Ультразвуковая активация химических процессов

Сентябрь 2, 2022

Главная
Алгебра
Ультразвуковая активация химических процессов

Содержание

2. План лекции: Ультразвуковая активация химических процессов (сонохимия) Микроволновая активация Фотохимическая активация
3. Ультразвук 1927 г. - Ричардс и Лумис: под воздействием ультразвука разложение иодида калия в водном растворе
4. Звуковые волны Звук - упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания 0
5. Кавитация Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или
6. Кавитация Коллапс пузырьков может вызывать очень высокие локальные температуры (порядка 5000 оС) и давления (более 1000
7. В ПОЛОСТИ высокие температуры и давления НА ГРАНИЦЕ менее экстремальные условия плюс ударные волны В ОБЪЕМЕ
8. Генерирование радикалов под действием кавитации
9. Ультразвуковые преобразователи Магнитострикционный преобразователь – основан на свойстве ферромагнитных материалов уменьшаться в размерах под действием магнитного
10. Методы введения ультразвука в реактор Помещение реактора в резервуар с облучаемой ультразвуком жидкостью
11. Методы введения ультразвука в реактор Помещение источника ультразвука непосредственно в реакционную среду Использование реакторов с вибрирующими
12. Ультразвук может влиять на: Распределение продуктов реакций (региоселективность) Скорость реакций (локальное повышение температуры) Механизм реакций
13. Ультразвук как правило не влияет на протекание гомогенных ионных реакций По механизму переноса электронов Гидролиз сахарозы
14. Ультразвук может резко влиять на гетерогенные реакции за счет процессов на границе раздела фаз – изменения
15. Бензилцианид - сырье для производства фенилуксусной кислоты и ее производных, красок, духов, пестицидов, фармпрепаратов, использующегося в
16. Нанокластеры кобальта: Ферромагнетики и могут быть использованы в устройствах записи и хранения информации, магнитооптических приборах. Гетерогенные
17. Соноэлектрохимия Ультразвук очищает и активирует поверхность элетродов Под действием ультразвука уменьшается накопление пузырьков газа на поверхности
18. Использование акустических колебаний в процессах сорбции позволяет резко сократить продолжительность насыщения сорбента, а в некоторых случаях
19. Микроволновая активация Микроволны – электромагнитные волны с длиной волны от 1 мм до 1 м (частоты
20. Микроволновая активация в органическом синтезе (Microwave Assisted Organic Synthesis (MAOS)) 1986 г. - первые работы по
21. Механизм нагрева вещества микроволнами Поляризация диэлектриков. Молекулы полиядерных веществ в электростатическом поле стремятся принять такое положение,
22. Хорошо нагреваются микроволнами Плохо нагреваются микроволнами полярные вещества с высокой диэлектрической проницаемостью (вода, этанол, ацетонитрил) малополярные
23. Особенности микроволнового нагрева В сравнении с обычным нагревом, микроволновое излучение поглощается более эффективно. Микроволны могут вызывать
24. Микроволновая энергия может вводится в реактор удаленно, без контакта источника с химическими веществами Ввод энергии в
25. Совмещение во времени и пространстве нескольких операций Проведение микроволнового нагрева под давлением часто позволяет переводить исходные
26. Аппаратура Milestone SPMR Milestone MicroSynth
27. Реакции в перегретой воде Диэлектрическая проницаемость воды ε уменьшается с 78 при 25 оС до 20
28. Синтез N-арилпирролов
29. Синтез противотуберкулезного препарата «Изониазид» В условиях конвекционного нагрева
30. Фотохимическая активация
31. Е исходное состояние hν возбужденные состояния синглетное триплетное Фотохимическая активация
32. Фотохимические процессы Поглощение света и переход молекулы в возбужденное состояние; Первичные фотохимические процессы с участием возбужденных
33. Процессы, которые могут протекать самопроизвольно после поглощения реагентами светового импульса. Свет - возбудитель и инициатор (цепные
34. Преимущества фотохимической активации Сокращение использования реагентов Низкие температуры реакции Контроль селективности фотоны – идеальные реагенты, они
35. Е координата реакции hν возбужденное состояние продукт 1 (терм.) продукт 2 (фото) реактанты поверхности энергий основного
36. Примеры PNC-процесс Фотобромирование диэтилкарбоната
37. Примеры провитамин D прeвитамин D витамин D2: R = С9H17 витамин D3: R = С8H17
39. Скачать презентацию

