التراسونیک ناشی و افزایش فاز انتقال کاتالیز

سونوگرافی با قدرت بالا به دلیل سهم آن در واکنش های شیمیایی مختلف شناخته شده است. این به اصطلاح است آوا شیمی. واکنش های ناهمگن - و به ویژه واکنش های انتقال فاز - زمینه های کاربردی بسیار بالقوه برای سونوگرافی قدرت هستند. با توجه به انرژی مکانیکی و سونوشیمیایی اعمال شده به معرف ها، واکنش ها را می توان آغاز کرد، سرعت واکنش را می توان به طور قابل توجهی افزایش داد، و همچنین نرخ تبدیل بالاتر، بازده بالاتر و محصولات بهتری را می توان به دست آورد. مقیاس پذیری خطی سونوگرافی و در دسترس بودن اولتراسونیک قابل اعتماد . تجهیزات این تکنیک را به یک راه حل جالب برای تولید مواد شیمیایی تبدیل می کنند.

Glass reactor for targeted and reliable sonication processes

سلول جریان شیشه ای اولتراسونیک

کاتالیز انتقال فاز

کاتالیز انتقال فاز (PTC) شکل خاصی از کاتالیز ناهمگن است و به عنوان یک روش عملی برای سنتز آلی شناخته می شود. با استفاده از کاتالیزور انتقال فاز، می توان واکنش دهنده های یونی را حل کرد که اغلب در یک فاز آبی محلول هستند اما در یک فاز آلی نامحلول هستند. این بدان معناست که PTC یک راه حل جایگزین برای غلبه بر مشکل ناهمگنی در واکنشی است که در آن برهمکنش بین دو ماده واقع در فازهای مختلف یک مخلوط به دلیل ناتوانی معرف ها در کنار هم مهار می شود. (اسن و همکاران 2010) از مزایای کلی کاتالیز انتقال فاز می توان به تلاش های اندک برای آماده سازی ، روش های آزمایشی ساده ، شرایط واکنش خفیف ، سرعت واکنش بالا ، انتخاب پذیری بالا و استفاده از معرف های ارزان قیمت و خوش خیم برای محیط زیست مانند نمک های آمونیوم چهارتایی و حلال ها و امکان انجام آماده سازی در مقیاس بزرگ اشاره کرد (Ooi et al. 2007).
انواع واکنش های مایع-مایع و مایع-جامد با استفاده از کاتالیزورهای انتقال فاز ساده (PT) مانند کوات، پلی اتیلن گلیکول-400 و غیره تشدید شده و انتخابی شده اند که اجازه می دهد گونه های یونی از فاز آبی به فاز آلی منتقل شوند. بنابراین ، می توان بر مشکلات مرتبط با حلالیت بسیار کم واکنش دهنده های آلی در فاز آبی غلبه کرد. در صنایع سموم دفع آفات و داروسازی، PTC به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد و اصول کسب و کار را تغییر داده است. (شارما 2002)

سونوگرافی قدرت

استفاده از سونوگرافی قدرت یک ابزار شناخته شده برای ایجاد بسیار خوب است امولسیون. در شیمی از چنین امولسیون هایی با اندازه بسیار ریز برای افزایش واکنش های شیمیایی استفاده می شود. این به این معنی است که منطقه تماس بین سطحی بین دو یا چند مایع غیر قابل اختلاط به طور چشمگیری بزرگ می شود و در نتیجه فراهم می کند بهتر, دوره کامل تر و / یا سریعتر از واکنش.
برای کاتالیز انتقال فاز – همانند سایر واکنش های شیمیایی - انرژی جنبشی کافی برای شروع واکنش مورد نیاز است.
این اثرات مثبت مختلفی در مورد واکنش شیمیایی دارد:

یک واکنش شیمیایی است که به طور معمول به دلیل انرژی جنبشی کم آن رخ نمی دهد می تواند با سونوگرافی آغاز شود.
واکنش های شیمیایی را می توان توسط PTC با کمک اولتراسونیک تسریع کرد.
اجتناب کامل از کاتالیزور انتقال فاز.
از مواد اولیه می توان کارآمدتر استفاده کرد.
محصولات جانبی را می توان کاهش داد.
جایگزینی پایه قوی خطرناک با پایه معدنی ارزان قیمت.

