Công nghệ siêu âm Hielscher

Ultrasonically gây ra và tăng cường giai đoạn chuyển xúc tác

Siêu âm công suất cao là nổi tiếng với sự đóng góp của nó cho các phản ứng hóa học khác nhau. Đây là cái gọi là Sonochemistry. Phản ứng không đồng nhất – và đặc biệt là các phản ứng chuyển pha – là lĩnh vực ứng dụng tiềm năng cao cho siêu âm điện. Do năng lượng cơ học và sonochemical áp dụng cho thuốc thử, phản ứng có thể được bắt đầu, tốc độ phản ứng có thể được tăng cường đáng kể, cũng như tỷ lệ chuyển đổi cao hơn, năng suất cao hơn và có thể đạt được các sản phẩm tốt hơn. Khả năng mở rộng tuyến tính của siêu âm và tính khả dụng của siêu âm đáng tin cậy Công nghiệp thiết bị làm cho kỹ thuật này là một giải pháp thú vị cho sản xuất hóa chất.
Glass reactor for targeted and reliable sonication processes

Siêu âm thủy tinh Flow Cell

xúc tác chuyển pha

Xúc tác chuyển pha (PTC) là một hình thức đặc biệt của xúc tác không đồng nhất và được biết đến như là một phương pháp thực tế cho tổng hợp hữu cơ. Bằng cách sử dụng một chất xúc tác chuyển pha, nó trở thành có thể để làm tan hóa phản ứng ion, thường hòa tan trong một pha nước nhưng không hòa tan trong một giai đoạn hữu cơ. Điều này có nghĩa là PTC là một giải pháp thay thế để khắc phục vấn đề dị thường trong một phản ứng trong đó sự tương tác giữa hai chất nằm trong các giai đoạn khác nhau của một hỗn hợp là ức chế vì không có khả năng thuốc thử đến với nhau. (Esen et al. 2010) Những lợi thế chung của xúc tác chuyển pha là những nỗ lực nhỏ để chuẩn bị, thủ tục thử nghiệm đơn giản, điều kiện phản ứng nhẹ, tỷ lệ phản ứng cao, selecticonditions cao, và việc sử dụng các thuốc thử lành tính và không tốn kém môi trường, chẳng hạn như Các muối amoni bậc bốn, và dung môi, và khả năng tiến hành các chế phẩm quy mô lớn (Ooi et al. 2007).
Một loạt các phản ứng chất lỏng-lỏng và lỏng-rắn đã được tăng cường và thực hiện chọn lọc bằng cách sử dụng các chất xúc tác chuyển pha đơn giản (PT) như sơn, polyethylene glycol-400, vv, cho phép các loài ion được vận chuyển từ pha nước đến giai đoạn hữu cơ . Do đó, các vấn đề liên quan đến độ hòa tan cực thấp của các chất phản ứng hữu cơ trong pha nước có thể được khắc phục. Trong các ngành công nghiệp thuốc trừ sâu và dược phẩm, PTC được sử dụng rộng rãi và đã thay đổi các nguyên tắc cơ bản của doanh nghiệp. (Sharma 2002)

Siêu âm điện

Việc áp dụng siêu âm điện là một công cụ nổi tiếng để tạo ra rất tốt nhũ tương. Trong hóa học, nhũ tương kích thước rất tốt được sử dụng để tăng cường phản ứng hóa học. Điều này có nghĩa rằng các khu vực liên lạc interfacial giữa hai hoặc nhiều chất lỏng không bị kết hợp trở nên mở rộng đáng kể và cung cấp do đó một khóa học tốt hơn, hoàn chỉnh hơn và/hoặc nhanh hơn của phản ứng.
Đối với xúc tác chuyển pha – giống như đối với các phản ứng hóa học khác – đủ năng lượng động lực là cần thiết để bắt đầu phản ứng.
Điều này có tác dụng tích cực khác nhau liên quan đến phản ứng hóa học:

  • Một phản ứng hóa học thường sẽ không xảy ra vì năng lượng động lực thấp của nó có thể bắt đầu bằng ultrasonication.
  • Phản ứng hóa học có thể được tăng tốc bằng cách ultrasonically hỗ trợ PTC.
  • Tránh hoàn toàn chất xúc tác chuyển pha.
  • Nguyên liệu có thể được sử dụng hiệu quả hơn.
  • Các sản phẩm phụ có thể giảm.
  • Thay thế cơ sở mạnh nguy hiểm với chi phí cao với cơ sở không tốn kém.

