كيمياء التدفق هو مصطلح جديد -نوعاً ما- في مجال الكيمياء ولكنه بدأ في الانتشار والتطبيق العملي على نحو سريع لما له من ميزات. سنتكلم عن هذا النوع من التطبيقات بشكل مختصر على أمل أن نفتح المجال لإدخال ومناقشة هذا النوع من التفاعلات في جامعاتنا و مختبراتنا العربية
سمي باللغة الانكليزية بـ (Flow chemistry) أو كيمياء التدفق لأنه يعتمد على تدفق السوائل في حالتها الغازية عبر أنابيب ميكروية، ومن وجهة نظر شخصية يمكن أن اسميه كيمياء التدفق الميكروي المتحكم به آلياً.
يعبر بشكل عام عن المعالجة الكيميائية التي يمكن أن تحدث في الطور الغازي بشكل مستمر. كما أنه يعبر عن تطور ودراسة التفاعلات الكيميائية الحاصلة في مفاعلات مجهزة بمضخات للسوائل (هذه السوائل تتضمن المحلات والكواشف والمواد المتفاعلة) عبر أنابيب ميكروية. ويتم التحكم بمعدل سرعة ضخ وتراكيز المواد المتفاعلة عبر أجهزة مصممة خصيصاً لهذا النوع من التفاعلات.
على عكس التجهيزات الشائعة في مخابر الكيمياء فإنّ المفاعلات الميكروية تتميز باحتوائها على قنوات داخلية بأبعاد تتراوح بين 250 – 800 ميكرومتر. حيث يتم من خلالها حقن المواد الكيميائية لتتفاعل بشكل مستمر دون توقف بتطبيق درجة حرارة عالية جداً ومزج سريع مع ضغط محدد بدقة. هذا النوع من المفاعلات يسمح بحدوث التفاعل لعدد غير محدود من المرات والحصول على نفس المواد الناتجة دون تغيير في البارامترات اللازمة للتفاعل مقارنة بالتجهيزات الكلاسيكية المستخدمة في المخابر.
ميزات هذه الطريقة:
- سرعة مزج المواد: حيث يمكن الوصول إلى المزج الكامل للمواد خلال ثوان.
- درجة حرارة التفاعل: من الممكن زيادة درجة حرارة التفاعل إلى درجة أعلى من درجة حرارة غليان المحل المستخدم في التفاعل.
- مساحة سطح التفاعل: بما أنّ ضخ المواد الداخلة في التفاعل يتم على المستوى الميكروي فهذا يسمح بزيادة مساحة سطح التلامس بين المواد المتفاعلة بدرجة أكبر بألف مرة من المفاعلات العادية (الأرلينة مثلاً) مما يسمح بانتشار الحرارة أو التبريد المتجانس لكامل المكونات بدرجة متساوية.
- الانتقائية العالية: المزج السريع للمواد وزيادة مساحة سطح التلامس يمنع من حدوث الكثير من التداخلات التي يمكن أن تحدث في الطريقة الكلاسيكية.
- طريقة نظيفة: حيث لايوجد أي مواد ثانوية لا يمكن إعادة استخدامها مرة اخرى.
- دقة التحكم العالية: البارامترات المستخدمة من ضغط، درجة الحرارة، معدل التدفق والضخ كلها يمكن التحكم بها بسرعة وبدقة عالية.
- موفرة للوقت: صحيح أن هذه الطريقة بحاجة في البداية الى كثير من الوقت لتصميم الطريقة بشكلها المتكامل ولكن ما أن تبدأ هذه الطريقة بالعمل حتى يتيح لك ذلك وقت إضافي ناتج عن اختزاله بالعمل الحاسوبي المتكامل والقدرة على العمل لمدة غير محدودة من الزمن وبمردود ثابت مما يوفر الوقت والمال.
آلية العمل:
تعتمد طريقة العمل في كيمياء التدفق على ثلاث دعائم رئيسية لنحصل في النهاية على نموذج مترابط ذو تحكم آلي متكامل:
- المستوى الأول: يرتكز على المعرفة النظرية للمواد الكيميائية والتفاعلات الرئيسية والثانوية اللازمة للحصول على المركب المطلوب.
- المستوى الثاني: تحويل المستوى الأول (النظري) الى طريقة عملية يستخدم فيها الأجهزة والأدوات والمفاعلات وفق اطر هندسية معينة.
- المستوى الثالث: يتضمن الربط بين المستويين الأول والثاني من خلال النمزجة الآلية وذلك باعطاء المعلومات من درجة حرارة وضغط ومعدل التدفق ومدى الاستيعاب وغيرها من البارامترات اللازمة يزود بها الحواسيب المرتبطة بهذه الأدوات أو الآلات البسيطة كالصمامات والمستودعات والمبردات أو السخانات.
ما الفرق بينها وبين الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC): بكل بساطة يمكن القول أن الأخيرة (HPLC) هي نوع مبسط من كيمياء التدفق حيث يمكن إدخالها كجزء من منظومة متكاملة من الأجهزة والأدوات اللازمة في جهاز -إذا صح التعبير- كيمياء التدفق.
المصادر:
- Dr Claudio Battilocchio and Prof Steven V. Ley, Innovative Technology Centre, University of Cambridge, United Kingdom, Flow chemistry from: http://www.organic-chemistry.org/topics/flowchemistry.shtm
- Flow chemistry from: http://www.nature.com/subjects/flow-chemistry
- ChemistryViews.org (January 3, 2017), Flow Chemistry Is a Game, chemistry views. From: http://www.chemistryviews.org/details/ezine/10175231/Flow_Chemistry_Is_a_Game_Changer.html
- Flow Chemistry. Chemtrix. Retrieved March 5, 2017, from http://www.chemtrix.com/flow-chemistry
- Ingham R., Battilocchio C., Fitzpatrick D., Sliwinski E., Hawkins J., and Ley S., A Systems Approach towards an Intelligent and Self-Controlling Platform for Integrated Continuous Reaction Sequences, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 144 –148. DOI: 10.1002/anie.201409356
- What is flow chemistry? ThalesNano. Retrieved March 5, 2017, from http://thalesnano.com/flow-university/how-flow-chemistry-can-benefit-you
