la conversión en la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método no convencional 66 Pureza de β Metil Umbelliferona obtenida por el método de síntesis convencional 70 Pureza de β Metil Umbelliferona obtenida por el método de síntesis no convencional 70 Concentración de β Metil Umbelliferona y términos para el cálculo de la constante de velocidad, cuando se emplea 77,71 % mol de HCl 72 Concentración de β Metil Umbelliferona y términos para el cálculo de la constante de velocidad, cuando se emplea 82,30 % mol de HCl 72 Concentración de β Metil Umbelliferona y términos para el cálculo de la constante de velocidad, cuando se emplea 87,46 % mol de HCl 73 Valores de las constantes de velocidad (k) para cada nivel de catalizador utilizado en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona 74 Características del producto (β Metil Umbelliferona) que se procesará en la planta piloto 77 Condiciones de operación para la obtención de β Metil Umbelliferona 77 Cantidades de materia prima e insumos requeridos para una producción diaria de 1,2 kg de β Metil Umbelliferona 78 Cantidad de energía diaria necesaria para el funcionamiento de la planta piloto de β Metil Umbelliferona 79 vi Selección de equipos y materiales para la planta piloto de obtención de 280 kg/año de β Metil Umbelliferona (4-MU) 83 Tabla 3.22. Hoja de especificación del molino 84 Tabla 3.23. Hoja de especificación de la balanza 85 Tabla 3.24. Hoja de especificación de la sorbona 86 Tabla 3.25. Hoja de especificación del horno microondas 87 Tabla 3.26. Hoja de especificación del agitador magnético 88 Tabla 3.27. Hoja de especificación del filtro de vacío 89 Tabla 3.28. Hoja de especificación del reactor para recristalización 90 Tabla 3.29. Hoja de especificación de la estufa 91 Tabla 3.30. Hoja de especificación de la llenadora 92 Tabla 3.31. Hoja de especificación de la selladora 93 Tabla 3.32. Hoja de especificación del destilador 94 Tabla 3.33. Nomenclatura de equipos utilizados en el “lay out” de la planta piloto de β Metil Umbelliferona 97 Precios de materiales y equipos para la planta piloto de β Metil Umbelliferona 98 Inversión inicial para la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 98 Gastos de materia prima e insumos para la planta piloto de β Metil Umbelliferona 99 Gastos de materiales indirectos para la planta piloto de β Metil Umbelliferona 99 Gastos de suministros para la planta piloto de β Metil Umbelliferona 99 Tabla 3.21. Tabla 3.34. Tabla 3.35. Tabla 3.36. Tabla 3.37. Tabla 3.38. Tabla 3.39. Gastos fijos para la planta piloto de β Metil Umbelliferona 100 Tabla 3.40. Resultados del análisis económico para la obtención de β Metil Umbelliferona 100 vii Tabla AIII.1. Tabla AIV.1. Tabla AV.1. Tabla AV.2. Tabla AVI.1. Tabla AVI.2. Tabla AVII.1. Datos para la construcción de la curva de calibración de la β Metil Umbelliferona 125 Conversión preliminar en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona, con variación de los tiempos de calentamiento y una cantidad de catalizador de 82,30 % mol 126 Conversión preliminar en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona, con variación de la cantidad de catalizador y un tiempo constante de 20 s 128 Conversión preliminar en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona, con variación del tiempo de irradiación y una cantidad de catalizador de 58,24 % mol 130 Conversión en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica de HPLC, con los parámetros estadísticos considerados 132 Conversión en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica de HPLC, con los parámetros estadísticos considerados 132 Resultados de pruebas preliminares de la purificación de β Metil Umbelliferona 134 viii ÍNDICE DE FIGURAS PÁGINA Figura 1.1. Estructura de la Umbelliferona, cumarina 7-substituida 1 Figura 1.2. Estructura química de la β Metil Umbelliferona 2 Figura 1.3. Ejemplos de plantas que contienen derivados de cumarinas, (a): La angélica, (b): Oreja de ratón hawkweed 3 Figura 1.4. Planta Ferula galbaniflua 3 Figura 1.5. Esquema general de la reacción de Pechmann-Duisberg 6 Figura 1.6. Reacción global de Pechmann para la obtención de β Metil Umbelliferona 7 Mecanismo de reacción para la síntesis de β Metil Umbelliferona 11 Ubicación de la región de radiación microondas en el espectro electromagnético 12 Figura 1.9. Componentes de la radiación microondas 14 Figura 1.10. Mecanismo de calentamiento con microondas por polarización dipolar 15 Figura 1.11. Métodos de calentamiento: (a) Convencional y (b) Microondas 17 Figura 1.12. Esquema de microondas con cavidad monomodo 19 Figura 1.13. Esquema de microondas con cavidad multimodo 20 Figura 1.14. Esquema del reactor industrial con uso de radiación microondas, instalado por SAIREM para la producción de Laurydone 24 Figura 1.15. Sistema de procesamiento en paralelo para MAOS 25 Figura 1.16. Esquema de un sistema con flujo continuo, para reacciones en microondas 26 Figura 1.17. Sistema de parada de flujo (SF), reactor Voyager 27 Figura 1.18. Camino cinético recorrido por una reacción catalizada y no catalizada 29 Figura 1.7. Figura 1.8. ix Figura 2.1. Figura 2.2. Figura 2.3. Figura 3.1. Figura 3.2. Figura 3.3. Figura 3.4. Figura 3.5. Figura 3.6. Figura 3.7. Figura 3.8. Figura 3.9. Figura 3.10. Coloración azul en piezas de papel filtro, por efecto de irradiación en microondas. Izquierda: Con carga de agua Derecha: Sin carga de agua. 38 Diagrama del proceso de síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional 40 Diagrama del proceso de síntesis de β Metil Umbelliferona por microondas 41 Curva de la variación del tiempo de irradiación promedio en función de la carga de agua que se utiliza en el microondas doméstico PANASONIC 52 Espectros UV-Vis para resorcinol, EAA y β Metil Umbelliferona 53 Curva de calibración de β Metil Umbelliferona en HPLC a λ = 320 nm 56 Gráfica de separación de medias para el tiempo de calentamiento empleado en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona 60 Gráfica de separación de medias para la cantidad de catalizador utilizada en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona 61 Gráfico de interacción entre el tiempo de calentamiento y la cantidad de catalizador para la conversión en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona 62 Gráfica de separación de medias para el tiempo de irradiación empleado en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona 67 Gráfica de separación de medias para la cantidad de catalizador utilizada en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona 68 Gráfico de interacción entre el tiempo de calentamiento y la cantidad de catalizador para la conversión en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona 68 Representación gráfica de ݈݊ ೃሺሻ ή൫ಲಶሺሻ ିరషಾೆ ൯ ൨ en función ಲಶሺሻ ή൫ೃሺሻ ିరషಾೆ ൯ del tiempo, para cada nivel de catalizador empleado en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona 73 x Figura 3.11. Figura 3.12. Figura 3.13. Figura 3.14. Figura AI.1. Figura AI.2. Figura AI.3. Figura AII.1. Figura AII.2. Figura AIV.1. Figura AV.1. Figura AV.2. Variación de la constante de velocidad de la reacción de β Metil Umbelliferona con respecto a la concentración de iones H+ 75 Diagrama de bloques para la planta piloto de obtención de 280 kg/año de Metil Umbelliferona (4-MU) 80 Diagrama de recorrido del producto (β Metil Umbelliferona o 4-MU) 95 “Lay out” de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 96 Cromatograma del análisis por HPLC de la mezcla reactiva que utiliza una composición de fase móvil (MeOH HPLC: Agua) 50:50 121 Cromatograma del análisis por HPLC de la mezcla reactiva que utiliza una composición de fase móvil (MeOH HPLC: Agua) 70:30 121 Cromatograma del análisis por HPLC de la mezcla reactiva que utiliza una composición de fase móvil (MeOH HPLC: Agua) 85:15 122 Cromatograma del análisis por HPLC de la solución de 4-MU 9,99 ppm, que utiliza una composición de fase móvil (MeOH HPLC: Agua) 85:15 123 Cromatograma del análisis por HPLC de la mezcla reactiva que utiliza una composición de fase móvil (MeOH HPLC: Agua) 85:15, con identificación de picos 124 Variación de la conversión preliminar con respecto al tiempo de calentamiento, a una cantidad de catalizador de 82,30 % mol utilizada en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona 127 Variación de la conversión preliminar con respecto a la cantidad de catalizador, a un tiempo de calentamiento de calentamiento constante de 20 s, utilizado en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona 129 Variación de la conversión preliminar con respecto al tiempo de irradiación, a una cantidad de catalizador de 58,24 % mol utilizada en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona 130 xi Figura AVI.1. Trompeta de Horwitz, para determinar el valor de referencia de CV Figura AVIII.1. Esquema de procesos con las respectivas corrientes para el balance de masa de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona Figura AIX.1. Figura AIX.2. Figura AIX.3. Figura AIX.4. Figura AIX.5. Figura AIX.6. Figura AIX.7. Figura AIX.8. Figura AIX.9. Figura AIX.10. Figura AIX.11. 133 135 Cotización del reactivo Resorcinol. NOVACHEM DEL ECUADOR. (2014). Cotización Nº 14-05-297. Fecha de emisión 2014-05-21. Ing. Germania Cárdenas 141 Cotización de reactivos. NOVACHEM DEL ECUADOR. (2014). Cotización Nº 14-07-372. Fecha de emisión 201405-21. Ing. Germania Cárdenas 142 Cotización del reactivo Etanol (95 %). LABOMERSA S.A. ECUADOR. (2014). Cotización Nº 2014-798. Fecha de emisión 2014-06-05. Srta. Tatiana Marroquín 142 Cotización de equipos. Proinstra s.a. (2014). Cotización Nº MT-267-07-2014. Fecha de emisión 2014-07-08. Ing. Mishell Tapia 143 Cotización del Horno Microondas. KIMADI Internacional Co., Ltd. (2014). Fecha de emisión 2014-07-04. Dr. Xin Zhao 144 Cotización del Destilador. Nanchang Guangming Laboratory Assay Equipment Co., Ltd. (2014). Fecha de emisión 201407-09. Srta. Teresa Wang 144 Cotización de la Sorbona. HuiLv Laboratory Equipement Scientific and Technological Co., Limited. (2014). Fecha de emisión 2014-07-07. Sr. Albet Luo 145 Cotización de la Llenadora. Wuhan Jie Swisu Mechanical & Electrical Co., Ltd. (2014). Fecha de emisión 2014-07-08. Srta. Shopia 145 Cotización del Filtro de Vacío. Büchiglasuster. (2014). Cotización Nº G-114472-0. Fecha de emisión 2014-08-19. Sr. Sergio Mantegani 146 Cotización de la Estufa. ESPECTROCROM. (2014). Cotización Nº 1389-FD-14. Fecha de emisión 201407-10. Sr. Fernando Dávila 147 Cotización de la Selladora. Shandong China Coal Industrial & Mining Supplies Group Ltd. (2014). Fecha de emisión 2014-07-07. Srta. Betty Zhang 148 xii Figura AIX.12. Cotización del Agitador Magnético. HUGO RUEDA REPRESENTACIONES CIA LTDA. (2014). Fecha de emisión 2014-07-11. Sr. Henry Moreno 148 xiii ÍNDICE DE ANEXOS PÁGINA ANEXO I Pruebas realizadas para la determinación de las condiciones de operación para el análisis de las condiciones de operación para el análisis por HPLC 120 ANEXO II Cromatogramas de los compuestos de la mezcla reactiva obtenidos en el HPLC 123 ANEXO III Datos para la construcción de la curva de calibración de la β Metil Umbelliferona 125 ANEXO IV Resultados de las pruebas preliminares para la determinación de los niveles del diseño experimental para el método convencional 126 ANEXO V Resultados de las pruebas preliminares para la determinación de los niveles del diseño experimental para el método no convencional 128 ANEXO VI Determinación del CV de la conversión en la síntesis convencional y no convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica de HPLC 131 ANEXO VII Pruebas preliminares para la recristalización de la β Metil Umbelliferona 134 ANEXO VIII Balance de masa de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 135 ANEXO IX Cotizaciones de reactivos y equipos utilizados para la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 141 xiv ABREVIATURAS ANOVA: Análisis de varianza CV: Coeficiente de variación EAA: Ethyl Acetoacetate (Acetoacetato de etilo) ETFE: Etileno-Tetrafluoroetileno (polímero) FFPM: Elastómero perfluorado (polímero) HPLC: High Perfomance Liquid Chromatography (Cromatografía Líquida de Alta Resolución) MAOS: Microwave-Assisted Organic Synthesis (Síntesis Orgánica Asistida por Microondas) MeOH: Metanol PTFE: Politetrafluoroetileno (Teflón) PFA: Perfluoroalcóxido (polímero) TIR: Tasa Interna de Retorno VAN: Valor Actual Neto UV-Vis: Ultravioleta y Visible xv GLOSARIO Análisis fluorométrico: También conocido como fluorometría. Es una técnica analítica para identificar y caracterizar pequeñas cantidades de una sustancia. Esta técnica consiste en la excitación de la sustancia con un haz de luz ultravioleta, se detecta y se mide la longitud de onda característica de la luz fluorescente emitida (Dorland, 2007). Antihelmínticas: Es cualquier sustancia o medicamento que ayuda a erradicar o eliminar las lombrices parasitarias denominadas helmintos (Enciclopedia Britannica, 2014). Bioactividad: Se refiere a una actividad biológica, se define como el efecto de un agente dado, tal como una vacuna, sobre un organismo vivo o en un tejido vivo (Bioactivity, 2002). Cartografía: Existen algunas definiciones establecidas para este término pero la más aceptada y que fue dada por la Asociación Cartográfica Internacional (ICA), establece que es “el arte, ciencia y técnica de hacer mapas y el estudio de estos como documentos científicos y obras de arte” (Hasen, 2012, p. 4). Energía reticular: Se describe como la variación de energía que se necesita para que se disocie un mol de un cierto compuesto sólido iónico en sus respectivos iones (Sánchez, 2008, p. 4). Extracción con fluido supercrítico: Este proceso de extracción utiliza un fluido supercrítico para la separación del compuesto deseado de la matriz en donde está contenida la muestra. Un fluido supercrítico es cualquier sustancia a una temperatura y presión sobre su punto crítico termodinámico; este tipo de fluidos tienen la habilidad de difundirse a través de los sólidos como un gas y de disolver materiales como un líquido. El fluido supercrítico más utilizado para las extracciones es el dióxido de carbono (Azuola y Vargas, 2007, p. 34; Vinatoru, 2001, p. 305). xvi Fotoactivo: Se refiere a una sustancia que es capaz de tener un cambio químico o físico en respuesta a la luz (Oxford-Dictionaries, 2014). Hipnótico: Es la propiedad de una sustancia de inducir o producir sueño (Dorland, 2007). Láser de colorante: Es un láser que utiliza como medio activo un colorante orgánico que se encuentra en forma de solución líquida. Los láseres de colorante generan emisiones en un amplio rango de longitudes de onda, que van desde la región ultravioleta hasta el infrarrojo cercano. Algunos ejemplos de compuestos orgánicos que se emplean como láseres de colorante son las polimetinas, los xantenos, también conocidos como rodaminas, y las cumarinas. Estos láseres se utilizan para la fabricación de semiconductores, la purificación química, la producción de catalizadores, la eliminación de marcas de nacimiento, la ruptura de piedras en la vesícula biliar y para estudios de cáncer (Chen, 2009, p. 1; Rüdiger, 2013). Maceración bajo sonicación: Es un proceso de extracción sólido-líquido asistido por ultrasonido. En este proceso se utilizan sonidos de alta frecuencia para desprender el compuesto deseado de la materia vegetal. El principio de operación es el siguiente: durante la acción de los ultrasonidos, las partículas sólidas y líquidas vibran y se aceleran, lo que provoca que el soluto se difunda rápidamente de la fase sólida al disolvente; por este motivo, esta técnica es más eficiente que las extracciones sólido-líquido utilizadas comúnmente (Azuola y Vargas, 2007, p. 35; Gao y Liu, 2005, p. 1 463). Porcentaje molar (% mol): Es el cálculo porcentual de una sustancia presente en una mezcla, expresado en moles. Por ejemplo, si se tiene un sistema con dos componentes A y B, el porcentaje molar del componente A se obtiene al dividir el número de moles de A para las moles totales del sistema y se multiplica por 100 (Hougen, Watson y Ragatz, 1982, p. 43). xvii RESUMEN El presente trabajo tuvo como objetivo diseñar una planta piloto para la obtención de β Metil Umbelliferona (4-MU) por microondas, mediante la reacción de Pechmann–Duisberg. Se inició con una determinación de las zonas de máxima incidencia de irradiación por microondas, mediante el uso de diferentes cargas de agua. Se encontró que, en el equipo utilizado, esta zona correspondía a la sección comprendida entre los radios de 8 y 15 cm desde el centro del plato rotatorio y que era conveniente el uso de una carga de 500 mL de agua. Posteriormente, se caracterizaron los reactivos y la β Metil Umbelliferona por espectrofotometría UV-VIS y se encontró que las longitudes de onda de máxima absorbancia para la β Metil Umbelliferona, el acetoacetato de etilo y el resorcinol, fueron 320, 270 y 275 nm, respectivamente. Se realizó la síntesis de β Metil Umbelliferona por un método convencional y con microondas. Para la síntesis convencional se obtuvo como resultado una conversión de 85,62 %, cuando las condiciones de reacción fueron 87,46 % mol de HCl concentrado y 45 min de calentamiento, mientras que para la síntesis por microondas se obtuvo una conversión de 59,54 %, cuando las condiciones de reacción fueron 48,18 % mol de HCl concentrado y 50 s de calentamiento. También se realizó un estudio de la catálisis homogénea de la obtención de β Metil Umbelliferona por el método convencional. Se determinó que los datos experimentales se ajustaban a una cinética de segundo orden y que la constante de velocidad de reacción tenía una relación lineal con respecto a la cantidad de catalizador utilizada. Se purificó la β Metil Umbelliferona mediante procesos de cristalización y recristalización. La pureza promedio alcanzada mediante la síntesis convencional fue de 82,31 % y por la síntesis con microonda fue de 92,24 %. Se diseñó la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona para una producción anual de 280 kg, que consistió en los siguientes procesos: molienda, xviii pesado, mezcla, reacción en microondas, cristalización, filtración y lavado, recristalización, secado y envasado. Finalmente, se realizó un análisis económico de la planta piloto diseñada. Como resultado se obtuvo un costo de producción de 255 556 USD y valores de TIR y VAN de 79 % y 38 032 USD, respectivamente, indicativos de la rentabilidad del proceso planteado. xix INTRODUCCIÓN En los últimos años, con el auge del cuidado del medio ambiente, se ha impulsado el desarrollo de la llamada Química Verde para tratar de aumentar la eficiencia de los métodos de síntesis, por medio de la disminución del uso de solventes tóxicos, del tiempo de reacción y simultáneamente de los desechos producidos. Para ello, se han desarrollado varios métodos de síntesis orgánica, como el uso de novedosos catalizadores heterogéneos y la aplicación de la radiación de microondas. La utilización de hornos microonda se ha estudiado desde algunos años atrás y se ha determinado que permite mejorar significativamente los tiempos de reacción y los rendimientos (Stuerga y Delmotte, 2003, pp. 1-2; Lidström, Tierney, Wathey y Westman, 2001, p. 9 226). La β Metil Umbelliferona es un compuesto orgánico, perteneciente al grupo de las cumarinas 7-sustituidas, que tiene gran importancia en el área farmacéutica e industrial, puesto que se utiliza como abrillantador fluorescente, láser de colorante, estándar para el análisis fluorométrico de actividad enzimática, como componente de insecticidas y furano cumarinas. En Ecuador, en el año 2012 se importaron alrededor de 0,84 t de cumarinas, metilcumarinas y etilcumarinas por parte de Extractos Andinos C.A. y Florasíntesis Fragancias y Aromas LTDA. Estas empresas utilizan estos compuestos para la fabricación de productos químicos, principalmente para preparar fragancias y sabores a escala industrial, con usos en cosmetología y limpieza (Banco Central del Ecuador, 2013; Tyagi, Mishra y Jasra, 2007, p. 47). Generalmente, la β Metil Umbelliferona se obtiene por la condensación de Pechmann-Duisberg, que consiste en la reacción entre un fenol (resorcinol) y un β cetoéster (EAA), en medio ácido (H2SO4, HCl, entre otros) (Calvino-Casilda, Bañares y LozanoDiz, 2010, p. 279; Durairaj, 2005, p. 131). La síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional de calentamiento requiere grandes cantidades de catalizador (alrededor del 70 al 80 % mol de la mezcla de reacción corresponde al catalizador), largos tiempos de reacción (entre xx 20 min y 1 día, según el tipo de reacción y catalizador utilizado) y el rendimiento del producto es bajo (menor del 40 %) debido a la formación de una mayor proporción de productos no deseados (Chattha, Nagra y Munawar, 2008, p. 94; Valizadeh, Kordi, Gholipur y Amiri, 2009, p. 3 076; Kuarm et al., 2010, pp. 3 359 - 3 360). Como se puede apreciar, la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional de calentamiento trae consigo varios problemas, los cuales ocurren porque en este método se utilizan baños maría o planchas de calentamiento, cuyo mecanismo de transferencia de calor es lento, dado que está ligado a procesos de conducción y convección externos. Por ello, varios autores han estudiado posibles soluciones para mejorar el método de síntesis de β Metil Umbelliferona, una de las cuales es la aplicación de la radiación de microondas, puesto que el mecanismo de transferencia de calor es más rápido y eficiente (Kuarm et al., 2010, p. 3 359; Lidström et al., 2001, p. 9 226). Por estos motivos, se planteó la presente investigación, que se convierte en una continuación del proyecto Semilla PIS-2009-022, “Utilización de la radiación de microonda para la síntesis de cumarinas y compuestos quinolínicos”, en el cual no se pudieron sintetizar algunas cumarinas, como la β Metil Umbelliferona, mediante la condensación de Knoevenagel. 1 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1. UMBELLIFERONA: CARACTERÍSTICAS, FUENTES Y USOS 1.1.1. CARACTERÍSTICAS La Umbelliferona y sus derivados metílicos son compuestos orgánicos que pertenecen al grupo de las cumarinas 7-sustituidas y se caracterizan por tener un grupo hidroxilo en el carbono 7 del anillo heterocíclico, como se aprecia en la Figura 1.1. Este grupo es el más importante de los derivados de las cumarinas, debido a que sus integrantes muestran diversas bioactividades y algunas de ellas utilizadas para varias aplicaciones en el área de síntesis orgánica y química medicinal (Gutiérrez-Sánchez et al., 2009, p. 318; Yadav, Ajgaonkar y Varma, 2012, p. 100; Young, Welker y Doxsee, 2011, p. 319). 