Samenvatting

In dit proefschrift zijn de resultaten beschreven van de ontwikkeling en toepassing van ‘lab-on-a-chip’ systemen, microreactorchips, waarin chemische reacties onder (hoge) druk uitgevoerd kunnen worden onder stationaire condities of onder continue doorstroming van de reactanten.

In hoofdstuk 1 wordt een algemene introductie in hogedrukchemie gegeven en worden de basisaspecten van de ‘lab-on-a-chip’ technologie beschouwd.

In het algemeen worden hoge drukken gegenereerd in geavanceerde, dure en gesloten systemen. Het wordt beschouwd als een techniek waarvoor speciale apparatuur nodig is, waarbij strikte veiligheidsmaatregelen in acht genomen moeten worden. In hoofdstuk 2 is de miniaturisering van de hogedruktechnologie beschreven. Middels kleinere en draagbare systemen kunnen de veiligheids-risico’s (gedeeltelijk) verminderd worden, en kan de ‘performance’ van hogedruksystemen vergroot worden door het integreren van geminiaturiseerde sensoren en actuatoren.

In hoofdstuk 3 wordt een microreactorplatform behandeld dat gebaseerd is op capillairen en dat is voorzien van fiberoptica voor ‘online’ UV/Vis spectroscopie. Met dit platform zijn voor verschillende drukken de reactiesnelheidsconstanten en activeringsvolumes bepaald van een nucleofile aromatische substitutie en een aza-Diels-Alderreactie. De invloed van druk op de omzetting en de stereoselectiviteit van de Diels-Alderreactie van 2- en 3-furylmethanol met methyl-, benzyl- en fenylmaleimide is tevens bestudeerd met ¹H-NMR spectroscopie. De silicafibermicroreactor is het eerste voorbeeld van een geminiaturiseerd platform waarin reacties ‘online’ gevolgd kunnen worden voor drukken tot 600 bar.

Het ontwerp, de fabricage en de ‘performance’ van een aantal op fibers gebaseerde “in-het-vlak” verbinding geometrieën voor glazen microreactorchips voor hogedrukchemie worden behandeld in hoofdstuk 4. De ‘yield strength’, gedefinieerd als de maximale druk die de verbinding kan weerstaan, kan verhoogd worden door de ruwheid van de zijwanden van gepoederstraalde geometrieën te reduceren met behulp van nat chemisch etsen met waterstoffluoride. Er is aangetoond dat kleine gepoederstraalde ingangen/uitgangen (geschikt voor fibers met een buitendiameter van 110 μm) waarvan de zijwanden behandeld zijn met waterstoffluoride en met een scherpe overgang naar het vloeistofkanaal toereikend zijn voor werkdrukken tot 300 bar. Echter, de optimale ingangsgeometrie voor hogedrukmicroreactoren is een buisvormige structuur die volledig geëtst is met waterstoffluoride, en die geschikt is voor fibers met een buitendiameter van 110 μm. Deze geometrie kan drukken weerstaan tot minimaal 690 bar, de maximale druk die de gebruikte hogedrukpomp kon leveren.

De microfluidische hogedrukmicroreactoren zijn gebruikt voor het bestuderen van faseovergangen. In hoofdstuk 5 worden de resultaten beschreven van 50%-50% mengsels van koolstofdioxide en alcohol (methanol en ethanol) voor condities nabij het kritische punt van de mengsels, en welke verkregen zijn middels optische microscopie. De waargenomen stromingspatronen zijn zeer kenmerkend/specifiek en kunnen toegeschreven worden aan een vloeistof-gas faseovergang. De opstelling is gebruikt voor het op een snelle en veilige manier bepalen van de fasediagrammen voor twee verschillende alcohol-koolstofdioxide mengsels voor drukken tot 140 bar. De verkregen diagrammen komen zeer goed overeen met data uit de literatuur.

