SIÊU âm và ỨNG DỤNG TRONG TỔNG hợp hữu cơ

Sử dụng cơ chế cavitation tạm gọi là "sự tạo và vỡ bọt" • Ảnh hưởng hóa học của sóng siêu âm được chia thành ba hướng: âm hóa học đồng pha sử dụng trong dung dịch, âm hóa học dị pha sử

SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ

Người thực hiện:

Hồ Quốc Trinh

Giới thiệu chung

• Siêu âm là sóng âm thanh có tần số cao hơn

ngưỡng nghe của con người (> 16KHz)

• Hóa học ứng dụng siêu âm gọi là âm hóa học

(sonochemistry) Sử dụng cơ chế cavitation (tạm gọi là "sự tạo và vỡ bọt")

• Ảnh hưởng hóa học của sóng siêu âm được chia thành ba hướng: âm hóa học đồng pha sử dụng trong dung dịch, âm hóa học dị pha sử dụng

trong hệ lỏng–lỏng hay lỏng–rắn và âm học xúc tác (sonocatalysis).

Thiết bị siêu âm

Bể siêu âm là thiết bị rẻ tiền nhất và thông dụng nhất trong các phòng thí nghiệm hóa học Siêu âm chủ yếu được tạo ra bằng biến năng (transducer) đặt dưới đáy bình truyền qua môi trường đến hệ thống phản ứng

• Thanh siêu âm

Thiết bị này có thể chuyển trực tiếp năng lượng siêu âm vào hệ thống phản ứng nên không cần phải khuấy trộn liên tục như trong trường hợp dùng bể siêu âm Một ưu điểm khác nữa là có thể

kiểm soát được năng lượng trong hệ thống này và năng lượng siêu

âm tạo ra mạnh hơn rất nhiều

“Siêu âm có thể tạo nhiệt độ cao như nhiệt độ của bề mặt mặt trời

và áp suất lớn như áp suất dưới lòng đại dương Trong một vài trường hợp sóng siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên gần

• cavitation xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng, độ bền này thay đổi tùy theo loại và

độ tinh khiết của chất lỏng

• Thông thường sự tạo-vỡ bọt là một quá trình tạo mầm, bắt nguồn từ những chỗ yếu trong chất lỏng như một lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng trong hệ hoặc là những vi bọt tồn tại thời gian ngắn trước khi sự tạo-vỡ bọt xảy ra Hầu hết các chất lỏng đều có đủ những chỗ yếu này để hình thành nên cavitation

• Những vi bọt này qua sự chiếu xạ của siêu âm thì sẽ hấp thu dần năng lượng từ sóng và sẽ phát triển Sự phát triển của bọt phụ thuộc vào cường độ của sóng Ở cường độ

sóng cao, những bọt này sẽ phát triển nhanh thông qua

tương tác quán tính Nếu chu kỳ giãn nở của sóng đủ

nhanh, bọt khí được giãn ra ở nữa chu kỳ đầu và nữa chu

kỳ còn lại là nén bọt, nhưng bọt chưa kịp nén thì lại được giãn tiếp, cứ thế bọt lớn dần lên và vỡ (5000oC, 2000atm)

CAVITATION

• Trong chất lỏng chiếu xạ siêu âm, sự nén khí diễn

ra khi các bọt bị vỡ vào trong dưới áp lực của

chất lỏng bên ngoài, sự vỡ này sinh ra một lượng nhiệt tại điểm đó gọi là sự tỏa nhiệt tại một điểm (hot-spot) Hot-spot là yếu tố quyết định của âm hóa học trong môi trường đồng thể.

• cavitation đóng vai trò như một trung gian để

nhận năng lượng và tập trung năng lượng của

sóng âm chuyển năng lượng này sang dạng có ích cho hóa học.

