Микроволновая химия
Микроволновая химия — это наука о применении микроволнового излучения для химических реакций. [1] [2] [3] [4] [5] Микроволны действуют как высокочастотные электрические поля и обычно нагревают любой материал, содержащий подвижные электрические заряды , например, полярные молекулы в растворителе или проводящие ионы в твердых телах. Полярные растворители нагреваются, поскольку составляющие их молекулы вынуждены вращаться вместе с полем и терять энергию при столкновениях. Полупроводниковые и проводящие образцы нагреваются, когда ионы или электроны внутри них образуют электрический ток , и энергия теряется из-за электрического сопротивления материала. Микроволновое отопление в лаборатории начало получать широкое распространение после статей 1986 года. [6] хотя использование микроволнового нагрева при химической модификации восходит к 1950-м годам. Хотя иногда его называют МАОС (органический синтез с помощью микроволнового излучения), [7] MEC (химия, усиленная микроволновым излучением) или синтез MORE (усиление органической реакции в микроволновом диапазоне), эти аббревиатуры не получили широкого признания за пределами небольшого числа групп.
Эффект нагрева [ править ]
Обычный нагрев обычно включает использование печи или масляной бани, которая нагревает стенки реактора за счет конвекции или проводимости. Для достижения заданной температуры сердцевине образца требуется гораздо больше времени, например, при нагреве большого образца керамического кирпича.
Выступая в качестве внутреннего источника тепла, микроволновая абсорбция способна нагревать целевые соединения без нагрева всей печи или масляной бани, что экономит время и энергию. [7] Он также способен нагревать достаточно тонкие объекты по всему их объему (а не через внешнюю поверхность), теоретически обеспечивая более равномерный нагрев. Однако из-за конструкции большинства микроволновых печей и неравномерного поглощения нагреваемым объектом микроволновое поле обычно неоднородно и происходит локализованный перегрев . Объемный микроволновый нагрев (MVH) устраняет неравномерное поглощение за счет применения интенсивного однородного микроволнового поля.
Различные соединения преобразуют микроволновое излучение в тепло в разной степени. Эта селективность позволяет некоторым частям нагреваемого объекта нагреваться быстрее или медленнее, чем другие (особенно реакционный сосуд).
Микроволновое отопление может иметь определенные преимущества перед обычными духовками:
- скорости реакции ускорение
- более мягкие условия реакции
- более высокий химический выход
- меньшее потребление энергии
- различная селективность реакции
Микроволновая химия применяется к органической химии. [8] и неорганической химии. [9] [10] [11] [12] [13] [14]
Селективное отопление [ править ]
Гетерогенная система (состоящая из разных веществ или разных фаз) может быть анизотропной, если учитывать тангенс потерь компонентов. В результате можно ожидать, что энергия микроволнового поля будет конвертироваться в тепло в разных количествах в разных частях системы. энергии Это неоднородное рассеяние означает, что возможен избирательный нагрев различных частей материала и может привести к температурным градиентам между ними. Тем не менее, наличие зон с более высокой температурой, чем другие (называемых горячими точками), должно быть обусловлено процессами теплопередачи между доменами. Если скорость теплопроводности между доменами системы высока, горячие точки не будут существовать в течение длительного времени, поскольку компоненты быстро достигают теплового равновесия . В системе, где передача тепла медленная, возможно наличие устойчивой горячей точки, которая может увеличить скорость химической реакции внутри этой горячей зоны.
На этом основании во многих ранних работах по микроволновой химии постулировалась возможность возбуждения определенных молекул или функциональных групп внутри молекул. Однако время перераспределения тепловой энергии от таких фрагментов значительно меньше периода микроволновой волны, что исключает наличие таких «молекулярных горячих точек» в обычных лабораторных условиях. Колебания, производимые излучением в этих молекулах-мишенях, мгновенно передавались бы при столкновениях с соседними молекулами, достигая в тот же момент теплового равновесия. Несколько иначе ведут себя процессы с твердыми фазами. В этом случае речь идет о гораздо более высоких сопротивлениях теплопередаче, и следует учитывать возможность стационарного присутствия горячих точек. В литературе отмечается различие между двумя видами горячих точек, хотя многие считают это различие произвольным. Считалось, что макроскопические горячие точки включают в себя все большие неизотермические объемы, которые можно обнаружить и измерить с помощью оптических пирометров (оптического волокна или ИК). С помощью этих средств можно визуализировать тепловые неоднородности внутри твердых фаз при микроволновом облучении. Микроскопические горячие точки представляют собой неизотермические области, которые существуют на микро- или наноуровне (например, нанесенные металлические наночастицы внутри катализатора гранулы ) или на молекулярном уровне (например, полярная группа в структуре катализатора). Однако это различие не имеет серьезного значения, поскольку микроскопические «горячие точки», подобные тем, которые предложены для объяснения поведения катализатора в некоторых газофазных каталитических реакциях, были продемонстрированы методами вскрытия. [15] и методы на месте. [16] Опубликованы некоторые теоретические и экспериментальные подходы к выяснению эффекта горячей точки в гетерогенных катализаторах.
Другое конкретное применение в синтетической химии заключается в микроволновом нагреве бинарной системы, содержащей полярный растворитель и неполярный растворитель, для получения разных температур. При применении реакции фазового переноса водная фаза достигает температуры 100 °C, тогда как фаза хлороформа сохраняет температуру 50 °C, обеспечивая также экстракцию реагентов из одной фазы в другую. Микроволновая химия особенно эффективна в реакциях в сухих средах .