4 5 6 3 7 2 8 1 Grupo Hidroxilo Figura 1.1. Estructura de la Umbelliferona, cumarina 7-sustituida (Hroboňová, Spevak, Spišská, Lehotay y Čižmárik, 2013, p. 478) Uno de los derivados metílicos de las cumarinas 7-sustituidas más importante a escala industrial es la β Metil Umbelliferona, también conocida como: 7-Hidroxi-4Metil Cumarina, 4-MU (4-metil umbelliferona), Himecromona o 7-hidroxi-4-metil-2Hbenzo[b]-pirano-2-ona (Gutiérrez-Sánchez et al., 2009, p. 318; Durairaj, 2005, p. 131; Sigma-Aldrich, 2013, p. 1; Tyagi et al., 2007, p. 47). La β Metil Umbelliferona, cuya fórmula química condensada es C10H8O3, se caracteriza por presentar en su estructura, además del grupo hidroxilo en el carbono 7, un grupo metilo en el carbono 4, tal como se muestra en la Figura 1.2 (Sigma-Aldrich, 2013, p. 1). 2 Grupo Metilo 4 5 3 6 2 7 8 1 Figura 1.2. Estructura química de la β Metil Umbelliferona (Hadjmohamadi, Chaichi, Biparva y Alizadeh, 2008, p. 359) La β Metil Umbelliferona es un polvo cristalino blanco o amarillo pálido, que al igual que la mayoría de los derivados de la cumarina, tiene propiedades fluorescentes y es soluble en solventes orgánicos como metanol, etanol y ácido acético glacial; es ligeramente soluble en éter o cloroformo y prácticamente insoluble en agua fría (Alfa-Aesar, 2006, p. 3; Durairaj, 2005, pp. 130 y 136; Sigma-Aldrich, 2013, p. 1). Otras propiedades importantes de la β Metil Umbelliferona se citan en la Tabla 1.1. Tabla 1.1. Principales propiedades de la β Metil Umbelliferona Propiedad Detalle Peso Molecular 176,2 [g/mol] Punto de Fusión 194 - 195 [ºC] 185 - 186 [ºC] Longitud de onda de excitación 365 nm (0,15 M buffer de glicina, pH 10,2) 380 nm (agua) Longitud de onda de emisión 445 nm (0,15 M buffer de glicina, pH 10,2) 454 nm (agua) (Sigma-Aldrich, 2013, p. 1) 1.1.2. FUENTES Generalmente, las cumarinas se encuentran en la naturaleza principalmente en plantas de las familias Umbelliferae y Retaceae (Tyagi et al., 2007, p. 47). 3 La Umbelliferona y sus derivados metílicos se encuentran en las plantas de la familia Apiaceae (Umbelliferae) que incluyen las zanahorias, el comino, el perejil, el apio, el cilantro y la angélica “Garden angelica”. También pueden identificarse en plantas de otras familias como la manzana de oro (Aegle marmelos Correa), la naranja amarga (Citrus aurantium), la oreja de ratón “hawkweed” (Pilosella officinarum, Hieracium pilosella) o en la corteza de la planta denominada Daphne mezereum. Algunos ejemplos de estas plantas se muestran en la Figura 1.3 (Hroboňová et al., 2013, p. 477; Ramesh y Pugalendi, 2006, p. 306; Young et al., 2011, p. 319). a b Figura 1.3. Ejemplos de plantas que contienen derivados de cumarinas, (a): La angélica, (b): Oreja de ratón “hawkweed” (Calow, 2007; Derwent May, 2010) La principal fuente de estos compuestos es una planta llamada Ferula galbaniflua, que se encuentra en una vasta área en Damavand y Alborz en Irán. En la Figura 1.4 se puede observar una fotografía de esta planta (Hadjmohamadi et al., 2008, p. 358). Figura 1.4. Planta Ferula galbaniflua (Pérez, 2013) 4 Para obtener los derivados cumarínicos a partir de plantas, se utilizan diferentes métodos de extracción, tales como la maceración bajo sonicación, la infusión y la extracción con fluido supercrítico. Sin embargo, este tipo de extracciones consumen mucho tiempo, emplean instrumentos muy sofisticados y presentan bajos rendimientos del compuesto extraído (Tyagi et al., 2007, p. 47). La síntesis orgánica es otra forma de obtener compuestos cumarínicos y sus derivados. Existen diversos métodos para sintetizar cumarinas tales como: la condensación de Knoevenagel, el reordenamiento de Claisen y Perkin, la reacción de Reformatsky, la reacción de Wittig, la reacción de Pechmann-Duisberg y reacciones de ciclación catalíticas (Dong, Jian, Kai, Qunrong y Zuliang, 2008, p. 255; Kalita y Kumar, 2012, p. 2). Adicionalmente, para mejorar estos métodos de síntesis de cumarinas y sus derivados, en los últimos años se ha estudiado el uso de catalizadores ácidos sólidos, la aplicación de radiación de microondas o una combinación de ambos, así como también el uso de ultrasonido (Patil, Bhat, Raje y Samant, 2006, p. 526; Potdar, Rasalkar, Mohile y Salunkhe, 2005, p. 249). 1.1.3. USOS Las cumarinas y sus derivados son compuestos importantes en la química orgánica sintética y en la química medicinal. Estos compuestos se utilizan para la síntesis de productos farmacéuticos y de aditivos para alimentos, en cosméticos, en fragancias, para la preparación de insecticidas y como intermedios para la síntesis de heterocíclicos polisustituidos, que son los compuestos de mayor interés como posibles productos agroquímicos biodegradables (Calvino-Casilda et al., 2010, p. 279; Katkevičs, Kontijevskis, Mutule y Sūna, 2007, p. 151; Kumar, Kumar y Srinivasulu, 2006, p. 172). 5 Como se mencionó en el acápite 1.1.1, correspondiente a los derivados de las cumarinas, las más importantes son las cumarinas 7-sustituidas, debido a su variedad de aplicaciones, que se muestran en la Tabla 1.2. Tabla 1.2. Aplicaciones de las cumarinas 7-sustituidas Aplicación Diversas Bioactividades 1 Otras 2 Características Antibacteriana Antihelmíntica Hipnótica Antioxidante Inhibición de la agregación plaquetaria Antimicrobiano · Anticoagulante · · · · · · Aditivo para alimentos Agente fotoactivo Dispersador de fluorescencia Componente de las pantallas solares y bronceadores · Preparación de cosméticos, fragancias e insecticidas · · · · 1 (Hroboňová et al., 2013, p. 477; Khaligh, 2012, p. 1 633; Valizadeh et al., 2009, pp. 3 075-3 076) 2 (Durairaj, 2005, p. 130; Hroboňová et al., 2013, p. 477; Valizadeh et al., 2009, p. 3 075) Finalmente, la β Metil Umbelliferona tiene gran importancia en el área farmacéutica e industrial, puesto que se utiliza como abrillantador fluorescente, láser de colorante, estándar para el análisis fluorométrico de la actividad enzimática, antiespasmódico biliar, material de partida para la preparación de un insecticida conocido como Himecromona y material para la preparación de furanocumarinas y analgésicos (Durairaj, 2005, p. 133; Reddy, Reddy y Giridhar, 2001, p. 3 604; Tyagi et al., 2007, p. 47). 1.2. REACCIÓN DE PECHMANN-DUISBERG De todos los métodos para la síntesis de cumarinas y sus derivados mencionados en el acápite 1.1.2, el que más se utiliza es la reacción de Pechmann-Duisberg, debido a la facilidad de obtener los reactivos que se necesitan para la misma 6 (Dabiri, Baghbanzadeh, Kiani y Vakilzadeh, 2007, p. 997; Joshi, Mandhane y Nagargoje, 2008, p. 7). La reacción de Pechmann-Duisberg generalmente es conocida como la reacción de Pechmann o la condensación de Pechmann, aunque ocasionalmente esta reacción también se denomina como la síntesis Pechmann de cumarinas, ciclación de Pechmann, condensación Pechmann de cumarinas, ciclocondensación Pechmann o la síntesis Pechmann. Esta reacción fue reportada por primera vez por Pechmann y Duisberg en 1883 (Khodabakhshi, 2012, p. 1; Von-Pechmann y Duisberg, 1883, p. 2 119; Wang, 2010, p. 2 151). La condensación de Pechmann consiste en la reacción entre un fenol m-sustituido y un β cetoéster o ácidos β cetocarboxílicos, en presencia de un agente condensante o un catalizador ácido. Como resultado se obtienen cumarinas con buenos rendimientos con sustituyentes en el núcleo fenólico y/o en el anillo heterocíclico y subproductos como agua y/o etanol. En la Figura 1.5 se muestra un esquema general de la reacción de Pechmann (Daru y Stirling, 2011, p. 8 749; Wang, 2010, p. 2 151; Yadav et al., 2012, p. 100). + C2H5OH + H2O Fenol msubstituido β cetoéster Cumarina Etanol + Agua Figura 1.5. Esquema general de la reacción de Pechmann-Duisberg (Wang, 2010, p. 2 152) Se ha encontrado que el curso de esta reacción depende de la naturaleza de los fenoles, los β cetoésteres y los agentes de condensación. Por ejemplo, los sustituyentes presentes en la molécula de fenol tienen diferentes influencias en la reactividad frente a los β cetoésteres y también en la velocidad de formación de las cumarinas. Solo fenoles con grupos donantes de electrones en la posición meta con respecto al grupo hidroxilo experimentan fácilmente la condensación de 7 Pechmann, mientras que fenoles con grupos receptores de electrones en la posición meta o con grupos donantes de electrones en otras posiciones retardan o no permiten que se produzca esta reacción (Durairaj, 2005, p. 132; Sethna y Phadke, 2011, p. 3; Wang, 2010, p. 2 151). Un ejemplo de la aplicación de la condensación de Pechmann es la preparación de la β Metil Umbelliferona. Para obtener esta cumarina se utiliza como fenol al resorcinol y como β cetoéster al acetoacetato de etilo (EAA), en presencia de ácido sulfúrico concentrado (H2SO4) o de ácido clorhídrico concentrado (HCl). En la Figura 1.6, se presenta la reacción global de formación de β Metil Umbelliferona (Calvino-Casilda et al., 2010, p. 279; Durairaj, 2005, p. 131). Acetoacetato de Etilo Resorcinol β Metil Umbelliferona Figura 1.6. Reacción global de Pechmann para la obtención de β Metil Umbelliferona (Mancilla, Albarán, Peralta y Padilla, 2011, p. 1) 1.2.1. CATALIZADORES UTILIZADOS PARA LA REACCIÓN DE PECHMANN Desde que la reacción de Pechmann se dió a conocer en 1883, se han probado muchos tipos de catalizadores ácidos para elevar los rendimientos de la cumarina sintetizada. Algunos de estos catalizadores se detallan a continuación. Convencionalmente, para la reacción de Pechmann se utilizan catalizadores ácidos, tales como: H2SO4, H3PO4, P2O5, HCl, HCl/CH3COOH, HClO4, AlCl3, ZnCl2, ZnCl2/Al2O3, ZrCl4, InCl3, ZrCl4, FeCl3, TiCl4, PCl5, SnCl4, VCl3, ZnI2, GaI3, POCl3, PPA (Ácido Polifosfórico), TFA (ácido trifluoroacético), Bi(NO3)3, BiCl3, CF3SO3H 8 (Ácido trifluorometanosulfónico), cloruro de cobre dipiridina, Yb(OTf)3 (Trifluorometanosulfonato de iterbio (III)), p-TsOH (Ácido p-toluenosulfónico) y haluros de metales de indio y paladio (Ahmed, El-Hakam, Khder y AboEl-Yazeed, 2013, p. 99; Dabiri et al., 2007, p. 997; Daru y Stirling, 2011, p. 8 749; Joshi et al., 2008, p. 7; Jyoti y Ruli, 2011, p. 1 253; Katkevičs et al., 2007, p. 151; Khaligh, 2012, p. 1 633; Kumar et al., 2006, p. 172; Patil et al., 2006, p. 525; Prajapati y Gohain, 2007, p. 59; Stoyanov y Mezger, 2005, p. 762). Aunque estos catalizadores homogéneos son eficaces en algunos casos, la mayoría de estos ácidos son corrosivos, son difíciles de separar del producto formado, generan productos secundarios y son requeridos en grandes cantidades. Esto supone problemas ambientales y económicos (Ahmed et al., 2013, p. 99; Tyagi et al., 2007, p. 47; Karimi y Behzadnia, 2011, p. 1 432). Para hacer frente a las limitaciones inherentes de los sistemas homogéneos anteriores, algunos estudios han empleado líquidos iónicos de cloroaluminato; líquidos iónicos neutros como el oxicloruro de fósforo en 1-butil-3-cloruro de metilimidazolio ([bmim]Cl), bromuro de 1-butil-3-metilimidazolio ([bmim]Br) y el 1butil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato ([bmim]BF4), y ácidos iónicos líquidos (TSILs) (Dong et al., 2008, p. 255; Katkevičs et al., 2007, p. 151; Valizadeh et al., 2009, p. 3 076). Además, se ha probado un conjunto diverso de catalizadores ácidos sólidos, tales como: KAl(SO4)2×12H2O (alumbre), ácido sulfámico, arcilla Montmorillonita, zeolita Beta, resina Naftion (material compuesto de sílice), resinas de intercambio iónico Amberlyst, resina de intercambio catiónico de ácido sulfónico, ácido perclórico soportado sobre sílice, zirconia sulfatada nanocristalina, ácido bencil-sulfónico sobre mesoporos funcionalizados de Zr-TMS, Sm(NO3)3×6H2O, Bi(NO3)3×5H2O, ácido tríflico funcionalizado Zr-TMS (Zr-TMS-TFA), W/ZrO2 y heteropoliácidos soportados sobre sílice Ralt-Chemie. La mayoría de los protocolos de síntesis de estos compuestos reportan tiempos de reacción prolongados, en algunos casos bajos rendimientos, uso de altas temperaturas (≥ 150 ºC) y además para algunos de estos catalizadores altos costos (Dabiri et al., 2007, p. 997; Gutiérrez-Sánchez 9 et al., 2009, p. 318; Kalita y Kumar, 2012, p. 2; Karimi y Behzadnia, 2011, p. 1 432; Kumar et al., 2006, pp. 172-174; Reddy et al., 2001, p. 3 604). Para evitar estos problemas, se han realizado esfuerzos para encontrar alternativas ambientalmente benignas, tales como el uso de irradiación microondas, irradiación ultrasónica y el empleo de otros catalizadores (Ahmed et al., 2013, p. 100; Dong et al., 2008, p. 255; Gutiérrez-Sánchez et al., 2009, p. 318). Recientemente, se ha reportado el uso de catalizadores que permiten obtener derivados de cumarinas con altos rendimientos, en corto tiempo y con el uso de temperaturas menores a 150 ºC. Algunos ejemplos de estos catalizadores son: óxido de estaño sulfatado (SO42-/SnO2), celulosa de ácido sulfúrico, iodo molecular (I2), cloruro de sílice mesoporoso peryódico (PMSCl, periodic mesoporous silica chloride), ácido sulfúrico soportado en poli (4-vinilpiridina), ácido fosfórico dihidrógeno fosfato de imidazolio, zeolitas ácidas y Dowex 50WX4 (Ahmed et al., 2013, p. 100; Gutiérrez-Sánchez et al., 2009, p. 319; Jyoti y Ruli, 2011, p. 1 253; Karimi y Behzadnia, 2011, p. 1 432; Kuarm et al., 2010, p. 3 359; Prajapati y Gohain, 2007, p. 59; Valizadeh et al., 2009, p. 3 076; Young et al., 2011, p. 319). 1.2.2. MECANISMO DE REACCIÓN El mecanismo de reacción de la condensación de Pechmann es poco conocido, a pesar de la importancia de las cumarinas y sus derivados en el área de la química (Daru y Stirling, 2011, p. 8 749). En la literatura se ha establecido que la reacción de Pechmann procede a través de tres pasos: una transesterificación, una hidroxialquilación intramolecular, también conocida como ataque electrofílico, y una deshidratación. Estos tres pasos son comunes en las reacciones catalizadas por ácidos. El resultado de la reacción de Pechmann depende del catalizador ácido (Young et al., 2011, p. 320; Kuarm et al., 2010, p. 3 359). 10 Dados estos 3 pasos, se han propuesto dos mecanismos posibles, según los cuales podría llevarse a cabo la reacción de Pechmann-Duisberg (Daru y Stirling, 2011, p. 8 749): 1. El mecanismo propuesto por Robertson, Waters y Jones, que consiste en que primero se da el ataque electrofílico, seguido por la transesterificación y finalmente la deshidratación. 2. El mecanismo propuesto por Ahmed y Desai, que consiste en que primero se da la transesterificación, seguida por el ataque electrofílico y finalmente la deshidratación. Dado que el derivado de la cumarina utilizado en este estudio es la β Metil Umbelliferona, se escogió a este compuesto para explicar el mecanismo de reacción. Para la síntesis de este compuesto se seleccionó el mecanismo propuesto por Ahmed y Desai. Paso (1): Consiste en la reacción de transesterificación. Pechmann y Duisberg, sugirieron que el hidrógeno reactivo del fenol (resorcinol), que se localiza en la posición orto con respecto al grupo hidroxilo, se añade al carbonilo del β cetoéster (EAA) para dar un hidroxi-éster intermedio (Sethna y Phadke, 2011, p. 4). Paso (2): Consiste en el ataque electrofílico, donde se produce el cierre del anillo del hidroxi-éster intermedio (Daru y Stirling, 2011, p. 8 749). Paso (3): Corresponde al proceso de deshidratación, donde se elimina la molécula de agua que se formó luego del cierre de anillo (Sethna y Phadke, 2011, p. 4). Todos estos pasos están representados en la Figura 1.7. 11 Acetoacetato de Etilo Resorcinol con H en posición orto Paso (1) Paso (2) Paso (3) Figura 1.7. Mecanismo de reacción para la síntesis de β Metil Umbelliferona (Durairaj, 2005, p. 131) 1.3. SÍNTESIS ORGÁNICA DE CUMARINAS POR MICROONDAS En los últimos años, el calentamiento por microondas se ha convertido en una herramienta muy importante y eficaz para la síntesis orgánica, puesto que ha permitido mejorar el rendimiento del producto y aumentar la velocidad de las reacciones químicas. Además, es un método no contaminante, seguro y conveniente para mezclas de reacción que requieren elevadas temperaturas de 12 calentamiento (Amore y Leadbeater, 2007, p. 473; Bougrin, Loupy y Soufiaoui, 2005, p. 140). Las microondas son ondas electromagnéticas, cuya región se encuentra en el rango de frecuencia de 0,3 a 300 GHz (que corresponde a las longitudes de onda de 1 mm a 1 m) del espectro electromagnético. Es decir, la zona de microondas se localiza entre la infrarroja y las frecuencias de radio, como se aprecia en la Figura 1.8 (Kappe, Stadler y Dallinger, 2012, p. 9; Lidström et al., 2001, p. 9 225). Figura 1.8. Ubicación de la región de radiación microondas en el espectro electromagnético (Kappe et al., 2012, p. 10) Con el fin de evitar la interferencia con las frecuencias de las telecomunicaciones, las redes inalámbricas y el teléfono celular, que operan dentro de esta región, todos los hornos de microondas domésticos y los dedicados a síntesis química funcionan a una frecuencia de 2,45 GHz, correspondiente a una longitud de onda de 12,25 cm. Existen otras frecuencias asignadas para aplicaciones de calentamiento por microondas (frecuencias ISM: industriales, científicas y médicas), tales como: 0,43; 0,91; 5,80 y 24,12 GHz, pero estas generalmente no se emplean en los reactores dedicados para síntesis química (Caddick, 1995, p. 10 404; Chandra y Saxena, 2011, p. 3; Kappe et al., 2012, p. 9). La propiedad de calentamiento de microondas fue descubierta por casualidad por el Dr. Percy Spencer en 1946, pero fue en la década de los 50 cuando se comenzó 13 a tener aplicaciones técnicas en las industrias químicas y relacionadas, en particular en las industrias de elaboración de alimentos, secado, y de polímeros. En cuanto a la aplicación del calentamiento por microondas en síntesis orgánica, ésta se introdujo en 1986, mediante las publicaciones de los grupos de Gedye y Giguere (Chandra y Saxena, 2011, p. 3; Kappe et al., 2012, p. 3; Kremsner, Stadler y Kappe, 2006, p. 234). Los primeros experimentos de síntesis orgánica asistida por microondas (MAOS) se llevaron a cabo en recipientes cerrados de teflón o de vidrio y en un horno doméstico, sin ninguna medición de presión o temperatura. En ocasiones, estos experimentos resultaron en violentas explosiones, debido al rápido e incontrolado calentamiento de solventes orgánicos bajo condiciones de recipiente cerrado. Ante ésta situación, en 1990 comenzaron los estudios de síntesis con reacciones libres de solventes y el uso de catalizadores heterogéneos, con lo que se eliminó el peligro de explosión (Chandra y Saxena, 2011, p. 3; Kappe et al., 2012, p. 3). Actualmente, en el mercado están disponibles reactores microondas (monomodos y multimodos) que permiten un control cuidadoso de los perfiles de tiempo, temperatura y presión, que aseguran el desarrollo reproducible de protocolos en síntesis orgánica, la ampliación y el traslado de un laboratorio a otro y de un instrumento a otro (Kremsner et al., 2006, p. 236; Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 137). 1.3.1. MECANISMOS DE CALENTAMIENTO DIELÉCTRICO POR MICROONDAS El calentamiento dieléctrico por microondas resulta de la interacción de un material específico (solvente o reactivo) con las microondas y depende de la capacidad de éste material para absorber la energía microondas y transformarla en calor (Kappe, 2004, p. 6 251). La radiación microondas, como toda radiación electromagnética, consta de dos componentes, uno eléctrico y uno magnético, como se puede observar en la Figura 14 1.9. La primera componente es la responsable del calentamiento dieléctrico, que se produce a través de dos mecanismos: polarización dipolar y conducción (Kappe et al., 2012, p. 11; Lidström et al., 2001, p. 9 226). Figura 1.9. Componentes de la radiación microondas (Kappe et al., 2012, p. 11) 1.3.1.1 Mecanismo de calentamiento dieléctrico por Polarización Dipolar La polarización dipolar es el principal responsable del efecto de calentamiento utilizado en la MAOS, aunque las pérdidas de conducción también son importantes, particularmente a temperaturas más altas. Para que una sustancia sea capaz de generar calor cuando se irradia con microondas, debe poseer un momento dipolar, como tiene una molécula de agua. Cuando esta sustancia se expone a frecuencias de microondas, los dipolos de la muestra se alinean por rotación con el campo eléctrico aplicado (Caddick, 1995, p. 10 404; Kappe et al., 2012, p. 11; Patel y Patel, 2011, p. 2 091). A medida que el campo aplicado oscila, el campo dipolar o iónico intenta realinearse con el campo eléctrico alterno y en el proceso se pierde energía en forma de calor, debido a la colisión y fricción entre las moléculas. Este proceso de alineación se observa en la Figura 1.10 (Kappe, 2004, p. 6 251; Patel y Patel, 2011, p. 2 091). 15 Figura 1.10. Mecanismo de calentamiento con microondas por polarización dipolar (Patel y Patel, 2011, p. 2091) La cantidad de calor generado por este proceso está directamente relacionada con la capacidad de la matriz para alinearse con la frecuencia del campo aplicado. Este alineamiento es rápido para moléculas libres; pero en líquidos ésta capacidad de alineación variará con las diferentes frecuencias y con la viscosidad del líquido. Si la radiación es de baja frecuencia, la molécula girará en fase con el campo eléctrico oscilante, pero como gana poca energía por este comportamiento, el efecto global de calentamiento será mínimo o no ocurrirá. Por otra parte, bajo la influencia de un campo eléctrico de alta frecuencia los dipolos no tienen tiempo suficiente para responder al campo oscilante y no giran (Kappe et al., 2012, p. 11; Lidström et al., 2001, p. 9 227; Patel y Patel, 2011, p. 2 091). Del mismo modo, esto explica por qué los gases no pueden ser calentados bajo irradiación de microondas, puesto que la distancia entre dos moléculas giratorias es demasiado grande para que puedan seguir perfectamente el campo eléctrico, de manera que no se generará ningún proceso de alineación (Lidström et al., 2001, p. 9 227). 1.3.1.2 Mecanismo de calentamiento dieléctrico por Conducción El segundo mecanismo importante de calentamiento dieléctrico por microondas es la conducción iónica. Durante este mecanismo, las partículas cargadas disueltas en una muestra (iones) oscilan hacia adelante y hacia atrás bajo la influencia del 16 campo de microondas, hasta que finalmente chocan con las moléculas neutras o con los átomos vecinos. Estas colisiones convierten a la energía cinética (agitación o movimiento de los iones) en calor (Kappe et al., 2012, p. 12; Lidström et al., 2001, p. 9 227). Por ejemplo, si dos muestras que contienen cantidades iguales de agua destilada y agua del servicio de la red de agua potable, se calientan por irradiación de microondas a una potencia de radiación fija, un calentamiento más rápido se producirá para la muestra de agua del servicio público, debido a su contenido iónico. Tales efectos de la conducción iónica son particularmente importantes cuando se considera el comportamiento de calentamiento de líquidos iónicos en un campo de microondas (Kappe et al., 2012, p. 12; Lidström et al., 2001, p. 9 228). 