حلال های آلی در واکنش های شیمیایی و فرایندهای استخراجی

براي نتيجه گيري مناسب در انتخاب حلال واكنش يا استخراج نياز است كه خصوصيات حلال هاي آلي دسته بندي و كابردهاي آنها بررسي شوند. حلال به طور كلي سيالي است كه قابليت حل كردن كل يا جزئي از مخلوط واكنش را در خود دارد. حلال هايي كه به منظور حلال واكنش استفاده مي شوند مي بايست كليه واكنش دهنده هاي يك واكنش را در خود حل كند. در برخي موارد حلال قابليت حل كردن محصول را نيز دارد كه پس از اتمام واكنش بايد از حلال جدا شود و در برخي مواقع نيز محصول از حلال رسوب كرده يا بصورت فاز جداگانه اي از مايع قابل جداسازي خواهد بود.

حلال هاي آلي از نظر خصوصيت به سه دسته دوتايي تقسيم مي شوند؛

1-قطبي يا غير قطبي:

حلال هاي قطبي ممان دو قطبي (Dipole moment) بزرگي دارند. ملكول اين حلال هاي حاوي پيوند هاي بين دو اتم بسيار متفاوت از نظر الكترونگاتيويته است مثل پيوند اكسيژن-هيدروژن. حلال هاي ناقطبي در ملكول خود فقط پيوند هاي بين اتم هاي با الكترونگاتيويته مشابه دارد مثل پيوند هاي كربن-هيدروژن.

۲-پروتيك يا آپروتيك؛

حلال هاي پروتيك حلال هايي هستند كه در ملكول خود پيوند نيترون-هيدروژن يا اكسيژن-هيدروژن دارند.اين دو پيوند توانايي تشكلي پيوند هاي بين مولكولي هيدروژني را ايجاد مي كنند كه در خواص فيزيكي و شيميايي حلال تاثير بسزايي دارد. حلال هاي آپروتيك ممكن است در ملكول خود اكسيژن يا نيتروژن داشته باشند و لي قطعا پيوند هيدروژني ندارند.

۳-حلال هاي مشاركت كننده و غير مشاركت كننده؛

حلال هاي مشاركت كننده حلال هايي هستند كه غير از حل كردن واكنش دهنده ها خود با تامين نوكلئوفيل يا پروتون اسيدي يا خواص بازي در واكنش مشاركت مي كند. حلال هاي غير مشاركت كننده تنها وظيفه حل كردن واكنشگر ها را دارد و نسبت به واكنش خنثي است.

در واكنش هاي شيميايي انتخاب حلال به اندازه انتخاب واكنش دهنده ها و كاتاليزور و شرايط واكنش اهميت دارد. حلالي كه براي يك واكنش سنتزي انتخاب مي شود بايد از نظرات ذيل بررسي و قابليت هاي آن بررسي شود؛

1-حلاليت واكنش دهنده ها در حلال؛

مهمترين خصوصيت يك حلال قدرت حل كردن و اكنش دهنده ها در آن است. بسته به شرايط مطلوب واكنش حلال بايد قابليت حل كردن واكنش دهنده ها و عدم حضور در واكنش را ايفا نمايد. برخي واكنش ها كه در آن حلال در دماهاي بالا قابليت حل كردن و اكنش دهنده هارا داشته و در دماي پايين يك يا چند واكنش دهنده رسوب كرده يا بصورت مايع جدا شود؛ اين در مواقعي است كه واكنش گر اضافه پس از اتمام واكنش به همراه محصول در محلول باقي مانده و قابليت جداسازي ندارد. ميزان حلاليت محصول در حلال نيز بايد در طراحي واكنش مد نظر قرار گيرد. در مواقعي كه محصول توليدي غير محلول در حلال باشد با توجه به اينكه محصول به محض توليد شدن از محيط واكنش خارج مي شود باعث افزايش نرخ واكنش طبق اصل لوشاتليه مي شود هر چند تعداد واكنشهاي شناخته شده از اين دست در صنعت اندك است.

