ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC

Siêu âm có thể tạo ra nhiệt độ cao như trên bề mặt mặt trời và áp suất cao như ở dưới đáy đại dương. Trong một số trường hợp, nó cũng có thể làm tăng hoạt tính của hóa chất lên hàng triệu lần. Các môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường, mỗi phần tử có một vị trí cân bằng bền. Nếu tác động một lực lên một phần tử A nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác dụng bởi lực tác động nên phần tử A sẽ di chuyển qua lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động. Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường. Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ, nói một cách khác, sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng. Về bản chất, sóng âm là

Seminar môn học: Siêu Âm hóa học GV: Ts Trương Thị Kim Dung Nhóm thực hiện: Trần Ngọc Cường 0814028 Nguyễn Hữu Tài 0814180 Phạm Duy Đạt 0814048 Đỗ Văn Dũng 0814038 Nội dung • • • • 1.) Sơ lược sóng siêu âm 2.) Siêu âm hóa học 3.) Ứng dụng siêu âm vài trình tổng hợp 4.) Kết luận 1.) Sóng siêu âm • Về chất, sóng âm sóng học, tuân theo quy luật sóng cơ, tạo sóng âm cách tác động lực học vào môi trường truyền âm • Phân loại theo tần số: sóng âm chia theo dải tần số thành: + Sóng âm tần số cực thấp, (Infrasound): f < 16 Hz Ví dụ: sóng địa chấn + Sóng âm tần số nghe thấy (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz + Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz Các đại lượng đặc trưng sóng âm - Chu kỳ T (s) khoảng thời gian mà sóng thực lần nén lần dãn - Tần số f (Hz) số chu giây - Vận tốc truyền sóng sóng âm quãng đường mà sóng âm truyền đơn vị thời gian - Độ dài bước sóng λ (μm): quãng đường mà sóng truyền sau khoảng thời gian chu kỳ (λ = v.T = v/f) 2.) SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC QUÁ TRÌNH TẠO – VỠ BỌT Trong môi trường đồng thể: 2.1) Trong môi trường dị thể (rắn lỏng) Ở ranh giới rắn lỏng, vỡ bọt bất đối xứng tạo phun tốc độ cao (> 100 m/s) làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc pha rắn CÁC HƯỚNG ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC • • • Hệ Dị Pha: Lỏng – Lỏng Lỏng – Rắn Hệ Đồng Pha Xúc Tác 2.2) Âm hóa học hệ dị pha Siêu âm cường độ cao để nâng cao khả phản ứng kim loại ứng dụng phản ứng hữu dị thể chất kim chiếu xạ siêu âm loại bỏ lớp oxit không hoạt động bao phủ bề mặt Sự loại bỏ lớp oxit cải thiện đáng kể tốc độ phản ứng Kết chiếu xạ siêu âm kết cấu bề mặt bột Ni 10 Copolymer khối 21 2.5) Siêu âm xúc tác Siêu âm ứng dụng quan trọng xúc tác đồng thể dị thể – Xúc tác dị thể thường ứng dụng công nghiệp nhiều xúc tác đồng thể 22 Bộ chuyển đổi áp điện 23 3.) ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM TRONG MỘT VÀI QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP 3.1) Thiết bị sử dụng phòng thí nghiệm 24 Bồn đánh siêu âm(The ultrasonic cleaning bath) 25 Đầu dò siêu âm (The ultrasonic probe) 26 3.2) Hoạt hóa kim loại •Khơi mào phản ứng điều chế tác chất Grignard: •Sự tạo thành cyclopropan - phản ứng Simmons-Smith 27 Sự khử hiđrô tetrahydronaphthalen thành naphtalen • Sử dụng xung điện hóa siêu âm (sonoelectrochemistry) 28 3.3) Tổng hợp enzyme  Là phạm vi ứng dụng sonochemistry  Sóng siêu âm với lượng cao phá vỡ thành tế bào sinh học giải phóng thành phần chứa bên tế bào Hình Kiểm soát trình sonication sử dụng để "kích thích" thể huyền phù men baker để cung cấp nguồn sterol cyclase rẻ tiền 29  sử dụng siêu âm phải thận trọng sử dụng kết hợp với vật liệu sinh học, Các điều kiện sóng âm phải điều khiển cẩn thận  Tổng hợp dipeptid dung dịch nhũ tương  Điều kiện tối ưu hóa trình sóng âm cho chuyển hóa cholesterol vi sinh vật thành cholestenone:nguồn chiếu xạ xung 2.8W áp dụng cho 5s phút 10 điều cho tăng sản lượng 40% 30 3.4) Chuyển pha ứng dụng liên quan  Phản ứng N-ankyl hóa indole (một chất dẫn xuất amino acid tryptophan) với RBr [R = CH (CH ) ] toluen 25°C Điều kiện thường Điều kiện có sóng âm Nhiệt độ 25°C 25°C Thời gian 3h 80p Hiệu suất 19% 90% 31  Điều chế axit amin thông qua tổng hợp