ულტრაბგერითი ინდუცირებული და გაძლიერებული ფაზის გადაცემის კატალიზი
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ცნობილია თავისი წვლილით სხვადასხვა ქიმიურ რეაქციებში. ეს არის ე.წ სონოქიმია. ჰეტეროგენული რეაქციები - და განსაკუთრებით ფაზის გადაცემის რეაქციები - ძალზე პოტენციური გამოყენების სფეროებია დენის ულტრაბგერით. რეაგენტებზე გამოყენებული მექანიკური და სონოქიმიური ენერგიის გამო, შეიძლება მოხდეს რეაქციების დაწყება, რეაქციის სიჩქარის საგრძნობლად გაზრდა, ასევე მაღალი კონვერტაციის სიჩქარე, უფრო მაღალი მოსავლიანობა და უკეთესი პროდუქტების მიღწევა. ულტრაბგერის წრფივი მასშტაბირება და საიმედო ულტრაბგერითი ხელმისაწვდომობა სამრეწველო აღჭურვილობა ამ ტექნიკას საინტერესო გადაწყვეტად აქცევს ქიმიური წარმოებისთვის.
ფაზის გადაცემის კატალიზი
ფაზის გადაცემის კატალიზი (PTC) არის ჰეტეროგენული კატალიზის სპეციალური ფორმა და ცნობილია როგორც ორგანული სინთეზის პრაქტიკული მეთოდოლოგია. ფაზის გადაცემის კატალიზატორის გამოყენებით, შესაძლებელი ხდება იონური რეაქტიული ნივთიერებების ხსნადი, რომლებიც ხშირად ხსნადია წყალში, მაგრამ უხსნადი ორგანულ ფაზაში. ეს ნიშნავს, რომ PTC არის ალტერნატიული გადაწყვეტა ჰეტეროგენურობის პრობლემის დასაძლევად რეაქციაში, რომლის დროსაც ნარევის სხვადასხვა ფაზაში მდებარე ორ ნივთიერებას შორის ურთიერთქმედება დათრგუნულია რეაგენტების გაერთიანების შეუძლებლობის გამო. (Esen et al. 2010) ფაზის გადაცემის კატალიზის ზოგადი უპირატესობებია მცირე ძალისხმევა მოსამზადებლად, მარტივი ექსპერიმენტული პროცედურები, რბილი რეაქციის პირობები, მაღალი რეაქციის სიჩქარე, მაღალი სელექციურობა და იაფი და ეკოლოგიურად კეთილთვისებიანი რეაგენტების გამოყენება, როგორიცაა მეოთხეული ამონიუმი. მარილები და გამხსნელები და ფართომასშტაბიანი პრეპარატების ჩატარების შესაძლებლობა (Ooi et al. 2007).
მრავალფეროვანი თხევადი-თხევადი და თხევად-მყარი რეაქციები გაძლიერდა და შერჩევითი გახდა მარტივი ფაზის გადაცემის (PT) კატალიზატორების გამოყენებით, როგორიცაა კვატები, პოლიეთილენ გლიკოლ-400 და ა.შ., რაც საშუალებას აძლევს იონურ სახეობებს გადაიტანონ წყლის ფაზიდან ორგანული ფაზა. ამრიგად, პრობლემები, რომლებიც დაკავშირებულია ორგანული რეაქტიული ნივთიერებების უკიდურესად დაბალ ხსნადობასთან წყლის ფაზაში შეიძლება დაძლიოს. პესტიციდებისა და ფარმაცევტულ ინდუსტრიებში PTC ფართოდ გამოიყენება და შეცვალა ბიზნესის საფუძვლები. (შარმა 2002)
დენის ულტრაბგერა
დენის ულტრაბგერითი გამოყენება ცნობილი ინსტრუმენტია უკიდურესად კარგი შესაქმნელად ემულსიები. ქიმიაში ასეთი ძალიან მცირე ზომის ემულსიები გამოიყენება ქიმიური რეაქციების გასაძლიერებლად. ეს ნიშნავს, რომ ორ ან მეტ შეურევ სითხეს შორის ინტერფეისული კონტაქტის არე მკვეთრად იზრდება და უზრუნველყოფს რეაქციის უკეთეს, უფრო სრულ და/ან სწრაფ მიმდინარეობას.
