PROCESOS INDUSTRIALES DE SINTESIS QUIMICA INDUCIDOS POR LASER

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PROCESOS INDUSTRIALES DE SINTESIS QUIMICA
INDUCIDOS POR LASER
Eneko Larrañeta Landa
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INTRODUCCION

• La industria química es una industria en continuo
  desarrollo, debido a la creciente demanda de
  productos sintéticos
• Se busca abaratar costes y mejorar, en cuanto a
  calidad y cantidad, el producto obtenido.
• Por ello, el láser puede ser un elemento
  importante para hacer los procesos químicos mas
  rentables y productivos

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INTRODUCCION
REACCION QUIMICA

• A B ? C D

?H ?G ?S Keq vkAB
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INTRODUCCION
REACCION QUIMICA EN LA INDUSTRIA

• A B ? C D

?H ?G ?S Keq vkAB
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INTRODUCCION

• El láser es un instrumento caro, en cuanto a
  coste y mantenimiento. En muchos procesos no es
  rentable introducir uno.
• Sólo se puede incluir un láser en aquellas
  industrias en las que el coste de un láser es
  sólo una pequeña parte del total.

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INTRODUCCION

• Dos ejemplos claros de síntesis inducida en la
  que el láser juega un papel crucial son las
  siguientes
• Síntesis de la vitamina D
• Síntesis de cloruro de vinilo
• Derivado de esta segunda síntesis, tenemos la
  síntesis de policloruro de vinilo (PVC) polímero
  con gran variedad de usos.

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FUNDAMENTOS TEORICOS

• El láser en los procesos que se van a exponer es
  útil por dos de sus propiedades
• Es una fuente de radiación monocromática, y por
  ello nos permite excitar moléculas de manera
  selectiva.
• La radiación emitida es coherente, lo que la
  convierte en una radiación muy intensa y por ello
  es capaz de provocar fotolisis y proporcionar la
  energía de activación necesaria para que se den
  las reacciones.

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SÍNTESIS DE VITAMINA D

• La vitamina D es responsable de nuestro
  crecimiento óseo y la que se produce
  sintéticamente se utiliza como complemento en la
  alimentación de aves de corral
• Para sintetizarla, es necesaria la acción de
  radiación, tanto en la síntesis artificial como
  en la biológica.
• Por ello se introduce el láser que en este caso
  tiene una función importante, la excitación de
  reactivos para llegar al producto y además la
  conversión de productos secundarios no deseados.

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SÍNTESIS DE VITAMINA D

• Para la síntesis se parte de un producto llamado
  de forma abreviada 7-DHC
• Al hacer incidir radiación de la longitud de onda
  302 nm (lampara de Hg a presión intermedia), se
  obtiene P3 (previtamina D), que posteriormente se
  transforma en la vitamina, pero P3 tiene
  estereoisómeros, que no nos llevan a la vitamina
  D.
• Con el láser se pretende iniciar la reacción y
  también minimizar la cantidad de estereoisómeros
  obtenidos

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SÍNTESIS DE VITAMINA D

• Esquema de reacción

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SÍNTESIS DE VITAMINA D

• Para este proceso se pueden utilizar los
  siguientes láseres
• Láser de excimero de KrF (248 nm)
• Láser de excimero de XeCl (308 nm)
• Láser de nitrógeno (337 nm)
• Láser de Neodimio YAG ( tercer armónico a 353 nm)

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SÍNTESIS DE VITAMINA D

• Con uno solo de los láseres anteriores se siguen
  obteniendo cantidades elevadas de subproductos
• Se utilizan procesos con dos láseres, el primero
  para la excitación del 7-DCH y el segundo para la
  conversión de subproductos en P3

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SÍNTESIS DE VITAMINA D
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SÍNTESIS DE CLORURO DE VINILO

• Este producto se obtiene mediante una reacción en
  cadena que es iniciada por radiación, en este
  caso por un láser
• Si la iniciación fuera térmica se obtendrían un
  gran numero de productos secundarios de reacción
  no deseados
• El cloruro de vinilo es el monómero del PVC

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SÍNTESIS DE CLORURO DE VINILO

• En este caso el láser utilizado es
• Láser de excimero de XeCl (308 nm)

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SÍNTESIS DE CLORURO DE VINILO

• La reacción en cadena es la siguiente

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SÍNTESIS DE CLORURO DE VINILO

• Pero el Cl puede reaccionar con otro Cl o con
  una ClHCCH2Cl produciendo productos indeseados.
• Cuando esta reacción se inicia térmicamente, el
  paso critico y limitante es la iniciación, en
  cambio si la iniciación es láser, entonces la
  etapa limitante del proceso es la siguiente
  ClH2CCH2Cl ? ClH2CCH2 Cl

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SÍNTESIS DE CLORURO DE VINILO

• Esta etapa tiene una energía de activación baja,
  y la reacción puede continuar a bajas
  temperaturas, y con una mayor producción de
  cloruro de vinilo dado que la producción de
  compuestos indeseados es mucho menor que con la
  iniciación térmica debido a que a baja
  temperatura estas reacciones no pueden darse tan
  fácilmente.

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SÍNTESIS DE CLORURO DE VINILO

• Cantidad de productos secundarios

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SÍNTESIS DE CLORURO DE VINILO

• La cantidad de cloruro de vinilo obtenido a 500º
  C (iniciación térmica) es del 75 con una
  selectividad del 85, debido a que se dan
  reacciones secundarias. A 300º C, con el láser de
  excimero de KrF se obtiene un 75 de cloruro de
  vinilo, pero en este caso la selectividad es del
  99.

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SÍNTESIS DE PVC

• El PVC es un polímero muy utilizado en nuestra
  sociedad (tuberías, juguetes, etc.)
• Se obtiene a partir del cloruro de vinilo.
• Su polimerización transcurre mediante una
  reacción en cadena y tiene fotoiniciación.

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SÍNTESIS DE PVC

• CH2CHCl M (monómero) -(CH-CHCl)n- P
  (polímero)
• M h? ? M
• M M ? M-M

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SÍNTESIS DE PVC

• CINÉTICA DE LA REACCIÓN
• vi F IoebM
• F, b y e son constantes
• Io es la intensidad de la fuente utilizada
• M es la concentración de monómero

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SÍNTESIS DE PVC

• Se puede demostrar a partir de esta ecuación y
  del resto de ecuaciones cinéticas que se plantean
  en la polimerización que la velocidad de
  polimerización será
• Vp a Io1/2

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SÍNTESIS DE PVC

• Un láser puede hacer que las reacciones de
  polimerización sean bastante mas rápidas que con
  otro tipo de iniciación, el problema se puede
  presentar, que las reacciones en cadena, si
  alcanzan velocidades de iniciación muy altas, y
  la terminación no es suficientemente rápidas se
  vuelven incontrolables.

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BIBLIOGRAFÍA

• Héctor L. Mancini - Láseres y aplicaciones
  (primera parte)
• Painter P.C., Coleman M.M. "Fundamentos de
  Ciencia de Polímeros"
• Gerald R, Van Hecke and Kerry K. Karukstis, "A
  guide to lasers in chemistry"
• Olga Dmitrenko , Wolfang Reischl Previtamin D
  photosyntesis in vitro (http//www.photobiology.c
  om/reviews/previtamin/index.html)
• http//wikipedia.org/