1.3.2. SÍNTESIS ORGÁNICA POR EL MÉTODO DE CALENTAMIENTO CONVENCIONAL EN COMPARACIÓN CON EL MÉTODO DE RADIACIÓN MICROONDAS En la actualidad, las transformaciones orgánicas movidas térmicamente se pueden llevar a cabo mediante dos formas de calentamiento: convencional o por microondas (Chandra y Saxena, 2011, p. 9; Kuarm et al., 2010, p. 3 359; Lidström et al., 2001, p. 9 226). El método de calentamiento convencional generalmente implica el uso de baños de aceite, baños de arena o chaquetas de calentamiento, que calientan las paredes de los reactores por convección o conducción, antes de alcanzar al solvente y a los reactivos. Esto implica que el núcleo de la muestra tarda más tiempo en alcanzar la temperatura deseada. Por este motivo, el calentamiento convencional es catalogado como un método lento e ineficiente para la transferencia de energía en el sistema de reacción (Chandra y Saxena, 2011, p. 9; Kuarm et al., 2010, p. 3 359; Lidström et al., 2001, p. 9 226). 17 Por otro lado, en el calentamiento por microondas la energía es transferida directamente al núcleo de la muestra, ya que la radiación microondas pasa a través de las paredes del recipiente y calienta primeramente al solvente y a los reactivos. Esto se produce porque el proceso no está limitado por la conductividad térmica del recipiente sino que es el resultado de un sobrecalentamiento instantáneo localizado de cualquier sustancia que responda a una polarización dipolar o conducción iónica, los dos mecanismos fundamentales para la transferencia de energía de microondas, que se explicaron en el acápite 1.3.1. (Chandra y Saxena, 2011, p. 9; Kuarm et al., 2010, p. 3 359; Lidström et al., 2001, p. 9 226). En la Figura 1.11., se ilustra la forma en que penetra la energía para el calentamiento de una sustancia por el método convencional y por microondas. Figura 1.11. Métodos de calentamiento: (a) Convencional y (b) Microondas (Kappe et al., 2012, p. 17) En conclusión, el calentamiento asistido por microondas ofrece más beneficios que el calentamiento convencional, como se puede apreciar en la Tabla 1.3. (Patel y Patel, 2011, p. 2 090). Alto. Costo de inversión. (Correa y Hernández, 2011, p. 8; Chandra y Saxena, 2011, p. 9; Lidström et al., 2001, p. 9 226; Patel y Patel, 2011, p. 2 090) Bajo. Se utilizan cantidades mínimas de solventes e Se utilizan grandes cantidades de solventes, incluso se puede utilizar agua (agua supercrítica) que son peligrosos y cancerígenos. en la reacción orgánica. Es mayor. Cantidad de solvente Es menor. Eficiencia de calentamiento Pérdida de calor al medio ambiente Baja eficiencia de calentamiento, ya que Alta eficiencia de calentamiento, ya que cada todos los compuestos en una mezcla se componente se puede calentar específicamente calientan por igual (Calentamiento menos (Calentamiento más selectivo). selectivo). La velocidad de calentamiento es menor. Se tienen cortos tiempos de reacción, en el orden Se tienen tiempos de reacción más largos de segundos, minutos y horas como máximo. que van de horas a días. La velocidad de calentamiento es alta. Tiempo de reacción Velocidad de calentamiento Bajos rendimientos. Pureza Altos rendimientos. Pueden existir reacciones secundarias no Reducción de reacciones secundarias no deseadas, deseadas, por lo que el producto final es por lo que la pureza del producto final es alta. menos puro. Subproductos y/o descomposición del producto Rendimiento Si el recipiente se diseña adecuadamente, el Pueden haber más subproductos y más aumento de temperatura será uniforme en toda la posibilidades de descomposición de los muestra; con esto se disminuye la formación de productos, los sustratos y reactivos. subproductos y/o la descomposición del producto. Calentamiento Convencional Se puede elevar hasta por encima de su punto de La máxima que se puede lograr, para un ebullición. Es decir, se pueden tener recipiente abierto, está limitada por el punto sobrecalentamientos. de ebullición de la mezcla o del solvente. Calentamiento por Microondas Temperatura de la mezcla Parámetro Tabla 1.3. Beneficios de utilizar el calentamiento por microondas con respecto al calentamiento convencional 18 18 19 1.3.3. TIPOS DE MICROONDAS Actualmente, se han establecido dos filosofías para el diseño de reactores de microondas: cavidades monomodo y cavidades multimodo (Kappe et al., 2012, p. 41; Correa y Hernández, 2011, p. 13). 1.3.3.1 Cavidades Monomodo Los instrumentos que poseen cavidades monomodo generan un solo campo de energía, que es homogéneo y con potencia de alta intensidad, lo que permite que el haz de microondas se centre en la muestra. De esta manera, los sistemas monomodos son eficientes con muestras pequeñas y la potencia de salida máxima está limitada a 300, 400 u 850 W (Chandra y Saxena, 2011, p. 4; Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 138; Kappe et al., 2012, p. 45). En los instrumentos monomodo, la cavidad es mucho más pequeña comparada con los multimodo. La energía de microondas es creada por un único magnetrón y se dirige a través de una guía de ondas (rectangular o circular) diseñada con precisión sobre el recipiente de reacción montado a una distancia fija de la fuente de radiación; así se crea una onda estacionaria a la muestra, que se coloca en un punto de máxima energía. Este esquema se observa en la Figura 1.12 (Kappe, 2004, p. 6 254; Kappe et al., 2012, p. 45). Figura 1.12. Esquema de microondas con cavidad monomodo (Kappe et al., 2012, p. 44) 20 Este tipo de microondas se emplea para obtener un patrón de calentamiento bien definido (uniforme) en muestras pequeñas. Una cavidad correctamente diseñada previene la formación de "puntos calientes y fríos" dentro de la muestra. Esto permite una mayor reproducibilidad y previsibilidad de los resultados (Lidström et al., 2001, p. 9 230). 1.3.3.2 Cavidades Multimodo Los instrumentos que poseen cavidades multimodo permiten el uso de recipientes de reacción más grandes que los utilizados en los monomodos. Conceptualmente, estos instrumentos son similares a los hornos microondas domésticos, los mismos que están diseñados para tener típicamente entre tres y seis diferentes modos destinados a proporcionar un patrón de calentamiento uniforme de los alimentos, en general (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 138; Lidström et al., 2001, p. 9 230). El funcionamiento de este tipo de instrumentos es el siguiente: la energía de microondas es creada por uno o dos magnetrones y se dirige a la cavidad a través de una guía de ondas. Luego es distribuida por un agitador de modos (mode stirrer), que asegura que dicha distribución del campo sea lo más homogénea posible. Las microondas que ingresan en la cavidad son reflejadas por las paredes, interactuando así con la muestra de una manera caótica. Este esquema se aprecia en la Figura 1.13. (Kappe, 2004, p. 6 254; Kappe et al., 2012, p. 44). Figura 1.13. Esquema de microondas con cavidad multimodo (Kappe et al., 2012, p. 44) 21 Las cavidades multimodo pueden mostrar múltiples puntos de energía con diferentes niveles de intensidad energética, lo que resulta en los llamados “puntos calientes y fríos”. Esto significa que para proporcionar una distribución equitativa de la energía, las muestras deben rotar continuamente dentro de la cavidad. Mediante la implementación de estos rotores multivasos, para síntesis en paralelo o para escalado, se puede alcanzar un incremento en el rendimiento de la reacción (DíazOrtiz et al., 2011, p. 138; Kappe et al., 2012, p. 44). Una desventaja general de los instrumentos multimodo es el bajo nivel de rendimiento en los experimentos a pequeña escala (< 3 mL). Mientras que la potencia de microondas generada es alta (800 - 1 700 W), la densidad de potencia del campo es, generalmente, baja, por lo que el calentamiento de pequeñas muestras individuales es más difícil (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 138; Kappe et al., 2012, p. 44). 1.3.4. ESCALAMIENTO DE SÍNTESIS ORGÁNICA POR MICROONDAS La mayoría de publicaciones de MAOS, escritas hasta la fecha, se han realizado a una escala de menos de 1 g, con un volumen de reacción típico de 1 a 5 mL. Las principales aplicaciones han estado relacionadas con el estudio del incremento de la velocidad de reacción y la optimización de los procedimientos sintéticos conocidos. Sin embargo, las tendencias mundiales apuntan hacia el uso de la tecnología de microondas para el desarrollo de nuevas vías de reacción para síntesis orgánica. Por lo tanto, se requiere el estudio de diseño de reactores de mayores dimensiones, por lo menos a escala de planta piloto, para permitir la producción en kilogramos de compuestos importantes (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 146; Kremsner et al., 2006, pp. 236-237). En dependencia del usuario, el término "escalado o escalamiento" tendrá diferentes significados. En el caso de desarrollo de métodos, se denomina escalado al procesamiento de 50 mL de una mezcla de reacción. Este volumen corresponde a un valor de 10 a 100 veces la escala de las reacciones realizadas a nivel de 22 laboratorio en reactores microondas monomodo, con un volumen de procesamiento de 0,5 a 5,0 mL (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 146; Kremsner et al., 2006, p. 240). El gran reto que envuelve la tecnología de microondas para el proceso de escalado es establecer un proceso de instalación confiable y seguro, donde temas como las propiedades físicas (e.g. la profundidad de penetración), el control de la temperatura y el diseño de reactores sean cuidadosamente considerados (DíazOrtiz et al., 2011, p. 146; Kremsner et al., 2006, p. 237). Para llevar a cabo el proceso de escalado se pueden emplear reactores tipo batch, sean multimodo o monomodo. Sin embargo, cuando el operador utiliza este tipo de reactores, se enfrenta con problemas al calentar grandes volúmenes de mezcla de reacción, debido a la profundidad de penetración limitada de la irradiación microondas (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 146; Kremsner et al., 2006, p. 237). En vista de estos problemas, se ha buscado la forma de mejorar los reactores batch y una forma podría ser conectar los reactores en paralelo. El escalado en paralelo permite el tratamiento simultáneo de varios lotes de mezcla de reacción, en un corto período de tiempo (Kremsner et al., 2006, p. 242). Desde un punto de vista industrial, “escalado” significa el desarrollo de procesos que permitan la producción más alta posible. Por este motivo, es probable que en un futuro cercano los procesos y la escala de producción se lleven a cabo en sistemas de flujo continuo (CF) o de parada de flujo (SF, stop-flow), con cavidades multimodo o monomodo (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 146; Kremsner et al., 2006, p. 241). Finalmente, un aspecto importante para los procesos químicos es la posibilidad de una escalabilidad directa de las reacciones de microondas, que permita la traducción rápida de las condiciones de pequeña escala previamente optimizadas a una escala mayor. En este contexto, la síntesis batch tiene una ventaja definitiva sobre las técnicas de flujo, como se explicará en el acápite 1.3.4.1 (Kremsner et al., 2006, p. 241). 23 1.3.4.1 Escalado en batch El escalado en batch consiste en el procesamiento de una mezcla de reacción en el microondas, en un recipiente a la vez. En este escalado se emplean reactores de hasta 1 L de volumen de procesamiento, los cuales pueden ser abiertos o cerrados (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 147; Kremsner et al., 2006, p. 241). En la Tabla 1.4 se muestran las principales características de ambos sistemas batch. Tabla 1.4. Tipos de escalado en batch para sistemas de síntesis con microondas Tipo de Escalado en Batch Características En recipientes abiertos · Este tipo de escalado se puede aplicar si la reacción se lleva a cabo en ausencia de solventes, o los solventes sobrecalentados no son necesarios, o si el proceso puede realizarse con éxito por debajo del punto de ebullición del solvente. · Este tipo de escalado es ventajoso para completar las reacciones de equilibrio cuando el producto o subproducto es un componente más volátil que los materiales de partida. · Un problema de utilizar este tipo de reactores es la profundidad de penetración y/o la densidad de potencia, puesto que el tamaño del recipiente aumenta. · Otra desventaja es que no se pueden efectuar reacciones que necesiten temperaturas y presiones elevadas. En recipientes cerrados · Las reacciones se llevan a cabo en condiciones heterogéneas, en presencia de solventes y a presión. · El factor limitante de este tipo de reactores es la presión de vapor generada por el solvente sobrecalentado, en aspectos relacionados con la seguridad del sistema. · Para garantizar la seguridad en estos sistemas se deben construir reactores de paredes gruesas y con materiales que sean transparentes a las microondas, por ejemplo de vidrio, cerámica, teflón (PTFE) o combinaciones de los mismos. · Un problema de estos reactores es que a menudo los tiempos de enfriamiento son más largos que los periodos de calentamiento y reacción combinados, debido a que los materiales con que están construidos son aislantes térmicos; pero conforme avanza la tecnología, algunos de estos problemas ya han sido resueltos. (Díaz-Ortiz et al., 2011, pp. 147-148) Una ventaja de emplear este tipo de escalado es la viabilidad de ampliar directamente las condiciones de reacción de reactores monomodo de escala laboratorio a reactores microondas batch multimodo de gran escala, sin volver a la optimización las condiciones de reacción, tal como lo han reportado varios autores (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 147;. Kremsner et al., 2006, p. 253). 24 El reactor de microondas más grande para aplicaciones sintéticas orgánicas, hasta el momento, es un prototipo a escala de una planta piloto, instalado por SAIREM en Francia en el año 2003, desarrollado y diseñado en colaboración con BioEurope y De Dietrich. (Kremsner et al., 2006, p. 253; Mul, Van Gerven y Stankiewicz, 2013, p. 291; OFFARM, 2006, p. 34). Este reactor construido a la medida de 1 m 3, con un potente generador de microondas de 6 kW, se utiliza para la producción de Laurydone (sustancia activa hidratante aplicada en algunos cosméticos). Se ejecuta en un proceso de reciclo de tipo batch; el equipo logra una reducción de potencia del 40 % en comparación con el enfoque térmico clásico. En la Figura 1.14 se presenta el esquema de este reactor (Kremsner et al., 2006, p. 253; Mul, Van Gerven y Stankiewicz, 2013, p. 291; OFFARM, 2006, p. 34). Figura 1.14. Esquema del reactor industrial con uso de radiación microondas, instalado por SAIREM para la producción de Laurydone (Mul et al., 2013, p. 291) 25 1.3.4.2 Escalado para síntesis en paralelo Las limitaciones del reactor batch, han sido superadas, en parte, mediante el uso de un escalado en paralelo, lo que significa que los mismos experimentos se ejecutan simultáneamente con el uso de varios reactores pequeños (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 149; Kremsner et al., 2006, p. 238). En la Figura 1.15 se presenta un esquema del procesamiento en paralelo. Figura 1.15. Sistema de procesamiento en paralelo para MAOS (Sineo Microwave Chemistry Technology Co., LTD., 2014) Sin embargo, esta metodología crea nuevamente dos grandes problemas. Primero, se necesita más potencia de microondas para alcanzar las temperaturas deseadas, puesto que el volumen de reacción aumenta. Generalmente, los instrumentos multimodo más comunes para la síntesis asistida por microondas proporcionan una salida de potencia de microondas mayor a 1 000 W, que resulta ser suficiente para calentar eficazmente mezclas de hasta 500 mL con velocidades similares a las de un experimento en monomodo. Como la capacidad de los reactores de microondas se incrementa, se requiere un sistema de refrigeración más sofisticado con base en aceite o agua, lo que puede significar un aumento en el costo del proceso o de los reactores de microondas (Kremsner et al., 2006, pp. 238-239). El segundo problema se relaciona con la eficiencia energética de la conversión de la electricidad en energía de microondas, la misma que puede ser relativamente baja (70 % o menos), lo que determina que un uso de microondas para producción 26 a gran escala sea menos atractivo desde el punto de vista económico (Kremsner et al., 2006, pp. 238-239). 1.3.4.3 Escalado en sistemas de Flujo Continuo y Parada de Flujo Los problemas en los reactores batch, con respecto a la profundidad de penetración de solo unos pocos centímetros y las dimensiones limitadas de la cavidad de onda estacionaria, son las principales razones para el desarrollo de reactores de microondas con sistemas de CF y de SF (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 152). En los sistemas de CF, la mezcla de reacción pasa a través de un reactor transparente a las microondas, que se coloca en la cavidad microondas (monomodo o multimodo), como se aprecia en la Figura 1.16. El tiempo de reacción previamente optimizado en condiciones de microondas batch ahora necesita estar relacionado con un tiempo de residencia; es decir, el tiempo en que la muestra permanece en la cavidad climatizada de microondas, a una tasa de flujo específica (Kremsner et al., 2006, p. 263). Figura 1.16. Esquema de un sistema con flujo continuo, para reacciones en microondas (Kremsner et al., 2006, p. 266) 27 Un requerimiento importante de los reactores microondas de CF es que permita supervisar continuamente y ajustar los parámetros de la reacción (e.g. la temperatura) mientras está en operación. Sin embargo, este punto puede resultar un inconveniente, puesto que la medición de temperatura directamente de una mezcla de reacción bajo un flujo resulta complicada y, además, la adaptación de las condiciones de las reacciones “batch” a pequeña escala a una célula CF puede llevar mucho tiempo (Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 152; Kremsner et al., 2006, pp. 239240). Una combinación de ciertas ventajas de los procesamientos batch y CF se puede lograr con un denominado reactor de parada de flujo (SF). Tal sistema consta de una pequeña cavidad de reacción y una bomba peristáltica que transporta la mezcla de reacción dentro y fuera del recipiente de reacción. Se requiere un tiempo considerable para todo el proceso, que incluye la carga del reactor, el calentamiento y la irradiación de la mezcla de reacción, el enfriamiento y, finalmente, la salida del producto. Sin embargo, en contraste con el procesamiento “batch”, este puede ser totalmente automatizado, con lo que se mejora la eficiencia de la MAOS. En la Figura 1.17. se muestra el reactor Voyager SF, que se comercializa en el mercado (Kremsner et al., 2006, p. 240). Figura 1.17. Sistema de parada de flujo (SF), reactor Voyager (CEM Corporation, 2005) 28 1.4. CATÁLISIS HOMOGÉNEA 1.4.1. GENERALIDADES SOBRE LA CATÁLISIS El uso de catalizadores ha sido clave para el desarrollo de la industria química, puesto que sin ellos muchas reacciones comunes en esta industria no serían posibles y otros procesos no serían económicos (Chorkendorff y Niemantsverdriet, 2007, p. 8). Los catalizadores han sido utilizados por la humanidad desde hace más de 2 000 años, por ejemplo en la elaboración de vino, queso y pan; sin embargo, solo hace pocos años se ha alcanzado un mayor conocimiento científico de los mismos. (Fogler, 2008, pp. 645-646; Ramírez y Hernández, 2014, p. 156). Recién en 1894, Ostwald afirmó que los catalizadores eran sustancias que modificaban la velocidad de las reacciones químicas sin consumirse (Fogler, 2008, pp. 645-646; Ramírez y Hernández, 2014, p. 156). La catálisis agrupa un conjunto de procedimientos y conocimientos que permiten aumentar la velocidad con que transcurre una reacción. Algunos autores han definido a la catálisis como la ocurrencia, el estudio y el uso de catalizadores y de los procesos catalíticos (Fogler, 2008, p. 646; López, 2010, p. 2; Ramírez y Hernández, 2014, p. 156). Un catalizador es una sustancia que, químicamente, altera la velocidad de una reacción, mediante la promoción de un camino molecular diferente para la reacción, sin alterar la energía libre de Gibbs total del proceso (∆G), como se observa en la Figura 1.18. Al final de la reacción, el catalizador se recupera en su forma original (Fogler, 2008, p. 646; Moya, 2011, p. 1; Ramírez y Hernández, 2014, p. 156). 29 Energía Libre Reacción no catalizada Ea con catalizador Ea sin catalizador Reactantes Reacción catalizada Coordenada de reacción Figura 1.18. Camino cinético recorrido por una reacción catalizada y no catalizada (Moya, 2011, p. 1) Como se observa en la Figura 1.18, el catalizador permite reducir la energía de activación (Ea), para que se produzca la reacción de forma más rápida. Esto se consigue mediante la formación de enlaces del catalizador con las moléculas reaccionantes, en una reacción espontánea y exotérmica, que permite que la energía de activación disminuya con respecto a una reacción no catalizada. Una vez que los reactivos reaccionan y se obtiene el producto, este es separado del catalizador. Finalmente, se recupera el catalizador en su forma original, de tal forma que está disponible para la siguiente reacción (Chorkendorff y Niemantsverdriet, 2007, p. 2). Entre las características de los catalizadores se pueden citar: · Si una reacción es termodinámicamente imposible (ΔG > 0), un catalizador no puede cambiar esta situación. Un catalizador cambia la cinética, pero no la termodinámica de la reacción (Chorkendorff y Niemantsverdriet, 2007, p. 3; Ramírez y Hernández, 2014, p. 156). · En una reacción reversible, el catalizador acelera la reacción de formación de productos y la reacción inversa, en la misma medida. Esto se debe a que el 30 catalizador no modifica el valor de la constante de equilibrio (Chorkendorff y Niemantsverdriet, 2007, p. 3; Ramírez y Hernández, 2014, p. 156). · Generalmente, el término catalizador se asocia con el aumento de la velocidad de una reacción. Sin embargo, un catalizador puede acelerar o retardar la formación de una especie de producto en particular (Fogler, 2008, pp. 646647). · Un catalizador ideal posee 100 % de selectividad, mientras alcanza altos niveles de productividad. La selectividad de un catalizador se refiere a: (i) la quimioselectividad, que indica la capacidad de seleccionar reactivos preferentes a partir de mezclas complejas; (ii) la regioselectividad, que se refiere a la selección de sitios preferentes para la reacción de sustrato y (iii) la estereoselectividad, que indica la formación referencial de un único estereoisómero (Lombardo y Trombini, 2009, p. 3) · Para estudios cinéticos que utilicen catalizadores sólidos se debe considerar que el catalizador tiene una vida útil limitada (Ramírez y Hernández, 2014, p. 157). De acuerdo con el tipo de catalizador que se utilice, la catálisis puede ser homogénea, heterogénea y enzimática (López, 2010, p. 5): a) Catálisis homogénea: Es el proceso en el que todas las especies reactivas, incluido el catalizador, se encuentran en la misma fase o el catalizador está en solución con al menos uno de los reactivos. En este proceso la velocidad es similar en todos los puntos (Chorkendorff y Niemantsverdriet, 2007, p. 4; Fogler, 2008, p. 647; Ramírez y Hernández, 2014, p. 157). b) Catálisis heterogénea: Es el proceso en el que el catalizador se encuentra en una fase diferente a la de los reactivos. Generalmente, en estos procesos el catalizador se encuentra en fase sólida, mientras que los reactivos están en fase líquida y/o gaseosa. El catalizador proporciona una superficie sobre la 31 que los reactivos se adsorben temporalmente, para que se produzca la reacción. Una vez que se tiene el producto, este se separa del catalizador, pero a diferencia de la homogénea, ésta separación es simple y completa; lo que determina que este tipo de catálisis sea económicamente más atractiva, principalmente porque muchos catalizadores son muy valiosos y se exige su reutilización. La mayor parte de catalizadores sólidos que se utilizan son metales, óxidos, sulfuros metálicos o sales (sulfatos silicatos, fosfatos) con alta energía reticular (Fogler, 2008, p. 647; Lombardo y Trombini, 2009, p. 4; Moya, 2011, p. 2; Ramírez y Hernández, 2014, p. 157). c) Catálisis enzimática: También es conocida como biocatálisis. En este tipo de procesos el catalizador que se utiliza es una enzima. Las enzimas son proteínas cuyo tamaño se encuentra entre 10 – 100 nm y proporcionan sitios muy activos debido a su estructura. Además, este tipo de catalizadores se caracterizan por ser específicos y eficientes, por este motivo, se utilizan en innumerables aplicaciones comerciales (Chorkendorff y Niemantsverdriet, 2007, p. 5; López, 2010, p. 5). 