ფაზის გადაცემის კატალიზებისთვის – ისევე, როგორც სხვა ქიმიურ რეაქციებში - რეაქციის დასაწყებად საჭიროა საკმარისი კინეტიკური ენერგია.
მას აქვს სხვადასხვა დადებითი ეფექტი ქიმიურ რეაქციასთან დაკავშირებით:
- ქიმიური რეაქცია, რომელიც ჩვეულებრივ არ მოხდება მისი დაბალი კინეტიკური ენერგიის გამო, შეიძლება დაიწყოს ულტრაბგერითი გამოკვლევით.
- ქიმიური რეაქციები შეიძლება დაჩქარდეს ულტრაბგერითი დახმარებით PTC.
- ფაზის გადაცემის კატალიზატორის სრული თავიდან აცილება.
- ნედლეულის გამოყენება შესაძლებელია უფრო ეფექტურად.
- ქვეპროდუქტები შეიძლება შემცირდეს.
- ძვირადღირებული საშიში ძლიერი ბაზის შეცვლა იაფი არაორგანული ბაზით.
ამ ეფექტებით, PTC არის ფასდაუდებელი ქიმიური მეთოდოლოგია ორგანული სინთეზისთვის ორი და მეტი შეურევი რეაქტიულიდან: ფაზის გადაცემის კატალიზი (PTC) საშუალებას იძლევა გამოიყენოს ქიმიური პროცესების ნედლეული უფრო ეფექტურად და წარმოქმნას უფრო ეკონომიურად. ქიმიური რეაქციების გაძლიერება PTC არის მნიშვნელოვანი ინსტრუმენტი ქიმიური წარმოებისთვის, რომელიც შეიძლება გაუმჯობესდეს ულტრაბგერის გამოყენებით მკვეთრად.
ულტრაბგერითი დაწინაურებული PTC რეაქციების მაგალითები
- ახალი N'-(4,6-დიშენაცვლებული-პირიმიდინ-2-ილ)-N-(5-არილ-2-ფუროილ)თიოურეას წარმოებულების სინთეზი PEG-400-ის გამოყენებით ულტრაბგერითი გამოკვლევით. (Ken et al. 2005)
- მანდელიუმის მჟავას ულტრაბგერითი დახმარებით სინთეზი PTC-ით იონურ სითხეში გვიჩვენებს რეაქციის მოსავლიანობის მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას გარემო პირობებში. (Hua et al. 2011)
- კუბო და სხვ. (2008) მოხსენება ფენილაცეტონიტრილის ულტრაბგერითი დახმარებით C-ალკილაციის შესახებ გამხსნელებისგან თავისუფალ გარემოში. ულტრაბგერის ეფექტი რეაქციის გასაძლიერებლად მიეკუთვნებოდა უკიდურესად დიდ ინტერფეისულ არეალს ორ თხევად ფაზას შორის. ულტრაბგერითი დამუშავება იწვევს რეაქციის ბევრად უფრო სწრაფ სიჩქარეს, ვიდრე მექანიკური შერევა.
- ნახშირბადის ტეტრაქლორიდის მაგნიუმთან რეაქციის დროს გაჟღერება დიქლოროკარბენის წარმოქმნისთვის იწვევს ძვირფასი ქლორის დიქლოროციკლოპროპანის უფრო მაღალ მოსავალს ოლეფინების თანდასწრებით. (Lin et al. 2003)
- ულტრაბგერა უზრუნველყოფს Cannizzaro რეაქციის დაჩქარებას გვ-ქლორობენზალდეჰიდი ფაზის გადაცემის პირობებში. სამი ფაზის გადაცემის კატალიზატორებიდან – ბენზილტრიეთილამონიუმის ქლორიდი (TEBA), Aliquat და 18-crown-6 -, რომლებიც გამოცდილია Polácková et al. (1996) აღმოჩნდა, რომ TEBA ყველაზე ეფექტურია. ფეროცენკარბალდეჰიდი და გვ-დიმეთილამინობენზალდეჰიდმა მსგავს პირობებში მისცა 1,5-დიარილ-1,4-პენტადიენ-3-ონები, როგორც ძირითადი პროდუქტი.