Слайд 2

План лекции:
Ультразвуковая активация химических процессов (сонохимия)
Микроволновая активация
Фотохимическая активация

Слайд 3

Ультразвук
1927 г. - Ричардс и Лумис: под воздействием ультразвука разложение иодида

калия в водном растворе с выделением йода.
1933 г. – Бойте: образование аммиака и азотистой кислоты в воде, где растворен азот.
1964 г. - Маргулис, Сокольский и Эльпинер: цепная стереоизомеризация малеиновой кислоты в фумаровую.

Слайд 4

Звуковые волны
Звук - упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в

ней механические колебания

102

103

104

105

106

107

108

109

>1010

Гц

- инфразвук, < 16 Гц

- слышимый звук, 16 Гц – 20 кГц

- ультразвук, 20 кГц – 1 ГГц

- гиперзвук, > 1 ГГц

ультразвук, применяемый в сонохимии: 20 кГц – 2 МГц

Слайд 5

Кавитация
Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или

каверн), заполненных газом, паром или их смесью.

Слайд 6

Кавитация
Коллапс пузырьков может вызывать очень высокие локальные температуры (порядка 5000 оС)

и давления (более 1000 атм)
Ультразвук не влияет на колебательные или вращательные состояния молекул.

Слайд 7

В ПОЛОСТИ
высокие температуры и давления
НА ГРАНИЦЕ
менее экстремальные условия плюс ударные волны
В ОБЪЕМЕ
мощные

поперечные (сдвигающие) силы

Кавитация

Слайд 8

Генерирование радикалов под действием кавитации

Слайд 9

Ультразвуковые преобразователи
Магнитострикционный преобразователь – основан на свойстве ферромагнитных материалов уменьшаться в

размерах под действием магнитного поля.
Пьезоэлектрический преобразователь – основан на пьезоэлектрическом эффекте

частоты < 100 кГц, электрич. эффективность – 60%

частоты всего ультразвукового диапазона, электрич. эффективность – 95%

Слайд 10

Методы введения ультразвука в реактор
Помещение реактора в резервуар с облучаемой ультразвуком

жидкостью

Слайд 11

Методы введения ультразвука в реактор
Помещение источника ультразвука непосредственно в реакционную среду
Использование

реакторов с вибрирующими на ультразвуковых частотах стенками

Слайд 12

Ультразвук может влиять на:
Распределение продуктов реакций (региоселективность)
Скорость реакций (локальное повышение температуры)
Механизм

реакций

Слайд 13

Ультразвук как правило не влияет на протекание гомогенных ионных реакций
По механизму

переноса электронов
Гидролиз сахарозы в кислой среде под действием ультразвука с частотой до 2 МГц.

Гомогенные реакции:

Слайд 14

Ультразвук может резко влиять на гетерогенные реакции за счет процессов на

границе раздела фаз – изменения поверхностного натяжения, механического измельчения и увеличения площади поверхности раздела фаз, усиления движения частиц и т.п.
Во многих случаях ультразвук является эквивалентом нагрева или механического перемешивания.

Гетерогенные реакции:

Слайд 15

Бензилцианид - сырье для производства фенилуксусной кислоты и ее производных, красок,

духов, пестицидов, фармпрепаратов, использующегося в качестве катализатора или компонента сложных катализаторов.

Гетерогенные реакции:

Слайд 16

Нанокластеры кобальта:
Ферромагнетики и могут быть использованы в устройствах записи и хранения

информации, магнитооптических приборах.