1.4.2. CATÁLISIS HOMOGÉNEA Como se indicó en el acápite 1.4.1, la catálisis homogénea se produce cuando todas las especies reactivas, incluido el catalizador, se encuentran en la misma fase (líquida o gaseosa) o cuando el catalizador está en solución con al menos uno de los reactivos (Chorkendorff y Niemantsverdriet, 2007, p. 4; Fogler, 2008, p. 647; Ramírez y Hernández, 2014, p. 158). Este tipo de catálisis se caracteriza por producir velocidades de reacción elevadas y por permitir un estudio del mecanismo de reacción más fácil, comparado con los otros tipos de catálisis. Otras ventajas se relacionan, frecuentemente, con la actividad, la selectividad y la ausencia de problemas de envenenamientos que se presentan en la catálisis heterogénea (Lombardo y Trombini, 2009, p. 5; Ramírez y Hernández, 2014, p. 158). 32 En cambio, las desventajas de este tipo de catálisis se relacionan con la baja estabilidad y la difícil separación del catalizador a partir del producto, lo que implica, generalmente, un mayor costo que el correspondiente en los procesos heterogéneos, además que es muy difícil reutilizar estos catalizadores (Lombardo y Trombini, 2009, p. 5; Ramírez y Hernández, 2014, p. 158). Dentro de la catálisis homogénea, la catálisis ácido-base ha sido ampliamente estudiada, puesto que es uno de los procesos catalíticos más observados desde sus inicios por investigadores como Ostwald, Arrhenius, Bronsted, Euler, entre otros (López, 2010, p. 19; Ramírez y Hernández, 2014, p. 159). La catálisis ácido-base puede presentarse de dos formas, específica y general (López, 2010, p. 20; Macías, 2012, p. 4). La catálisis ácido-base específica, sucede cuando la velocidad de reacción depende de las concentraciones de H+ u OH-, y es independiente de las concentraciones de otros ácidos o bases en solución (López, 2010, p. 21; Macías, 2012, p. 5). La catálisis ácido específica se produce cuando la reacción es catalizada por los iones H+. La ecuación para calcular la velocidad de reacción queda expresada mediante la Ecuación 1.1 (López, 2010, p. 22; Ramírez y Hernández, 2014, p. 160). െݎ ൌ ሺ݇ு శ ሻሺܥு శ ሻሺܥ ሻ Donde: -rA: velocidad de desaparición del reactivo A ݇ு శ : constante catalítica de los iones H+ ܥு శ : ܥ : concentración de los iones H+ concentración del reactivo A De la Ecuación 1.1, se tiene que la constante de velocidad observada es: [1.1] 33 ݇௦௩ௗ ൌ ሺ݇ு శ ሻሺܥு శ ሻ [1.2] En cambio, la catálisis básica específica se produce cuando la reacción es catalizada por los iones OH-. La ecuación para calcular la velocidad de reacción queda expresada mediante la Ecuación 1.3 (López, 2010, p. 22; Ramírez y Hernández, 2014, p. 161). െݎ ൌ ሺ݇ைு ష ሻሺܥைு ష ሻሺܥ ሻ [1.3] Donde: ݇ைு ష : constante catalítica de los aniones OHܥைு ష : concentración de los aniones OH- De la Ecuación 1.3, se tiene que la constante de velocidad observada es: ݇௦௩ௗ ൌ ሺ݇ைு ష ሻሺܥைு ష ሻ [1.4] Si parte de la reacción se produce en ausencia de catalizador, H+ u OH-, la constante de velocidad observada sería: Para la catálisis ácida específica, ݇௦௩ௗ ൌ ݇ ሺ݇ு శ ሻሺܥு శ ሻ [1.5] ݇௦௩ௗ ൌ ݇ ሺ݇ைு ష ሻሺܥைு ష ሻ [1.6] Para la catálisis básica específica, Donde: ݇ : constante de velocidad de la reacción en ausencia de catalizador 34 Por otro lado, la catálisis ácido-base general ocurre cuando la velocidad de reacción depende de la concentración del ácido no disociado o de la base no protonada (López, 2010, p. 26; Macías, 2012, p. 12). En el caso de la catálsis ácido general, la velocidad de reacción se calcula mediante la Ecuación 1.7 (López, 2010, p. 26; Ramírez y Hernández, 2014, p. 160). െݎ ൌ ሺ݇ு ሻሺܥு ሻሺܥ ሻ [1.7] Donde: ݇ு : ܥு : constante catalítica del ácido concentración del ácido De la ecuación 1.7, se tiene que la constante de velocidad observada es: ݇௦௩ௗ ൌ ሺ݇ு ሻሺܥு ሻ [1.8] En el caso de la catálisis básica general, la velocidad de reacción se calcula mediante la Ecuación 1.9 (López, 2010, p. 28; Ramírez y Hernández, 2014, p. 160). െݎ ൌ ሺ݇ ሻሺܥ ሻሺܥ ሻ [1.9] Donde: ݇ : ܥ : constante catalítica de la base concentración de la base De la ecuación 1.9, se tiene que la constante de velocidad observada es: ݇௦௩ௗ ൌ ሺ݇ ሻሺܥ ሻ [1.10] 35 Finalmente, si parte de la reacción se produce en ausencia de catalizador, en este caso del ácido no disociado o de la base no protonada, la constante de velocidad observada sería: Para la catálisis ácida general, ݇௦௩ௗ ൌ ݇ ሺ݇ு ሻሺܥு ሻ [1.11] ݇௦௩ௗ ൌ ݇ ሺ݇ ሻሺܥ ሻ [1.12] Para la catálisis básica general, 36 2. PARTE EXPERIMENTAL Para el desarrollo experimental de la presente investigación se utilizaron los siguientes materiales, equipos y reactivos: a) Materiales · Bureta de 10 mL · Celdas de cuarzo de 3 mL para espectrofotometría, con tapa plástica · Columna para HPLC Agilent, ZORBAX Eclipse Plus C18 Analytical 4,6 × 150 mm, 5 µm, 400 bar, 60 ºC, pH (2-9), con soporte de sílica > 99,995 % SiO2 · Embudo Büchner con alargadera · Filtros preparativos Millipore Millex–HV Hydrophilic PVDF, con tamaño de poro de 0,45 µm · Kitasato de 500 mL, con manguera · Erlenmeyer de 50 mL · Matraces volumétricos de 5, 10, 25 y 50 mL · Micropipeta Finnpipette Digital, rango de operación: 5 µL–40 µL · Micropipeta BOECO, rango de operación: 100 µL–1 000 µL · Mortero de porcelana con pistilo · Pipetas volumétricas de 1, 5 y 10 mL · Puntas plásticas para micropipeta · Reactores de teflón SAVILLEX de 60 mL con cierre hermético, con interior y exterior plano, tapa sin válvula de alivio de presión. · Vasos de precipitación de 50, 100 y 1 000 mL · Viales ámbar de 2 mL con tapa metálica de inyección directa b) Equipos · Balanza analítica DENVER, precisión 0,1 mg, capacidad 220 g 37 · Baño maría, marca Buchler Instrument, modelo Thermo–Lift, rango de operación: 0 – 100 ºC · Bomba de vacío, marca GAST Manufacturing INC, modelo DOA-P704-AA, máxima presión 60 psi, 115 V, 4,2 A y 60 Hz · Espectrofotómetro UV-Vis HITACHI, modelo U-1 900 · Estufa marca Memmert, rango de temperatura: 30 a 200 ºC · Equipo de Cromatografía Líquida de Alta Resolución (HPLC), marca AGILENT, modelo L112, con detector UV-Vis y FLD-WVD · Horno convencional de microondas PANASONIC, modelo NN-ST9785, rango de operación: 120 – 1 200 W (10 niveles), 60 Hz y 120 V · Plancha de calentamiento y agitación marca VWR, rango calentamiento: 30 – 500 ºC, rango de agitación: 60 – 1 600 rpm, 120 V, 430 W y 50/60 Hz c) Reactivos · Acetoacetato de etilo (EAA), 98 %, Merck · Ácido clorhídrico, 37,7 %, Merck · Etanol absoluto, 95 %, Merck · Metanol grado HPLC, Fisher Scientific · β Metil Umbelliferona, 98 %, Sigma Aldrich · Resorcinol, 99 %, Sigma Aldrich · Agua grado HPLC, conductividad 0,87 µS 2.1. DETERMINACIÓN DE LAS ZONAS DE MÁXIMA INCIDENCIA DE IRRADIACIÓN EN EL MICROONDAS, MEDIANTE EL USO DE DIFERENTES CARGAS DE AGUA Todo horno de microondas doméstico tiene una distribución heterogénea del campo eléctrico; esto implica que la distribución de energía sea compleja y posiblemente inestable en el tiempo. Por este motivo, antes de realizar estudios de síntesis se 38 requiere una previa cartografía para determinar los puntos de alta energía. Esta cartografía se realiza con una pieza de papel filtro impregnada con una solución acuosa de cloruro de cobalto (Bougrin et al., 2005, p. 143). Para la determinación de las zonas de máxima incidencia de irradiación en el microondas, se emplearon piezas de papel filtro rectangulares, con extremos redondeados, de 40 cm de largo (diámetro del plato giratorio) y 7 cm de ancho. Estas piezas se impregnaron con una solución acuosa de cloruro de cobalto (50 g/L) y se secaron en una estufa a 30 ºC, durante 20 min, hasta que el papel tuviera una coloración ligeramente rosada (Cueva, 2013, pp. 35-36). Posteriormente, cada pieza de papel se irradió a una potencia de 1 200 W (nivel 10) en el microondas doméstico PANASONIC, que corresponde al mejor nivel de potencia para la síntesis de cumarinas, reportado por Cueva (2013). Este ensayo se realizó con el uso de diferentes cargas de agua (desde 0 hasta 1 000 mL) y en periodos de irradiación de 5 s, hasta lograr una coloración azul, como se puede observar en la Figura 2.1. Se midieron las distancias a las que se presentaron las franjas de mayor coloración azul desde el centro del plato y se registró el tiempo total de irradiación de cada pieza para la carga de agua respectiva (p. 66). Figura 2.1. Coloración azul en piezas de papel filtro, por efecto de irradiación en microondas. Izquierda: Con carga de agua. Derecha: Sin carga de agua. En total se realizaron cuatro repeticiones del experimento con cada una de las cargas de agua y se calculó el tiempo de irradiación promedio y la desviación estándar. Con estos datos se construyó la curva de variación del tiempo de 39 irradiación promedio en función del volumen de agua, se determinó la influencia de este volumen en el tiempo de irradiación y se seleccionó la carga de agua que permitiría tiempos de irradiación suficientemente largos para garantizar un monitoreo adecuado de la síntesis de β Metil Umbelliferona. Si estos tiempos fueran muy cortos, además de dificultarse el seguimiento de la reacción, se podrían producir explosiones del reactor en el microondas doméstico. 2.2. CARACTERIZACIÓN DE LOS REACTIVOS Y LA β METIL UMBELLIFERONA POR ESPECTROFOTOMETRÍA UV-VIS Para la obtención de β Metil Umbelliferona se empleó el método de Pechmann– Duisberg, que consiste en la reacción entre un fenol (resorcinol) y un β cetoéster (EAA) en presencia de un catalizador ácido fuerte (HCl concentrado). Dado que estos reactivos y el producto presentan grupos cromóforos, se empleó un espectrofotómetro UV-VIS para la caracterización de los mismos (Calvino-Casilda, Bañares y LozanoDiz, 2010, p. 279; Kuarm et al., 2010, p.3 358; Skoog, Holler y Crouch, 2008, pp. 369 y 372). Para la medición de las longitudes de onda de reactivos y producto, se prepararon soluciones diluidas en metanol grado HPLC, en las concentraciones que se muestran en la Tabla 2.1. Posteriormente, se realizaron las lecturas en el espectrofotómetro y se registraron los valores de la absorbancia en la región del espectro UV de 200 a 400 nm con intervalos de 5 nm (Cueva, 2013, p. 37). Tabla 2.1. Datos de concentración de las soluciones de reactivos y de β Metil Umbelliferona, utilizadas para la caracterización por espectrofotometría UV-Vis Compuesto Solución Madre Solución Final [ppm] [μM] [ppm] [μM] β Metil Umbelliferona 871,67 4 947,00 6,97 39,56 Resorcinol 885,00 8 037,00 7,08 64,30 EAA 1 021,00 7 845,00 4,08 31,35 40 Mediante esta caracterización se determinaron las longitudes de onda de máxima absorbancia del resorcinol, EAA y β Metil Umbelliferona. Estos valores permitieron establecer la longitud de onda que podía ser utilizada para la identificación y cuantificación de β Metil Umbelliferona dentro de la mezcla reactiva en el HPLC (Noboa, 2013, pp. 27-28). 2.3. SÍNTESIS DE LA β METIL UMBELLIFERONA MEDIANTE LA REACCIÓN DE PECHMANN-DUISBERG POR EL MÉTODO CONVENCIONAL Y NO CONVENCIONAL 2.3.1. SÍNTESIS DE β METIL UMBELLIFERONA POR EL MÉTODO CONVENCIONAL Para la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona, se mezcló 1 mL (7,845 mmol) de EAA con 0,825 g (7,492 mmol) de resorcinol y se añadió poco a poco el catalizador (HCl concentrado), con agitación constante. La mezcla de reacción se calentó en un baño termostático, de manera que la temperatura se mantuvo constante a 30 ºC aproximadamente durante el tiempo que duró la reacción. El proceso descrito se resume en la Figura 2.2 (Mancilla et al., 2011, p. 2). HCl (concentrado) Resorcinol 7,492 mmol EAA 7,845 mmol Mezcla Reacción Convencional 30 º C aprox. β Metil Umbelliferona Figura 2.2. Diagrama del proceso de síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional Para el estudio del proceso de síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional, se estableció un diseño factorial de dos variables: tiempo de 41 calentamiento y cantidad de catalizador (HCl concentrado). La variable de salida del experimento fue la conversión final del producto, la misma que se determinó por dos técnicas: gravimétrica (debido a que la β Metil Umbelliferona precipita) y HPLC. Los niveles de cada una de las variables se definieron mediante pruebas preliminares, en las que se midió la conversión por el método gravimétrico. Para la variable tiempo se establecieron cinco niveles (entre 5 y 45 min) y para la cantidad de catalizador tres niveles (entre 1,5 y 3,0 mL). Cada experimento se realizó por duplicado y se hicieron 3 repeticiones de cada uno. Con estos datos se realizó el análisis estadístico en el programa STATGRAPHICS Centurion XV Versión 15.2.11 y, mediante la tabla ANOVA, se determinó el efecto de las variables de entrada del diseño experimental sobre la variable de salida. 2.3.2. SÍNTESIS DE β METIL UMBELLIFERONA POR EL MÉTODO NO CONVENCIONAL Para la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona, se utilizaron las mismas cantidades de reactivos empleados en el método convencional. La mezcla de reacción fue colocada en un reactor de teflón con sello hermético, sin solvente y calentada en un horno microondas doméstico, a una potencia de 1 200 W. En la Figura 2.3 se resume el proceso de síntesis con la radiación de microondas (Chattha et al., 2008, p. 94; Cueva, 2013, pp. 49-50; Noboa, 2013, pp. 30-31). HCl (concentrado) Resorcinol 7,492 mmol EAA 7,845 mmol Mezcla Reacción en Microondas Potencia: 1 200 W β Metil Umbelliferona Figura 2.3. Diagrama del proceso de síntesis de β Metil Umbelliferona por microondas 42 Para el estudio del proceso de síntesis de β Metil Umbelliferona por microondas, se estableció el mismo diseño que para el convencional, un diseño factorial de dos variables: tiempo de calentamiento y cantidad de catalizador (HCl concentrado). La variable de salida del experimento fue la conversión final del producto, la misma que se determinó por dos técnicas: gravimétrica y HPLC. Los niveles de cada una de las variables se definieron mediante pruebas preliminares, en las que se midió la conversión por el método gravimétrico. Para la variable tiempo se determinaron cinco niveles (entre 20 y 60 s) y para la cantidad de catalizador dos niveles (entre 0,1 y 1,0 mL). Cada experimento se realizó por duplicado y se hicieron 3 repeticiones de cada uno. Igual que en el método convencional, se realizó el análisis estadístico en el programa STATGRAPHICS Centurion XV Versión 15.2.11. 2.3.3. IDENTIFICACIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA POR HPLC Con los valores de longitud de onda que se establecieron en la caracterización por espectrofotometría UV-Vis, como se explicó en el acápite 2.2, se realizó el análisis por HPLC para verificar los valores de conversión de β Metil Umbelliferona. Para este análisis, los estándares y el producto (β Metil Umbelliferona) obtenido de la síntesis, se diluyeron en metanol (MeOH) grado HPLC y se pasaron a través de un filtro con un tamaño de poro de 0,45 µm (Cueva, 2013, p. 55; Noboa, 2013, pp. 3435). Para preparar las soluciones del producto obtenido que se utilizaron en el análisis por HPLC (tanto de la síntesis convencional como por microondas), se pesaron entre 13,70 y 28,50 mg de producto y se diluyeron a 10 mL. A partir de esta solución madre se realizaron dos diluciones más con los factores que se muestran en la Tabla 2.2. 43 Tabla 2.2. Factores de dilución usados en la preparación de muestras de β Metil Umbelliferona Orden de Dilución Factor de Dilución Primera 1:10 Segunda 1:25 Antes de realizar la identificación y cuantificación de β Metil Umbelliferona, se establecieron las condiciones de operación para el análisis por HPLC, las mismas que se detallan en el acápite 2.3.3.1. 2.3.3.1 Determinación de las condiciones de operación para el análisis por HPLC Las condiciones de operación para el análisis por HPLC se establecieron mediante pruebas con diferentes composiciones de la fase móvil, como se muestra en la Tabla 2.3, hasta lograr una adecuada separación entre los picos de los compuestos detectados en la muestra (resorcinol, EAA y β Metil Umbelliferona). Como fase móvil se seleccionó MeOH grado HPLC: Agua. Se trabajó bajo las condiciones fijas de volumen de inyección de la muestra, flujo de fase móvil, tiempo de corrida y temperatura de columna, que se muestran en la Tabla 2.3. (Cueva, 2013, pp. 56 y 80; Skoog et al., 2008, pp. 816-819). Tabla 2.3. Condiciones de operación para el análisis por HPLC Variable Detalle Fase Móvil MeOH HPLC: Agua Flujo de Fase Móvil 1 [mL/min] 50:50 Composición de Fase Móvil 70:30 85:15 Volumen de inyección 10 [µL] Tiempo de análisis 10 [min] Temperatura de Columna 23 [ºC] 44 2.3.3.2 Identificación de β Metil Umbelliferona por HPLC Una vez que se definieron las condiciones de operación para el análisis por HPLC, se realizó la identificación de β Metil Umbelliferona. Para esta identificación, se prepararon soluciones diluidas de los reactivos (resorcinol y EAA) y de β Metil Umbelliferona estándar. Las concentraciones se pueden observar en la Tabla 2.4. Estas soluciones se analizaron en el HPLC para determinar el tiempo de retención de cada componente químico. Tabla 2.4. Datos de la concentración de las soluciones de reactivos y de β Metil Umbelliferona, utilizadas para la identificación de cada componente químico, mediante análisis por HPLC Compuesto Concentración [ppm] [μM] β Metil Umbelliferona 1,76 9,99 Resorcinol 1,09 9,89 Acetoacetato de etilo 1,22 9,37 Con los tiempos de retención determinados para cada uno de los compuestos involucrados en la reacción, incluida la β Metil Umbelliferona, se realizó una mezcla de los mismos (mezcla reactiva) en proporciones semejantes (500 µL) y con las concentraciones descritas en la Tabla 2.4. Se analizó la mezcla reactiva en el HPLC y se verificaron los tiempos de retención en los picos identificados. 2.3.3.3 Cuantificación de β Metil Umbelliferona por HPLC Para la cuantificación de β Metil Umbelliferona, se construyó una curva de calibración, con cinco concentraciones definidas de este compuesto, tal como se detalla en la Tabla 2.5. 45 Tabla 2.5. Datos de concentración de las soluciones de la β Metil Umbelliferona preparadas para la construcción de la curva de calibración Nº de Solución Concentración [μM] 1 0,99 2 7,49 3 39,95 4 49,94 5 69,92 Mediante la curva de calibración se determinó la relación lineal del área del pico detectado por el HPLC con respecto a la concentración de β Metil Umbelliferona. Esta curva permitió calcular las conversiones reales del producto sintetizado por los dos diferentes métodos. 2.3.4. COMPARACIÓN DE LAS TÉCNICAS HPLC Y GRAVIMÉTRICA, EMPLEADAS PARA DETERMINAR LA CONVERSIÓN EN LA SÍNTESIS CONVENCIONAL Y NO CONVENCIONAL DE β METIL UMBELLIFERONA Como se mencionó en los acápites 2.3.1 y 2.3.2, para determinar la conversión final de β Metil Umbelliferona se utilizaron las técnicas HPLC y gravimétrica. Con los valores de conversión obtenidos, tanto en la síntesis convencional como en la no convencional, se realizó una comparación de estos valores de acuerdo con la técnica de medición empleada. Para ello, se calculó el porcentaje de error de la técnica gravimétrica mediante la Ecuación 2.1, donde se tomó como valor real a la conversión obtenida por la técnica de HPLC y como valor medido a la conversión por la técnica gravimétrica. ݎݎݎܧൌ ȁ ݈ܽ݁ݎݎ݈ܽݒെ ݀݅݀݁݉ݎ݈ܽݒȁ ൈ ͳͲͲΨሾʹǤͳሿ ݈ܽ݁ݎݎ݈ܽݒ Cabe recalcar que para este trabajo se decidió tomar como valor real a la conversión obtenida por la técnica de HPLC porque permitió la identificación de los 46 compuestos presentes en una muestra y su cuantificación, lo que proporcionó resultados que se ajustaron a los valores reales de conversión del producto (β Metil Umbelliferona). En cambio, la técnica gravimétrica se basa en la medición del peso de la muestra en una balanza analítica, por lo que no fue posible identificar los compuestos presentes en la misma. 