aminonitril 32 3.5) Một vài tổng hợp khác Tổng hợp siêu âm cacbonyl sắt dẫn đến tổng hợp ferrilactone hữu ích  Sonication thúc đẩy phản ứng Trialkylboran có thông qua phản ứng bậc thang boran với anken Kỹ thuật tổng hợp gồm hydrobo hóa/oxy hóa nhóm vinyl 33  Sonochemistry sử dụng để cải thiện phản ứng ankyl hóa Friedel-Crafts sử dụng để tổng hợp chất chống viêm ibuprofen Điều kiện cổ điển Nhiệt độ phản ứng 25 °C Thời gian phản ứng 2h Hiệu suất phản ứng 17% Điều kiện tác động siêu âm 50% 34 4.) Kết luận • Sự cavitation kết tập hợp lượng khổng lồ Nó tạo nhiệt độ cao áp suất lớn • Siêu âm có loạt ứng dụng công nghiệp tạo hệ nhũ tương, loại khí dung môi, tạo hệ phân tán rắn, tạo hệ keo Nó quan trọng trình xử lý chất rắn cắt, hàn, làm sạch, kết tụ 35 [...]...2.3) Âm hóa học trong hệ đồng thể Phản ứng trong hệ đồng thể tăng tốc được nhờ vào sự tạo thành các gốc tự do 11 12 13 14 15 16 17 18 2.4) Ứng dụng của siêu âm trong polymer • Các polyme trong dung dịch bị giảm cấp khi được chiếu xạ siêu âm 19 20 Copolymer khối 21 2.5) Siêu âm trong xúc tác Siêu âm là một ứng dụng rất quan trọng trong cả xúc tác đồng thể và dị thể – Xúc tác dị thể thì thường được ứng dụng. .. được ứng dụng trong công nghiệp nhiều hơn xúc tác đồng thể 22 Bộ chuyển đổi áp điện 23 3.) ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM TRONG MỘT VÀI QUÁ TRÌNH TỔNG HỢP 3.1) Thiết bị sử dụng trong phòng thí nghiệm 24 Bồn đánh siêu âm( The ultrasonic cleaning bath) 25 Đầu dò siêu âm (The ultrasonic probe) 26 3.2) Hoạt hóa kim loại •Khơi mào phản ứng điều chế tác chất Grignard: •Sự tạo thành cyclopropan - phản ứng Simmons-Smith... naphtalen • Sử dụng xung điện hóa siêu âm (sonoelectrochemistry) 28 3.3) Tổng hợp enzyme  Là một phạm vi ứng dụng của sonochemistry  Sóng siêu âm với năng lượng cao phá vỡ thành tế bào sinh học giải phóng những thành phần chứa bên trong tế bào Hình Kiểm soát quá trình sonication đã được sử dụng để "kích thích" thể huyền phù của men baker để cung cấp nguồn sterol cyclase rẻ tiền 29  sử dụng siêu âm phải... khi sử dụng kết hợp với vật liệu sinh học, Các điều kiện của sóng âm phải được điều khiển cẩn thận  Tổng hợp dipeptid trong dung dịch nhũ tương  Điều kiện tối ưu hóa quá trình sóng âm cho các chuyển hóa cholesterol của vi sinh vật thành cholestenone:nguồn chiếu xạ xung 2.8W áp dụng cho 5s của mỗi phút 10 và điều này đã cho tăng sản lượng 40% 30 3.4) Chuyển pha và các ứng dụng liên quan  Phản ứng N-ankyl... có được thông qua các phản ứng bậc thang của boran với một anken Kỹ thuật tổng hợp gồm hydrobo hóa/ oxy hóa của các nhóm vinyl 33  Sonochemistry đã được sử dụng để cải thiện phản ứng ankyl hóa Friedel-Crafts được sử dụng để tổng hợp chất chống viêm ibuprofen Điều kiện cổ điển Nhiệt độ phản ứng 25 °C Thời gian phản ứng 2h Hiệu suất phản ứng 17% Điều kiện tác dưới động siêu âm 50% 34 4.) Kết luận • Sự... N-ankyl hóa của indole (một chất dẫn xuất của amino acid tryptophan) với RBr [R = CH (CH ) ] trong toluen ở 25°C Điều kiện thường Điều kiện có sóng âm Nhiệt độ 25°C 25°C Thời gian 3h 80p Hiệu suất 19% 90% 31  Điều chế các axit amin thông qua sự tổng hợp của aminonitril 32 3.5) Một vài tổng hợp khác Tổng hợp siêu âm của cacbonyl sắt dẫn đến tổng hợp các ferrilactone hữu ích  Sonication thúc đẩy phản ứng. .. 34 4.) Kết luận • Sự cavitation là kết quả của sự tập hợp năng lượng khổng lồ Nó tạo ra nhiệt độ rất cao và áp suất rất lớn • 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 35 ... sóng siêu âm 2.) Siêu âm hóa học 3.) Ứng dụng siêu âm vài trình tổng hợp 4.) Kết luận 1.) Sóng siêu âm • Về chất, sóng âm sóng học, tuân theo quy luật sóng cơ, tạo sóng âm cách tác động lực học. .. – Rắn Hệ Đồng Pha Xúc Tác 2.2) Âm hóa học hệ dị pha Siêu âm cường độ cao để nâng cao khả phản ứng kim loại ứng dụng phản ứng hữu dị thể chất kim chiếu xạ siêu âm loại bỏ lớp oxit không hoạt... độ phản ứng Kết chiếu xạ siêu âm kết cấu bề mặt bột Ni 10 2.3) Âm hóa học hệ đồng thể Phản ứng hệ đồng thể tăng tốc nhờ vào tạo thành gốc tự 11 12 13 14 15 16 17 18 2.4) Ứng dụng siêu âm polymer