Q&A: Những Lợi Ích Của Các Phản Ứng Sử Dụng Công Nghệ Vi Sóng

Với tư cách là một nhà hóa học vi sóng, CEM đã nghe nhiều câu hỏi từ các nhà khoa học chưa biết nhiều về lãnh vực hóa tổng hợp này. Dưới đây là một vài câu hỏi thường gặp và những chủ đề được quan tâm hoặc bàn luận.


Bằng cách nào vi sóng đun nóng vật chất?

Vi sóng là sóng điện từ, bao gồm những thành phần điện trường và từ trường. Khi nặng lượng vi sóng đi xuyên qua vật chất, trường lưỡng cực của vật chất sẽ cố sóng đôi chính nó với điện trường dao động của vi sóng.

Những phân tử vật chất không bao giờ có đủ thời gian để đi theo trường dao động một cách chính xác, vì thế việc tái định hướng liên tục của các phân tử sẽ gây tổn thất năng lượng thông qua việc tổn thất do ma sát phân tử và điện môi. Độ nóng được tạo ra từ quá trình này phụ thuộc vào khả năng sóng đôi của chính phân tử với tần số điện trường. Điều này được hiểu là ảnh hưởng đun nóng điện môi vi sóng.

Mechanisms of Microwave Heating: Dipolar Rotation
(Left) and Ionic Conduction (Right)

Vi sóng hoạt động ở tần số 2.45 GHz, thấp hơn năng lượng cần để phá vỡ một nối hóa học, nhưng đủ cao cho một phân tử với một lưỡng cực tỏa nhiệt thông qua chuyển động xoay quanh do ảnh hưởng đun điện môi.


Phản ứng của tôi có thể xãy ra nhanh như thế nào trong lò phản ứng vi sóng?

Các lò phản ứng vi sóng được trang bị công nghệ làm kín áp suất, nghĩa là những điều kiện đun nóng trên mức hồi lưu thường được dùng trong vi sóng. Tốc độ mà theo đó có thể làm giảm thời gian phản ứng sẽ được tìm thấy khi áp dụng luật/phương trình Arrhenius: 

dinh-luat-Arrhenius-ap-dung-cho-lo-phan-ung-vi-song

Mỗi lần gia tăng 10° C, thời gian phản ứng giảm một nữa. Ví dụ, một phản ứng có thể mất cả ngày ở nhiệt độ phòng thì chỉ cần khoảng 2 phút ở 120° C.  Nhiều lò phản ứng vi sóng, bao gồm dòng máy Discover của CEM, có khả năng đun nóng tới 300° C và có ngưỡng áp suất tối đa 435 psi.  

Vi sóng được xem là phương pháp tốt nhất và hoàn hảo nhất cho hóa tổng hợp


Các lò phản ứng vi sóng so sánh thế nào với các lò nung truyền thống?

Cơ chế đun điện môi của vi sóng được biết đến nhiều như là một nguồn đun thể tích hữu hiệu. Những phương pháp đun truyền thống (Lò nung, etc.) truyền nhiệt tới thành của bình phản ứng, và sau cùng phân tán tới dung dịch phản ứng. Đây là một quá trình chậm chạp và không hiệu quả, có thể tạo ra sự biến thiên nhiệt độ. Những điều này có thể dẫn đến những phản ứng phụ không mong muốn.

Tuy nhiên, vi sóng truyền năng lượng một cách trực tiếp tới các phân tử, và không truyền năng lượng tới bình phản ứng, vì thế có khả năng đun một hỗn hợp tới nhiệt độ mong muốn trong khoảng thời gian tính bằng phút. Điều này thường dẫn tới năng suất sản phẩm cao hơn khi sử dụng hóa học có vi sóng hỗ trợ.


Điều gì xãy ra nếu tôi muốn mở rộng các phản ứng?

Có nhiều kỹ thuật vi sóng có thể được dùng để mở rộng các phản ứng. Hệ thống MARS 6 có khả năng thực hiện các phản ứng ở nhiệt độ cao (300° C) với áp suất cao (800 psi) trong các dụng cụ đựng mẫu tới thể tích 1.2 L đóng kín hoặc ở những nhiệt độ và áp suất hồi lưu trong các dụng cụ đựng mẫu tới bình cầu đáy tròn 5 L. Bộ lấy mẫu tự động 12 hoặc 48 vị trí nâng cấp dùng cho Discover 2.0 cũng có thể dễ dàng được sử dụng để nâng nhu cầu, xử lý tuần tự các bình áp suất 35 mL. Các flow cell  cũng có thể được dùng để tăng công suất phản ứng trong một kiểu xử lý liên tục; CEM cung cấp cả hai loại bình dòng chãy liên tục 10 và 80mL.