- ლინ-ქსიაო და სხვ. (1987) აჩვენეს, რომ ულტრაბგერითი და PTC კომბინაცია ეფექტურად უწყობს ხელს დიქლოროკარბენის წარმოქმნას ქლოროფორმიდან მოკლე დროში უკეთესი მოსავლიანობით და კატალიზატორის ნაკლები რაოდენობით.
- იანგი და სხვ. (2012) გამოიკვლია ბენზილ 4-ჰიდროქსიბენზოატის მწვანე, ულტრაბგერითი დახმარებით სინთეზი 4,4'-ბის(ტრიბუტილამონიომეთილ)-1,1'-ბიფენილ დიქლორიდის (QCl) გამოყენებით2) როგორც კატალიზატორი. QCl-ის გამოყენებით2მათ შეიმუშავეს ახალი ორადგილიანი ფაზის გადაცემის კატალიზი. ეს მყარი-თხევადი ფაზის გადაცემის კატალიზი (SLPTC) განხორციელდა როგორც სერიის პროცესი ულტრაბგერითი გამოკვლევით. ინტენსიური სონიკაციის დროს, დამატებული Q2+-ის 33% შეიცავს Q(Ph(OH)COO-ს 45.2%-ს)2 გადავიდა ორგანულ ფაზაში ბენზილბრომიდთან საპასუხოდ, შესაბამისად რეაქციის საერთო სიჩქარე გაიზარდა. ეს გაუმჯობესებული რეაქციის სიჩქარე მიღებულ იქნა 0.106 წთ-1 300 ვტ ულტრაბგერითი დასხივების ქვეშ, ხოლო გაჟონვის გარეშე სიჩქარე 0.0563 წთ.-1 დაფიქსირდა. ამრიგად, ნაჩვენებია ორადგილიანი ფაზის გადაცემის კატალიზატორის სინერგიული ეფექტი ულტრაბგერითი ფაზის გადაცემის კატალიზში.
ასიმეტრიული ფაზის გადაცემის რეაქციის ულტრაბგერითი გაძლიერება
ა-ამინომჟავების და მათი წარმოებულების ასიმეტრიული სინთეზის პრაქტიკული მეთოდის დადგენის მიზნით, მარუოკამ და ოოიმ (2007) გამოიკვლიეს „შეიძლება თუ არა N-spiro ქირალური მეოთხეული ამონიუმის მარილების რეაქტიულობის გაზრდა და მათი სტრუქტურების გამარტივება. ვინაიდან ულტრაბგერითი დასხივება აწარმოებს ჰომოგენიზაციაანუ ძალიან კარგად ემულსიები, ის მნიშვნელოვნად ზრდის ინტერფეისულ არეალს, რომელზეც შეიძლება მოხდეს რეაქცია, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს მნიშვნელოვანი სიჩქარის აჩქარება თხევადი-თხევადი ფაზის გადაცემის რეაქციებში. მართლაც, 2, მეთილის იოდიდისა და (S,S)-ნაფტილის ქვედანაყოფის (1 მოლ%) სარეაქციო ნარევის სონიკირებამ ტოლუოლში/50% წყალხსნარში KOH 0 degC-ზე 1 საათის განმავლობაში წარმოქმნა შესაბამისი ალკილირების პროდუქტი 63%-ში. სარგებელი 88�-ით; ქიმიური გამოსავლიანობა და ენანტიოსელექტივობა შედარებადი იყო რეაქციისას, რომელიც განხორციელდა ნარევის მარტივი მორევით რვა საათის განმავლობაში (0 degC, 64%, 90% ee). (Maruoka et al. 2007; გვ. 4229)
ლი და სხვ. (2003) აჩვენა, რომ მაიკლის რეაქცია ქალკონების, როგორც მიმღებების, სხვადასხვა აქტიურ მეთილენის ნაერთებთან, როგორიცაა დიეთილის მალონატი, ნიტრომეთანი, ციკლოჰექსანონი, ეთილის აცეტატი და აცეტილაცეტონი, როგორც დონორები, რომლებიც კატალიზირებულია KF/ძირითადი ალუმინის მიერ, იწვევს დანამატებს მაღალ მოსავლიანობას ულტრაგამოკვლევის ქვეშ უფრო მოკლე დროში. დასხივება. სხვა კვლევაში Li et al. (2002) აჩვენეს KF-Al-ით კატალიზებული ქალკონების წარმატებული ულტრაბგერითი დახმარებით სინთეზი2ო3.