Ứng dụng

• Trong lĩnh vực polymer và nguyên liệu sinh học Sản phẩm của sự giảm cấp này là những mạch polymer có chiều dài ngắn hơn với độ phân bố đồng đều, sự giảm cấp thường

xảy ra ở giữa mạch polymer Lĩnh vực vi bao bọc protein

đang được phát triển, là sự bao bọc nguyên liệu trong vỏ bọc có kích thước vài micromet, có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như phẩm màu, mùi vị, hương

thơm, hệ thống tiết chậm dược phẩm khi vào cơ thể và là tác nhân chuẩn đoán y khoa

• điều chế kim loại dạng vô định hình Ví dụ, pentacarbonyl sắt phân hủy với siêu âm cho ra sắt vô định hình gần như tinh chất

• Sử dụng siêu âm trong xúc tác

• siêu âm có một loạt các ứng dụng trong công nghiệp như tạo hệ nhũ tương, loại khí bằng dung môi, tạo hệ phân tán rắn, tạo hệ keo Nó cũng rất quan trọng trong các quá trình

xử lý chất rắn như cắt, hàn, làm sạch, kết tụ

phản ứng Heck trong chất

lỏng ion

• Không cần dung môi phân cực như DMF và NMP trong điều kiện trào ngược với thời gian phản ứng lâu dài

• không cần sử dụng phối tử phosphine để ổn định

Pd (0) chất xúc tác

Phản ứng Suzuki

Tổng hợp carbohydrate

Phản ứng Sonogashira xúc tác bởi đồng-và phối tử Pd (0) Các hạt nano

dưới siêu âm chiếu xạ

TEMPO-mediated Oxidation of Glucose or Sucrose under Ultrasound Irradiation

Ultrasound/Lipase/Ionic Liquid-Promoted

Synthesis of Sugar Esters

• Ultrasound Promoted Displacement of

O-Trifyl by O-Acetyl

Tổng hợp arylacetylenes dưới chiếu xạ siêu âm

1-ferrocenyl-2-• Phản ứng của ethynylferrocene với

iodides aryl (Sonogashira ghép) dưới

sự chiếu xạ siêu âm

Ứng dụng điển hình

1 Sự kết hợp giữa sóng siêu âm và lò vi sóng trong tổng

hợp hữu cơ: áp dụng cho phản ứng nhiệt phân và ester hóa

2 Siêu âm thúc đẩy các phản ứng ghép cặp với xúc tác

Paladi

3 Giám sát liên kết phản ứng của silicon nitrua bằng sóng

siêu âm

4 Nâng cao hiệu quả của quá trình phân hủy bằng photon

hoặc oxy Sử dụng siêu âm

5 Phân tích các phản ứng hóa học và các liên kết phân tử

với lượng nhỏ

6 Siêu âm thay thế hydrodesulfurization

7 Siêu âm trong nano magnetite

8 Làm đất bằng sóng siêu âm

Siêu âm thay thế hydrodesulfurization

• Hợp chất lưu huỳnh tồn tại nhiều trong các

khoáng, trong dầu thô.

• Bằng hydrodesulfurization, thế hydro, xúc tác

coban hoặc molypden để liên kết tạo hydro

sulfur.

• các hợp chất lưu huỳnh thơm (ví dụ như

4,6-dimethyldibenzothiophene) không thể được gỡ bỏ bằng cách sử dụng hydrodesulfurization

• Hỗ trợ bằng siêu âm khử lưu huỳnh (Nhiệt độ: lên tới 5000 độ Kelvin , Áp suất: đến năm 2000 khí quyển , Liquid JETS: đến 1000km/hr )

• 90%

Siêu âm trong tạo nano magnetite

• Banert sử dụng một lò phản ứng sono tối ưu hóa

• sắt (III) clorua hexahydrate và sắt (II) sulfat

heptahydrate với một tỷ lệ phân tử của Fe 3 + / Fe 2 + = 02:01

• Nếu không có ultrasonication, các hạt có kích thước hạt trung bình 45nm đã được sản xuất bằng cách trộn các thủy động lực một mình Siêu âm trộn làm giảm kích thước hạt dẫn đến 10nm và ít hơn

Nâng cao hiệu quả của quá trình phân hủy bằng photon hoặc oxy Sử dụng

siêu âm.

• Malachite Green:

• Quá trình loại bỏ Malachite Green khác nhau:

• Thu kết quả:

KẾT LUẬN

Trong tương lai, việc sử dụng siêu âm

để điều khiển phản ứng hóa học sẽ

rất đa dạng và phổ biến

Thank you