2.4. ESTUDIO DE LA CATÁLISIS HOMOGÉNEA DE LA OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA MEDIANTE LA REACCIÓN DE PECHMANN–DUISBERG PARA EL MÉTODO CONVENCIONAL Este estudio se realizó para determinar la dependencia de la constante de velocidad con respecto a la concentración del catalizador, que se encuentra en solución, para el método de síntesis por calentamiento convencional (Ramírez y Hernández, 2014, p. 159). Para establecer esta dependencia fue necesario, en primer lugar, asumir que la reacción de β Metil Umbelliferona era de segundo orden, ya que se consideró la reacción global, mostrada en la Figura 1.6, y no su mecanismo de reacción. Posteriormente, se calcularon los valores de la constante de velocidad para cada uno de los niveles de catalizador. Para esto, se utilizaron los datos de concentración de β Metil Umbelliferona que se obtuvieron de la cuantificación del producto mediante HPLC. Para la determinación de la constante de velocidad, se utilizó la Ecuación 2.2, que corresponde a una expresión integrada que relaciona las concentraciones de los productos con el tiempo para una reacción de segundo orden con dos reactivos diferentes, con iguales coeficientes estequiométricos y concentraciones iniciales distintas (Atkins y De Paula, 2006, p. 297; Fernández, 2004). Esta ecuación se ajusta a la de una recta (y = m×x), como se aprecia a continuación: 47 ݇ ή ሺܥ െ ܥ ሻ ή ݐൌ ݈݊ ቈ ܥ ή ሺܥ െ ܥ ሻ ሾʹǤʹሿ ܥ ή ሺܥ െ ܥ ሻ ݉ ή ݔൌ ݕ Donde: k: constante de velocidad t: tiempo CAo: concentración inicial del reactivo A CBo: concentración inicial del reactivo B CP: concentración del producto Una vez que se verificó el orden de reacción asumido y que se calcularon los valores de las constantes de velocidad, se graficaron los valores de estas constantes con respecto a la concentración del catalizador. Estas gráficas fueron realizadas para determinar la dependencia de la constante de velocidad con respecto a la concentración del catalizador. 2.5. PURIFICACIÓN DEL PRODUCTO OBTENIDO Para la purificación del producto, se desarrollaron procesos de cristalización y recristalización. La cristalización se llevó a cabo con agua fría, a una temperatura aproximada de 10 ºC. Este proceso ayudó a verificar la formación de β Metil Umbelliferona en los procedimientos previos que determinaron los niveles de las variables del método de síntesis convencional y microondas, los cuales están descritos en los acápites 2.3.1 y 2.3.2 (Mancilla et al., 2011, p. 2; Prajapati y Gohain, 2007, p. 62). Para la recristalización, se realizaron pruebas preliminares con el objetivo de establecer las condiciones de operación que permitieron obtener el mayor rendimiento de β Metil Umbelliferona, ya que en bibliografía no se encontraron las 48 condiciones completas para realizar este proceso. La recristalización consistió en diluir el producto en una solución de etanol/agua, posteriormente se calentó esta mezcla en un baño maría y finalmente se enfrió con agua a 10 ºC para que vuelva a cristalizar el producto (Mancilla et al., 2011, p. 2; Prajapati y Gohain, 2007, p. 62). Para determinar la proporción más adecuada para la recristalización de β Metil Umbelliferona, se probó con etanol al 95 %, 75 % y 50 %. Adicionalmente, como en la recristalización, se realizó un calentamiento del producto diluido en etanol/agua, y se probaron temperaturas de 30 y 40 ºC. Se determinaron los rendimientos para cada una de las proporciones (etanol/agua) a diferente temperatura y se establecieron las condiciones de operación (Durairaj, 2005, p. 132; Prajapati y Gohain, 2007, p. 62). Finalmente, se determinó el nivel de pureza de β Metil Umbelliferona, mediante la comparación de los datos obtenidos por HPLC con respecto a los datos de la técnica gravimétrica y se aplicó la Ecuación 2.3 (Mantilla, 2014). Ψܲ ܽݖ݁ݎݑൌ 2.6. ܲݎݑݐܿݑ݀ݎ ൈ ͳͲͲሾʹǤ͵ሿ ܲݏܽݖ݁ݎݑ݉݅݊ܿݐܿݑ݀ݎ DEFINICIÓN DEL DIAGRAMA DE BLOQUES Y SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS PARA UNA PLANTA PILOTO DE OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA Para el diseño de una planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona, se fijó una producción de 280 kg/año, cantidad que corresponde a las importaciones de metilcumarinas en Ecuador por parte de dos empresas: Extractos Andinos C.A. y Florasíntesis Fragancias y Aromas LTDA (Banco Central del Ecuador, 2013). Con la metodología y las condiciones de operación definidas, se realizaron los balances de masa respectivos, para determinar la cantidad de materia prima a 49 utilizar, se elaboró el diagrama de bloques y se seleccionaron los equipos que permitieran llevar a cabo el proceso de manera adecuada. Finalmente, se elaboró la distribución en planta, que consiste en el plano “lay out”. 2.7. ANÁLISIS DE LOS COSTOS DE OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA Para el análisis económico preliminar de la obtención del producto, se consultaron en el mercado los precios de las materias primas, los insumos, los equipos y los servicios, necesarios para el funcionamiento de la planta piloto. Los precios de las materias primas, insumos y servicios se muestran en la Tabla 2.6. Con todos estos datos, se procedió a estimar los costos de producción y se calcularon los valores de la TIR y el VAN. Tabla 2.6. Precios de las materias primas, insumos y servicios, actuales en Ecuador Unidad Costo [USD / Unidad] Resorcinol, 99 %, Sigma Aldrich kg 593,32 Acetoacetato de Etilo, ACS, Fisher Scientific L 17,42 Ácido Clorhídrico, 37 %, ACS, Fisher Scientific L 12,43 Etanol, 95 % ACS, Merck L 21,5 Frascos y Tapas, 50 g unidades 0,15 Etiquetas unidades 0,05 kW-h 0,08 m3 0,72 Nombre de Compuesto, Insumo o Suministro 1 Electricidad 2 Agua Potable 1 2 ( Empresa Eléctrica Quito S.A, 2014, p. 10; EPMAPS, 2013, p. 1) En el Anexo IX se presentan las cotizaciones de las materias primas que se utilizaron para elaborar la tabla presentada. 50 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. DETERMINACIÓN DE LAS ZONAS DE MÁXIMA INCIDENCIA DE IRRADIACIÓN EN EL MICROONDAS, MEDIANTE EL USO DE DIFERENTES CARGAS DE AGUA En el acápite 2.1 se indicó que, para la determinación de las zonas de máxima incidencia de irradiación en el microondas, se trabajó a una potencia de 1 200 W y con diferentes cargas de agua: 0, 200, 400, 500, 600, 800 y 1 000 mL. Se registraron las distancias de las bandas de mayor coloración azul de cada pieza para la carga de agua respectiva, como se muestra en la Tabla 3.1. Tabla 3.1. Zonas de máxima incidencia de irradiación, registradas en el microondas doméstico PANASONIC, para cada carga de agua Carga de agua Zona de mayor irradiación (radio) [mL] [cm] 0 1,0 – 6,0 8,0 – 15,0 200 8,0 – 16,0 400 8,0 – 15,0 500 8,0 – 15,0 600 8,0 – 14,0 800 7,5 – 15,0 1 000 7,5 – 14,5 De la Tabla 3.1 se obtuvo que la zona de máxima incidencia de irradiación en el microondas fue la región entre los radios de 8 y 15 cm; además, cuando no se utilizó carga de agua se tuvo una región adicional entre los radios 1 y 6 cm. Es importante mencionar que los radios de estas zonas fueron similares a los encontrados en trabajos anteriores, realizados en el mismo tipo de equipo, como el de Cueva (2013), donde se encontraron las zonas entre 1,5 – 4,0 cm y entre 10 - 51 15 cm (p. 66-67), o como el de Noboa (2013), cuyas zonas se encontraron entre 0,0 - 5,3 cm y 8,5 - 14,2 cm (p. 41). También, como se explicó en el acápite 2.1, se registraron los tiempos de irradiación (tiempo en el cual la pieza de papel filtro impregnada con cloruro de cobalto alcanza una coloración azul al aplicar radiación microondas) de cada prueba realizada y se calculó el tiempo de irradiación promedio, con su respectiva desviación estándar, para cada carga de agua empleada en la presente experimentación. Estos datos se muestran en la Tabla 3.2. Tabla 3.2. Variación del tiempo de irradiación en función de la carga de agua que se utiliza en el microondas Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4 Tiempo de irradiación promedio [s] 0 155 125 125 120 131,25 16,01 200 210 215 220 215 215,00 4,08 400 275 285 290 290 285,00 7,07 500 295 300 295 295 296,25 2,50 600 295 300 300 295 297,50 2,89 800 300 315 310 310 308,75 6,29 1000 300 325 330 320 318,75 13,15 Carga de agua [mL] Tiempo de irradiación [s] Desviación Estándar En la Tabla 3.2 se observa que cuando se trabajó con un volumen de agua de 500 mL se tuvieron tiempos de irradiación estables, puesto que en este punto se tiene el menor valor de desviación estándar. Es decir, con este volumen los tiempos de irradiación tuvieron una menor dispersión. Finalmente, con los datos de la Tabla 3.2., se graficó la curva de variación del tiempo de irradiación promedio en función de la carga de agua, como se muestra en la Figura 3.1. 52 Tiempo de irradiación promedio [s] 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 0 200 400 600 800 1000 1200 Carga de Agua [mL] Figura 3.1. Curva de la variación del tiempo de irradiación promedio en función de la carga de agua que se utilizó en el microondas doméstico PANASONIC En la Figura 3.1. se observa que al aumentar la carga de agua que se utiliza en el horno microondas, el tiempo de irradiación se incrementa. Sin embargo, éste aumento se da hasta los 500 mL. A partir de éste volumen, el tiempo de irradiación tiene un crecimiento asintótico; es decir, no existe un incremento significativo del mismo; ésto también se puede apreciar en la Tabla 3.2. Por este motivo, se determinó que el volumen de agua con el que se debería trabajar para un monitoreo adecuado de la síntesis de β Metil Umbelliferona era de 500 mL. 3.2. CARACTERIZACIÓN DE LOS REACTIVOS Y LA β METIL UMBELLIFERONA POR ESPECTROFOTOMETRÍA UV-VIS Esta caracterización consistió en elaborar los espectros UV-Vis de los reactivos (resorcinol y EAA) y del producto (β Metil Umbelliferona), que se muestran en la Figura 3.2., a partir de los valores de absorbancia registrados mediante lecturas en el espectrofotómetro UV-Vis. 53 2,00 Resorcinol 4-MU Absorbancia 1,50 Aceto etilo 1,00 λ = 320 [nm] 0,50 0,00 200 250 300 350 400 450 λ [nm] Figura 3.2. Espectros UV-Vis para resorcinol, EAA y β Metil Umbelliferona Se determinó que las longitudes de onda de máxima absorbancia (λmax) para el EAA y el resorcinol fueron 270 y 275 nm respectivamente, mientras que para la β Metil Umbelliferona correspondió a 320 nm. Estos resultados son similares a los valores reportados en la bibliografía. Así, para el resorcinol se reporta una λmax entre 272 y 281 nm, para el EAA de 275 nm, aunque puede variar según el solvente que se utilice, y para la β Metil Umbelliferona se ha determinado un valor de λmax de 322 nm (Blanco, Giraldo y Moreno, 2007, pp. 74-75; Jivaramonaikul, Rashatasakhon y Wanichwecharungruang, 2010, p. 1 121; Ríos, 2011, p. 64; Wätzig, 2010, p. 3). De los resultados presentados en la Figura 3.2, se estableció que la longitud de onda que podía ser utilizada para la cuantificación de la β Metil Umbelliferona por HPLC era 320 nm, puesto que a esa longitud de onda la absorbancia del resorcinol y del EAA era mínima. 54 3.3. SÍNTESIS DE LA β METIL UMBELLIFERONA MEDIANTE LA REACCIÓN DE PECHMANN-DUISBERG POR EL MÉTODO CONVENCIONAL Y NO CONVENCIONAL Previa la síntesis de la β Metil Umbelliferona, tanto por el método convencional como con el uso de microondas, se realizaron pruebas en el HPLC para la identificación de este compuesto y su cuantificación mediante una curva de calibración. 3.3.1. IDENTIFICACIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA POR HPLC 3.3.1.1 Determinación de las condiciones de operación para el análisis por HPLC Con el valor de longitud de onda determinado en el acápite 3.2, se realizaron diferentes pruebas de separación de los componentes de la mezcla reactiva (resorcinol, EAA y β Metil Umbelliferona) con el uso de varias composiciones de fase móvil, que se presentaron en la Tabla 2.3. La composición de fase móvil que permitió separar la β Metil Umbelliferona de los dos reactivos (resorcinol y EAA) fue 85 % MeOH HPLC: 15 % agua. Es importante mencionar que ninguna de las composiciones de fase móvil utilizadas logró la separación entre los reactivos, resorcinol y EAA, como se muestra en el Anexo I. 3.3.1.2 Identificación de β Metil Umbelliferona por HPLC Para proceder con la identificación de la β Metil Umbelliferona, primero se analizaron en el HPLC las soluciones diluidas de los reactivos y de la β Metil 55 Umbelliferona estándar, en forma individual. De este análisis se obtuvo el cromatograma de la β Metil Umbelliferona, como se puede observar en la Figura AII.1 del Anexo II, y se determinó su tiempo de retención (tR). Del cromatograma de la β Metil Umbelliferona se obtuvo un tR de 4,734 ± 0,136, cuando se trabajó con el compuesto puro, y un tR de 4,885 ± 0,080, cuando formó parte de la mezcla reactiva (resorcinol, EAA y β Metil Umbelliferona). En estos resultados se observa que el tiempo de retención de la β Metil Umbelliferona cuando forma parte de la mezcla reactiva, no presenta un desplazamiento muy marcado, aunque es mayor que el correspondiente al del compuesto puro. El valor máximo de tR del compuesto puro es 4,870 y el valor mínimo de tR del compuesto dentro de la mezcla reactiva es 4,805. Sin embargo, para el resorcinol y EAA no se pudieron determinar sus tiempos de retención, ni de sus estándares ni cuando formaron parte de la mezcla reactiva, puesto que no se lograron separar con las condiciones de operación para el análisis por HPLC establecidas, como se muestra en la Figura AII.2 del Anexo II. Las razones pueden ser que ambos reactivos tienen un mismo tipo de interacción con la fase estacionaria, utilizada en la columna, o porque la composición de la fase móvil escogida no fue la adecuada para la separación de estos dos componentes. 3.3.1.3 Cuantificación de β Metil Umbelliferona por HPLC Como se indicó en el acápite 2.3.3.3, para la cuantificación de la β Metil Umbelliferona se construyó la respectiva curva de calibración, que se muestra en la Figura 3.3. Para la construcción de esta curva se emplearon los datos de área del pico detectado por el HPLC para cada concentración, que se muestran en la Tabla AIII.1 del Anexo III. 56 3,00E+07 2,50E+07 2,00E+07 Área y = 348344x + 2E+06 R² = 0,9991 1,50E+07 1,00E+07 5,00E+06 0,00E+00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Concentración [µM] Figura 3.3. Curva de calibración de β Metil Umbelliferona en HPLC a λ = 320 nm Como se observa en la Figura 3.3, la curva de calibración de β Metil Umbelliferona, que se construyó por la técnica de HPLC, se ajusta a la ecuación de una recta, puesto que el coeficiente de correlación (R2) se aproxima a uno (Acuña, 2011, p. 19; Rodríguez, 2005, p. 321). Para la cuantificación del producto sintetizado por los métodos convencional y no convencional, se utilizó la ecuación de la recta de la Figura 3.3, de la siguiente forma: ൌ ͵Ͷͺ͵ͶͶ ή ʹ ൈ ͳͲ Donde: A: área del pico detectado por el HPLC C: concentración de la β Metil Umbelliferona [3.1] 57 3.3.2. SÍNTESIS DE LA β METIL UMBELLIFERONA POR EL MÉTODO CONVENCIONAL 3.3.2.1 Determinación del diseño experimental para el estudio del proceso de síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional Como se estableció en el acápite 2.3.1.1, se estudió el proceso de síntesis convencional mediante la aplicación de un diseño factorial de dos variables: tiempo de calentamiento y cantidad de catalizador (HCl concentrado). Los niveles de estas variables se muestran en la Tabla 3.3. Tabla 3.3. Niveles de las variables del diseño experimental para la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona Variable Niveles [min] 5 10 20 30 45 Tiempo de Calentamiento Cantidad de Catalizador [mL] [% mol] 1,5 2,0 3,0 77,71 82,30 87,46 Los niveles presentados en la Tabla 3.3 fueron establecidos mediante pruebas preliminares, cuyos resultados se detallan en el Anexo IV. Con estos niveles se obtuvieron cantidades representativas del producto requerido que permitieron realizar el estudio de la catálisis homogénea. 3.3.2.2 Resultados de la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional En la Tabla 3.4 se presentan los valores de conversión en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona, determinados por las técnicas HPLC y gravimétrica; así 58 como los valores de porcentaje de error de la técnica gravimétrica, que se calcularon con la Ecuación 2.1, la cual se describió en el acápite 2.3.4. Tabla 3.4. Comparación de la conversión en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona por la técnica gravimétrica y por HPLC Cantidad de catalizador [% mol] 77,71 82,30 87,46 Conversión [%] Técnica gravimétrica Técnica HPLC Porcentaje de error de la técnica gravimétrica [%] 5 56,28 29,83 88,67 10 70,05 51,11 37,05 20 79,03 55,29 42,94 30 81,85 63,02 29,87 45 85,61 69,00 24,08 5 68,57 57,85 18,53 10 75,67 60,33 25,41 20 81,40 66,65 22,13 30 86,26 78,40 10,02 45 89,26 81,19 9,93 5 71,92 59,97 19,93 10 77,01 67,02 14,91 20 78,95 72,59 8,76 30 86,93 82,06 5,94 45 88,64 85,62 3,52 Tiempo [min] En la Tabla 3.4 se observa que las medidas de la conversión que se determinaron con la técnica de HPLC, para todos los tratamientos del diseño experimental, son menores que las correspondientes a la técnica gravimétrica. En cuanto al porcentaje de error de la técnica gravimétrica, se tienen valores de hasta 88,67 %, que corresponde al tratamiento de 5 min de calentamiento y 77,71 % mol de HCl concentrado. Estos valores altos de porcentaje de error involucrarían que mediante la síntesis convencional se generan ciertos compuestos o impurezas que interfieren con la medición de la conversión por la técnica gravimétrica. 59 3.3.2.3 Análisis estadístico de los resultados de conversión obtenidos en la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional Como se explicó en el acápite 2.3.1.1, para el análisis estadístico se utilizó el programa STATGRAPHICS Centurion XV Versión 15.2.11. En el programa se ingresaron los datos de las conversiones obtenidas por la técnica de HPLC, de todos los tratamientos del diseño experimental y sus repeticiones; estos datos se presentan en la Tabla 3.5. Tabla 3.5. Conversión en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica de HPLC Cantidad de catalizador [% mol] 77,71 82,30 87,46 Tiempo [min] Conversión [%] Repetición 1 Repetición 2 Repetición 3 5 26,73 30,83 31,92 10 56,41 50,75 46,18 20 57,35 56,70 51,82 30 64,69 57,44 66,95 45 65,74 62,79 78,47 5 63,22 58,42 51,91 10 65,95 60,64 54,42 20 68,56 61,66 69,72 30 80,38 73,41 81,42 45 85,19 73,61 84,78 5 63,32 63,96 52,63 10 70,43 65,97 64,66 20 76,31 66,82 74,63 30 84,04 77,19 84,94 45 85,41 84,30 87,16 Del programa se obtuvo la tabla ANOVA de la conversión del producto, la cual se presenta en la Tabla 3.6. 60 Tabla 3.6. Análisis de varianza para la conversión en la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional Suma de Cuadrados Gl A:Cantidad_Catalizador 3224,89 2 1612,44 63,81 0,0000 B:Tiempo_Calentamiento 4988,41 4 1247,1 49,36 0,0000 376,294 8 47,0367 1,86 0,1042 RESIDUO 758,031 30 25,2677 TOTAL (CORREGIDO) 9347,62 44 Fuente Cuadrado Medio Razón-F Valor-P EFECTOS PRINCIPALES INTERACCIONES AB Con base en el ANOVA, se concluyó que existió un efecto estadísticamente significativo del tiempo de calentamiento necesario para la reacción con respecto a la conversión del producto (β Metil Umbelliferona), con un nivel de confianza del 95 %. Lo mismo sucedió con la cantidad de catalizador utilizada en la reacción. Esta conclusión se fundamenta en el valor-p, que fue menor que 0,05 para ambos casos. En la Figura 3.4 se presenta la gráfica de separación de medias para el tiempo de calentamiento empleado en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona. Conversión ón [%] 86 76 66 56 46 5 10 20 30 45 Tiempo_Calentamiento [min] Figura 3.4. Gráfica de separación de medias para el tiempo de calentamiento empleado en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona 61 En la Figura 3.4 se observa que a mayor tiempo de calentamiento, mayor es la conversión de β Metil Umbelliferona. Este incremento es significativamente diferente entre los niveles de tiempo de calentamiento, excepto entre 30 y 45 min. En la Figura 3.5 se presenta la gráfica de separación de medias para la cantidad de catalizador utilizada en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona. Means and 95,0 Percent LSD Intervals Conversión [%] 76 71 66 61 56 51 77,71 82,3 87,46 Cantidad_Catalizador [% mol de HCl] Figura 3.5. Gráfica de separación de medias para la cantidad de catalizador utilizada en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona En la Figura 3.5. se observa que con una mayor cantidad de catalizador aumenta la conversión de β Metil Umbelliferona. Este incremento es significativamente diferente entre los tres niveles de cantidad de catalizador. Además, los resultados presentados en la Tabla 3.6. muestran que no existió un efecto significativo de la interacción entre los dos factores tiempo de calentamiento y cantidad de catalizador, puesto que el valor-p = 0,1042 fue mayor que 0,05. Esto se puede apreciar mejor en la Figura 3.6., donde se presenta la conversión con respecto al tiempo y a la cantidad de catalizador utilizada. La Figura 3.6. permitió establecer que el tratamiento con el cual se obtendría la mayor conversión correspondió al uso de 87,46 % mol de HCl y un tiempo de calentamiento de 45 min. 62 Cantidad_Catalizador 77,71 [% mol] 82,30 [% mol] 87,46 [% mol] 89 Conversión ón [%] 79 69 59 49 39 29 5 10 20 30 45 Tiempo_Calentamiento [min] Figura 3.6. Gráfico de interacción entre el tiempo de calentamiento y la cantidad de catalizador para la conversión en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona Para finalizar el análisis estadístico, se determinó el coeficiente de variación (CV) de la conversión en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona, medida por la técnica de HPLC, para cada tratamiento. Se obtuvo un CV menor al 15 % para todos los tratamientos, lo que demuestra que el conjunto de datos determinados en las pruebas experimentales fue homogéneo (Tapia, 2012, p. 1). Los valores de CV para cada tratamiento del diseño experimental se muestran en la Tabla AVI.1 del Anexo VI. 3.3.3. SÍNTESIS DE LA β METIL UMBELLIFERONA POR EL MÉTODO NO CONVENCIONAL 3.3.3.1 Determinación del diseño experimental para el estudio del proceso de síntesis de β Metil Umbelliferona por el método no convencional Como se estableció en el acápite 2.3.2.1, el diseño experimental que se aplicó fue un diseño factorial de dos variables: tiempo de calentamiento y cantidad de 63 catalizador (HCl concentrado). Los niveles definidos de estas variables se muestran en la Tabla 3.7. Tabla 3.7. Niveles de las variables del diseño experimental para la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona Variable Niveles [s] 20 30 40 50 60 Tiempo de Calentamiento [mL] [% mol] 0,4 0,6 48,18 58,24 Cantidad de Catalizador Los niveles correspondientes a tiempos de calentamiento y cantidad de catalizador, presentados en la Tabla 3.7., se determinaron mediante pruebas preliminares, cuyos resultados se detallan en el Anexo V. Los experimentos desarrollados bajo estas condiciones permitieron obtener cantidades representativas de β Metil Umbelliferona. 3.3.3.2 Resultados de la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método no convencional Al igual que en el método convencional, para determinar la conversión de β Metil Umbelliferona se utilizaron las técnicas HPLC y gravimétrica. También se realizó la comparación de las conversiones de acuerdo con la técnica de medición empleada; para esto, se calculó el porcentaje de error de la técnica gravimétrica mediante la Ecuación 2.1, que se describió en el acápite 2.3.4. Todos estos resultados se detallan en la Tabla 3.8. 