Tôi có thể điều chỉnh cài đặt nhiệt độ và áp suất dẽ dàng không?

Dòng máy Discover của CEM sở hữu khả năng linh hoạt để kiểm soát nhiều loại đun nóng hơn bất kỳ bộ tổng hợp vi sóng nào khác. Trong số này, có loại có khả năng đun tới nhiệt độ đích một cách nhanh chóng và ổn định, hoặc thăm dò bản chất của việc đun vi sóng bằng lập trình kiểm soát nhiệt độ và áp suất tiên tiến.


Tôi có thể dùng các thuốc thử thể khí được không?

Lãnh vực hóa học sử dụng thuốc thử thể khí, như hydrogen hóa và carbonyl hóa có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách dùng Bộ kít Bổ sung Khí. Bộ kít này cũng có thể được dùng để đảm bảo một môi trường trơ trong lúc phát xạ vi sóng.


Việc thực hiện các phản ứng nhiệt độ thấp có khả thi không?

Các lò phản ứng vi sóng có thể mang lại lợi ích khi dùng để xúc tiến các phản ứng ở nhiệt thấp -80° C bằng CEM’s Discover CoolMate. CoolMate sử dụng nguyên lý theo đó năng lượng vi sóng được truyền trực tiếp tới các phân tử trong dung dịch hơn là truyền qua thành của bình phản ứng. Vì thế đây chính là công cụ tuyệt vời để xúc tiến phản ứng ở nhiệt độ thấp. Bình của CoolMate và công nghệ làm nguội giữ cho nhiệt độ của các chất phản ứng ở mức nhiệt thấp, cùng lúc đó cung cấp sự trong suốt vi sóng để đảm bảo năng lượng được truyền một cách đầy đủ tới các chất phản ứng. Điều này cũng hữu ích đối với các lãnh vực hóa học nhạy cảm như các phản ứng với lithium hoặc tổng hợp carbohydrate.



Bằng cách nào vi sóng có thể kết hợp các nguyên lý của hóa học xanh trong phòng thí nghiệm của tôi?

Lãnh vực hóa học sử dụng lò phản ứng vi sóng tuân thủ 12 nguyên lý của hóa học xanh, do Viện Hóa Học Xanh ACS đưa ra.

Dưới đây là một vài ví dụ:

Truyền nhiệt hiệu quả

Đun truyền thống là quá trình đun bề mặt; năng lượng được truyền đi từ bề mặt tới vật chất bằng đường hướng dẫn truyền và đối lưu. Trái ngược với cách đun kém hiệu quả này, phát xạ vi sóng đun trực tiếp hỗn hợp phản ứng, cung cấp một chiến lược đun hiệu quả. Điều này thường đưa đến năng suất cận định lượng, tối đa hóa nền kinh tế nguyên tử.

Sử dụng dung môi an toàn hơn và ngăn ngừa chất thải

Các phản ứng trong nước có thể xãy ra dễ dàng trong lò phản ứng vi sóng do khả năng thực hiện dễ dàng các phản ứng gần nhiệt độ siêu tới hạn. Hệ số điện môi của nước thay đổi từ 78.5 to 27.5 ở 250° C, có nghĩa là nước có thể được xem như một dung môi giả-hữu cơ. Khi được phối hợp với đun vi sóng, nước chứng tỏ là một dung môi tuyệt vời để dùng thay cho DCM hoặc toluene. Trong nhiều trường hợp, những sản phẩm chuyển sang tinh thể sau khi phản ứng xãy ra và hỗn hợp nguội đi, đơn giản hóa quy trình tinh chế, và giảm chất thải khi so sánh với những phương pháp tách chiết khác.

Sự xúc tác

Thường có thể giảm lượng chất xúc tác cần cho một phản ứng hóa học khi sử dụng các lò phản ứng vi sóng. Các chất xúc tác kim loại chuyển tiếp cho thấy có hoạt tính cao trong những điều kiện phát xạ vi sóng. Điều này là do sự tương tác hữu hiệu của các phức chất kim loại với vi sóng, giúp cho chất xúc tác có thể đun nóng tới nhiệt độ rất cao vượt qua nhiều rào cản hoạt hóa đối với các phản ứng.


Tài liệu tham khảo Antonio de la Hoz, Angel Díaz-Ortiz và Pilar Prieto, CHƯƠNG 1: Microwave-Assisted Green Organic Synthesis, in Alternative Energy Sources for Green Chemistry2016, Trang 1-33 DOI: 10.1039/9781782623632-00001.

McGowan, Cynthis B. và Leadbeater, Nicholas E.Clean, Fast Organic Chemistry: Microwave-Assisted Laboratory Experiments. Năm 2006 . CEM Pub., Matthews, NC.


Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

DMCA.com Protection Status