Empleo de una sonda infrarroja in situ para monitorear reacciones de esterificación

Using an infrared probe for in situ monitoring of esterifying reactions

Se empleó un reactor batch (por lotes), dotado de tres detectores: pH, Sonda IR y operación en continuo, de tal forma que puede operarse como un reactor CSTR. En la medida en que la esterificación procede, decrecen las bandas correspondientes al grupo -COOH del ácido carboxílico y la del grupo C-OH del alcohol, presentándose al mismo tiempo incremento en la banda del grupo -COOR del ester que se está formando. El progreso de la reacción se puede seguir por el registro continuo de los espectro IR. La banda correspondiente a H-O-H del agua no se puede seguir ya que se requiere de un ambiente absolutamente anhidro para hacerlo. De otro lado, por aparte pueden prepararse soluciones patrones para poder cuantificar la intensidad de los picos en el espectro IR, según la composición del componente en la mezcla. Sin embargo, cuando se presentan cambios de fase en la mezcla reactiva, este método no puede emplearse para seguir el curso de una reacción, ya que se presenta una variación muy aleatoria en la señal de intensidad de los picos.

Introducción

En la reacción de esterificación se produce agua. En un reactor batch, si el agua no se retira por decantación o destilación, quedará disuelta en la mezcla reactiva, permitiendo el avance de la reacción solamente hasta su punto de equilibrio (Groggins, 1958). La adición de un adsorbente para el agua al medio de reacción puede causar el desplazamiento de la reacción beneficiando la formación de éster. Este adsorbente puede ser tamiz molecular o un hidrogel. Para lograr un  buen  efecto  sobre el proceso, la velocidad de adsorción de agua  por  parte del aditivo, ha de ser similar o superior a la velocidad de formación de agua en la reacción (Machado y López, 1993).

El mecanismo de la esterificación ya ha sido planteado (Sánchez y Rodríguez, 1996; Morrison y Boyd, 1987; Vogel´s Textbook of practical organic chemistry, 1999). Primero se protona el grupo carboxilo, por el catalizador ácido, y luego reacciona con el grupo hidroxilo  del  alcohol. En el caso de los hidrogeles, la capacidad de adsorción de agua no es buena a bajos pH (Katime, 1980), ya que la mayoría de ellos presentan excelentes propiedades de adsorción a pH neutros o alcalinos.

Si se quisiera seguir el curso de la reacción por el incremento de los picos IR del agua, resultaría muy dispendio so, ya que sería necesario usar sellos herméticos y procurar ausencia absoluta de humedad en la cámara de reacción, puesto que en el background del espectro aparecerían los picos  de agua debidos  a la humedad atmosférica. Es aconsejable seguir el decremento o incremento de picos de otras funciones o grupos que presenten picos IR diferentes a los de la región del agua. Existen diferentes opciones para poder hacer esto; por ejemplo en catálogos de espectros infrarrojos, se tiene (Charles, 1985)

Sin embargo, es mejor hacer un análisis preliminar tomando por separado cada uno de los espectros de reactantes y productos que intervienen en la reacción y luego superponerlos (el software lo permite), de esta forma se puede visualizar una vez inicie  la  reacción  qué  picos empezarán a decrecer  de  los  reactantes  y  cuáles  de los productos a incrementar, y que no se vean interferidos por el background (normalmente del agua).