微波直接將能量輻射到反應物上,使分子產生高速旋轉和碰撞,實現內加熱,并使微波作用下的化學反應具有強活化溫轉化、反應速度快、轉化率高和選擇性好的特點。從微波化學反應器的發展,分析了它們各自的特點,結合基礎化學實驗室的實際情況,以家用微波爐為基礎設計改裝了微波化學反應器。以十一烯酸鋅的合成反應和醇的氧化反應為例,驗證了微波化學反應的優越性。
微波化學反應器的基本原理
“化學是這樣一門藝術,它使容器內的物質通過特定的實驗手段一主要是火,使之發生變化,并從哲學或醫學的角度來研究其意義”。兩百年后的今天,實驗手段中的火,已經被其它多種能量形式所取代,如電熱,紫外光,激光,超聲波,等離子體,高能輻射等,并在工業裝置上得到了廣泛的應用。1986年,R.Gedye將微波這種能量形式成功地引入到化學反應中。微波是頻率范圍在300MHz至300GHz之間的電磁波。這個區域內大部分的頻率被“國際通訊聯盟”劃入通訊專用,只有少數的波段可供工業、科學及醫學方面使用,其中家用微波爐常用的頻率是2450MHz。
微波加熱機制與特點
對于凝聚態物質,微波主要通過兩種機制起到加熱作用:一種是極化機制,另一種是離子傳導機制。通常極化有電子極化、原子極化、偶極極化和界面極化四種類型。物質總的極化程度是這四種極化作用之和,其中偶極極化和界面極化對微波介電加熱起了主要作用 ;而離子傳導機制則是介質內所存在的自由移動的離子,在電磁場中產生離子遷移電流,進而產生電流損失(即產生熱)。在微波場中,這兩種機制通常是共存的,而貢獻大小則由介質自身的性質來決定。一般說來,離子化合物離子傳導機制占主導,共價化合物則是極化機制占主導,金屬則不發生加熱機制。
由于微波介電加熱具有以上所述的特殊機制,它表現出比常規方式優越得多的加熱性能。常規方式加熱需要在溫度梯度的推動下,經歷熱源的傳導,媒介的對流傳熱,容器壁的熱傳導,樣品內部的熱傳導等過程;而微波介電加熱則不同,玻璃容器壁對微波是透明的,微波將能量直接輻射到樣品分子上,迅速提高反應物溫度,并不依賴于溫度梯度的推動。
微波輻射條件下化學反應的特點
(1) 強活化,溫轉化;(2)反應速度快;(3)轉化率高;(4)選擇性高
微波化學反應器的發展
微波化學反應器是微波化學實驗研究和工業生產中的核心部分,也是該領域獲得專利技術保護最多的部分。影響微波化學反應器設計的主要因素是:(1)待處理產品對微波的響應特性;(2)待處理樣品自身的物理特性;(3)實驗目的或要求的處理速度。自從微波化學的研究開展以來,微波化學反應器的設計經歷了以下幾個階段:家用微波爐;改裝的家用微波爐;帶有控制裝置的微波化學反應器。
應 用
近年來,化學家們對各種類型的化學反應在微波條件下進行了研究,如:水熱合成,微波誘導催化,微波消解溶樣,微波等離子化學反應,微波表面改性,微波硫化,微波熱解,微波萃取,環化加成與縮合,脂肪族與芳香族取代,氧化反應,催化加氫,雙鍵加成,脫羧反應以及自由基反應等 。還有結合新型綠色化學實驗,在改裝過的微波化學反應器內,十一烯酸鋅(抗菌防霉藥物)的合成反應以及選擇性氧化反應。(在微波加熱條件下,我們使用苯并咪唑重鉻酸鹽對醇的氧化反應。對十多種不同的醇的氧化結果可以發現:它只氧化芐基位或烯丙位的醇羥基而不
氧化飽和脂肪族的醇羥基,尤其是對氯霉素分子的氧化,更令人信服地證明了這種良好的反應選擇性。
結 論
微波加熱具有內加熱的特點,使得微波作用下的化學反應具有強活化溫轉化、反應速度快、轉化率高和選擇性好的特點。分析了各種微波化學反應器的特點,結合基礎化學實驗室的實際,以家用微波爐為基礎設計改裝了微波化學反應器,并以十一烯酸鋅的合成反應和醇的氧化反應驗證了微波化學反應的優越性。