2-خصوصيات فيزيكي و شيميايي حلال؛

حلال هاي آلي گستره وسيعي از خصوصيات فيزيكي و شيميايي دارند. نقطه جوش و ذوب، دانسيته، آتش گير بودن، نقطه اشتعال، نقطه خود اشتعالي، سميت و … خواصي هستند كه بايد در زمان انتخاب حلال واكنش مد نظر قرار گيرند. در واكنش هايي كه دماي واكنش بالا و فشار نه چندان زياد مطلوب است استفاده از حلال هاي با نقطه جوش پايين موجب افزايش پيچيدگي تجهيزات مي شود چرا كه فشار رآكتور بايد مداوم ونت، كندانس و مجدد به محيط واكنش برگردد و رآكتور بايد تحمل فشارهاي بالاتري داشته باشد. در همين موراد حلال هايي كه نقطه خود اشتعالي پاييني دارند (مثل اترها) براي استفاده در و اكنش هاي دماي بالا خطر بيشتري دارند. حلال هاي آتش گير در واكنش هاي با دما و فشار بالا، ريسك بالاي انفجار و آتش سوزي دارند و در صورت امكان استفاده از حلال هاي غير آتش گير (مثل حلال هاي كلردار دي كلرو متان يا پركلرو اتيلن) يا حلال هاي با نقطه اشتتعال نسبتاً بالا مثل( دي متيل سولفوكسيد، دي كلرو بنزن و نرمال متيل پيروليدون) هزينه هاي تجهيزات اعلام و اطفا حريق بسيار پايينتر و تجهيزات توليد ارزانتر خواهد بود. در واكنش هايي كه واكنش گرها، كاتاليزور و محصول خوردگي چنداني روي فلزات ندراند، استفاده از حلالي كه باعث مي شوند رآكتور و سيستم هاي جداسازي و خالص سازي محصول ناچار به استفاده از آلياژهاي خاص و گران قيمت شوند بايد بررسي و در صورت امكان با حلال غير خورنده تعويض شوند.

3-فرآيند جداسازي محصول از حلال؛

در واكنش هاي شيميايي در بسياري مواقع محصولات جانبي و اصلي همگي پس از اتمام واكنش در حلال باقي مي مانند. همچنين واكنش گرهاي واكنش نداده و اضافي و شايد كاتاليزور همگن پس از اتمام واكنش در حلال باقي مي مانند.  براي جداسازي محصولات اصلي و جانبي، فرايند هاي خالص سازي زيادي را مي توان بررسي نمود. در برخي شرايط تقطير مستقيم مواد باقي مانده در رآكتور پس از واكنش يا تقطير همزمان در حين واكنش مطلوب باشد يا در برخي موارد لازم است با حلال ديگري محلول واكنش شسته و برخي محصولات جانبي يا واكنش دهنده ها به آن حلال منتقل شوند. در برخي فرآيند ها با افزودن عامل سوم محصول اصلي رسوب كرده يا جدا مي شود. يكي از مهمتترين عوامل در انتخاب حلال مناسب واكنش بررسي تجهيزات لازم و راندمان جداسازي محصول از حلال است. هرچه تعداد مراحل جداسازي محصول از حلال كمتر و فرايند ساده تري داشته باشد قيمت تمام شده محصول پايينتر و راندمان بالاتر خواهد بود. همچنين حلال واكنش نبايد در حين فرايندهاي جداسازي تغيير فاز يا ماهيت شيميايي بدهد.

4-قابليت بازيافت حلال واكنش؛

حلال هاي واكنش در اكثر مواقع در حين فرايند جداسازي محصول بازيافت مي شوند. واكنش هاي شيميايي، پتروشيميايي، داروسازي و … فرايند هاي جداسازي محصول از حلال حاوي حداقل يك مرحه تقطير ساده، جزء به جزؤء يا آزئوتروپيك است. با اين حال با گذر زمان محصولات ناخواسته واكنش مثل قير، ايزومر هاي محصول، نمك، آب و خود محصول در حلال باقي مانده و با گزر زمان به خلوص حلال و قابليت هاي ن صدمه وارد مي كنند.اهميت قابليت بازيات حلال در اين است كه حلال استفاده شده در واكنش پس از طي طول عمر خود بتوان آنرا مجدد بازيافت نموده و به رخه توليد محصول بازگرداند.فرايند بازيافت حلالي كه طول عمر خود را طي كرده استممكن است تجهيزات متفاوتي از تجهيزات بازيابي حلال در طول فرايند داشته باشد لذا مناسب است كه قبل از انتخاب حلال واكنش قابليت بازيافت آن را بررسي، واحد بازيافت حلال را پيشبيني يا از شركتهاي بازيافت در جهت انتخاب حلال و سپس بازيافت حلال در دوره هاي توليد كمك گرفت.