Bởi những hiệu ứng này, PTC là một phương pháp hóa học vô ích cho tổng hợp hữu cơ từ hai và nhiều chất phản ứng không bị ảnh hưởng: xúc tác truyền giai đoạn (PTC) cho phép sử dụng nguyên liệu của quá trình hóa học hiệu quả hơn và để sản xuất chi phí-hiệu quả hơn. Việc tăng cường các phản ứng hóa học của PTC là một công cụ quan trọng để sản xuất hóa chất có thể được cải thiện bằng cách sử dụng siêu âm đáng kể.

Ultrasonic cavitation in a glass column

Cavitation trong chất lỏng

Ví dụ cho ultrasonically quảng bá phản ứng PTC

  • Tổng hợp mới N '-(4, 6-diđã thay thế-pyrimidin-2-YL)-N-(5-aryl-2-furoyl) các dẫn xuất thiourea sử dụng PEG-400 dưới ultrasonication. (Ken et al. 2005)
  • Sự tổng hợp ultrasonically hỗ trợ của axit mandelic bởi PTC trong chất lỏng ion cho thấy một sự tăng cường đáng kể trong sản lượng phản ứng trong điều kiện môi trường xung quanh. (Hua et al. 2011)
  • Kubo et al. (2008) báo cáo sự hỗ trợ ultrasonically C-alkylation của phenylacetonitrile trong một môi trường không dung môi. Hiệu quả của siêu âm để thúc đẩy phản ứng được quy cho vùng interfacial cực lớn giữa hai giai đoạn lỏng. Ultrasonication kết quả trong một tỷ lệ phản ứng nhanh hơn nhiều so với trộn cơ khí.
  • Sonication trong phản ứng của cacbon tetraclorua với magiê cho thế hệ dichlorocarbene kết quả trong một năng suất cao hơn của Gem-dichlorocyclopropane trong sự hiện diện của olefins. (Lin et al. 2003)
  • Siêu âm cung cấp sự gia tốc của phản ứng Cannizzaro của P-chlorobenzaldehyde trong điều kiện chuyển pha. Trong ba giai đoạn chuyển chất xúc tác – benzyltriethylammonium Chloride (TEBA), Aliquat và 18-Crown-6-, đã được kiểm nghiệm bởi Polácková et al. (1996) TEBA bị phát hiện là hiệu quả nhất. Ferrocenecarbaldehyde và P-dimethylaminobenzaldehyde đã cho, trong điều kiện tương tự, 1, 5-diaryl-1, 4-pentadien-3-Ones là sản phẩm chính.
  • Lin-Xiao et al. (1987) đã chỉ ra rằng sự kết hợp của ultrasonication và PTC thúc đẩy hiệu quả tạo ra dichlorocarbene từ chloroform trong thời gian ngắn hơn với năng suất tốt hơn và ít hơn số lượng chất xúc tác.
  • Yang et al. (2012) đã điều tra tổng hợp màu xanh lá cây, ultrasonically hỗ trợ của benzyl 4-hydroxybenzoate sử dụng 4, 4 '-Bis (tributylammoniomethyl)-1, 1 '-biphenyl diclorua (qcl2) làm chất xúc tác. Bằng việc sử dụng QCl2, họ đã phát triển một tiểu thuyết Dual-site giai đoạn chuyển xúc tác. Điều này rắn lỏng-chuyển pha xúc tác (SLPTC) đã được thực hiện như là quá trình hàng loạt với ultrasonication. Dưới sonication dữ dội, 33% của thêm Q2 + chứa 45,2% của Q (ph (OH) COO)2 đã chuyển sang giai đoạn hữu cơ để phản ứng với benzyl Bromide, do đó tỷ lệ phản ứng tổng thể được tăng cường. Tỷ lệ phản ứng cải thiện này đã thu được 0,106 phút-1 dưới 300W của chiếu xạ siêu âm, trong khi không có sonication một tỷ lệ 0,0563 phút-1 đã được quan sát. Qua đó, hiệu ứng hiệp đồng của chất xúc tác chuyển pha hai trang web với siêu âm trong quá trình chuyển hóa pha đã được chứng minh.
The ultrasonic lab device UP200Ht provides powerful sonication in laboratories.