Гетерогенные реакции:

Слайд 17

Соноэлектрохимия
Ультразвук очищает и активирует поверхность элетродов
Под действием ультразвука уменьшается накопление пузырьков

газа на поверхности электрода
Ультразвуковое перемешивание обеспечивает более равномерный транспорт ионов через двойной электрический слой
Ультразвуковое перемешивание (кавитация) предотвращает снижение концентрации электроактивных частиц

Слайд 18

Использование акустических колебаний в процессах сорбции позволяет резко сократить продолжительность насыщения

сорбента, а в некоторых случаях и увеличить его емкость.
В фармации - при растворении, экстракции, получении эмульсий, суспензий, изготовлении микрогранул, стерилизации.
Показано, что некоторые антибиотики (бензилпенициллин, стрептомицин, тетрациклин, мономицин и др.) под влиянием ультразвука увеличивают свою антибактериальную активность.

Слайд 19

Микроволновая активация
Микроволны – электромагнитные волны с длиной волны от 1 мм

до 1 м (частоты до 300 МГц)

ИК (IR)

МВ (MW)

Радио-волны

В бытовой и промышленной нагревательной аппаратуре регламентированы частоты: 915, 2450, 5800, 22125 МГц.
Для микроволновой химии используется излучение с длиной волны 12.2 см (2450 МГц)

Слайд 20

Микроволновая активация в органическом синтезе (Microwave Assisted Organic Synthesis (MAOS))
1986 г.

- первые работы по применению МВА в органическом синтезе.
“MORE Chemistry” (microwave-induced organic reaction enhancement) или «ускорение органической реакции под действием микроволн».

Микроволновая активация

Слайд 21

Механизм нагрева вещества микроволнами
Поляризация диэлектриков.
Молекулы полиядерных веществ в электростатическом поле

стремятся принять такое положение, чтобы их диполи расположились в одном с ним направлении.
Частота 2450 МГц имеет тот же порядок, что и частоты вращения молекул.
МВИ вызывает вынужденное вращение полярных молекул.

Слайд 22

Хорошо нагреваются микроволнами
Плохо нагреваются микроволнами
полярные вещества с высокой диэлектрической проницаемостью (вода, этанол, ацетонитрил)
малополярные вещества с

низкой диэлектрической проницаемостью (углеводороды, CCl4, CO2, высоко упорядоченные кристаллические материалы)

H2O

ε = 78

лед

ε = 3.2

Слайд 23

Особенности микроволнового нагрева
В сравнении с обычным нагревом, микроволновое излучение поглощается более

эффективно.
Микроволны могут вызывать сильный «перегрев» жидкостей – нагрев намного выше температуры кипения, при этом явных признаков кипения может и не быть
Температура и скорость нагрева сильно зависят от массы образца
Для равномерного нагрева часто используются твердые подложки (окись алюминия, силикагель)

при 100 оС – 16 ч, при 200 оС – менее 1 мин

скорость возрастает в 210 раз!

Слайд 24

Микроволновая энергия может вводится в реактор удаленно, без контакта источника с

химическими веществами
Ввод энергии в вещество можно начать и закончить немедленно
Скорости нагрева выше, чем при обычном термическом нагреве, если хотя бы один из компонентов смеси может сильно взаимодействовать с микроволнами
Реакции можно проводить без растворителя, обратного холодильника и в открытом сосуде

Преимущества микроволнового нагрева

Слайд 25

Совмещение во времени и пространстве нескольких операций
Проведение микроволнового нагрева под давлением

часто позволяет переводить исходные малорастворимые соединения в гомогенную фазу
Возможность контроля и управления основными параметрами реакции
Безопасность в работе
Легкость в управлении и автоматизации

Преимущества микроволнового нагрева

Слайд 26

Аппаратура
Milestone SPMR
Milestone MicroSynth

Слайд 27

Реакции в перегретой воде
Диэлектрическая проницаемость воды ε уменьшается с 78 при

25 оС до 20 при 300 оС, растворимость органических веществ в воде значительно повышается.
При нагревании с 25 оС до 240 оС ионность воды возрастает в 1000 раз.