64 Tabla 3.8. Comparación de la conversión en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona por la técnica gravimétrica y por HPLC Cantidad de catalizador [% mol] 48,18 58,24 Conversión [%] Técnica gravimétrica Técnica HPLC Porcentaje de error de la técnica gravimétrica [%] 20 54,80 51,11 7,22 30 61,77 57,34 7,71 40 62,72 56,15 11,71 50 61,55 59,54 3,38 60 65,41 58,34 12,12 20 62,66 56,97 9,98 30 60,60 52,35 15,78 40 60,71 57,03 6,46 50 58,88 56,85 3,58 60 64,46 60,01 7,41 Tiempo [s] En la Tabla 3.8. se observa que las medidas de conversión que se determinaron con la técnica de HPLC, para todos los tratamientos del diseño experimental, son menores que aquellas obtenidas por la técnica gravimétrica. En cuanto al porcentaje de error de la técnica gravimétrica, se tienen valores de hasta 15,78 %, que corresponde al tratamiento de 58,24 % mol de HCl concentrado y un tiempo de irradiación de 30 s. Sin embargo, este porcentaje de error fue considerablemente menor que el obtenido en el método de síntesis convencional, donde se tuvo un porcentaje de error de hasta el 88,67 %, como se presentó en la Tabla 3.4. Esta situación se debe a que en la síntesis por microondas se alcanza un calentamiento rápido y súbito en toda la muestra, lo que favorece a la formación del producto y, por ende, involucra una menor presencia de reactivos sin reaccionar. Por el contrario, en la síntesis convencional, el calentamiento de la muestra es más lento, lo que implica una mayor presencia de reactivos que no reaccionaron y formaron parte del precipitado. Estos reactivos hacen que el porcentaje de error por el método gravimétrico aumente (Álvarez, 2012, p. 1; Correa y Hernández, 2011, p. 7). 65 Al comparar las conversiones obtenidas en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona que se observaron en la Tabla 3.4., con las conversiones de la síntesis no convencional, presentadas en la Tabla 3.8, se concluye que en la síntesis por el método convencional se obtienen conversiones más altas que en la síntesis por microondas. Según la bibliografía, una de las ventajas del uso de microondas es el aumento del rendimiento de las reacciones químicas; sin embargo, esta condición no se cumple para el presente trabajo (Álvarez, 2012, p. 1; Correa y Hernández, 2011, p. 8; Chandra y Saxena, 2011, p. 9). Como se observó en las Tablas 3.4. y 3.8., para alcanzar una conversión de β Metil Umbelliferona de alrededor del 60 %, se requieren tiempos de irradiación de hasta 1 min cuando se emplea el método de síntesis por microondas y de tiempos de calentamiento de hasta 30 min en el método de síntesis convencional. En cuanto a la cantidad de catalizador, para conseguir una conversión de β Metil Umbelliferona de alrededor del 60 %, se requiere de hasta 58,24 % mol de HCl para la síntesis por microondas y de hasta 87,46 % mol de HCl para la síntesis convencional. Es decir, mediante el uso de microondas se consiguió una reducción considerable del tiempo de reacción y de las cantidades de catalizador utilizadas. Por lo anteriormente explicado, se concluye que, a pesar de no tener conversiones tan altas comparadas con el método convencional, utilizar el microondas para la síntesis de β Metil Umbelliferona es ventajoso en cuanto a la reducción del tiempo de calentamiento empleado para la reacción y de las cantidades de catalizador a utilizar, lo cual es además beneficioso para el medio ambiente (Correa y Hernández, 2011, p. 8). 3.3.3.3 Análisis estadístico de los resultados de conversión obtenidos en la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método no convencional Como se explicó en al acápite 2.3.2.1, para el análisis estadístico se utilizó el programa STATGRAPHICS Centurion XV Versión 15.2.11. En el programa se 66 ingresaron los datos de las conversiones obtenidas por la técnica del HPLC, de todos los tratamientos del diseño experimental y sus repeticiones. Estos datos se presentan en la Tabla 3.9. Tabla 3.9. Conversión en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica de HPLC Conversión [%] Cantidad de catalizador Tiempo [% mol] [s] Repetición 1 Repetición 2 Repetición 3 48,18 58,24 20 53,14 53,06 47,14 30 58,18 56,07 57,78 40 54,54 53,79 60,12 50 61,91 58,15 58,55 60 65,27 54,80 54,95 20 61,23 52,85 56,84 30 50,33 52,67 54,04 40 61,57 53,37 56,15 50 55,94 54,08 60,53 60 60,78 59,75 59,51 Con ayuda del programa se obtuvo la tabla ANOVA de la conversión del producto, la cual se presenta en la Tabla 3.10. Tabla 3.10. Análisis de varianza para la conversión en la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método no convencional Fuente Suma de Cuadrados Gl Cuadrado Medio Razón-F Valor-P EFECTOS PRINCIPALES A:Cantidad_Catalizador 0,15987 1 0,15987 0,01 0,9074 B:Tiempo_irradiación 112,74 4 28,185 2,44 0,0800 104,988 4 26,2471 2,28 0,0969 RESIDUO 230,61 20 11,5305 TOTAL (CORREGIDO) 448,498 29 INTERACCIONES AB 67 Con base en el ANOVA, se concluyó que no existió un efecto estadísticamente significativo del tiempo de irradiación en el microondas, necesario para que se produzca la reacción, con respecto a la conversión del producto (β Metil Umbelliferona), con un nivel de confianza del 95 %. Lo mismo sucedió con la cantidad de catalizador utilizada en la reacción. Esta conclusión se fundamenta en el valor-p, que fue mayor que 0,05 para ambos casos. En la Figura 3.7 se presenta la gráfica de separación de medias para el tiempo de irradiación empleado en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona. Conversión [%] 63 61 59 57 55 53 51 20 30 40 50 60 Tiempo_irradiación [s] Figura 3.7. Gráfica de separación de medias para el tiempo de irradiación empleado en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona En la Figura 3.7 se observa que al aumentar el tiempo de irradiación no existe un incremento estadísticamente significativo de la conversión de β Metil Umbelliferona. En cambio, en la Figura 3.8 se presenta la gráfica de separación de medias para el tiempo de irradiación empleado en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona. En esta figura se observa que al aumentar la cantidad de catalizador no existe un incremento estadísticamente significativo de la conversión de β Metil Umbelliferona. 68 Conversión [%] 58 57,5 57 56,5 56 55,5 55 48,18 58,24 Cantidad_Catalizador [% mol de HCl] Figura 3.8. Gráfica de separación de medias para la cantidad de catalizador utilizada en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona Además, los resultados presentados en la Tabla 3.10. muestran que no existió un efecto significativo de la interacción entre los dos factores tiempo de calentamiento y cantidad de catalizador, puesto que el valor-p = 0,0969 fue mayor que 0,05. Esto se puede apreciar mejor en la Figura 3.9., donde se presenta la conversión de β Metil Umbelliferona con respecto al tiempo y a la cantidad de catalizador utilizada. Cantidad_Catalizador 48,18 [% mol] 58,24 [% mol] Conversión ón [%] 63 60 57 54 51 48 20 30 40 50 60 Tiempo_irradiación [s] Figura 3.9. Gráfico de interacción entre el tiempo de irradiación y la cantidad de catalizador para la conversión en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona (Las barras verticales azules y rojas representan la diferencia mínima significativa (LSD)) 69 En la Figura 3.9. se observa que al comparar el tratamiento de 50 s y 48,18 % mol de HCl con el tratamiento de 60 s y 58,24 % mol de HCl, no existe diferencia mínima significativa entre las conversiones obtenidas por ambos tratamientos. Por este motivo, se decidió establecer que el tratamiento más adecuado para la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona correspondió al uso de 48,18 % mol de HCl y un tiempo de irradiación en el microondas de 50 s, puesto que involucraba un menor consumo de catalizador en menor tiempo de reacción. Para finalizar el análisis estadístico, se determinó el CV de la conversión en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica de HPLC, para cada tratamiento. Los valores de CV, al igual que en la síntesis convencional, fueron menores que 15 %, como se muestra en la Tabla AVI.2 del Anexo VI. 3.4. RESULTADOS DE LA PURIFICACIÓN DEL PRODUCTO OBTENIDO Como se describió en el acápite 2.5., para la purificación del producto se realizó un proceso de cristalización y uno de recristalización. La cristalización se realizó con agua a una temperatura aproximada de 10 ºC y para la recristalización se realizaron pruebas preliminares con mezclas de etanol/agua a temperaturas de 30 y 40 ºC, cuyos resultados se muestran en el Anexo VII. Los resultados del proceso de recristalización para β Metil Umbelliferona mostraron que se debía realizar un calentamiento a 30 ºC, con una solución de etanol: agua 50:50 y un enfriamiento posterior con agua a 10 ºC. Los niveles de pureza de β Metil Umbelliferona, para cada tratamiento del diseño experimental, obtenidos al utilizar los métodos de síntesis convencional y no convencional, se presentan en las Tablas 3.11. y 3.12., respectivamente. 70 Tabla 3.11. Pureza de β Metil Umbelliferona obtenida por el método de síntesis convencional Cantidad de Catalizador [% mol] 77,71 82,30 87,46 Tiempo [min] Pureza [%] 5 53,00 10 72,97 20 69,96 30 77,00 45 80,59 5 84,36 10 79,74 20 81,88 30 90,89 45 90,96 5 83,39 10 87,02 20 91,94 30 94,39 45 96,60 Tabla 3.12. Pureza de β Metil Umbelliferona obtenida por el método de síntesis no convencional Cantidad de Catalizador [% mol] 48,18 58,24 Tiempo [s] Pureza [%] 20 93,27 30 92,84 40 89,52 50 96,73 60 89,19 20 90,93 30 86,37 40 93,93 50 96,55 60 93,10 71 En las Tablas 3.11. y 3.12., se observa que el nivel de pureza promedio alcanzado por el método convencional fue 82,31 % y para el microondas fue de 92,24 %. Estos resultados indicarían que se tuvo la presencia de impurezas o de reactivos (resorcinol y EAA) que no reaccionaron y fueron adsorbidos sobre la superficie de los cristales formados. Además, en la Tabla 3.11 se observó que, en el método de síntesis convencional, el nivel de pureza más alto de la β Metil Umbelliferona fue de 96,60 %; este valor se obtuvo con el tratamiento de 87,46 % mol de HCl concentrado y un tiempo de calentamiento de 45 min. En cambio, en el método de síntesis por microondas, el nivel de pureza más alto de la β Metil Umbelliferona fue de 96,73 %; este valor se obtuvo con el tratamiento de 48,18 % mol de HCl concentrado y un tiempo de irradiación de 50 s, como se observó en la Tabla 3.12. 3.5. ESTUDIO DE LA CATÁLISIS HOMOGÉNEA DE LA OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA MEDIANTE LA REACCIÓN DE PECHMANN–DUISBERG PARA EL MÉTODO CONVENCIONAL El estudio de la catálisis homogénea de β Metil Umbelliferona, mediante la reacción de Pechmann-Duisberg, en el proceso de síntesis convencional, consistió en determinar los valores de la constante de velocidad para cada uno de los niveles de catalizador y así establecer la dependencia de esta constante con respecto a la concentración del catalizador, como se indicó en el acápite 2.4. Para ello, se tomaron los datos de concentración inicial del resorcinol y EAA, así como los valores de concentración de β Metil Umbelliferona obtenidos por la técnica de HPLC, para cada nivel de catalizador. Estos datos se reemplazaron en la Ecuación 2.2, para calcular el valor de la constante de velocidad de cada condición de catalizador, de la siguiente forma: 72 ݇ ή ൫ܥாሺሻ െ ܥோሺሻ ൯ ή ݐൌ ݈݊ ቈ ܥோሺሻ ή ൫ܥாሺሻ െ ܥସିெ ൯ ܥாሺሻ ή ൫ܥோሺሻ െ ܥସିெ ൯ ሾ͵Ǥʹሿ Donde: k: constante de velocidad t: tiempo CEAA(o): concentración inicial del EAA CR(o): concentración inicial del resorcinol C4-MU: concentración de β Metil Umbelliferona Los datos que corresponden a la Ecuación 3.2, para cada nivel de catalizador, se muestran en las Tablas 3.13, 3.14 y 3.15. Tabla 3.13. Concentración de β Metil Umbelliferona y términos para el cálculo de la constante de velocidad, cuando se emplea 77,71 % mol de HCl (CEEA(o) = 7,85E-3 [mol], CR(o) = 7,49E-3 [mol]) ࡾሺሻ ൈ ሺࡱሺሻ െ ିࡹࢁ ሻ ࡱሺሻ ൈ ሺࡾሺሻ െ ିࡹࢁ ሻ t [min] C4-MU [mol] 5 2,23E-3 10 3,83E-3 4,59E-2 20 4,14E-3 5,42E-2 30 4,72E-3 7,38E-2 45 5,17E-3 9,53E-2 ቈ 1,89E-2 Tabla 3.14. Concentración de β Metil Umbelliferona y términos para el cálculo de la constante de velocidad, cuando se emplea 82,30 % mol de HCl (CEEA(o) = 7,85E-3 [mol], CR(o) = 7,49E-3 [mol]) ࡾሺሻ ൈ ሺࡱሺሻ െ ିࡹࢁ ሻ ࡱሺሻ ൈ ሺࡾሺሻ െ ିࡹࢁ ሻ t [min] C4-MU [mol] 5 4,33E-3 10 4,52E-3 6,61E-2 20 4,99E-3 8,61E-2 30 5,87E-3 1,51E-1 45 6,08E-3 1,78E-1 ቈ 5,99E-2 73 Tabla 3.15. Concentración de β Metil Umbelliferona y términos para el cálculo de la constante de velocidad, cuando se emplea 87,46 % mol de HCl (CEEA(o) = 7,85E-3 [mol], CR(o) = 7,49E-3 [mol]) ࡾሺሻ ൈ ሺࡱሺሻ െ ିࡹࢁ ሻ ࡱሺሻ ൈ ሺࡾሺሻ െ ିࡹࢁ ሻ t [min] C4-MU [mol] 5 4,49E-3 10 5,02E-3 8,75E-2 20 5,44E-3 1,13E-2 30 6,15E-3 1,87E-1 45 6,42E-3 2,37E-1 ቈ 6,52E-2 Para poder aplicar la Ecuación 3.2 y determinar los valores de la constante de velocidad, primero se verificó que la reacción de obtención de β Metil Umbelliferona fuera de segundo ೃሺሻ ή൫ಶಲಲሺሻ ିరషಾೆ ൯ ݈݊ ಶಲಲሺሻ ή൫ೃሺሻ ିరషಾೆ ൯ orden. Para esto se graficaron los valores de ൨ en función del tiempo para cada nivel de catalizador, siendo la tendencia de estas representaciones lineal, como se muestra en la Figura 3.10. 3,0E-01 2,5E-01 y = 0,0044x + 0,0403 R² = 0,9770 ) 2,0E-01 1,5E-01 y = 0,0032x + 0,0375 R² = 0,9450 1,0E-01 y = 0,0017x + 0,0192 R² = 0,9466 5,0E-02 0,0E+00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 t [min] 77,71 %mol de HCl 82,30 %mol de HCl Figura 3.10. Representación gráfica de ࡾሺሻ ή൫ࡱሺሻ ିషࡹࢁ ൯ ࡱሺሻ ή൫ࡾሺሻ ିషࡹࢁ ൯ 87,46 %mol de HCl ൨ en función del tiempo, para cada nivel de catalizador empleado en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona 74 En la Figura 3.10 se observa que los valores de los coeficientes de correlación (R2) para cada uno de los niveles de catalizador, se aproximan a uno. Esto indica que ೃሺሻ ή൫ಲಶሺሻ ିరషಾೆ ൯ las curvas de ݈݊ ಲಶሺሻ ή൫ೃሺሻ ିరషಾೆ ൯ ൨ en función del tiempo son lineales. Por este motivo, se concluye que los datos experimentales obtenidos para la β Metil Umbelliferona, mediante el método de síntesis convencional, se ajustan a una cinética de segundo orden (Acuña, 2011, p. 19; Rodríguez, 2005, p. 321). Con las ecuaciones de las rectas dadas en la Figura 3.10., se encontraron los valores de las constantes de velocidad (k) para cada uno de los niveles de catalizador (HCl), cuyos resultados se presentan en la Tabla 3.16. Tabla 3.16. Valores de las constantes de velocidad (k) para cada nivel de catalizador utilizado en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona *[H+] Cantidad de Catalizador [% mol] [mol/L] Constante de Velocidad k [M-1 min-1] 77,71 5,34E-2 4,818 82,30 7,12E-2 9,066 87,46 1,07E-1 12,464 * El catalizador utilizado se disocia completamente, entonces la concentración de iones H+ corresponde a la concentración del ácido clorhídrico De acuerdo con Ramírez y Hernández (2014), existe una relación lineal entre la constante de velocidad (k) y la concentración del catalizador, puesto que en la catálisis homogénea las reacciones catalizadas por ácidos fuertes se rigen por la Ecuación 3.3 (pp. 159–160). ݇௦ ൌ ݇ ݇ு శ ൈ ܥு శ ሾ͵Ǥ͵ሿ Donde: kobs: constante de velocidad determinada para cada nivel de catalizador ko: constante de velocidad en ausencia de catalizador ݇ு శ : constante catalítica de iones H+ ܥு శ : concentración de iones H+ 75 Para comprobar si esta relación se cumple para los datos experimentales obtenidos, se graficaron los valores de las constantes de velocidad, presentadas en la Tabla 3.16., con respecto a la concentración de los iones H+, como se muestra en la Figura 3.11. 14,0 Constante de Velocidad [M-1 min-1] 12,0 10,0 y = 136,3x - 1,7352 R² = 0,9367 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 0,0E+00 2,0E-02 4,0E-02 6,0E-02 8,0E-02 1,0E-01 1,2E-01 Concentración de iones H+ [mol/L] Figura 3.11. Variación de la constante de velocidad de la reacción de β Metil Umbelliferona con respecto a la concentración de iones H+ En la Figura 3.11, se observa que la constante de velocidad de reacción tiene una relación lineal con respecto a la concentración de iones H+, puesto que el valor del coeficiente de correlación (R2) es mayor que 0,90 (Acuña, 2011, p. 19; Rodríguez, 2005, p. 321). Adicionalmente, en la ecuación de la recta, presentada en la Figura 3.11., se observa que el punto de corte (ko) es negativo, esto indica que en ausencia de catalizador, la reacción ocurre muy lentamente. Por este motivo, en las pruebas 76 preliminares en las que se utilizaron cantidades menores a 77,71 % mol de HCl, no se formó el producto. El estudio de dependencia de la constante de velocidad con respecto a la cantidad de catalizador, solo se efectuó para el método convencional, puesto que se tuvieron condiciones isotérmicas, mientras que para el método por microondas no se tuvieron estas condiciones. 3.6. DEFINICIÓN DEL DIAGRAMA DE BLOQUES Y SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS PARA UNA PLANTA PILOTO DE OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA Como se indicó en el acápite 2.6., para la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona se fijó una producción de 280 kg/año. Se ha previsto que la planta piloto opere en un único turno de ocho horas, cinco días a la semana, de tal modo que la producción diaria sería 1,2 kg de β Metil Umbelliferona, aproximadamente. El tipo de operación de la planta piloto será batch. Se seleccionó este tipo de operación porque para reacciones en microondas, varios autores han informado la viabilidad de escalar directamente las condiciones de reacción desde una de pequeña escala a una de gran escala, con operación batch, sin volver a optimizar las condiciones de reacción (Kappe, 2004, p. 6 275; Díaz-Ortiz et al., 2011, p. 147). Los sistemas que utilizan síntesis con microondas son considerados de pequeña escala o escala laboratorio cuando permiten obtener menos de 1 g de producto por corrida. Los sistemas serán de mediana escala o escala piloto cuando se obtienen más de 100 g de producto por corrida. En el caso de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona diseñada en este estudio, se calculó un rendimiento de 166,67 g por corrida, con una frecuencia de siete corridas por día (Kappe, 2004, p. 6 275; Kremsner et al., 2006, pp. 236-237). 77 3.6.1. DEFINICIÓN DEL PRODUCTO Y CONDICIONES DE OPERACIÓN PARA LA PLANTA PILOTO El producto a obtenerse es β Metil Umbelliferona, el mismo que se definió con las características que se muestran en la Tabla 3.17. Tabla 3.17. Características del producto (β Metil Umbelliferona) que se procesará en la planta piloto Características Detalle Pureza 96,7 % Contenido envase 50 [g] Material del envase Polietileno Dentro de la planta piloto de síntesis de β Metil Umbelliferona, se establecieron los siguientes procesos: molienda, pesado, mezcla, reacción en microondas, cristalización, filtración, recristalización, secado y envasado. Estos procesos se detallan en el acápite 3.6.3. Las condiciones de operación para los procesos de la planta piloto fueron definidas con base en las pruebas experimentales realizadas y detalladas en los capítulos anteriores. Un resumen de estas condiciones se presenta en la Tabla 3.18. Tabla 3.18. Condiciones de operación para la obtención de β Metil Umbelliferona Proceso Condiciones de Operación Valor Tiempo [s] 50 Reacción en microondas Cantidad de catalizador [% mol de HCl] 48,18 Cristalización Temperatura de agua [ºC] 10 Solvente Etanol 50 % Temperatura de calentamiento [ºC] 30 Temperatura de enfriamiento [ºC] 10 Temperatura de secado [ºC] 40 Recristalización Secado 78 3.6.2. BALANCE DE MASA Y ENERGÍA PARA LA PLANTA PILOTO DE OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA Con la definición de la metodología y las condiciones de operación, se realizó el balance de masa para la planta piloto y se obtuvieron las cantidades de materia prima e insumos requeridos, que se muestran en la Tabla 3.19. Tabla 3.19. Cantidades de materia prima e insumos requeridos para una producción diaria de 1,2 kg de β Metil Umbelliferona Materia Prima o Insumo Cantidad [kg/día] [L/día] Resorcinol 1,22 -- Acetoacetato de Etilo 1,52 1,48 Ácido Clorhídrico al 37 % 0,77 0,59 Etanol al 50% 4,64 5,90 Agua Destilada 74,20 74,20 Los cálculos para el balance de masa de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona se muestran en el Anexo VIII. En la Tabla 3.20., se presenta el balance de energía de la planta piloto de β Metil Umbelliferona, el mismo que se elaboró con base en la potencia eléctrica que utiliza cada equipo y en el tiempo que dichos equipos permanecerán encendidos durante la jornada de trabajo. 79 Tabla 3.20. Cantidad de energía diaria necesaria para el funcionamiento de la planta piloto de β Metil Umbelliferona Proceso o Unidad Productiva 3.6.3. Energía [kW-h] Molienda 0,30 Mezcla 1,40 Reacción en microondas 0,18 Cristalización 0,90 Filtración 1,86 Recristalización 0,15 Secado 19,20 Envasado 0,27 Destilación 24,00 TOTAL 48,26 DEFINICIÓN DEL DIAGRAMA DE BLOQUES PARA LA PLANTA PILOTO DE OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA En el acápite 3.6.1 se establecieron los procesos u operaciones básicas de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona, de acuerdo con la metodología desarrollada a escala de laboratorio. En la Figura 3.12, se muestra el diagrama de bloques de la planta piloto, donde, además, se incluyen las corrientes de materia prima, insumos y producto terminado, cuyos valores se determinaron con el balance de masa. Molienda HCl 37 % (0,11 kg/día) Pesado Mezcla Resorcinol + EAA + HCl EAA (0,22 kg/día) Reacción en Microondas 4-MU + Impurezas Tapas Envases 4-MU 4-MU 4-MU + Impurezas Etiquetas ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA NOMBRE DEL PROYECTO: PLANTA PILOTO DE OBTENCIÓN DE 4-MU ELABORADO POR: PAGINAS: Mayra A. Jaramillo H. 1 DE 1 FECHA: BFD 11/07/2014 4-MU Envasado (1,2 kg/día) Envasado 4-MU Secado T = 40 ºC Etanol 50% (4,64 kg/día) Recristalización H2O destilada (31,5 kg/día) Filtración y Lavado Cristalización H2O destilada (11,2 kg/día) 4-MU + Impurezas H2O destilada (31,5 kg/día) Figura 3.12. Diagrama de bloques para la planta piloto de obtención de 280 kg/año de β Metil Umbelliferona (4-MU) Resorcinol (1,22 kg/día) 80 80 81 La secuencia de operaciones que se presenta en la Figura 3.12., se detalla a continuación: Molienda: Este proceso se realiza para homogeneizar el resorcinol, puesto que este compuesto se presenta en forma de escamas, de alrededor de 7 mm. El resorcinol en polvo permite que los procesos de mezcla y reacción sean más eficientes. Pesado: Una vez que el resorcinol se encuentra en forma de polvo, se procede al pesado del mismo. Se deben pesar alrededor de 0,17 kg de resorcinol por corrida y al día se realizarán 7 corridas. Mezcla: En el reactor para el microondas se colocan 0,17 kg de resorcinol y se añaden 0,21 L de EAA. De inmediato se adicionan gota a gota y con agitación constante 0,08 L de HCl concentrado (48,18 % mol). Las cantidades indicadas de los reactivos corresponden a una corrida. Reacción en Microondas: Este es el proceso principal de la planta piloto, puesto que aquí se realiza la síntesis de β Metil Umbelliferona y se debe realizar con la correspondiente seguridad. El reactor que contiene la mezcla de reacción se coloca en el microondas, el mismo que se programa a una potencia de 1 200 W y un tiempo de 50 s. Una vez finalizada la reacción, se debe dejar enfriar el reactor a temperatura ambiente y por un tiempo de 5 min, antes de abrirlo. Cristalización: Mediante este proceso se verifica la formación de β Metil Umbelliferona. Este proceso consiste en verter la mezcla en forma de chorro fino en 4,5 L de agua helada (10 ºC). Este proceso debe realizarse con agitación constante, puesto que de lo contrario se forma una pasta resinosa. Filtración y Lavado: Se separa el sólido formado por filtración al vacío y se lava con agua destilada (no más de 0,8 L). 