A. Sự kích thích phản ứng bằng vi sóng
I. Khái niệm vi sóng
Vi sóng là sóng có bước sóng cực ngắn nên có tần số lớn, do vậy nó còn có các tên gọi khác là sóng siêu tần hay UHF (ultra high frequence wave), tần số từ 300MHz đến 300 GHz.
Năng lượng của vi sóng là năng lượng điện từ, photon của vi sóng có năng lượng rất thấp. Ở 2450MHz (tần số tối đa được phép sử dụng, vì cao hơn dành riêng cho mục đích quân sự) thì năng lượng photon chỉ là 0,00001 eV (0,037 kcal/mol) nên vi sóng không co khả năng cắt đứt liên kết hóa học (80 – 120 kcal) mà chỉ kích thích phân tử hữu cơ thuần túy động học (làm quay phân tử)
II. Khả năng làm nóng vật chất bằng vi sóng
Sự đun nóng bằng vi sóng là một tiến trình làm tăng nhiệt độ vật chất một cách đặc biệt. Tiến trình làm nóng này không phụ thuộc vào sự dẫn nhiệt của bình chứa và vật chất mà do sự quay lưỡng cực của các phân tử.
Dưới tác dụng của điện trường, các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng định hướng theo chiều điện trường. Do đó khi điện trường xoay chiều ở tần số rất cao sẽ gây ra sự xáo trộn ma sát với vận tốc lớn giữa các phân tử, đây chính là nguồn gốc sự nóng lên của vật chất, lúc này nhiệt độ tăng rất nhanh (khoảng 10oC / phút)
Với f = 2450MHz thì điện trường E của vi sóng đổi chiều 4,9 tỉ lần / s.
Vật chất không phân cực sẽ không bị xáo trộn dưới ảnh hưởng của vi sóng
Khi đun nóng 50 mL mỗi chất sau dưới tác dụng của vi sóng sau 1 phút ở 560W, 2450MHz
Nước: 81/100 (nhiệt độ đạt được / điểm sôi)
Etanol: 78/78
AcOH: 110/118
Axeton: 56/56
Dietylete: 32/35
Hexan: Không quan sát thấy sự tăng nhiệt độ
III. Ưu điểm của đun nóng bằng vi sóng
– Đun nóng rất chọn lọc, chỉ làm nóng vật chất trong bình chứ không làm nóng bình
– Đồng đều: tất cả mọi vị trí trong bình phản ứng đều nóng lên như nhau
– Đặc biệt là không gây thất thoát năng lượng như đun nóng bằng nhiệt bình thường (nhiệt sinh ra phải tăng từ từ, rồi còn làm nóng bình phản ứng nữa). Nguồn năng lượng này dễ tạo ra và dễ kiểm soát
– Việc đun nóng được tiến hành rất nhanh chóng, chọn lọc và trực tiếp. Ví dụ phản ứng ankyl hóa axetonitrin xúc tác Pd như sau:
IV. Các kiểu lò vi sóng
1. Lò vi sóng gia dụng (lò đa cách – multimode)
Sự phân phối điện trường trong lò là kết quả của sự phản chiếu nhiều lần của vi sóng lên vách lò. Do đó điện trường trong lò vi sóng không đồng nhất, vì vậy chất không được đun nóng đồng đều.
2. Lò vi sóng chuyên dụng (lò đơn cách – monomode)
Kích thước ống dẫn sóng và sự chiếu xạ được tính toán đề chỉ có một cách lan truyền và cộng hưởng sóng.
Lò này được sử dụng nhiều trong các phòng thí nghiệm chuyên dụng và giá cả rất đắt (khoảng hơn 10000 đô). Phòng thí nghiệm Đại học Khoa học Tự Nhiên TPHCM có một lò Discover CEM là lò đơn cách, có thể thực hiện phản ứng ở nhiều nhiệt độ và áp suất khác nhau
V. Hóa học vi sóng
Thực sự các phản ứng được tiến hành trong điều kiện chiếu xạ vi sóng cũng là các phản ứng đã được tiến hành tốt trong điều kiện đun nóng bình thường, nhưng cho kết quả tốt hơn, nhất là giảm đi phản ứng phụ (do đun nóng nhanh và chọn lọc), hiệu suất tăng cao và có thể thực hiện được trong nhiều điều kiện (chẳng hạn có hay không có dung môi). Ví dụ một số phản ứng sau:
1. Nối mạch cacbon bằng xúc tác Pd
2. Cộng lưỡng cực 1,3
3. Phản ứng thế nucleophin
Tài liệu tham khảo
1. Bài giảng Hóa học xanh cho lớp cao học K18 – PGS TS Lê Ngọc Thạch, Đại học KHTN – ĐHQGTPHCM
2. Hoz, A.; Diaz-Ortis, A.; Moreno, A.; Langa. F.; Eur. J. Org. Chem. 2000, 3659
3. Lared, M.; Moberg, C.; Hallberg, A.; Acc. Chem. Res. 2002, 35, 717
4. Baruah, J. A et al.; Synth. Commun, 1997, 27, 2888
5. Loupy et al.; Synthesis 1998, 8, 1213
6. Wathey, B. et al.; Drug. Disc. Today 2002, 7, 373
Leave a Reply