Слайд 28

Синтез N-арилпирролов

Слайд 29

Синтез противотуберкулезного препарата «Изониазид»
В условиях конвекционного нагрева

Слайд 30

Фотохимическая активация

Слайд 31

Е
исходное состояние
hν
возбужденные состояния
синглетное
триплетное
Фотохимическая активация

Слайд 32

Фотохимические процессы
Поглощение света и переход молекулы в возбужденное состояние;
Первичные фотохимические

процессы с участием возбужденных молекул и образованием первичных фотохимических продуктов;
Вторичные реакции веществ, образовавшихся в первичном процессе.

Слайд 33

Процессы, которые могут протекать самопроизвольно после поглощения реагентами светового импульса. Свет

- возбудитель и инициатор (цепные экзотермические процессы: хлорирование и бромирование углеводородов, синтез некоторых полимеров).
Процессы, для проведения которых необходим непрерывный подвод световой энергии к реагентам (фотосинтез).
Процессы, в которых для повышения фотохимической эффективности в реакционную среду вводятся фотосенсибилизаторы.

Фотохимические процессы

Слайд 34

Преимущества фотохимической активации
Сокращение использования реагентов
Низкие температуры реакции
Контроль селективности
фотоны – идеальные реагенты,

они активируют реакцию и полностью исчезают, не оставляя прямых загрязнений

фотохимические реакции обычно не требуют нагрева

нагрев vs облучение

Слайд 35

Е
координата реакции
hν
возбужденное состояние
продукт 1 (терм.)
продукт 2 (фото)
реактанты
поверхности энергий основного состояния
Фотохимическая активация

Слайд 36

Примеры
PNC-процесс
Фотобромирование диэтилкарбоната

Слайд 37

Ультразвуковая активация химических процессов

Содержание

План лекции:Ультразвуковая активация химических процессов (сонохимия)Микроволновая активацияФотохимическая активация

Ультразвук1927 г. - Ричардс и Лумис: под воздействием ультразвука разложение иодида

Звуковые волныЗвук - упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в

КавитацияКавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или

КавитацияКоллапс пузырьков может вызывать очень высокие локальные температуры (порядка 5000 оС)

В ПОЛОСТИвысокие температуры и давленияНА ГРАНИЦЕменее экстремальные условия плюс ударные волныВ ОБЪЕМЕмощные

Генерирование радикалов под действием кавитации

Ультразвуковые преобразователиМагнитострикционный преобразователь – основан на свойстве ферромагнитных материалов уменьшаться в

Методы введения ультразвука в реакторПомещение реактора в резервуар с облучаемой ультразвуком

Методы введения ультразвука в реакторПомещение источника ультразвука непосредственно в реакционную средуИспользование

Ультразвук может влиять на:Распределение продуктов реакций (региоселективность)Скорость реакций (локальное повышение температуры)Механизм

Ультразвук как правило не влияет на протекание гомогенных ионных реакцийПо механизму

Ультразвук может резко влиять на гетерогенные реакции за счет процессов на

Бензилцианид - сырье для производства фенилуксусной кислоты и ее производных, красок,

Нанокластеры кобальта:Ферромагнетики и могут быть использованы в устройствах записи и хранения

СоноэлектрохимияУльтразвук очищает и активирует поверхность элетродовПод действием ультразвука уменьшается накопление пузырьков

Использование акустических колебаний в процессах сорбции позволяет резко сократить продолжительность насыщения

Микроволновая активацияМикроволны – электромагнитные волны с длиной волны от 1 мм

Микроволновая активация в органическом синтезе (Microwave Assisted Organic Synthesis (MAOS))1986 г.