82 Recristalización: Se lleva a cabo mediante dos procesos: primero el sólido formado se disuelve en 0,84 L de etanol al 50 % y se calienta la mezcla a una temperatura de 30 ºC por 10 min, con agitación constante; luego la mezcla se deja enfriar a temperatura ambiente por 5 min y se vierte en forma de chorro fino en 4,5 L de agua helada (10 ºC), con agitación constante. Al terminar la recristalización se realiza nuevamente el proceso de filtración y lavado. Secado: El sólido formado se coloca en una estufa a una temperatura de 40 ºC por un periodo mínimo de 3 días, para garantizar que el producto se encuentre seco. Envasado: Este es el proceso final en la planta, en el cual el producto se llena en frascos de 50 g, se sella el envase y se coloca la etiqueta respectiva. 3.6.4. SELECCIÓN DE EQUIPOS PARA LA PLANTA PILOTO DE OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA En la Tabla 3.21. se presentan los equipos y materiales que se seleccionaron para la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona. Para la selección de los equipos detallados en la Tablaa 3.21. se consultaron en diferentes catálogos del mercado a nivel nacional e internacional. Se escogieron los más adecuados y que se ajusten a la producción de β Metil Umbelliferona establecida (1,20 kg/día). Las cotizaciones de estos equipos se muestran en el Anexo IX. 83 Tabla 3.21. Selección de equipos y materiales para la planta piloto de obtención de 280 kg/año de β Metil Umbelliferona (4-MU) Material / Equipo Número de unidades Tiempo de funcionamiento al día [h] Molienda Molino 1 0,55 Pesado Balanza 1 0,55 Sorbona 1 Bureta automática 1 Microondas 1 Agitador magnético 1 Vasos de precipitación de 10 L 2 Filtro de vacío (NUCHA) 1 2,33 Reactor IKA1 1 1,17 Estufa 1 24,00 Llenadora 1 0,17 Selladora 1 0,08 Destilador 1 4,00 Proceso Mezcla Reacción en microondas Cristalización Filtración y Lavado Recristalización Secado Envasado Destilación2 1,75 0,12 1,75 1 Para la recristalización se utilizará un reactor, porque este equipo permite mantener una temperatura de calentamiento constante. 2 La destilación es un proceso auxiliar de la planta piloto para obtener el agua destilada que se utilizará en todas las secuencias de operaciones. La descripción detallada, dimensiones, capacidad y potencias del molino, balanza, sorbona, horno microondas, agitador magnético, filtro de vacío, reactor para recristalización, estufa, llenadora, selladora y destilador, se presentan en las hojas de especificaciones descritas en las Tablas 3.22., 3.23., 3.24., 3.25., 3.26., 3.27., 3.28., 3.29., 3.30., 3.31. y 3.32., respectivamente. 84 Tabla 3.22. Hoja de especificación del molino MOLINO IDENTIFICACIÓN Fabricante: IKA Modelo: M20 Universal Número de equipos: Uno FUNCIÓN Reducir el tamaño del resorcinol OPERACIÓN Batch Dimensiones del molino: Altura = H= 0,35 [m] Largo = L = 0,17 [m] Profundidad = Pr = 0,17 [m] Volumen utilizable máx.: 250 [mL] DATOS DE DISEÑO Condiciones de operación: Consumo de energía: 550 [W] Voltaje: 230/115 [V]; Frecuencia: 50/60 [Hz] Velocidad máx.: 20 000 [rpm] Máx. tamaño en grano del producto 7 [mm] MATERIAL DE FABRICACIÓN Acero inoxidable 1.4034 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Reducción de tamaño de sustancias duras o quebradizas en seco mediante corte/impacto. H L Pr Molino Universal M20 85 Tabla 3.23. Hoja de especificación de la balanza BALANZA IDENTIFICACIÓN Fabricante: LEXUS Modelo: MIX-A-300 Número de equipos: Uno FUNCIÓN Pesar el resorcinol molido en cantidades exactas para cada corrida de reacción para obtener β Metil Umbelliferona OPERACIÓN Batch Dimensiones de la balanza: Largo = L = 0,162 [m] Profundidad = Pr = 0,15 [m] DATOS DE DISEÑO MATERIAL DE FABRICACIÓN Condiciones de operación: Consumo de energía: Batería recargable Capacidad: 300 [g] División: 0,01 [g] Máx. tamaño en grano del producto 7 [mm] Plato en acero inoxidable y cuerpo en ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno, plástico muy resistente al impacto) Pr L Balanza MIX-A-300 86 Tabla 3.24. Hoja de especificación de la sorbona SORBONA o EXTRACTORA DE GASES IDENTIFICACIÓN Fabricante: HUILV Modelo: Tf-1200 Número de equipos: Uno FUNCIÓN Eliminar vapores que se produzcan durante la mezcla de los reactivos y catalizador OPERACIÓN Batch DATOS DE DISEÑO Dimensiones de la sorbona: Altura = H= 2,35 [m] Largo = L = 1,50 [m] Profundidad = Pr = 0,8 [m] Condiciones de operación: Consumo de energía: 800 [W] Voltaje: 220[V]; Frecuencia: 50 [Hz] MATERIAL DE FABRICACIÓN Cuerpo de gabinete: acero y recubrimiento de resina epoxi Ventana: vidrio templado PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Cuando se mezclan los reactivos: resorcinol con EAA y el catalizador (HCl concentrado), se produce emisión de vapores que resulta perjudicial para la salud del operador que realice la mezcla, por este motivo la mezcla se debe realizar en este equipo que permite eliminar estos vapores. Extractora de gases Tf-1200 87 Tabla 3.25. Hoja de especificación del horno microondas ESTACIÓN DE TRABAJO DE MICROONDAS PARA REACCIONES QUÍMICAS IDENTIFICACIÓN Fabricante: SINEO Modelo: MWave-5000 Número de equipos: Uno FUNCIÓN Permite la síntesis de compuestos químicos, en este caso la síntesis de β Metil Umbelliferona. OPERACIÓN Batch Dimensiones de la estación de trabajo de microondas: Altura = H= 0,60 [ m] Largo = L = 0,50 [m] Profundidad = Pr = 0,48 [m] Capacidad de Reactor Cerrado: 500 [mL] Condiciones de operación: Consumo de energía: 1 500 [W] Voltaje: 220[V]; Frecuencia: 50/60 [Hz] Rango de Presión: 0 – 5 [MPa]; precisión ± 0,01 [MPa]; Máx. presión de trabajo: 2 [MPa] Rango de Temperatura: 0 – 250 [ºC]; precisión ± 1 [ºC]; Máx. temperatura de trabajo: 220 [ºC] DATOS DE DISEÑO MATERIAL DE FABRICACIÓN Recipiente de reacción por fuera: Fibras compuestas de alta resistencia y anti-estallido Recipiente de reacción por dentro: TFM (resina de PTFE modificado) PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Se coloca el recipiente de reacción (reactor) cerrado en la estación de trabajo y se programa el tiempo de reacción. El modo de operación es multimodo, por lo que se asemeja a un horno de microondas doméstico. En esta estación se pueden procesar hasta 1000 mL de mezcla y, debido a las tecnologías desarrolladas, se tiene un control adecuado de la presión y la temperatura. Estación Microondas MWave-5000 88 Tabla 3.26. Hoja de especificación del agitador magnético AGITADOR MAGNÉTICO IDENTIFICACIÓN Fabricante: OVAN Modelo: MBG15E Número de equipos: Uno FUNCIÓN Se utiliza para realizar la cristalización de β Metil Umbelliferona OPERACIÓN Batch DATOS DE DISEÑO Dimensiones del agitador magnético: Altura = H= 0,130 [m] Largo = L = 0,260 [m] Profundidad = Pr = 0,210 [m] Diámetro del Plato = 0,154 [m] Condiciones de operación: Consumo de energía: 512 [W] Rango de velocidad: 300 – 1 500 [rpm]; resolución: 10 niveles. Volumen máx.: 15 [L] MATERIAL DE FABRICACIÓN Plato en acero inoxidable AISI304 Agitador Magnético MBG15E 89 Tabla 3.27. Hoja de especificación del filtro de vacío FILTRO DE VACÍO IDENTIFICACIÓN Fabricante: Büchiglasuster Modelo: Nucha de 10L Número de equipos: Uno FUNCIÓN Permite efectuar separaciones sólido/líquido después de la síntesis, mediante filtración al vacío OPERACIÓN Batch Dimensiones del filtro de vacío: Altura = H= 2,0 [m] Largo = L = 1,5 [m] Profundidad = Pr = 1,0 [m] Capacidad: 10 [L] DATOS DE DISEÑO Condiciones de operación: Consumo de energía: 800 [W] Voltaje: 230/400 [V]; Frecuencia: 50 [Hz] Rango de Presión: -1,0/+0,5 [bar] Rango de Temperatura: -40/+150 [ºC] Tamaño de poro del filtro: 8 – 115 [µm] MATERIAL DE FABRICACIÓN Vidrio borosilicato 3.3/PTFE/PFA/ETFE PRINCIPIOS DE OPERACIÓN La solución (4-MU más agua) se transfiere al filtro. El contenido sólido (4-MU) de la solución se retiene en la tela filtrante en una torta, mientras que el filtrado fluye hacia la válvula de descarga de la base. La torta sólida (4-MU) se recoge fácilmente desde arriba al abrir la tapa y bajar el vaso filtro de vidrio que está sujeto al sistema elevador. Filtro al vacío NUCHA 90 Tabla 3.28. Hoja de especificación del reactor para recristalización REACTOR IDENTIFICACIÓN Fabricante: IKA Modelo: LR-2.ST Paquete 1 Número de equipos: Uno FUNCIÓN Permite el calentamiento a temperatura constante de la mezcla (β Metil Umbelliferona disuelta en etanol al 50%) OPERACIÓN Batch Dimensiones del reactor: Altura = H= 1,24 [ m] Largo = L = 0,46 [m] Profundidad = Pr = 0,43 [m] Capacidad: 500 - 2000 [mL] DATOS DE DISEÑO Condiciones de operación: Consumo de energía: 130 [W] Voltaje: 230/115 [V]; Frecuencia: 50/60 [Hz] Rango de Temperatura: temperatura ambiental - 230 [ºC] Rango velocidad: 8-290 [rpm] MATERIAL DE FABRICACIÓN Vidrio de borosilicato, FFPM, PTFE, acero 1.4571 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN La torta sólida (4-MU), procedente de la filtración se coloca en el reactor y se disuelve con etanol al 50 %. Se cierra el reactor y se asegura. Finalmente se enciende el equipo y se programa la temperatura y la velocidad de agitación. Reactor IKA para recristalización 91 Tabla 3.29. Hoja de especificación de la estufa ESTUFA IDENTIFICACIÓN Fabricante: Binder Modelo: ED 23, RS422 Número de equipos: Uno FUNCIÓN Secar el producto (β Metil Umbelliferona) OPERACIÓN Batch DATOS DE DISEÑO Dimensiones de la estufa: Altura = H= 0,492 [m] Largo = L = 0,433 [m] Profundidad = Pr = 0,516 [m] Capacidad: 20 [L] Condiciones de operación: Consumo de energía: 800 [W] Voltaje: 110 [V] Rango de Temperatura: 5 - 300 [ºC] H Pr L Estufa Binder ED 23 92 Tabla 3.30. Hoja de especificación de la llenadora LLENADORA SEMIAUTOMÁTICA IDENTIFICACIÓN Fabricante: Jie Swisu Modelo: CJXH-FT Número de equipos: Uno FUNCIÓN Permite colocar el producto sólido (β Metil Umbelliferona) en sus respectivos envases (50 g) OPERACIÓN Batch DATOS DE DISEÑO Dimensiones de la llenadora semiautomática: Altura = H= 1,90 [m] Largo = L = 1,00 [m] Profundidad = Pr = 0,65 [m] Condiciones de operación: Consumo de energía: 900[W] Voltaje: 220/380 [V]; Frecuencia: 50/60 [Hz] MATERIAL DE FABRICACIÓN Acero inoxidable Llenadora Semiautomática 93 Tabla 3.31. Hoja de especificación de la selladora SELLADORA IDENTIFICACIÓN Fabricante: China Coal Modelo: LGYF-1500 Número de equipos: Uno FUNCIÓN Sellar el envase que contiene el producto (β Metil Umbelliferona) OPERACIÓN Batch DATOS DE DISEÑO Dimensiones de la selladora: Altura = H= 0,40 [ m] Largo = L = 1,15 [m] Profundidad = Pr = 0,48 [m] Condiciones de operación: Consumo de energía: 1 500[W] Voltaje: 110/220 [V]; Frecuencia: 50/60 [Hz] MATERIAL DE FABRICACIÓN Acero inoxidable Reactor IKA para recristalización 94 Tabla 3.32. Hoja de especificación del destilador DESTILADOR IDENTIFICACIÓN Fabricante: Guangming Modelo: GMZ-20 Número de equipos: Uno FUNCIÓN Obtener agua purificada para su posterior uso en los diferentes procesos de la planta piloto OPERACIÓN Batch Dimensiones del destilador: Altura = H= 0,97 [ m] Diámetro = D = 0,48 [m] DATOS DE DISEÑO Condiciones de operación: Consumo de energía: 6 000 [W] Voltaje: 380 [V] Capacidad: 20 [L/h] MATERIAL DE FABRICACIÓN Acero inoxidable Destilador de agua 3.6.5. LAY OUT DE LA PLANTA PILOTO DE OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA Para elaborar el “lay out” de la planta piloto de fabricación de β Metil Umbelliferona, primero se realizó el diagrama de recorrido del producto, como se muestra en la 95 Figura 3.13, donde se observan todos los procesos necesarios para obtener β Metil Umbelliferona purificada. El “lay out” de la planta piloto de β Metil Umbelliferona, se presenta en la Figura 3.14. MOLIENDA Y PESADO Resorcinol Simbología Proceso Materia Prima y/o Producto terminado Resorcinol MEZCLA EAA HClconcentrado Resorcinol + EAA + HCl REACCIÓN EN MICROONDAS 4-MU + Impurezas RECRISTALIZACIÓN CRISTALIZACIÓN 4-MU + Impurezas 4-MU 4-MU + Impurezas FILTRACIÓN Y LAVADO 4-MU SECADO 4-MU Envases y Tapas Frasco de 4-MU Etiquetas ENVASADO Figura 3.13. Diagrama de recorrido del producto (β Metil Umbelliferona o 4-MU) Figura 3.14. “Lay out” de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA NOMBRE DEL PROYECTO: PLANTA PILOTO DE OBTENCIÓN DE 4-MU ELABORADO POR: PAGINAS: Mayra A. Jaramillo H. 1 DE 1 FECHA: ESCALA Lay Out 28/08/2014 1:65 96 97 Para poder realizar una lectura adecuada del “lay out” que se presentó en la Figura 3.14., en la Tabla 3.33. se muestra la nomenclatura de los equipos utilizados. Tabla 3.33. Nomenclatura de equipos utilizados en el “lay out” de la planta piloto de β Metil Umbelliferona Símbolo Equipo MU-101 Molino universal B-102 Balanza SM-103 Sorbona MRx-104 Horno microondas AC-105 Agitador para la cristalización FV-106 Filtro de vacío RRC-107 Reactor para recristalización E-108 Estufa LLF-109 Llenadora de frascos SF-110 Selladora de frascos Adicionalmente, de la distribución en planta se concluye que el área del terreno necesario para la construcción de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona corresponde a 285 m2. 3.7. ANÁLISIS DE LOS COSTOS DE OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA Una vez seleccionados los equipos y materiales de la planta piloto, se consultaron en el mercado sus respectivos precios, los cuales se muestran en la Tabla 3.34. Las cotizaciones que sirvieron para elaborar la Tabla 3.34. se encuentran en el Anexo IX. 98 Tabla 3.34. Precios de materiales y equipos para la planta piloto de β Metil Umbelliferona Material/ Equipo Costo Unitario [USD] Molino, marca IKA, modelo M20 Universal 6 279,84 Balanza, marca LEXUS, modelo MIX-A-300 277,27 Sorbona, marca HUILV, modelo Tf-1200 2 114,00 Bureta Automática, marca SCIENCEWARE, 10 mL, 1000 mL reservorio. 276,01 Microondas, marca SINEO, modelo MWave-5000 13 350,00 Vaso de Precipitación, 10L, marca UNITED 137,01 Agitador Magnético, marca OVAN, modelo MBG15E 602,56 Filtro de Vacío, marca Büchiglasuster, modelo Nucha de 10L 25 000,00 Reactor, marca IKA, modelo LR-2.ST Paquete 1 21 434,56 Estufa, marca Binder, modelo ED 23, RS422 4 248,16 Llenadora, marca Jie Swisu, modelo CJXH-FT 3 840,00 Selladora, marca China Coal, modelo LGYF-1500 1 690,00 Destilador, marca Guangming, modelo GMZ-20 452,00 Para el análisis de costos de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona, primero se determinó la inversión inicial, como se muestra en la Tabla 3.35. Para determinar el valor de esta inversión se consideraron los costos del terreno y las construcciones, los equipos y los muebles de oficina, los materiales y los equipos de la planta de proceso. Los precios de estos últimos se presentaron en la Tabla 3.34. Tabla 3.35. Inversión inicial para la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona Denominación Terreno y construcciones Equipos y muebles de oficina Materiales y equipos TOTAL INVERSIÓN INICIAL Valor [USD] 50 344,00 4 750,00 79 838,42 134 932,42 De la Tabla 3.35., se determinó que la inversión inicial para la planta piloto de β Metil Umbelliferona correspondería a 134 932,42 USD. 99 Además, se determinaron los gastos de materia prima e insumos, materiales indirectos y suministros; los mismos que se presentan en las Tablas 3.36., 3.37. y 3.38., respectivamente. Para determinar estos gastos se utilizaron los datos de los precios de la Tabla 2.6 y los resultados de los balances de masa y energía, presentados en las Tablas 3.19. y 3.20. Tabla 3.36. Gastos de materia prima e insumos para la planta piloto de β Metil Umbelliferona Nombre Compuesto Unidad Cantidad del compuesto por día Cantidad del Cantidad del compuesto compuesto por mes por año Costo [USD/ Unidad] Resorcinol kg 1,22 24,40 292,80 593,32 173 724,10 EAA L 1,48 29,60 355,20 17,42 6 187,58 Ácido Clorhídrico L 0,59 11,80 141,60 12,43 1 760,09 Etanol (95 %) L 3,10 62,00 744,00 21,50 15 996,00 TOTAL Costo por año [USD] 197 667,77 Tabla 3.37. Gastos de materiales indirectos para la planta piloto de β Metil Umbelliferona Designación del Material Cantidad de Unidades por día Frascos y tapas, 50 g 24 480 5 760 0,15 858,24 Etiquetas 24 480 5 760 0,05 288,00 Cantidad de Cantidad de Unidades por mes Unidades por año Costo Unitario [USD] TOTAL Costo por año [USD] 1 146,24 Tabla 3.38. Gastos de suministros para la planta piloto de β Metil Umbelliferona Costo Diario [USD] Costo Mensual [USD] Costo anual [USD] Designación del suministro Unidad Cantidad diaria Costo [USD/Unidad] Electricidad kW-h 48,26 0,08 3,86 77,20 926,40 Agua potable m3 0,44* 0,72 0,42 8,44 101,28 TOTAL * En esta cantidad se incluye el agua que se utiliza para lavado de materiales y equipos. 1 027,68 100 También de estimaron los gastos fijos, que corresponden al pago de los sueldos de la nómina de fuerza laboral y administrativa; los mismos que se muestran en la Tabla 3.39. Tabla 3.39. Gastos fijos para la planta piloto de β Metil Umbelliferona Salario Mensual [USD] Aporte Patronal de 12.15% al IESS [USD] Total mensual, exbonificaciones [USD] Total anual, exbonificaciones [USD] Gran total anual [USD] Puesto de Trabajo Número de empleados Operario Área Producción 1 425,00 51,64 476,64 5 719,65 7 203,24 Operario Área Envasado 1 425,00 51,64 476,64 5 719,65 7 203,24 Gerente General 1 1 000,00 121,50 1 121,50 13 458,00 16 553,75 Contador 1 625,00 75,94 700,94 8 411,25 10 455,59 Vendedor 1 425,00 51,64 476,64 5 719,65 7 203,24 Guardia 1 400,00 48,60 448,60 5 383,20 6 796,70 Secretaria 1 400,00 48,60 448,60 5 383,20 6 796,70 TOTAL 62 212,48 Se estableció un precio de venta de cada frasco de 50 g de β Metil Umbelliferona en 56 USD. Finalmente, con los datos de las Tablas 3.35., 3.36., 3.37., 3.38. y 3.39., se estimó el costo de producción y se calcularon los valores de la TIR y el VAN, los cuales se muestran en la Tabla 3.40. Tabla 3.40. Resultados del análisis económico para la obtención de β Metil Umbelliferona Designación Costo de Producción Tasa Interna de Retorno (TIR) Valor Actual Neto (VAN) Valor 255 556,54 [USD] 79 [%] 38 032,60 [USD] 101 En la Tabla 3.40. se observa que los gastos anuales necesarios para mantener la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona corresponden a 255 556,54 USD. En cuanto a los indicadores económicos, que se calcularon con una proyección de duración del proyecto de 10 años, se observa que el valor de la TIR fue 79 %, el cual es mayor que el costo de oportunidad estimado de 7,28 %, que corresponde a la tasa de interés pagada por los bancos en Ecuador. Esto constituye un indicativo de que, tal y como se ha formulado el proyecto, se podrá pagar la inversión y se tendrán utilidades. Por otra parte, el valor del VAN (38 032,60 USD) es mayor que cero y muestra que existirán ganancias por encima de la rentabilidad generada en el proyecto (Banco Central del Ecuador, 2014). De los resultados generados a través de los indicadores económicos, se concluye que la planta piloto de β Metil Umbelliferona es rentable. 102 4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 4.1. CONCLUSIONES 1. Se determinó que la zona de máxima incidencia de irradiación en el microondas doméstico PANASONIC, correspondió a una región entre los radios de 8 y 15 cm desde el centro del plato giratorio y que el volumen de agua que permitió la operatividad del sistema para la síntesis de β Metil Umbelliferona por microondas, en este estudio, fue de 500 mL. 2. Se estableció que las longitudes de onda de máxima absorbancia para la β Metil Umbelliferona, el EAA y el resorcinol, fueron 320, 270 y 275 nm, respectivamente. 3. Las condiciones de reacción que permitieron obtener la máxima conversión de β Metil Umbelliferona, en el proceso de síntesis convencional, correspondieron al uso de 87,46 % mol de HCl concentrado y 45 min de calentamiento. Bajo estas condiciones la conversión alcanzada fue de 85,62 %. 4. Las condiciones de reacción que permitieron obtener la máxima conversión de β Metil Umbelliferona, en el proceso de síntesis por microondas, correspondieron al uso de 48,18 % mol de HCl concentrado y 50 s de irradiación en el microondas. Bajo estas condiciones la conversión alcanzada fue de 59,54 %. 5. La pureza promedio de β Metil Umbelliferona obtenida por el método de síntesis convencional fue de 82,31 % y por el método que usó microonda fue de 92,24 %. 6. Los datos experimentales obtenidos para la β Metil Umbelliferona, mediante el método convencional, se ajustaron a una cinética de segundo 103 orden y la constante de velocidad de reacción tuvo una relación lineal con respecto a la cantidad de catalizador utilizada. 7. Se definió el diagrama de bloques para la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona, el mismo que consistió en los siguientes procesos: molienda, pesado, mezcla, reacción en microondas, cristalización, filtración, recristalización, secado y envasado. Todos los equipos seleccionados se ajustaron a la producción establecida de 1,20 kg/día de β Metil Umbelliferona. 8. El costo de producción anual para la planta piloto fue de 255 556 USD y los valores de TIR y VAN fueron 79 % y 38 032 USD, respectivamente, indicativos de la rentabilidad de la planta piloto diseñada. 4.2. RECOMENDACIONES 1. Utilizar reactores con alivio de presión, si se planifica un trabajo con hornos microondas domésticos, para así poder aumentar los tiempos de reacción y garantizar la seguridad de la operación. 2. Verificar las condiciones de operación planteadas en el presente estudio si se realiza un diseño a escala piloto, puesto que pueden existir variaciones en las mismas, debido al tipo de horno microondas seleccionado. 3. Desarrollar estudios futuros de síntesis por microondas mediante el uso de hornos monomodo o multimodo, que tengan control de presión y temperatura. Este tipo de equipos permite el estudio cinético de las reacciones. 