Hình 1: UP200Ht là một 200 watt mạnh mẽ siêu âm homogenizer

Tăng cường siêu âm phản ứng chuyển pha không đối xứng

Với mục đích thiết lập một phương pháp thực tế cho sự tổng hợp không đối xứng của một axit amin và các dẫn xuất của họ Maruoka và Ooi (2007) điều tra "cho dù phản ứng của N-Spiro chiral bậc bốn muối ammonium có thể được tăng cường và cấu trúc của chúng Đơn giản. Kể từ chiếu xạ siêu âm sản xuất đồng nhất, đó là, rất tốt đẹp nhũ tương, nó làm tăng đáng kể diện tích interfacial qua đó phản ứng có thể xảy ra, có thể mang lại khả năng tăng tốc đáng kể trong các phản ứng chuyển pha lỏng-lỏng. Thật vậy, sonication của hỗn hợp phản ứng của 2, methyl iodide, và (s, s)-naphtyl tiểu đơn vị (1 mol%) trong toluene/50% nước KOH tại 0 degC cho 1 h đã tăng lên đến sản phẩm alkylation tương ứng trong 63% năng suất với 88% EE; năng suất hóa học và cao được so sánh với những người từ một phản ứng thực hiện bằng cách khuấy đơn giản của hỗn hợp trong tám giờ (0 degc, 64%, 90% EE). " (Maruoka et al. 2007; tr. 4229)

Improved phase transfer reactions by sonication

Đề án 1: Ultrasonication tăng cường tốc độ phản ứng trong quá trình tổng hợp không đối xứng của các axit α-amino [Maruoka et al. 2007]

Một loại phản ứng khác của một xúc tác bất đối xứng là phản ứng của Michael. Việc bổ sung Michael của diethyl N-axetyl-aminomalonate để Chalcone là tích cực chịu ảnh hưởng của ultrasonication mà kết quả trong sự gia tăng của 12% năng suất (từ 72% thu được trong thời gian phản ứng im lặng lên đến 82% dưới ultrasonication). Thời gian phản ứng nhanh hơn sáu lần dưới siêu âm điện so với phản ứng không có siêu âm. Các enantiomeric dư thừa (EE) đã không thay đổi và được cho cả hai phản ứng-có và không có siêu âm-tại 40% EE. (Mirza-Aghayan et al. 1995)
Li et al. (2003) chứng minh rằng phản ứng của Michael của chalcones như nhận với các hợp chất methylene hoạt động khác nhau như diethyl malonate, nitromethane, cyclohexanone, ethyl acetoacetate và acetylacetone như các nhà tài trợ xúc tác bởi KF/cơ bản alumina kết quả trong ống dẫn ở năng suất cao trong một thời gian ngắn hơn dưới bức xạ siêu âm. Trong một nghiên cứu khác, Li et al. (2002) đã chỉ ra sự thành công ultrasonically hỗ trợ tổng hợp của chalcones xúc tác bởi KF-Al2các3.
Những phản ứng PTC ở trên chỉ hiển thị một phạm vi nhỏ của tiềm năng và khả năng chiếu xạ siêu âm.
Các thử nghiệm và đánh giá của siêu âm liên quan đến cải tiến có thể có trong PTC là rất đơn giản. Thiết bị phòng thí nghiệm siêu âm như Hielscher UP200Ht (200 watt) và các hệ thống băng ghế dự bị như của Hielscher UIP1000hd (1000 watt) cho phép thử nghiệm đầu tiên. (xem hình 1 và 2)
Siêu âm cải thiện bất đối xứng Michael ngoài ra (Click vào để phóng to!)

