CD-6089.pdf

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 ݈݊ ൤஼ೃሺ೚ሻ
ή൫஼ಲಶሺ೚ሻ ି஼రషಾೆ ൯
൨ en función
ಲಶሺ೚ሻ ή൫஼ೃሺ೚ሻ ି஼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
݇௢௕௦௘௥௩௔ௗ௔ ൌ 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:
݇௢௕௦௘௥௩௔ௗ௔ ൌ 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,
݇௢௕௦௘௥௩௔ௗ௔ ൌ ݇௢ ൅ ሺ݇ு శ ሻሺ‫ܥ‬ு శ ሻ
[1.5]
݇௢௕௦௘௥௩௔ௗ௔ ൌ ݇௢ ൅ 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:
݇௢௕௦௘௥௩௔ௗ௔ ൌ 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:
݇௢௕௦௘௥௩௔ௗ௔ ൌ 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,
݇௢௕௦௘௥௩௔ௗ௔ ൌ ݇௢ ൅ ሺ݇ு஺ ሻሺ‫ܥ‬ு஺ ሻ
[1.11]
݇௢௕௦௘௥௩௔ௗ௔ ൌ ݇௢ ൅ 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.
‫ ݎ݋ݎݎܧ‬ൌ ȁ‫ ݈ܽ݁ݎݎ݋݈ܽݒ‬െ ‫݋݀݅݀݁݉ݎ݋݈ܽݒ‬ȁ
ൈ ͳͲͲΨሾʹǤͳሿ
‫݈ܽ݁ݎݎ݋݈ܽݒ‬
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.
ܲ‫݋ݎݑ݌݋ݐܿݑ݀݋ݎ‬
ൈ ͳͲͲሾʹǤ͵ሿ
ܲ‫ݏܽݖ݁ݎݑ݌݉݅݊݋ܿ݋ݐܿݑ݀݋ݎ‬
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 ൫‫ܥ‬ா஺஺ሺ௢ሻ െ ‫ܥ‬ோሺ௢ሻ ൯ ή ‫ ݐ‬ൌ ݈݊ ቈ
‫ܥ‬ோሺ௢ሻ ή ൫‫ܥ‬ா஺஺ሺ௢ሻ െ ‫ܥ‬ସିெ௎ ൯
‫ܥ‬ா஺஺ሺ௢ሻ ή ൫‫ܥ‬ோሺ௢ሻ െ ‫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])
࡯ࡾሺ࢕ሻ ൈ ሺ࡯ࡱ࡭࡭ሺ࢕ሻ െ ࡯૝ିࡹࢁ ሻ
቉
࡯ࡱ࡭࡭ሺ࢕ሻ ൈ ሺ࡯ࡾሺ࢕ሻ െ ࡯૝ି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])
࡯ࡾሺ࢕ሻ ൈ ሺ࡯࡭ࡱሺ࢕ሻ െ ࡯૝ିࡹࢁ ሻ
቉
࡯࡭ࡱሺ࢕ሻ ൈ ሺ࡯ࡾሺ࢕ሻ െ ࡯૝ି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])
࡯ࡾሺ࢕ሻ ൈ ሺ࡯࡭ࡱሺ࢕ሻ െ ࡯૝ିࡹࢁ ሻ
቉
࡯࡭ࡱሺ࢕ሻ ൈ ሺ࡯ࡾሺ࢕ሻ െ ࡯૝ି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
஼ೃሺ೚ሻ ή൫஼ಶಲಲሺ೚ሻ ି஼రషಾೆ ൯
݈݊ ൤஼
ಶಲಲሺ೚ሻ ή൫஼ೃሺ೚ሻ ି஼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 ࢒࢔ ൤࡯ࡾሺ࢕ሻ
ή൫࡯࡭ࡱሺ࢕ሻ ି࡯૝షࡹࢁ ൯
࡭ࡱሺ࢕ሻ ή൫࡯ࡾሺ࢕ሻ ି࡯૝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
஼ೃሺ೚ሻ ή൫஼ಲಶሺ೚ሻ ି஼రషಾೆ ൯
las curvas de ݈݊ ൤஼
ಲಶሺ೚ሻ ή൫஼ೃሺ೚ሻ ି஼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
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119
ANEXOS
120
ANEXO I
PRUEBAS REALIZADAS PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS
CONDICIONES DE OPERACIÓN PARA EL ANÁLISIS POR
HPLC
Como se explicó en el acápite 2.3.3.1, para establecer las condiciones de operación
para el análisis por HPLC, se realizaron pruebas con diferentes composiciones de
fase móvil (MeOH grado HPLC: Agua), las cuales fueron: 50:50, 70:30 y 85:15. Se
escogió la composición que permitiera una adecuada separación entre los picos de
los compuestos detectados en la muestra.