با این اثرات، PTC یک روش شیمیایی ارزشمند برای سنتز آلی از دو و چند واکنش دهنده غیرقابل اختلاط است: کاتالیز انتقال فاز (PTC) امکان استفاده از مواد اولیه فرآیندهای شیمیایی را به طور موثرتری و تولید مقرون به صرفه تر فراهم می کند. افزایش واکنش های شیمیایی توسط PTC ابزار مهمی برای تولید مواد شیمیایی است که می تواند با استفاده از سونوگرافی به طور چشمگیری بهبود یابد.

کاویتاسیون در مایع

نمونه هایی برای واکنش های PTC ترویج شده اولتراسونیک

سنتز مشتقات جدید N'-(4،6-disubstituted-pyrimidin-2-yl)-N-(5-aryl-2-furoyl)thiourea با استفاده از PEG-400 تحت فراصوت. (کن و همکاران 2005)
سنتز التراسونیک اسید ماندلیک توسط PTC در مایع یونی افزایش قابل توجهی در بازده واکنش در شرایط محیطی نشان می دهد. (هوآ و همکاران 2011)
Kubo و همکاران (2008) گزارش اولتراسونیک کمک C-alkylation فنیل استونیتریل در یک محیط بدون حلال. اثر سونوگرافی برای ترویج واکنش به ناحیه بین سطحی بسیار بزرگ بین دو فاز مایع نسبت داده شد. نتایج امواج فراصوت در سرعت واکنش بسیار سریعتر از مخلوط کردن مکانیکی.
فراصوت در طی واکنش تتراکلرید کربن با منیزیم برای تولید دی کلروکاربن منجر به بازده بالاتر جواهر-دی کلروسیکلوپروپان در حضور الفین ها می شود. (لین و همکاران 2003)
سونوگرافی شتاب واکنش Cannizzaro را فراهم می کند p-کلروبنزآلدئید در شرایط انتقال فاز. کاتالیزورهای انتقال سه فاز – بنزیل تری اتیل آمونیوم کلراید (TEBA) ، Aliquat و 18-crown-6 -، که توسط Polácková و همکاران آزمایش شده اند (1996) TEBA موثرترین بودند. فروسن کاربالدئید و p-دی متیل آمینوبنزآلدئید ، در شرایط مشابه ، 1،5-diaryl-1،4-pentadien-3-ones را به عنوان محصول اصلی ارائه داد.
لین شیائو و همکاران (1987) نشان داده اند که ترکیبی از سونوگرافی و PTC به طور موثر ترویج تولید دی کلروکاربن از کلروفرم در زمان کوتاه تر با عملکرد بهتر و مقدار کاتالیزور کمتر.
یانگ و همکاران (2012) سنتز سبز و به کمک اولتراسونیک بنزیل 4-هیدروکسی بنزوات را با استفاده از 4،4'-bis(tributylammoniomethyl)-1،1'-biphenyl dichloride (QCl_H2S) به عنوان کاتالیزور. با استفاده از QCl_H2S، آنها یک کاتالیز انتقال فاز دو سایتی جدید ایجاد کرده اند. این کاتالیز فاز جامد مایع انتقال (SLPTC) به عنوان فرآیند دسته ای با سونوگرافی انجام شده است. تحت فراصوت شدید، 33٪ از Q2+ اضافه شده حاوی 45.2٪ از Q(Ph(OH)COO)_H2S برای واکنش با بنزیل بروماید به فاز آلی منتقل شده است، از این رو سرعت واکنش کلی افزایش یافته است. این سرعت واکنش بهبود یافته 0.106 دقیقه به دست آمد^-1 تحت 300W از تابش مافوق صوت, در حالی که بدون فراصوت نرخ 0.0563 دقیقه^-1 مشاهده شد. بدین ترتیب، اثر هم افزایی کاتالیزور انتقال فاز دو سایتی با سونوگرافی در کاتالیز انتقال فاز نشان داده شده است.

The ultrasonic lab device UP200Ht provides powerful sonication in laboratories.

