SIÊU âm và ỨNG DỤNG TRONG TỔNG hợp hữu cơ

SIÊU ÂM VÀ
SIÊU ÂM VÀ
ỨNG DỤNG TRONG
ỨNG DỤNG TRONG
TỔNG HỢP HỮU CƠ
TỔNG HỢP HỮU CƠ
Người thực hiện:
Người thực hiện:
Hồ Quốc Trinh
Hồ Quốc Trinh


Giới thiệu chung
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
Thiết bị siêu âm
•
Bể 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
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
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
trường hợp sóng siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên gần
một triệu lần.”
một triệu lần.”
Giải thích
•

Sóng siêu âm có chiều dài sóng khoảng 10cm –
10-3cm
• Tuy nhiên, sự chiếu xạ siêu âm trong môi trường
lỏng lại sản sinh ra một năng lượng lớn, do nó
gây nên một hiện tượng vật lý đó là cavitation


•
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
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
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.


Ứng dụng trong tổng hợp hữu
Ứng dụng trong tổng hợp hữu
cơ
cơ
•
Phản ứng ester hóa
•
Phản ứng xà phòng hóa
•
Phản ứng thế
•
Phản ứng cộng hợp
•
Phản ứng alkyl hóa
•
Phản ứng oxy hóa
•
Phản ứng khử
•
Phản ứng Barbier
•
phản ứng ngưng tụ,

phản ứng Heck trong chất
phản ứng Heck trong chất
lỏng ion
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
Phản ứng Suzuki


Tổng hợp carbohydrate
Tổng hợp carbohydrate


Phản ứng Sonogashira xúc tác bởi
Phản ứng Sonogashira xúc tác bởi
đồng-và phối tử Pd (0) Các hạt nano
đồng-và phối tử Pd (0) Các hạt nano
dưới siêu âm chiếu xạ
dưới siêu âm chiếu xạ


TEMPO-mediated Oxidation of Glucose or

TEMPO-mediated Oxidation of Glucose or
Sucrose under Ultrasound Irradiation
Sucrose under Ultrasound Irradiation


Ultrasound/Lipase/Ionic Liquid-Promoted
Ultrasound/Lipase/Ionic Liquid-Promoted
Synthesis of Sugar Esters
Synthesis of Sugar Esters
•
Ultrasound Promoted Displacement of O-
Trifyl by O-Acetyl


Tổng hợp 1-ferrocenyl-2-
Tổng hợp 1-ferrocenyl-2-
arylacetylenes dưới chiếu xạ siêu âm
arylacetylenes dưới chiếu xạ siêu âm
•
Phản ứng của ethynylferrocene với
iodides aryl (Sonogashira ghép) dưới
sự chiếu xạ siêu âm


Ứng dụng điển hình
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
Siêu âm thay thế
hydrodesulfurization
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
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
Nâng cao hiệu quả của quá trình phân
hủy bằng photon hoặc oxy. Sử dụng
hủy bằng photon hoặc oxy. Sử dụng
siêu âm.
siêu âm.
•
Malachite Green:
•
Quá trình loại bỏ Malachite Green khác nhau:
•

Thu kết quả:


KẾT LUẬN
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