Chương trình 2: Ultrasonically hỗ trợ không đối xứng Michael bổ sung diethyl N-axetyl-aminomalonate để Chalcone [Török et al. 2001]

Sản xuất hiệu quả cạnh tranh trên thị trường hóa chất

Sử dụng chất xúc tác chuyển pha siêu âm bạn sẽ lợi nhuận từ một hoặc nhiều lợi thế mang lại lợi ích khác nhau:

  • khởi tạo các phản ứng mà không khả thi
  • tăng năng suất
  • cắt giảm tốn kém, dung môi aprotic
  • giảm thời gian phản ứng
  • nhiệt độ phản ứng thấp
  • chuẩn bị đơn giản
  • sử dụng kim loại kiềm của nước thay vì alkoxides kim loại kiềm, natri amide, natri hiđrua hoặc natri kim loại
  • sử dụng nguyên liệu rẻ hơn, đặc biệt là oxy hóa
  • thay đổi tính chọn lọc
  • thay đổi tỷ lệ sản phẩm (ví dụ: O-/C-alkylation)
  • cách ly và thanh lọc đơn giản
  • tăng năng suất bởi ức chế phản ứng phụ
  • đơn giản, quy mô tuyến tính-lên đến mức sản xuất công nghiệp, ngay cả với thông lượng rất cao
UIP1000hd Bench-Top siêu âm Homogenizer

Thiết lập với bộ xử lý siêu âm 1000W, tế bào dòng chảy, xe tăng và bơm

Thử nghiệm đơn giản và không rủi ro của hiệu ứng siêu âm trong hóa học

Để xem cách siêu âm ảnh hưởng đến vật liệu và phản ứng cụ thể, các xét nghiệm khả thi đầu tiên có thể được tiến hành ở quy mô nhỏ. Cầm tay hoặc đứng gắn thiết bị phòng thí nghiệm trong khoảng từ 50 đến 400 watt cho phép sonication của nhỏ và giữa các mẫu kích thước trong cốc. Nếu kết quả đầu tiên cho thấy thành tích tiềm năng, quá trình này có thể phát triển và tối ưu hóa trong băng ghế dự bị với bộ xử lý siêu âm công nghiệp, ví dụ: UIP1000hd (1000W, 20kHz). Hệ thống băng ghế dự bị siêu âm của Hielscher với 500 watt để 2000 Watts là các thiết bị lý tưởng cho R&D và tối ưu hóa. Những hệ thống siêu âm-được thiết kế cho cốc và sonication nội tuyến – cung cấp toàn quyền kiểm soát thông số quá trình quan trọng nhất: biên độ, áp suất
Việc kiểm soát chính xác các thông số cho phép khả năng tái tạo chính xác và mở rộng tuyến tính kết quả thu được. Sau khi thử nghiệm các thiết lập khác nhau, cấu hình được tìm thấy là tốt nhất có thể được sử dụng để chạy liên tục (24h/7d) trong điều kiện sản xuất. Tùy chọn PC-Control (giao diện phần mềm) cũng tạo điều kiện cho việc ghi lại các thử nghiệm cá nhân. Đối với sonication chất lỏng dễ cháy hoặc dung môi trong môi trường nguy hiểm (ATEX, FM) UIP1000hd có sẵn trong phiên bản được chứng nhận ATEX: UIP1000-Exd.

Lợi ích chung từ ultrasonication trong hóa học:

  • Một phản ứng có thể được tăng tốc hoặc ít hơn các điều kiện buộc có thể được yêu cầu nếu sonication được áp dụng.
  • Thời gian cảm ứng thường được giảm đáng kể như là các exotherms thường liên kết với các phản ứng như vậy.
  • Phản ứng sonochemical thường được bắt đầu bằng siêu âm mà không cần phụ gia.
  • Số bước thường yêu cầu trong một tuyến tổng hợp đôi khi có thể được giảm.
  • Trong một số trường hợp, một phản ứng có thể được dẫn đến một con đường thay thế.

Liên hệ / Yêu cầu Thêm Thông tin

Nói chuyện với chúng tôi về các yêu cầu xử lý của bạn. Chúng tôi sẽ giới thiệu các thiết lập và xử lý các thông số phù hợp nhất cho dự án của bạn.