Механизм нагрева вещества микроволнамиПоляризация диэлектриков. Молекулы полиядерных веществ в электростатическом поле

Особенности микроволнового нагреваВ сравнении с обычным нагревом, микроволновое излучение поглощается более

Микроволновая энергия может вводится в реактор удаленно, без контакта источника с

Совмещение во времени и пространстве нескольких операцийПроведение микроволнового нагрева под давлением

АппаратураMilestone SPMRMilestone MicroSynth

Реакции в перегретой водеДиэлектрическая проницаемость воды ε уменьшается с 78 при

Синтез N-арилпирролов

Синтез противотуберкулезного препарата «Изониазид»В условиях конвекционного нагрева

Фотохимическая активация

Еисходное состояниеhνвозбужденные состояниясинглетноетриплетноеФотохимическая активация

Фотохимические процессыПоглощение света и переход молекулы в возбужденное состояние; Первичные фотохимические

Процессы, которые могут протекать самопроизвольно после поглощения реагентами светового импульса. Свет

Преимущества фотохимической активацииСокращение использования реагентовНизкие температуры реакцииКонтроль селективностифотоны – идеальные реагенты,

Екоордината реакцииhνвозбужденное состояниепродукт 1 (терм.)продукт 2 (фото)реактантыповерхности энергий основного состоянияФотохимическая активация

ПримерыPNC-процессФотобромирование диэтилкарбоната

Примерыпровитамин Dпрeвитамин Dвитамин D2: R = С9H17витамин D3: R = С8H17

Похожие презентации

План лекции:
Ультразвуковая активация химических процессов (сонохимия)
Микроволновая активация
Фотохимическая активация

Ультразвук
1927 г. - Ричардс и Лумис: под воздействием ультразвука разложение иодида

Звуковые волны
Звук - упругие волны, распространяющиеся в среде и создающие в

Кавитация
Кавитация — (от лат. cavitas — пустота) — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков, или

Кавитация
Коллапс пузырьков может вызывать очень высокие локальные температуры (порядка 5000 оС)

В ПОЛОСТИ
высокие температуры и давления
НА ГРАНИЦЕ
менее экстремальные условия плюс ударные волны
В ОБЪЕМЕ
мощные

Ультразвуковые преобразователи
Магнитострикционный преобразователь – основан на свойстве ферромагнитных материалов уменьшаться в

Методы введения ультразвука в реактор
Помещение реактора в резервуар с облучаемой ультразвуком

Методы введения ультразвука в реактор
Помещение источника ультразвука непосредственно в реакционную среду
Использование

Ультразвук может влиять на:
Распределение продуктов реакций (региоселективность)
Скорость реакций (локальное повышение температуры)
Механизм

Ультразвук как правило не влияет на протекание гомогенных ионных реакций
По механизму

Нанокластеры кобальта:
Ферромагнетики и могут быть использованы в устройствах записи и хранения

Соноэлектрохимия
Ультразвук очищает и активирует поверхность элетродов
Под действием ультразвука уменьшается накопление пузырьков

Микроволновая активация
Микроволны – электромагнитные волны с длиной волны от 1 мм

Микроволновая активация в органическом синтезе (Microwave Assisted Organic Synthesis (MAOS))
1986 г.

Механизм нагрева вещества микроволнами
Поляризация диэлектриков.
Молекулы полиядерных веществ в электростатическом поле

Особенности микроволнового нагрева
В сравнении с обычным нагревом, микроволновое излучение поглощается более

Совмещение во времени и пространстве нескольких операций
Проведение микроволнового нагрева под давлением

Аппаратура
Milestone SPMR
Milestone MicroSynth

Реакции в перегретой воде
Диэлектрическая проницаемость воды ε уменьшается с 78 при

Синтез противотуберкулезного препарата «Изониазид»
В условиях конвекционного нагрева

Е
исходное состояние
hν
возбужденные состояния
синглетное
триплетное
Фотохимическая активация

Фотохимические процессы
Поглощение света и переход молекулы в возбужденное состояние;
Первичные фотохимические

Преимущества фотохимической активации
Сокращение использования реагентов
Низкие температуры реакции
Контроль селективности
фотоны – идеальные реагенты,

Е
координата реакции
hν
возбужденное состояние
продукт 1 (терм.)
продукт 2 (фото)
реактанты
поверхности энергий основного состояния
Фотохимическая активация

Примеры
PNC-процесс
Фотобромирование диэтилкарбоната

Примеры
провитамин D
прeвитамин D
витамин D2: R = С9H17
витамин D3: R = С8H17