De veresteringsreactie van ftaalzuuranhydride met methanol is uitgevoerd in een microreactor voor drukken tot 110 bar en temperaturen tot 100 °C onder condities van continue stroming van de reactanten, en tevens met superkritisch koolstofdioxide als oplosmiddel. De resultaten, beschreven in hoofdstuk 6, tonen aan dat in microreactoren de combinatie van continue stroming van de reactanten en hoge druk voor deze specifieke reactie leidt tot een significante toename van de reactie-snelheidsconstanten. Bijvoorbeeld voor een druk van 110 bar en een temperatuur van 60 °C is de toename in reactieconstante een factor 53; deze factor is 5400 bij het gebruik van superkritisch koolstofdioxide als oplosmiddel (berekeningen ten opzichte van ‘batch’-experimenten uitgevoerd bij een druk van 1 bar en een identieke temperatuur). Deze toename in reactieconstanten is voornamelijk het gevolg van de hoge stromingssnelheden en de verhoogde druk: deze twee aspecten verbeteren het diffusieve mengen van de reactanten in de microreactor. Bij het gebruik van super-kritisch koolstofdioxide in de microreactor dragen de unieke eigenschappen van superkritisch koolstofdioxide wezenlijk bij aan het verlagen van de activeringenergie van de reactie. Dit laatste is mogelijkerwijs het gevolg van een verandering in het reactiemechanisme, met als gevolg dat de reactieconstanten toenemen.

In hoofdstuk 7 wordt een opstelling beschreven die gebruikt kan worden voor het onderzoeken van organische reacties onder continue stromingscondities voor drukken tot 150 bar. In de opstelling kunnen reactanten onafhankelijk en/of tegelijker-tijd onder druk in de microreactor worden gepompt. Met deze opstelling is de invloed van druk op de Diels-Alderreactie van cyclopentadieen met methyl-, fenyl- en benzylmaleimide onderzocht. Voor de laatste twee reacties werd een toename in omzetting gevonden van respectievelijk 1.3 en 1.7 in vergelijking met ‘batch’-experimenten. Dit kan toegeschreven worden aan de druk en/of het snel en efficiënt mengen van de reactanten in de microreactor.

In hoofdstuk 8 wordt de fabricage van een microreactor met een geïntegreerde microspoel voor ‘online’ NMR spectroscopische analyse behandeld (60 MHz NMR apparaat). De snelheidsconstante van de iminevorming van de reactie van benzal-dehyde met aniline is met deze NMR microreactor bepaald voor continue stroming van de reactanten en bedraagt 5.8 ´ 10^-2 M^-1 min^-1. Deze constante is iets hoger in vergelijking met de reactie in een NMR- buis in een 400 MHz NMR spectrometer.

De mengentijd is ongeveer twee seconden en de reactietijd kan worden ingesteld van 30 minuten tot slechts 0.9 seconden; het is dus mogelijk om relatief snelle reacties nauwkeurig te volgen. Het is de bedoeling deze μTAS te gaan gebruiken voor het ‘online’ onderzoeken van organische reacties onder hoge druk. Met behulp van een serie inleidende experimenten is aangetoond dat het systeem goed functioneert voor drukken tot 60 bar.

In dit proefschrift is duidelijk aangetoond dat microreactortechnologie vele voordelen heeft voor het uitvoeren van hoge druk chemie. Een aantal organische reacties is met succes uitgevoerd voor drukken tot 600 bar in volumes in het gebied van microliters tot nanoliters, waarbij veiligheidsmaatregelen geen probleem meer zijn. De combinatie van druk en de kleine karakteristieke dimensies van microreactoren leidt tot toename van de reactiesnelheidconstanten in vergelijking met die bepaald in conventionele apparatuur. Tevens zijn ‘online’ detectietechnieken zoals NMR en UV-Vis spectroscopie geïntegreerd in de microreactoren, resulterend in de ontwikkeling van een geminiaturiseerd Totaal Analyse Systeem (μTAS).