تصویر 1: UP200Ht یک هموژنایزر اولتراسونیک قدرتمند 200 وات است

افزایش اولتراسونیک واکنش انتقال فاز نامتقارن

با هدف ایجاد یک روش عملی برای سنتز نامتقارن اسیدهای آمینه A و مشتقات آنها، Maruoka and Ooi (2007) بررسی کردند که "آیا می توان واکنش پذیری نمک های آمونیوم چهارتایی N-spiro را افزایش داد و ساختار آنها را ساده کرد. از آنجا که تابش اولتراسونیک تولید می کند همگن، یعنی بسیار خوب است امولسیون، ناحیه بین سطحی را که واکنش می تواند در آن رخ دهد، تا حد زیادی افزایش می دهد، که می تواند شتاب قابل توجهی را در واکنش های انتقال فاز مایع-مایع ایجاد کند. در واقع، فراصوت مخلوط واکنش 2، متیل یدید، و (S، S)-زیر واحد نفتیل (1 مول٪) در تولوئن / 50٪ KOH آبی در 0 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت باعث افزایش محصول آلکیلاسیون مربوطه در عملکرد 63٪ با 88٪ EE شد. بازده شیمیایی و انانتیوگزینتیوی با واکنشی که با هم زدن ساده مخلوط به مدت هشت ساعت انجام شد (0 درجه سانتیگراد، 64٪، 90٪ ee) قابل مقایسه بود. (ماروکا و همکاران 2007؛ ص 4229)

Improved phase transfer reactions by sonication

طرح 1: امواج فراصوت افزایش سرعت واکنش در طول سنتز نامتقارن از اسیدهای آمینه α [Maruoka و همکاران. 2007]

یکی دیگر از انواع واکنش کاتالیز نامتقارن ، واکنش مایکل است. افزودن مایکل دی اتیل N-استیل آمینومالونات به چالکون مثبت تحت تاثیر سونوگرافی است که منجر به افزایش 12 درصد از عملکرد (از 72 درصد به دست آمده در طول واکنش خاموش تا 82 درصد تحت فراصوت). زمان واکنش تحت سونوگرافی قدرت در مقایسه با واکنش بدون سونوگرافی شش برابر سریعتر است. بیش از حد انانتیومریک (ee) تغییر نکرده است و برای هر دو واکنش - با و بدون سونوگرافی - در 40٪ بود. (میرزا آقایان و همکاران 1995)
لی و همکاران (2003) نشان دادند که واکنش مایکل چالکون ها به عنوان پذیرنده با ترکیبات مختلف متیلن فعال مانند دی اتیل مالونات ، نیترومتان ، سیکلوهگزانون ، اتیل استواستات و استیل استون به عنوان اهدا کنندگان کاتالیز شده توسط KF / آلومینا پایه منجر به افزایش عملکرد بالا در مدت زمان کوتاه تری تحت تابش فراصوت می شود. در مطالعه دیگری، لی و همکاران (2002) سنتز موفق اولتراسونیک به کمک چالکون های کاتالیز شده توسط KF-Al را نشان داده اند_H2SO₃.
این واکنش های PTC در بالا تنها طیف کوچکی از پتانسیل و امکانات تابش اولتراسونیک را نشان می دهد.
آزمایش و ارزیابی سونوگرافی در مورد پیشرفت های احتمالی در PTC بسیار ساده است. دستگاه های آزمایشگاهی اولتراسونیک مانند Hielscher تا 200 هرتز (200 وات) و سیستم های رومیزی مانند Hielscher UIP1000hd (1000 وات) اولین آزمایشات را امکان پذیر می کند. (تصویر 1 و 2 را ببینید)

اولتراسونیک بهبود نامتقارن علاوه بر مایکل (برای بزرگنمایی کلیک کنید!)