ზემოთ მოცემული PTC რეაქციები აჩვენებს ულტრაბგერითი გამოსხივების პოტენციალისა და შესაძლებლობების მხოლოდ მცირე დიაპაზონს.
ულტრაბგერის ტესტირება და შეფასება PTC-ის შესაძლო გაუმჯობესებებთან დაკავშირებით ძალიან მარტივია. ულტრაბგერითი ლაბორატორიული მოწყობილობები, როგორიცაა Hielscher's UP200Ht (200 ვატი) და სკამიანი სისტემები, როგორიცაა Hielscher's UIP1000hd (1000 ვატი) იძლევა პირველი ცდების საშუალებას. (იხილეთ სურათი 1 და 2)
ეფექტური წარმოება კონკურენციას უწევს ქიმიურ ბაზარზე
ულტრაბგერითი ფაზის გადაცემის კატალიზის გამოყენებით თქვენ მიიღებთ სარგებელს ერთი ან მეტი სხვადასხვა სასარგებლო უპირატესობით:
- რეაქციების ინიციალიზაცია, რომლებიც სხვაგვარად შეუძლებელია
- მოსავლიანობის გაზრდა
- ძვირადღირებული, უწყლო, აპროტიკული გამხსნელების მოჭრა
- რეაქციის დროის შემცირება
- რეაქციის დაბალი ტემპერატურა
- გამარტივებული მომზადება
- წყლის ტუტე ლითონის გამოყენება ტუტე ლითონის ალკოქსიდების, ნატრიუმის ამიდის, ნატრიუმის ჰიდრიდის ან მეტალის ნატრიუმის ნაცვლად
- იაფი ნედლეულის, განსაკუთრებით ოქსიდანტების გამოყენება
- სელექციურობის ცვლა
- პროდუქტის თანაფარდობის ცვლილება (მაგ. O-/C-ალკილაცია)
- გამარტივებული იზოლაცია და გაწმენდა
- მოსავლიანობის გაზრდა გვერდითი რეაქციების ჩახშობის გზით
- მარტივი, წრფივი მასშტაბირება სამრეწველო წარმოების დონემდე, თუნდაც ძალიან მაღალი გამტარუნარიანობით
ულტრაბგერითი ეფექტების მარტივი და რისკის გარეშე ტესტირება ქიმიაში
იმის სანახავად, თუ როგორ მოქმედებს ულტრაბგერა კონკრეტულ მასალებზე და რეაქციებზე, შეიძლება ჩატარდეს პირველი ტექნიკურ-ეკონომიკური ტესტირება მცირე მასშტაბით. ხელის ან სადგამზე დამონტაჟებული ლაბორატორიული მოწყობილობები 50-დან 400 ვატამდე დიაპაზონში საშუალებას იძლევა ჩატარდეს მცირე და საშუალო ზომის ნიმუშების სონიკირება ჭიქაში. თუ პირველი შედეგები აჩვენებს პოტენციურ მიღწევებს, პროცესი შეიძლება განვითარდეს და ოპტიმიზირებული იყოს სკამზე სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორით, მაგ. UIP1000hd (1000W, 20kHz). Hielscher-ის ულტრაბგერითი bench-top სისტემებით 500 ვატამდე 2000 წ ვატი იდეალური მოწყობილობებია R-სთვის&D და ოპტიმიზაცია. ეს ულტრაბგერითი სისტემები - განკუთვნილია ჭიქის და შიდა სონიკაციისთვის – უზრუნველყოს სრული კონტროლი პროცესის ყველაზე მნიშვნელოვან პარამეტრზე: ამპლიტუდა, წნევა, ტემპერატურა, სიბლანტე და კონცენტრაცია.