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
†Àƒ
‫܏ܓ‬
‰
ൈ
ൌ ૙ǡ ૚ૠ ൤
൨
‫܉܌ܑܚܚܗ܋‬
†Àƒ ͹…‘””‹†ƒ•
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
…‘””‹†ƒ
…‘””‹†ƒ
‫܉܌ܑܚܚܗ܋‬
…‘””‹†ƒ
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–ƒ‘Ž ͳͲͲͲ‰
ͳ
ͳͷ–ƒ‘Ž
ൈ
ൈ
ൌ
ͳͲͲͲ
ͷ‰Ͷ െ ͷ‰Ͷ െ 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–ƒ‘Ž
ൈ Ͳǡʹͺ
ൌ ૙ǡ ૡ૝ ൤
൨
‫܉܌ܑܚܚܗ܋‬
ͷ‰Ͷ െ …‘””‹†ƒ
۶ ൌ ͲǡͺͶ
Ͳǡ͹ͺͻ‰
‫܏ܓ‬
ൈ
ൌ ૙ǡ ૟૟ ൤
൨
‫܉܌ܑܚܚܗ܋‬
…‘””‹†ƒ
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:
ଵ୉୲ୟ୬୭୪ ൈ ଵ୉୲ୟ୬୭୪ ൌ ଶ୉୲ୟ୬୭୪ ൈ ଶ୉୲ୟ୬୭୪
ͷͲΨ ൈ ͲǡͺͶ
‫ ܉ܝ܏ۯ܄‬ൌ ͲǡͺͶ
‫ۺ‬
ൌ ͻͷΨ ൈ ଶ ֜ ‫܄‬૛۳‫ ܔܗܖ܉ܜ‬ൌ ૙ǡ ૝૝
…‘””‹†ƒ
‫܉܌ܑܚܚܗ܋‬
‫ۺ‬
െ ͲǡͶͶ
ൌ ૙ǡ ૝૙
…‘””‹†ƒ
…‘””‹†ƒ
‫܉܌ܑ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:
‘˜‡”•‹× ൌ ‘Ž‡•†‡Ͷ െ ൈ ͳͲͲΨ
‘Ž‡•†‡‡•‘”…‹‘Ž
‫܍܌ܛ܍ܔܗܕ‬૝ െ ‫ ܃ۻ‬ൌ Ͳǡͳ͹‰ ൈ
ͷͻǡͷͶΨ ൌ ͳͲͲͲ‰
ͳ‘Ž
ൈ
ൌ ૢǡ ૝૟ ൈ ૚૙ି૚ ሾ‫ܔܗܕ‬૝ െ ‫܃ۻ‬ሿ
ͳ‰
ͳ͹͸ǡʹ‰
ૢǡ ૝૟ ൈ ૚૙ି૚
ൈ ͳͲͲΨ
‘Ž‡•†‡‡•‘”…‹‘Ž
‫ 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 ͳǡͷͻ‘ŽͶ െ ൈ
ͳ͹͸ǡʹ‰
ͳ‰
‫܏ܓ‬
ൈ
ൌ ૙ǡ ૛ૡ ൤
൨
ͳͲͲͲ‰
‫܉܌ܑܚܚܗ܋‬
ͳ‘Ž
Con las moles de resorcinol determinadas se calculó la cantidad de resorcinol
(corriente A) que se requería para una corrida:
‫ ۯ‬ൌ ͳǡͷͻ‘Ž‡ ൈ
ͳͳͲǡͳͳ‰
ͳ‰
‫܏ܓ‬
ൈ
ൌ ૙ǡ ૚ૠ ൤
൨
ͳͲͲͲ‰
‫܉܌ܑܚܚܗ܋‬
ͳ‘Ž
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‘Ž
ൌ ૚ǡ ૟૟‫ܔܗܕ‬۳‫ۯۯ‬
Ͳǡͻ͸
۰ ൌ ͳǡ͸͸‘Ž ൈ
ͳ͵ͲǡͳͶ‰
ͳ‰
‫܏ܓ‬
ൈ
ൌ ૙ǡ ૛૛ ൤
൨
ͳͲͲͲ‰
‫܉܌ܑܚܚܗ܋‬
ͳ‘Ž
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
…‘””‹†ƒ
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.
؏‘ŽŽ ൌ ͶͺǡͳͺΨ ൌ ‘Ž‡•Ž
ൈ ͳͲͲΨ
‘Ž‡•–‘–ƒŽ‡•
‘Ž‡•–‘–ƒŽ‡• ൌ ‘Ž‡•Ž ൅ ‘Ž‡•‡•‘”…‹‘Ž ൅ ‘Ž‡•
ͶͺǡͳͺΨ ൌ ‘Ž‡•Ž
ൈ ͳͲͲΨ
‘Ž‡•Ž ൅ ͵ǡʹͷ
‫ܛ܍ܔܗܕ‬۶۱‫ ܔ‬ൌ ૜ǡ ૙૛ሾ‫ܔܗܕ‬۶۱‫ܔ‬ሿ
۱ ൌ ͵ǡͲʹ‘ŽŽ ൈ
͵͸ǡͷ‰
ͳ‰
‫܏ܓ‬
ൈ
ൌ ૙ǡ ૚૚ ൤
൨
‫܉܌ܑܚܚܗ܋‬
ͳ‘Ž 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܋‬
…‘””‹†ƒ
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