Văn học / Tài liệu tham khảo

  1. Esen, ilker et al. (2010): các chất xúc tác chuyển giai đoạn Long chuỗi trong các phản ứng ngưng tụ của aldehyde thơm trong nước dưới hiệu ứng siêu âm. Bản tin của hội hóa học Hàn Quốc 31/8, 2010; Các trang 2289-2292.
  2. Hua, Q. et al. (2011): Ultrasonically-thúc đẩy tổng hợp axit mandelic bởi sự xúc tác chuyển pha trong một chất lỏng ion. Trong: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 18/5, 2011; Các trang 1035-1037.
  3. Li, J.-T. et al. (2003): phản ứng Michael xúc tác bởi KF/alumina cơ bản dưới chiếu xạ siêu âm. Ultrasonics Sonochemistry 10, 2003. Các trang 115-118.
  4. Lin, Haixa et al. (2003): một thủ tục facile cho thế hệ của Dichlorocarbene từ phản ứng của cacbon tetraclorua và magiê sử dụng chiếu xạ siêu âm. Trong: phân tử 8, 2003; PP. 608-613.
  5. Lin-Xiao, xu et al. (1987): một phương pháp thực tế mới cho thế hệ dichlorocebene bằng cách chiếu xạ siêu âm và xúc tác chuyển pha. Trong: Acta Chimica sinica, Vol. 5/4, 1987; Các trang 294-298.
  6. Ken, Shao-Yong et al. (2005): chuyển pha tổng hợp xúc tác dưới sự chiếu xạ siêu âm và hoạt tính sinh học của N '-(4, 6-thay thế-pyrimidin-2-YL)-N-(5-aryl-2-furoyl) dẫn xuất thiourea. Trong: tạp chí hóa học Ấn Độ Vol. 44B, 2005; Các trang 1957-1960.
  7. Kubo, Masaki et al. (2008): động học của dung môi-Free C-alkylation của Phenylacetonitrile sử dụng chiếu xạ siêu âm. Tạp chí kỹ thuật hóa học Nhật bản, Vol. 41, 2008; Các trang 1031-1036.
  8. Maruoka, Keiji et al. (2007): những tiến bộ gần đây trong giai đoạn chuyển giao không đối xứng. Trong: Angew. Chem. int. Ed., Vol. 46, Wiley-VCH, Weinheim, 2007; Các trang 4222-4266.
  9. Mason, Timothy et al. (2002): ứng dụng sonochemistry: sử dụng siêu âm điện trong hóa học và chế biến. Wiley-VCH, Weinheim, 2002.
  10. Mirza-Aghayan, M. et al (1995): hiệu ứng chiếu xạ siêu âm trên phản ứng Michael không đối xứng. Tetrahedron: không đối xứng 6/11, 1995; Pp. 2643-2646.
  11. Polácková, Viera et al. (1996): phản ứng bằng siêu âm Cannizzaro theo điều kiện chuyển pha. Trong: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 3/1, 1996; Các trang 15-17.
  12. Sharma, M. M. (2002): chiến lược tiến hành các phản ứng trên quy mô nhỏ. Kỹ thuật chọn lọc và tăng cường quy trình. Trong: Pure và ứng dụng hóa học, Vol. 74/12, 2002; Các trang 2265-2269.
  13. Török, B. et al. (2001): phản ứng không đối xứng trong sonochemistry. Ultrasonics Sonochemistry 8, 2001; Các trang 191-200.
  14. Wang, maw-Ling et al. (2007): siêu âm hỗ trợ pha-chuyển giao xúc tác epoxidation của 1, 7-octadien-một nghiên cứu động học. Trong: Ultrasonics Sonochemistry Vol. 14/1, 2007; Các trang 46-54.
  15. Yang, H.-M.; Chu, W.-M. (2012): siêu âm hỗ trợ pha-chuyển giao xúc tác: tổng hợp màu xanh lá cây của thay thế benzoat với cuốn tiểu thuyết Dual-site-truyền Catalyst trong hệ thống rắn-lỏng. Trong: tiến hành s của 14Th Liên đoàn kỹ thuật hóa học Châu á Thái Bình Dương APCChE 2012.


Sự kiện đáng biết

Siêu âm mô homogenizers thường được gọi là thăm dò sonicator, Sonic lyser, siêu âm phá vỡ, siêu âm máy xay, Sono-ruptor, sonifier, Sonic dismembrator, tế bào phá vỡ, siêu âm disperser hoặc dissolver. Các điều khoản khác nhau kết quả từ các ứng dụng khác nhau có thể được thực hiện bởi sonication.