طرح 2: اضافه کردن مایکل نامتقارن با کمک اولتراسونیک از دی اتیل N-استیل-آمینومالونات به چالکون [Török و همکاران 2001]

تولید کارآمد رقابت در بازار مواد شیمیایی

با استفاده از کاتالیز انتقال فاز اولتراسونیک، از یک یا چند مزیت مفید مختلف بهره مند خواهید شد:

مقداردهی اولیه واکنش هایی که در غیر این صورت امکان پذیر نیستند
افزایش عملکرد
کاهش حلال های گران قیمت ، بی آب و آپروتیک
کاهش زمان واکنش
دمای واکنش پایین تر
آماده سازی ساده
استفاده از فلز قلیایی آبی به جای آلکوکسیدهای فلز قلیایی، آمید سدیم، هیدرید سدیم یا سدیم فلزی
استفاده از مواد اولیه ارزان تر به ویژه اکسیدان ها
تغییر گزینش پذیری
تغییر نسبت محصول (به عنوان مثال O-/C-alkylation)
جداسازی و تصفیه ساده
افزایش بازده با سرکوب واکنش های جانبی
مقیاس ساده و خطی تا سطح تولید صنعتی، حتی با توان عملیاتی بسیار بالا

UIP1000hd نیمکت بالا هموژنایزر اولتراسونیک

راه اندازی با پردازنده اولتراسونیک 1000 وات، سلول جریان، مخزن و پمپ

آزمایش ساده و بدون خطر اثرات اولتراسونیک در شیمی

برای اینکه ببینیم سونوگرافی چگونه بر مواد و واکنش های خاص تأثیر می گذارد، ابتدا می توان آزمایش های امکان سنجی را در مقیاس کوچک انجام داد. دستگاه های آزمایشگاهی دستی یا ایستاده در محدوده 50 تا 400 وات امکان فراصوت نمونه های کوچک و متوسط را در لیوان فراهم می کند. اگر اولین نتایج دستاوردهای بالقوه را نشان دهد، این فرآیند می تواند در نیمکت بالا با یک پردازنده اولتراسونیک صنعتی توسعه یافته و بهینه سازی شود، به عنوان مثال. UIP1000hd (1000 وات، 20 کیلوهرتز). سیستم های مافوق صوت نیمکت بالا Hielscher را با 500 وات به 2000 وات دستگاه های ایده آل برای R هستند&D و بهینه سازی. این سیستم های اولتراسونیک - طراحی شده برای لیوان و فراصوت درون خطی – کنترل کامل بر مهمترین پارامتر فرآیند داشته باشید: دامنه، فشار، دما، ویسکوزیته و غلظت.
کنترل دقیق بر پارامترها اجازه می دهد تا تکرارپذیری دقیق و مقیاس پذیری خطی از نتایج به دست آمده. پس از آزمایش تنظیمات مختلف، پیکربندی که بهترین است را می توان برای اجرای مداوم (24 ساعت / 7 روز) در شرایط تولید استفاده کرد. PC-Control اختیاری (رابط نرم افزاری) نیز ثبت کارآزمایی های فردی را تسهیل می کند. برای فراصوت مایعات قابل اشتعال و یا حلال در محیط های خطرناک (ATEX، FM) UIP1000hd در نسخه تأیید شده ATEX موجود است: UIP1000-Exd.

مزایای عمومی از سونوگرافی در شیمی:

واکنش ممکن است شتاب داده شود و یا شرایط کمتر مجبور ممکن است مورد نیاز باشد اگر فراصوت اعمال می شود.
دوره های القای زایمان اغلب به طور قابل توجهی کاهش می یابد، همانطور که اگزوترم هایی که معمولا با چنین واکنش هایی مرتبط هستند، کاهش می یابد.
واکنش های سونوشیمیایی اغلب توسط سونوگرافی بدون نیاز به مواد افزودنی آغاز می شوند.
گاهی اوقات می توان تعداد مراحلی را که معمولا در یک مسیر مصنوعی مورد نیاز است کاهش داد.
در برخی شرایط می توان واکنش را به یک مسیر جایگزین هدایت کرد.

نام و نام خانوادگی

الکترونیکی-آدرس (erforderlich)

Telefonnummer

Produkt oder Interesse an...

Bitte beachten Sie unsere Datenschutzerklärung.