4. Plantear en la EPN nuevos proyectos de síntesis orgánica de compuestos similares en microondas, tales como warfarina, 7-metoxicumarina, 4hidroxicumarina, entre otros, a escala laboratorio y piloto, para fortalecer el 104 campo de la Química Orgánica y Química Fina en la institución y en el país; debido a los beneficios que brinda este tipo de tecnología. 5. Estudiar la posibilidad de aplicación de síntesis con radiación microondas para la obtención de compuestos orgánicos, para disminuir la importación de los mismos en el Ecuador. 105 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. Acuña, E. (2011). Regresión Recuperado Lineal. de http://academic.uprm.edu/eacuna/miniman9sl.pdf. (Agosto, 2014). 2. Ahmed, A. I., EL-Hakam, S. A., Khder, A. S. y AboEl-Yazeed, W. S. (2013). Nanostructure sulfated tin oxide as an efficient catalyst for the preparation of 7-hydroxy-4-methyl coumarin by Pechmann condensation reaction. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 366, 99–108. doi: 10.1016/j.molcata.2012.09.012. 3. Alfa-Aesar. (2006). Ficha de Datos de Seguridad: 4-Methylumbelliferone. Recuperado de http://www.alfa.com/content/msds/SouthAmerican/A10337.pdf. (Septiembre, 2014). 4. Álvarez, J. (2012). La química del microondas. http://www.kimico.info/microondas/articulos/quimica del Recuperado de microondas.pdf (Agosto, 2014). 5. Amore, K. M. y Leadbeater, N. E. 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Los cromatogramas resultantes se muestran en las Figuras AI.1, AI.2 y AI.3, en los cuales se evidencia que se logró separar la β Metil Umbelliferona de los reactivos (resorcinol y EAA). Pero ninguna de las composiciones de fase móvil logró la separación entre los reactivos mencionados. El cromatograma que permitió una mejor resolución del pico de la β Metil Umbelliferona fue el que se muestra en la Figura AI.3. Por este motivo, se eligió que la composición de fase móvil fuera 85:15. 121 Figura AI.1. Cromatograma del análisis por HPLC de la mezcla reactiva que utiliza una composición de fase móvil (MeOH HPLC: Agua) 50:50 Figura AI.2. Cromatograma del análisis por HPLC de la mezcla reactiva que utiliza una composición de fase móvil (MeOH HPLC: Agua) 70:30 122 Figura AI.3. Cromatograma del análisis por HPLC de la mezcla reactiva que utiliza una composición de fase móvil (MeOH HPLC: Agua) 85:15 123 ANEXO II CROMATOGRAMAS DE LOS COMPUESTOS DE LA MEZCLA REACTIVA OBTENIDOS EN EL HPLC Con las condiciones de análisis establecidas para el HPLC, se analizaron las soluciones diluidas de los reactivos (resorcinol y EAA) y de β Metil Umbelliferona estándar, para determinar el tiempo de retención de cada componente químico. Finalmente, se analizó la mezcla reactiva y se verificaron los tiempos de retención en los picos identificados, como se explicó en el acápite 2.3.3.2. En la Figura AII.1 se muestra el cromatograma de la β Metil Umbelliferona; sin embargo, para el resorcinol y el EAA no se logró la separación de ambos compuestos, por lo que no fue posible realizar su identificación. En cambio, en la Figura AII.2 se presenta el cromatograma de la mezcla reactiva con la respectiva identificación de los picos. Figura AII.1. Cromatograma del análisis por HPLC de la solución de 4-MU 9,99 ppm, que utiliza una composición de fase móvil (MeOH HPLC: Agua) 85:15 124 4-MU Reactivos Figura AII.2. Cromatograma del análisis por HPLC de la mezcla reactiva que utiliza una composición de fase móvil (MeOH HPLC: Agua) 85:15, con identificación de picos 125 ANEXO III DATOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA CURVA DE CALIBRACIÓN DE LA β METIL UMBELLIFERONA Como se explicó en el acápite 3.3.1.3, para construir la curva de calibración de la β Metil Umbelliferona, mostrada en la Figura 3.3., se utilizaron los datos de la Tabla AIII.1. Tabla AIII.1. Datos para la construcción de la curva de calibración de la β Metil Umbelliferona Concentración [uM] Área Promedio 0,99 2,63E+6 7,49 5,21E+6 39,95 1,61E+7 49,94 2,03E+7 69,92 2,66E+7 126 ANEXO IV RESULTADOS DE LAS PRUEBAS PRELIMINARES PARA LA DETERMINACIÓN DE LOS NIVELES DEL DISEÑO EXPERIMENTAL PARA EL MÉTODO CONVENCIONAL El diseño experimental que se utilizó fue un diseño factorial de dos variables: tiempo de calentamiento y cantidad de catalizador (HCl concentrado). Para determinar los niveles del diseño experimental de la síntesis de β Metil Umbelliferona por el método convencional, se realizaron pruebas preliminares como se explicó en el acápite 2.3.1.1. De estas pruebas preliminares se obtuvo que para la cantidad de catalizador no se podía utilizar una cantidad de catalizador inferior al 77,71 % mol de HCl (1,5 mL), puesto que, de lo contrario, no se produce la reacción. En cuanto al tiempo de calentamiento no existieron diferencias estadísticamente significativas en la conversión si se trabaja con tiempos mayores a 45 min, como se muestra en la Tabla AIV.1 y en la Figura AIV.1 Tabla AIV.1. Conversión preliminar en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona, con variación de los tiempos de calentamiento y una cantidad de catalizador de 82,30 % mol Tiempo de calentamiento Conversión [min] [%] 5 44,5 10 59,4 20 74,4 30 77,7 45 78,2 60 79,0 127 90 80 70 Conversión [%] 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 Tiempo Calentamiento [min] Figura AIV.1. Variación de la conversión preliminar con respecto al tiempo de calentamiento, a una cantidad de catalizador de 82,30 % mol utilizada en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona 70 128 ANEXO V RESULTADOS DE LAS PRUEBAS PRELIMINARES PARA LA DETERMINACIÓN DE LOS NIVELES DEL DISEÑO EXPERIMENTAL PARA EL MÉTODO NO CONVENCIONAL El diseño experimental que se utilizó fue un diseño factorial de dos variables: tiempo de calentamiento y cantidad de catalizador (HCl concentrado). Para determinar los niveles del diseño experimental de la síntesis de la β Metil Umbelliferona por el método no convencional, se realizaron pruebas preliminares como se explicó en el acápite 2.3.2.1. Para la cantidad de catalizador, se trabajó con valores desde 0,13 mL (23,61 %) hasta 0,9 mL (67,66 %), a un tiempo de calentamiento constante de 20 s. Se tomó como referencia el trabajo realizado por Chattha et al. (2008), que utiliza ácido sulfúrico como catalizador, debido a que hasta la fecha de consulta no se encontraron trabajos de síntesis de β Metil Umbelliferona en microondas con HCl como catalizador (p. 94). Los resultados de este estudio se muestran en la Tabla AV.1. Tabla AV.1. Conversión preliminar en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona, con variación de la cantidad de catalizador y un tiempo constante de 20 s Cantidad de Catalizador Conversión [% mol] [%] 23,61 13,6 31,74 16,1 41,08 28,8 48,18 49,5 53,75 53,0 58,24 54,9 65,03 61,0 67,66 60,2 129 De los resultados presentados en la Tabla AV.1. se decidió que los niveles de cantidad de catalizador sean 48,18 y 58,24 % mol, ya que a estas cantidades se obtuvieron altos valores de conversión. Se decidió no trabajar con cantidades de catalizador superiores a 58,24 % mol de HCl, a pesar de que se podían obtener conversiones mayores a la registrada en este punto, por cuestiones relacionadas con la seguridad del sistema de reacción, puesto que el reactor se hinchó cuando se trabajó con 65,03 y 67,66 % mol de HCl. En la Figura AV.1, se aprecian los valores de conversión registrados en la Tabla AV.1. 70,0 60,0 48,18 % mol Conversión [%] 50,0 58,24 % mol 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Cantidad de catalizador [% mol de HCl] Figura AV.1. Variación de la conversión preliminar con respecto a la cantidad de catalizador, a un tiempo de calentamiento constante de 20 s, utilizado en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona Para el factor tiempo de irradiación, se trabajó con valores desde 20 s hasta 70 s, a una cantidad de catalizador constante de 58,24 % mol de HCl. Los resultados de estas experimentaciones mostraron que no existieron diferencias estadísticamente significativas en la conversión si se trabaja con tiempos mayores a 60 s. 130 En la Tabla AV.2 y en la Figura AV.2, se observan los resultados de la variación del tiempo de irradiación cuando se realizó la síntesis por el método no convencional. Tabla AV.2. Conversión preliminar en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona, con variación del tiempo de irradiación y una cantidad de catalizador de 58,24 % mol Tiempo Conversión [s] [%] 20 54,9 30 63,2 40 63,8 50 64,5 60 67,1 70 68,2 80,0 70,0 Conversión [%] 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Tiempo de irradiación [s] Figura AV.2. Variación de la conversión preliminar con respecto al tiempo de irradiación, a una cantidad de catalizador de 58,24 % mol utilizada en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona 131 ANEXO VI DETERMINACIÓN DEL CV DE LA CONVERSIÓN EN LA SÍNTESIS CONVENCIONAL Y NO CONVENCIONAL DE β METIL UMBELLIFERONA MEDIDA POR LA TÉCNICA DE HPLC El coeficiente de variación (CV) permite conocer la precisión de aplicar un método experimental, ya que nos indica la dispersión de los datos obtenidos en un experimento de laboratorio. Para la determinación del CV de la conversión en la síntesis convencional y no convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica HPLC, se aplicó la Ecuación [A.1], que es la relación entre la desviación estándar y el promedio de los datos examinados (Instituto de Salud Pública de Chile, 2010, p. 8; Tapia, 2012, p. 1). ܸܥൌ ܵ ൈ ͳͲͲΨሾܣǤ ͳሿ ܺ Donde: S: desviación estándar X: promedio de conversiones En las Tablas AVI.1 y AVI.2, se muestran los valores de los promedios de conversión, la desviación estándar y los coeficientes de variación para cada combinación del diseño experimental, del método convencional y por microondas. Como resultados se obtienen valores de CV menores del 15%, en los dos métodos. Para considerar a este valor aceptable se lo debe comparar con el coeficiente de variación de Horwitz (CVh), que es uno de los primeros parámetros empíricos y se lo ha utilizado como valor de referencia para evaluar pruebas en laboratorios (Rivera y Rodríguez, 2010, p. 2). Para determinar el CVh se utilizó la Trompeta de Horwitz, que se muestra en Figura AVI.1. 132 Tabla AVI.1. Conversión en la síntesis convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica de HPLC, con los parámetros estadísticos considerados Cantidad de Catalizador [% mol] 77,71 82,30 87,46 Tiempo [min] Conversión promedio [%] Desviación Estándar [%] CV [%] 5 29,83 2,7413 9,19 10 51,11 5,1259 10,03 20 55,29 3,0215 5,46 30 63,02 4,9673 7,88 45 69,00 8,3322 12,08 5 57,85 5,6743 9,81 10 60,33 5,7685 9,56 20 66,65 4,3573 6,54 30 78,40 4,3530 5,55 45 81,19 6,5737 8,10 5 59,97 6,3669 10,62 10 67,02 3,0273 4,52 20 72,59 5,0612 6,97 30 82,06 4,2401 5,17 45 85,62 1,4390 1,68 Tabla AVI.2. Conversión en la síntesis no convencional de β Metil Umbelliferona medida por la técnica de HPLC, con los parámetros estadísticos considerados Cantidad de Catalizador [% mol] 48,18 58,24 Tiempo [s] Conversión promedio [%] Desviación Estándar [%] CV [%] 20 51,11 3,4440 6,74 30 57,34 1,1196 1,95 40 56,15 3,4607 6,16 50 59,54 2,0659 3,47 60 58,34 6,0037 10,29 20 56,97 4,1937 7,36 30 52,35 1,8770 3,59 40 57,03 4,1704 7,31 50 56,85 3,3149 5,83 60 60,01 0,6737 1,12 133 Figura AVI.1. Trompeta de Horwitz, para determinar el valor de referencia de CV (Instituto de Salud Pública de Chile, 2010, p. 9) Horwitz graficó la Figura AVI.1, ya que mediante experimentos de laboratorios observó que los valores de CV aumentaban a medida que disminuía la concentración del analito. Por este motivo, el CVh ha sido utilizado por muchos laboratorios (Cueva, 2013, p. 143; Instituto de Salud Pública de Chile, 2010, p. 9). En el caso de la β Metil Umbelliferona, la concentración que se utilizó para su cuantificación se encontraba en el rango de 0,17 a 12,32 ppm. Al llevar este rango a la Figura AVI.1, se observa que el CV de referencia puede llegar hasta el 16 % aproximadamente (Cueva, 2013, p. 143; Rivera y Rodríguez, 2010, p. 2). Dado que el CV calculado es menor que este valor se concluye que es un valor aceptable para la experimentación realizada. 134 ANEXO VII PRUEBAS PRELIMINARES PARA LA RECRISTALIZACIÓN DE LA β METIL UMBELLIFERONA Como se indicó en el acápite 2.5, para el proceso de recristalización se realizaron pruebas preliminares para establecer las condiciones de operaciones que permitieron obtener el mayor rendimiento de β Metil Umbelliferona. Los resultados de estas pruebas se presentan en la Tabla AVII.1. Tabla AVII.1. Resultados de pruebas preliminares de la purificación de β Metil Umbelliferona Temperatura [ºC] Proporción Etanol [%] Rendimiento [%] 50 77,8 75 67,1 95 56,1 50 66,3 75 58,6 95 16,0 30 40 En la Tabla AVII.1 se observa que el tratamiento de recristalización con el que se obtiene un alto rendimiento es utilizar etanol al 50 % y realizar el calentamiento a 30 ºC. Adicionalmente, con este proceso se observó una menor pérdida del producto al realizar la filtración al vació y la textura del producto fue similar a la del producto que se tiene como estándar. 135 ANEXO VIII BALANCE DE MASA DE LA PLANTA PILOTO DE OBTECIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA Para realizar el balance de masa de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona, primero se estableció la base de cálculo, la misma que fue 1,2 kg/día de producto, tal como se indicó en el acápite 3.6. Luego con ayuda de la Figura AVIII.1, se procedió a realizar el balance de masa de cada uno de los procesos que conforman la planta, para determinar los valores de las corrientes de entrada y salida. Resorcinol (A) Molienda A EAA (B) Pesado A HClconcentrado (C) Mezcla D Reacción en Microondas Agua (G) Etanol (H) E Agua (F) Cristalización E E Agua (I) Recristalización Filtración y Lavado Agua (J) E E Secado E Envasado β Metil Umbelliferona (E) Figura AVIII.1. Esquema de procesos con las respectivas corrientes para el balance de masa de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona 136 Base de cálculo para el balance de masa de la planta piloto de obtención de β Metil Umbelliferona La base de cálculo inicial para el balance de masa de la planta piloto de β Metil Umbelliferona fue 1,2 kg/día, pero al día se realizarán 7 corridas. Por éste motivo, el balance de masa se estableció para cada corrida, entonces la base de cálculo cambió a: ͳǡʹ À ܓ ൈ ൌ ǡ ૠ ൨ ܉܌ܑܚܚܗ܋ À Por tanto, la nueva base de cálculo con la que se realizó el balance de masa fue 0,17 kg/corrida. Balance en procesos de Secado y Envasado Durante estos procesos se consideró que no existían pérdidas, por lo que el balance se redujo a: E= β Metil Umbelliferona = 0,17 kg/corrida, en base seca Balance en procesos de Filtración y Lavado, Recristalización y Cristalización Para todos estos procesos se consideró que no existían pérdidas, en cuanto al producto, es decir: E= β Metil Umbelliferona = 0,17 kg/corrida, en base seca También para estos procesos se realizó el balance de agua: ൌ 137 ۸ ൌ Ͷǡͷ ܓ ൨ Ͷǡͷ ൨ ͳǡ ൨ ൌ ǡ ൨ ܉܌ܑܚܚܗ܋ Para determinar la cantidad de etanol al 50 % (corriente H) que se necesitaba para esta corrida, se consideró la relación de que para 5 g de producto teórico eran requeridos 15 mL de etanol (Durairaj, 2005, p.132). ൌ ͳͷ ͳͲͲͲ ͳ ͳͷ ൈ ൈ ൌ ͳͲͲͲ ͷͶ െ ͷͶ െ ͳ Como esta relación se aplica para los gramos o kilogramos de producto teórico, entonces si la conversión fuera del 100 % se tendría 0,28 kg/corrida del producto, con este valor se calculó la cantidad de etanol al 50%, que se necesitaba por corrida. ۶ ൌ Ͷ െ ۺ ͳͷ ൈ Ͳǡʹͺ ൌ ǡ ૡ ൨ ܉܌ܑܚܚܗ܋ ͷͶ െ ۶ ൌ ͲǡͺͶ Ͳǡͺͻ ܓ ൈ ൌ ǡ ൨ ܉܌ܑܚܚܗ܋ Para preparar la solución de etanol al 50 %, se empleó etanol al 95 % y agua destilada, para determinar la cantidad que se necesitaba de cada uno, se realizó lo siguiente: ଵ୲ୟ୬୭୪ ൈ ଵ୲ୟ୬୭୪ ൌ ଶ୲ୟ୬୭୪ ൈ ଶ୲ୟ୬୭୪ ͷͲΨ ൈ ͲǡͺͶ ܉ܝۯ܄ൌ ͲǡͺͶ ۺ ൌ ͻͷΨ ൈ ଶ ֜ ܄۳ ܔܗܖ܉ܜൌ ǡ ܉܌ܑܚܚܗ܋ ۺ െ ͲǡͶͶ ൌ ǡ ܉܌ܑܚܚܗ܋ 138 Es decir, se necesita 0,44 L/corrida de etanol al 95 % y 0,40 L/corrida de agua destilada; como son 7 corridas en total al día, se utilizarán 3,1 L de etanol al 95 % y 2,8 L de agua destilada. Balance en procesos de Reacción en microondas y Mezcla En estos procesos se produce la síntesis de β Metil Umbelliferona. Según los datos experimentales se tendrá una conversión del 59,54 %. Con este dato se realizaron los siguientes cálculos: × ൌ Ͷ െ ൈ ͳͲͲΨ ܍܌ܛ܍ܔܗܕ െ ܃ۻൌ Ͳǡͳ ൈ ͷͻǡͷͶΨ ൌ ͳͲͲͲ ͳ ൈ ൌ ૢǡ ൈ ି ሾܔܗܕ െ ܃ۻሿ ͳ ͳǡʹ ૢǡ ൈ ି ൈ ͳͲͲΨ ܔܗܖܑ܋ܚܗܛ܍܀܍܌ܛ܍ܔܗܕൌ ǡ ૢሾ܍܀ܔܗܕሿ Si la conversión del producto fuera el 100 %, entonces la cantidad de β Metil Umbelliferona que se obtendría sería: െ ܗ܋ܑܚ×܍܂܃ۻൌ ͳǡͷͻͶ െ ൈ ͳǡʹ ͳ ܓ ൈ ൌ ǡ ૡ ൨ ͳͲͲͲ ܉܌ܑܚܚܗ܋ ͳ Con las moles de resorcinol determinadas se calculó la cantidad de resorcinol (corriente A) que se requería para una corrida: ۯൌ ͳǡͷͻ ൈ ͳͳͲǡͳͳ ͳ ܓ ൈ ൌ ǡ ૠ ൨ ͳͲͲͲ ܉܌ܑܚܚܗ܋ ͳ 139 Para calcular la cantidad de EAA (corriente B), se utilizó la siguiente relación: ܚ܉ܔܗܕܖ×ܑ܋܉ܔ܍܀ൌ ܍܌ܛ܍ܔܗܕ۳ ۯۯൌ ܔܗܖܑ܋ܚܗܛ܍܀܍܌ܛ܍ܔܗܕ ൨ ൌ ǡ ૢ ܍܌ܛ܍ܔܗܕ۳ۯۯ ͳǡͷͻ ൌ ǡ ܔܗܕ۳ۯۯ Ͳǡͻ ۰ ൌ ͳǡ ൈ ͳ͵ͲǡͳͶ ͳ ܓ ൈ ൌ ǡ ൨ ͳͲͲͲ ܉܌ܑܚܚܗ܋ ͳ Como la presentación del EAA es líquida, se transformó la corriente B de kg a L, para esto se utilizó la densidad del AEE, de la siguiente forma: ۰ ൌ Ͳǡʹʹ ͳ ۺ ൈ ൌ ǡ ൨ ͳǡͲʹͳ ܉܌ܑܚܚܗ܋ Para determinar la cantidad de HCl (corriente C) que se necesitaba, se utilizó el porcentaje en mol de HCl de las pruebas experimentales. Ψ ൌ ͶͺǡͳͺΨ ൌ ൈ ͳͲͲΨ ൌ ͶͺǡͳͺΨ ൌ ൈ ͳͲͲΨ ͵ǡʹͷ ܛ܍ܔܗܕ۶۱ ܔൌ ǡ ሾܔܗܕ۶۱ܔሿ ۱ ൌ ͵ǡͲʹ ൈ ͵ǡͷ ͳ ܓ ൈ ൌ ǡ ൨ ܉܌ܑܚܚܗ܋ ͳ ͳͲͲͲ Como la presentación del HCl es líquida, se transformó la corriente C de kg a L, para ésto se utilizó la densidad del HCl, de la siguiente forma: 140 ۱ ൌ Ͳǡͳͳ ͳ ۺ ൈ ൌ ǡ ૡ ൨ ͳǡ͵ ܉܌ܑܚܚܗ܋ Balance en procesos de Molienda y Pesado Estos procesos se llevaron a cabo para el resorcinol y se consideró que no existían pérdidas, por lo que el balance se redujo a: A = Resorcinol = 0,17 kg/corrida Finalmente, para elaborar la Tabla 3.20. cada una de las corrientes calculadas se multiplicó por 7 corridas y se obtuvieron las cantidades diarias de materias primas e insumos. 141 ANEXO IX COTIZACIONES DE REACTIVOS Y EQUIPOS UTILIZADOS PARA LA PLANTA PILOTO DE OBTENCIÓN DE β METIL UMBELLIFERONA NOVACHEM DEL ECUADOR QUITO: AV. REAL AUDIENCIA N66-97 Y DE LOS EUCALIPTOS TELEFONOS: 3463695 - 3463699 - 3464006 RUC: 1201527379001 FAX: 3463695 - 3463699 - 3464006 E-mails:[email protected] CELULAR : 0992 660 349 [email protected] NOT A DE COT IZACION Nº 14-05-297 VEND. 500 OBSERVACIONES: El tiempo de entrega especificado corre a partir de recibida la Orden de Compra, salvo venta previa RAZON SOCIAL: Escuela Politécnica Nacional 1760005620001. Av. Ladrón de Guevara E11-253 y Andalucía Quito - Pichincha RUC DEL CLIENTE: DIRECCIÓN: TELÉFONO: Telf.: 2507144 ext. 2476 ATENCION LIC. PAOLA ZARATE Fecha ITEM ARTICULO 1 C109 500 2 *** 3 AC20249-0010 4 AC21756500 5 A91I 500 / A92 500 DESCRIPCIÓN Validez de la Condiciones de Oferta pago 2014-05-21 30 DÍAS 30 Días CANT. TIEMPO DE ENTREGA PRECIO UNIT. (USD) PRECIO TOTAL (USD) CALCIO NITRATO ACS 500 GR TETRAHIDRATO 1 90 DIAS 70,10 70,10 COBALTO II NITRATO HEXAHIDRATO 100 GRAMOS 1 Inmediato 83,12 83,12 HIERRO III NITRATO 9H2O KG (GRAMOS) / 100 gramos 2 Inmediato 30,00 60,00 MAGNESIO NITRATO 6H2O 500 GR 1 Inmediato 85,01 85,01 FENOL ACS 500 GRAMOS (CRISTALES) 1 30 DIAS 191,64 191,64 6 H329-500 HIDROQUINONA, cristales uso laboratorio, 1 kg, CERTIFICADO 1 90 DIAS 99,32 99,32 7 AC13229-2500 RESORCINOL 98%, 250 G 1 90 DIAS 132,44 132,44 8 AC15898-5000 CATECOL 99% 500 G 1 90 DIAS 134,58 134,58 ROJO CONGO 150 GRAMOS (6 X 25 GRAMOS), COLORANTE CERTIFICADO 1 90 DIAS 299,91 299,91 AZUL DE METILENO ACS 100 GRAMOS 2 90 DIAS 74,54 149,08 P - BENZOQUINONA 100 GR 1 Inmediato 42,74 42,74 ETANOL 99,5% ACS ABSOLUTO LITROS (25 LITROS) 1 Inmediato 294,50 294,50 SACAROSA (SUCROSA) 500 GR 1 90 DIAS 27,87 27,87 GLUCOSA (DEXTROSA) ANHIDRO ACS 1 KG 1 Inmediato 36,25 36,25 9 10 BP117 100 11 12 ETN0900027DAM 13 S5 500 14 D16 1 *** Ultimo item en stock SUBTOTAL USD IVA TOTAL USD 1706,56 204,79 1911,35 Ing. Germania Cárdenas FIRMA AUTORIZADA Figura AIX.1. Cotización del reactivo Resorcinol. NOVACHEM DEL ECUADOR. (2014). Cotización Nº 14-05-297. Fecha de emisión 2014-05-21. Ing. Germania Cárdenas 142 NOVACHEM DEL ECUADOR QUITO: AV. REAL AUDIENCIA N66-97 Y DE LOS EUCALIPTOS TELEFONOS: 3463695 - 3463699 - 3464006 RUC: 1201527379001 FAX: 3463695 - 3463699 - 3464006 E-mails:[email protected] CELULAR : 0992 660 349 [email protected] NOT A DE COT IZACION Nº 14-07-372 VEND. 500 OBSERVACIONES: El tiempo de entrega especificado corre a partir de recibida la Orden de Compra, salvo venta previa RAZON SOCIAL: Escuela Politécnica Nacional 1760005620001. Av. Ladrón de Guevara E11-253 y Andalucía Quito - Pichincha RUC DEL CLIENTE: DIRECCIÓN: TELÉFONO: Telf.: 2507144 ext. 2476 ATENCION LIC. PAOLA ZARATE Fecha ITEM 30 DIAS 30 Días CANT. TIEMPO DE ENTREGA PRECIO UNIT. (USD) ETILO ACETATO ACS 4 LTRS 1 60 DIAS 62,21 62,21 ACIDO CLORHIDRICO 37% ACS 2,5 LTRS 2 Inmediato 27,74 55,48 ARTICULO 1 CONSEP E145 4 2 CONSEP A144C212 Validez de la Condiciones de Oferta pago 2014-07-03 DESCRIPCIÓN SUBTOTAL USD PRECIO TOTAL (USD) 117,69 IVA 12% TOTAL USD 14,12 131,81 Ing. Germania Cárdenas FIRMA AUTORIZADA Figura AIX.2. Cotización de Reactivos. NOVACHEM DEL ECUADOR. (2014). Cotización Nº 14-07-372. Fecha de emisión 2014-07-03. Ing. Germania Cárdenas Figura AIX.3. Cotización del reactivo Etanol (95 %). LABOMERSA S.A. (2014). Cotización Nº 2014-798. Fecha de emisión 2014-06-05. Srta. Tatiana Marroquín 143 Figura AIX.4. Cotización de equipos. Proinstra s.a. (2014). Cotización Nº MT-267-072014. Fecha de emisión 2014-07-08. Ing. Mishell Tapia. 144 Figura AIX.5. Cotización del Horno Microondas. KIMADI Internacional Co.,Ltd. (2014). Fecha de emisión 2014-07-04. Dr. Xin Zhao Figura AIX.6. Cotización del Destilador. Nanchang Guangming Laboratory Assay Equipment Co., Ltd. (2014). Fecha de emisión 2014-07-09. Srta. Teresa Wang 145 Figura AIX.7. Cotización de la Sorbona. HuiLv Laboratory Equipement Scientific and Technological Co., Limited. (2014). Fecha de emisión 2014-07-07. Sr. Albet Luo Figura AIX.8. Cotización de la Llenadora. Wuhan Jie Swisu Mechanical&Electrical Co., Ltd. (2014). Fecha de emisión 2014-07-08. Srta. Shopia 146 Figura AIX.9. Cotización del Filtro de Vacío. Büchiglasuster. (2014). Cotización Nº G114472-0. Fecha de emisión 2014-08-19. Sr. Sergio Mantegani 147 Figura AIX.10. Cotización de la Estufa. ESPECTROCROM. (2014). Cotización Nº 1389FD-14. Fecha de emisión 2014-07-10. Sr. Fernando Dávila 148 Figura AIX.11. Cotización de la Selladora. Shandong China Coal Industrial & Mining Supplies Group Ltd. (2014). Fecha de emisión 2014-07-07. Srta. Betty Zhang Figura AIX.12. Cotización del Agitador Magnético. HUGO RUEDA REPRESENTACIONES CIA LTDA. (2014). Fecha de emisión 2014-07-11. Sr. Henry Moreno