DISS. ETH NO. 19754
PHOTOCHEMICAL TRANSFORMATIONS IN
CONTINUOUS FLOW DEVICES
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
PAOLA LAURINO
Dipl. Pharm. Chem., Universitá degli Studi di Milano
Date of birth
1.4.1981
citizen of
Italy
accepted on the recommendation of
Professor Dr. Hansjörg Grützmacher
Professor Dr. Peter H. Seeberger
Professor Dr. Dieter A. Schlüter
2011
Abstract
Microreactor enables precise and automated manipulation of reaction mixture in a
defined volume of space. In recent times there has been an increasing interest in the
miniaturization of chemical and biochemical reactors. The microreactor is an efficient and
versatile alternative to the traditional batch reactor techniques and has facilitated the
development of new methods for organic and polymer chemists. Microreactors, when
used in continuous flow permit the precise control and screening of reaction parameters.
This thesis emphasizes the benefits of using microreactor technology for the
synthesis of nanoparticles and the study of photochemical reactions. Herein two successful
applications were studied and described:
1) The use of continuous flow device for the synthesis and functionalization of quantum
dots (QDs).
2) Discovery of a new mechanism for the reaction of phosphine oxide initiators during the
emulsion polymerization in a continuous flow microreactor.
Preliminary results regarding the synthesis of QDs in a round bottomed flask
resulted in major limitations in the control of particle nucleation and growth, which were
primarily due to the non-homogeneous mixing and heating of the reaction mixture. To
overcome these limitations, a versatile new strategy was developed and applied for
producing carbohydrate- or dihydrolipoic acid-capped CdSe/ZnS and CdTe/ZnS quantum
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dots (QDs) for biological applications. This method involved a three-step flow synthesis
in single-phase by using a continuous flow microreactor.
The first step involved screening different reaction time and temperature conditions to
produce QDs of different size with precise photophysical properties. The second and third
step involved the shell formation (ZnS) to obtain QDs and functionalization of the same
with thiol linked carbohydrate or dihydrolipic acid.
The method described has the following advantages: 1) Production of QDs in the range of
2–4 nm with narrow particle size distribution. 2) Precise control of the nucleation and
growth of QD cores in a single-phase flow and lower temperature than previous syntheses.
3) Easy screening of reaction parameters. 4) The procedure can be scaled up to produce
large amounts of QDs.
In the second part of this thesis a photo-initiated phosphine oxide mediated
polymerization reaction accelerated by snowballing radical generation (SRG) in a
continuous flow microreactor was described.
This method afforded narrow size distributed particle in a scalable and reproducible
manner.
Surprisingly, high molecular weight polymer chains were detected in small
particles generated at short residence times (36.5 s). The use of microreactor permitted an
in-depth investigation of the reaction mechanism, screening parameters and conditions not
obtainable in a batch reactor. The classical emulsion polymerization could not justify the
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observed screening results. A new mechanism for the reaction was proposed whereby
upon irradiation phosphine oxide was able to generate more radicals for particles than
expected.
The discovery of this new mechanism of reaction (Snowballing Radicals
Generation) permitted to produce materials with defined morphologies that were difficult
to synthesize previously.
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Riassunto
Il microreattore permette di manipolare in modo preciso e automatizzato miscele di
reazione in un volume di spazio definito.
Recentemente l´interesse per la
miniaturizzazione di reattori chimici e biochimici è aumentato. L´uso del microreattore si
presenta come un´alternativa efficiente e versatile ai tradizionali reattori e ha facilitato lo
sviluppo di nuovi metodi in chimica organica e polimerica. I microreattori quando usati in
flusso continuo, permettono il controllo preciso e lo screening di parametri di reazione.
Questa tesi enfatizza i vantaggi nell´uso della tecnologia del microreattore per la
sintesi di nanoparticelle e lo studio di reazioni di fotochimica. Due esempi sono stati
studiati con successo e saranno riportati:
1) L´uso di un microreattore in flusso continuo per la sintesi e funzionalizzazione di
quantum dots (QDs).
2) La scoperta del meccanismo di reazione degli ossidi di fosfina, usati come iniziatori
della polimerizzazione in emulsione in un microreattore in flusso continuo.
I risultati preliminari della sintesi di QDs in un reattore tradizionale hanno mostrato
delle limitazioni nel controllo della crescita e nucleazione delle particelle, le quali erano
principalmente dovute a una mancanza di riscaldamento e miscelazione omogenei della
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miscela di reazione. Per superare queste limitazioni, una nuova e versatile strategia è
stata sviluppata e poi utilizzata per produrre QDs (CdSe/ZnS e CdTe/ZnS)
funzionalizzati con diversi carboidrati o con l´acido diidrossilipoico per studi biologici.
Questo metodo ha coinvolto tre reazioni in fase omogenea usando un microreattore in
flusso continuo.
La prima reazione è stata ottimizzata utilizzando diverse temperature e tempi di
reazione per produrre QDs con diverse dimensioni e precise proprietà fotofisiche. Il
secondo e terzo passaggio hanno generato lo strato esterno (ZnS) dei QDs e la loro
funzionalizzazione con carboidrati o con l´acido diidrossilipoico.
Il metodo descritto presenta i seguenti vantaggi: 1) La produzione di QDs monodispersi
con una dimensione di 2–4 nm. 2) Il controllo preciso della nucleazione e crescita del
nucleo dei QDs in fase omogenea e a temperature piú basse di quelle riportate
precedentemente. 3) Uno screening facile dei parametri di reazione. 4) La procedura
può essere facilmente riprodotta su vasta scala.
Nella seconda parte di questa tesi una reazione di polimerizzazione inizializzata
dagli ossidi di fosfina e accelerata da un´inaspettata generazione di radicali (SRG) è
stata studiata usando un microreattore in flusso continuo.
Questo metodo ha permesso di sintetizzare particelle con grandezza uniforme in un
modo riproducibile anche in vasta scala. Il peso molecolare delle catene dei polimeri
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che costituivano le particelle si è rivelato sorprendentemente elevato per la grandezza
delle particelle e per la velocità con cui erano sintetizzate (36.5 s.).
L´uso del
microreattore ha permesso un´investigazione dettagliata del meccanismo di reazione,
uno screening di parametri e di condizioni di reazione difficilmente ottenibili in un
reattore tradizionale. Un nuovo meccanismo di reazione è stato proposto sulla base del
quale se irradiati gli ossidi di fosfina sono in grado di generare in una particella di
polimero più radicali di quelli previsti. La scoperta di questo nuovo meccanismo di
reazione (Snowballing Radical Generation) ha permesso di produrre materiali con
morfologia definita che prima erano difficili da sintetizzare.
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