ادبیات/منابع

Esen، Ilker و همکاران (2010): کاتالیزورهای انتقال فاز دیکاتیونی زنجیره بلند در واکنش های تراکم آلدئیدهای معطر در آب تحت اثر اولتراسونیک. بولتن انجمن شیمی کره 31/8, 2010; صص 2289-2292.
Hua، Q. و همکاران (2011): سنتز التراسونیک ترویج اسید ماندلیک توسط کاتالیز انتقال فاز در مایع یونی. در: سونوشیمی اولتراسونیک جلد 18/5، 2011; صص 1035-1037.
لی، جی تی. و همکاران (2003): واکنش مایکل کاتالیز شده توسط KF / آلومینا اساسی تحت تابش اولتراسوند. سونوشیمی مافوق صوت 10 ، 2003. صص 115-118.
لین ، هایکسا و همکاران (2003): روشی آسان برای تولید دی کلروکاربن از واکنش تتراکلرید کربن و منیزیم با استفاده از تابش اولتراسونیک. در: مولکول ها 8، 2003; صص 608 -613.
Lin-Xiao، Xu و همکاران (1987): یک روش عملی جدید برای تولید دی کلروسبن توسط تابش اولتراسونیک و کاتالیز انتقال فاز. در: Acta Chimica Sinica, Vol. 5/4, 1987; صص 294-298.
کن ، شائو یونگ و همکاران (2005): سنتز کاتالیز انتقال فاز تحت تابش اولتراسونیک و فعالیت زیستی مشتقات N'- (4،6-disubstituted-pyrimidin-2-yl)-N- (5-aryl-2-furoyl) thiourea. در: مجله شیمی هند جلد 44B، 2005; صص 1957-1960.
Kubo ، Masaki و همکاران (2008): سینتیک آلکیلاسیون C بدون حلال فنیل استونیتریل با استفاده از تابش اولتراسونیک. مجله مهندسی شیمی ژاپن, جلد 41, 2008; صص 1031-1036.
Maruoka، Keiji و همکاران (2007): پیشرفت های اخیر در تجزیه و تحلیل انتقال فاز نامتقارن. در: آنژو. Chem. Int. Ed., Vol. 46, Wiley-VCH, Weinheim, 2007; صص 4222-4266.
میسون ، تیموتی و همکاران (2002): سونوشیمی کاربردی: استفاده از سونوگرافی قدرت در شیمی و پردازش. ویلی-VCH ، وینهایم ، 2002.
میرزا آقایان ، م. و همکاران (1995): اثرات تابش اولتراسوند بر واکنش نامتقارن مایکل. چهار وجهی: عدم تقارن 6/11، 1995; اسفرزه. 2643-2646.
Polácková ، Viera و همکاران (1996): واکنش Cannizzaro ارتقا یافته با سونوگرافی در شرایط انتقال فاز. که در: سونوشیمی اولتراسونیک جلد 3/1، 1996; صص 15-17.
شارما ، م. م. (2002): استراتژی های انجام واکنش ها در مقیاس کوچک. مهندسی گزینش پذیری و تشدید فرآیند. در: شیمی محض و کاربردی، جلد 74/12، 2002; صص 2265-2269.
Török، B. و همکاران (2001): واکنش های نامتقارن در سونوشیمی. سونوشیمی مافوق صوت 8, 2001; صص 191-200.
Wang، Maw-Ling و همکاران (2007): اپوکسیداسیون کاتالیزوری انتقال فاز به کمک سونوگرافی 1،7-اکتادین - یک مطالعه جنبشی. که در: سونوشیمی اولتراسونیک جلد 14/1، 2007; صص 46-54.
یانگ ، H.-M. ؛ چو ، دبلیو ام. (2012): تجزیه و تحلیل انتقال فاز به کمک اولتراسوند: سنتز سبز بنزوات جایگزین شده با کاتالیزور انتقال فاز دو سایتی جدید در سیستم جامد-مایع. که در: روند مقالات 14^هفتم کنفدراسیون مهندسی شیمی آسیا و اقیانوسیه کنگره APCChE 2012.

موضوعات مرتبط

حقایقی که ارزش دانستن دارند

هموژنایزرهای بافت اولتراسونیک اغلب به عنوان سونیکاتور پروب ، لیزر صوتی ، مختل کننده اولتراسوند ، آسیاب اولتراسونیک ، سونو - پارچه، فراصوت ، dismembrator صوتی ، مختل کننده سلول ، پراکنده کننده اولتراسونیک یا حل کننده اشاره. اصطلاحات مختلف ناشی از برنامه های مختلف است که می تواند توسط فراصوت انجام می شود.