პარამეტრების ზუსტი კონტროლი საშუალებას იძლევა ზუსტი განმეორებადობა და ხაზოვანი მასშტაბირება მიღებული შედეგების. სხვადასხვა დაყენების ტესტირების შემდეგ, კონფიგურაცია, რომელიც აღმოჩნდა საუკეთესო, შეიძლება გამოყენებულ იქნას უწყვეტად (24 სთ/7 დღე) წარმოების პირობებში. არჩევითი PC-Control (პროგრამული ინტერფეისი) ასევე ხელს უწყობს ინდივიდუალური ცდების ჩაწერას. სახიფათო გარემოში აალებადი სითხეების ან გამხსნელების გახმოვანებისთვის (ATEX, FM) UIP1000hd ხელმისაწვდომია ATEX-ის სერტიფიცირებული ვერსიით: UIP1000-Exd.
ულტრაბგერითი ქიმიის ზოგადი სარგებელი:
- რეაქცია შეიძლება დაჩქარდეს ან შეიძლება საჭირო გახდეს ნაკლებად იძულებითი პირობები, თუ სონიფიკაცია გამოიყენება.
- ინდუქციური პერიოდები ხშირად მნიშვნელოვნად მცირდება, ისევე როგორც ეგზოთერმები, რომლებიც ჩვეულებრივ ასოცირდება ასეთ რეაქციებთან.
- სონოქიმიური რეაქციები ხშირად იწყება ულტრაბგერითი დანამატების საჭიროების გარეშე.
- საფეხურების რაოდენობა, რომლებიც ჩვეულებრივ საჭიროა სინთეზურ მარშრუტზე, ზოგჯერ შეიძლება შემცირდეს.
- ზოგიერთ სიტუაციაში რეაქცია შეიძლება მიმართული იყოს ალტერნატიულ გზაზე.
ლიტერატურა/ცნობარი
- ესენი, ილკერი და სხვ. (2010): გრძელი ჯაჭვის დიკაციონური ფაზის გადაცემის კატალიზატორები არომატული ალდეჰიდების კონდენსაციის რეაქციებში წყალში ულტრაბგერითი ეფექტის ქვეშ. კორეის ქიმიური საზოგადოების ბიულეტენი 31/8, 2010; გვ 2289-2292.
- Hua, Q. და სხვ. (2011): მანდელიუმის მჟავას ულტრაბგერითი ხელშემწყობი სინთეზი ფაზის გადაცემის კატალიზით იონურ სითხეში. In: Ultrasonics Sonochemistry ტ. 18/5, 2011 წელი; გვ 1035-1037.
- ლი, ჯ.-ტ. და სხვ. (2003): მაიკლის რეაქცია კატალიზირებული KF/ძირითადი ალუმინის მიერ ულტრაბგერითი დასხივების ქვეშ. Ultrasonics Sonochemistry 10, 2003. გვ 115-118.
- Lin, Haixa და სხვ. (2003): მარტივი პროცედურა დიქლოროკარბენის წარმოქმნისთვის ნახშირბადის ტეტრაქლორიდის და მაგნიუმის რეაქციის შედეგად ულტრაბგერითი დასხივების გამოყენებით. In: Molecules 8, 2003; გვ 608 -613.
- ლინ-ქსიაო, ქსუ და სხვ. (1987): ახალი პრაქტიკული მეთოდი დიქლოროცებენის წარმოქმნისთვის ულტრაბგერითი დასხივებით და ფაზის გადაცემის კატალიზით. In: Acta Chimica Sinica, ტ. 5/4, 1987; გვ 294-298.