Микроволновой эффект [ править ]
Существует два основных класса микроволновых эффектов:
- Специфические микроволновые эффекты.
- Нетепловые микроволновые эффекты.
В обзоре было предложено это определение. [17] обобщены примеры микроволновых эффектов в органической химии. [18]
Специфические микроволновые эффекты – это эффекты, которые невозможно (легко) имитировать с помощью традиционных методов нагрева. Примеры включают: (i) селективное нагревание конкретных компонентов реакции, (ii) высокие скорости нагрева и температурные градиенты, (iii) устранение стеночных эффектов и (iv) перегрев растворителей . Эффекты, специфичные для микроволнового излучения, как правило, не вызывают споров и требуют «традиционных» объяснений (т.е. кинетических эффектов) наблюдаемых эффектов. [19]
Нетепловые микроволновые эффекты были предложены для объяснения необычных наблюдений в микроволновой химии. Как следует из названия, предполагается, что эффекты не требуют преобразования микроволновой энергии в тепловую. Такие эффекты являются спорными.
Катализ [ править ]
Применение микроволнового нагрева в реакциях гетерогенного катализа не изучалось интенсивно из-за присутствия металлов в нанесенных катализаторах и возможности возникновения дуговых явлений в присутствии легковоспламеняющихся растворителей. Однако этот сценарий становится маловероятным при использовании металлических катализаторов размером наночастиц. [7]
Ссылки [ править ]
- ^ «Микроволны в органическом синтезе» . Портал органической химии . Проверено 23 октября 2018 г.
- ^ Микроволны в органическом синтезе. Тепловые и нетепловые микроволновые эффекты , Антонио де ла Ос, Анхель Диас-Ортис, Андрес Морено, Chem. Соц. Ред., 2005, 164-178. дои : 10.1039/b411438h
- ^ Развитие органической химии с использованием микроволнового излучения . К. Штраус, Р. Трейнор. Ауст. J. Chem., 48, 1665 (1995).
- ^ Реакции на сухие среды M. Kidwai Pure Appl. Хим., Том. 73, № 1, стр. 147–151, 2001. [1]
- ^ Микроволны в органической и медицинской химии , 2-е, полностью переработанное и расширенное издание, Wiley-VCH, Вайнхайм, 2012 г. http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-3527331859.html
- ^ Использование микроволновых печей для быстрого органического синтеза Ричард Гедай, Фрэнк Смит, Кеннет Вестэуэй, Хумера Али, Лоррейн Балдисера, Лена Лаберж и Джон Руселл Tetrahedron Letters , том 27, выпуск 3, 1986 , страницы 279-282 два : 10.1016/S0040-4039(00)83996-9
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Пиццетти, Марианна (май 2012 г.). «Гетерогенный катализ при микроволновом нагреве» (PDF) . Химия и промышленность (4). Итальянское химическое общество: 78–80.
- ^ Р.Сесилия, У.Кунц, Т.Турек. «Возможности интенсификации процессов с помощью микроволн применительно к каталитическим микрореакторам» Хим. англ. Учеб. Том 46, выпуск 9, страницы 870–881 (сентябрь 2007 г.)
- ^ Мартин-Хил Дж., Мартин-Хил Ф.Дж., Хосе-Якаман М., Карапиа-Моралес Л. и Фалькон-Барсенас Т. «Синтез гидратированного уранилоксониевого силиката натрия с помощью микроволновой печи». Польский Дж. Чем , 2005, 1399-1403.
- ^ Х. Прадо-Гонхаль, М. Е. Вильяфуэрте-Кастрехон, Л. Фуэнтес и Э. Моран. «СВЧ-гидротермальный синтез BiFeO3». «Мат.Рес.Бык» 44 (2009) 1734-1737 гг.
- ^ KJRao, B.Vaidhyanathan, M.Ganduli, PARamakrishnan, Chem.Mater. 11, 1999, 882
- ^ Дж.Чжао, В.Янь, Современная неорганическая синтетическая химия, Глава 8 (2011) 173
- ^ RKSahu, MLRao, SSManoharan, Journal of Materials Science 36 (2001) 4099
- ^ Д.П.Мингос , Д.Багерст, Chem.Soc.Rev 20 (1991) 1
- ^ Чжан, X., Хейворд, Д.О., Ли, К. и Мингос, DMP (2001)Каталитическое восстановление диоксида серы с помощью микроволновой печи метаном на катализаторах MoS2. Прикладной катализ B: Экология, 33, (2), 137-148.
- ^ http://www.isis.rl.ac.uk/isis2005/reports/15301.PDF [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Каппе, штат Колорадо Ангью. хим. Межд. Эд. 2004 , 43 , 6250-6285.
- ^ Де ла Оз, А.; Диас-Ортис, А.; Морено, А. Хим. Соц. Замри. 2005 , 164–178.
- ^ «Наука о промышленной микроволновой печи» . Массальфа . 23 октября 2018 г.
Внешние ссылки [ править ]
- AMPERE (Европейская ассоциация микроволновой энергетики для исследований и образования)
- Микроволновой синтез @organic-chemistry.org
- Домашние страницы Сайт uconn.edu с микроволновым оборудованием и исследованиями
Отрасли химии | |
|---|---|
| Аналитический | |
| Теоретический | |
| Физический | |
| Неорганический | |
| Органический | |
| Биологический | |
| Междисциплинарность | |
| См. также | |
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