- კენი, შაო-იონგი და სხვ. (2005): ფაზის გადაცემის კატალიზებული სინთეზი ულტრაბგერითი დასხივების ქვეშ და N'-(4,6-ჩანაცვლებული-პირიმიდინ-2-ილ)-N-(5-არილ-2-ფუროილ)თიოურეას წარმოებულების ბიოაქტიურობა. In: Indian Journal of Chemistry ტ. 44B, 2005; გვ 1957-1960 წწ.
- კუბო, მასაკი და სხვ. (2008): ფენილაცეტონიტრილის გამხსნელებისგან თავისუფალი C-ალკილაციის კინეტიკა ულტრაბგერითი დასხივების გამოყენებით. ქიმიური ინჟინერიის ჟურნალი იაპონია, ტ. 41, 2008; გვ 1031-1036.
- მარუოკა, კეიჯი და სხვ. (2007): უახლესი მიღწევები ასიმეტრიულ ფაზა-ტრანსფერულ კატალიზში. In: Angeew. ქიმ. ინტ. რედ., ტ. 46, Wiley-VCH, Weinheim, 2007; გვ 4222-4266.
- მეისონი, ტიმოთე და სხვ. (2002): გამოყენებითი სონოქიმია: ულტრაბგერის გამოყენება ქიმიასა და დამუშავებაში. Wiley-VCH, Weinheim, 2002 წ.
- Mirza-Aghayan, M. et al (1995): ულტრაბგერითი დასხივების ეფექტები მაიკლის ასიმეტრიულ რეაქციაზე. Tetrahedron: Asymmetry 6/11, 1995; გვ 2643-2646.
- პოლაცკოვა, ვიერა და სხვ. (1996): ულტრაბგერითი პროვოცირებული Cannizzaro რეაქცია ფაზის გადაცემის პირობებში. In: Ultrasonics Sonochemistry ტ. 3/1, 1996; გვ 15-17.
- Sharma, MM (2002): მცირე მასშტაბის რეაქციების ჩატარების სტრატეგიები. სელექციურობის ინჟინერია და პროცესის ინტენსიფიკაცია. In: Pure and Applied Chemistry, Vol. 74/12, 2002 წ.; გვ 2265-2269.
- Török, B. et al. (2001): ასიმეტრიული რეაქციები სონოქიმიაში. Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001; გვ 191-200.
- Wang, Maw-Ling და სხვ. (2007): 1,7-ოქტადიენის ულტრაბგერითი დახმარებით ფაზის გადაცემის კატალიზური ეპოქსიდაცია - კინეტიკური კვლევა. In: Ultrasonics Sonochemistry ტ. 14/1, 2007 წელი; გვ 46-54.
- იანგი, ჰ.-მ.; ჩუ, ვ.-მ. (2012): ულტრაბგერითი დახმარებით ფაზა-ტრანსფერული კატალიზი: ჩანაცვლებული ბენზოატის მწვანე სინთეზი ახალი ორადგილიანი ფაზა-ტრანსფერული კატალიზატორით მყარ-თხევად სისტემაში. In: Proceeding s of 14ე აზიის წყნარი ოკეანის ქიმიური ინჟინერიის კონფედერაციის კონგრესი APCchE 2012 წ.
ფაქტები, რომელთა ცოდნაც ღირს
ულტრაბგერითი ქსოვილის ჰომოგენიზატორები ხშირად მოიხსენიება, როგორც ზონდი, ბგერითი ლიზერი, ულტრაბგერითი დამშლელი, ულტრაბგერითი საფქვავი, სონო გამანადგურებელი, სონიფიკატორი, ბგერითი დაშლა, უჯრედის დამრღვევი, ულტრაბგერითი დისპერსერი ან გამხსნელი. განსხვავებული ტერმინები წარმოიქმნება სხვადასხვა აპლიკაციებიდან, რომლებიც შეიძლება შესრულდეს სონიკით.