微波化学技术及其在教学科研中的应用ppt课件

微波化学工作站及其在教学和科研中的应用,李侃社likanshe,1.引言,“典型”实验室及制约效率,21世纪的分析仪器AA、ICP、ICP-MS、AFS-无机元素GC、GC-MS、LC、LC-MS有机成分18世纪的样品准备设备(加热板，沙浴，烧杯、容量瓶）,样品分析所花费的时间,样品分析中所出现的误差,微波化学技微术的发展历史,1945年，一个偶然的机会，微波的热效应为人们所知。随后，微波技术渐渐被人们掌握，继而被运用到各个领域中。1975年，Abu-Samra等首次将微波能用于样品制备1982年，Matthes提出了封闭容器微波消解1986年，Kingston等应用计算机对高温高压下封闭容器微波消解的一些基本参数进行了定量研究1988年，美国化学会出版了H.M.Kingston和L.B.Jassie合著的微波制样导论：理论与实践。,微波化学技微术的发展历史,1986年,两篇独立发表的文章开创了微波合成新时代:R.J.Giguere、GR.Gedye教授及其合作者:“微波炉在快速有机合成中的应用”Majetich教授及其合作者:“商用微波炉在有机合成中的应用”,描述微波辐射辅助化学合成的文章数量有很大的增长，从1995年的大约300篇增长到2002年的超过1300篇。,学术关注度,学术关注度,他们发现:相比于传统的加热回流条件，对于所有研究的转化，都可以观察到速度的显著的提高（5-1000倍）。,微波辅助化学,微波化学在样品前处理上节省的时间,Beefliver新鲜牛肉Tunatissue鱼组织Margarine人造奶油Sludge污泥Blood血液Titanium钛白粉,微波,微波化学的微波频率：2450MHz（波长12.2cm)微波能量0.0016eV，远低于有机分子的化学健能0.X-XeV微波加热机理：极性分子的旋转和离子导电,各种物质对微波的作用,物质对微波的吸收有三种：完全不吸收（反射），如金属,吸收，如水,穿透，如Teflon、PP、PE等,微波加热的特点,Thevesselwallsaretransparenttomicrowaveenergyandtheyhavealowertemperaturethanthesolution,2.微波化学工作站,微波技术,当前微波化学工作站，有三种类型：常压法：家用微波炉改造、专业公司生产的适用于溶解、萃取和有机合成的微波实验设备产品、专用微波化学设备（消解、萃取、合成等）高压法：使用密闭反应罐完成微波化学反应。主要用于萃取、合成等方面。连续流动法：能完成连续化学合成或萃取的微波化学工作站方法。,常压微波化学工作站,常压微波化学工作站,MDS-COD微波COD快速消解仪,可配套瑞士万通自动电位滴定仪，样品罐可直接放入其自动进样器，样品无需转移,高压微波化学工作站,高压微波化学工作站,连续流动微波化学平台,连续流动微波化学平台,微波加热具有均匀性、三维性、瞬时性和选择性的特点。研制与通用挤出设备配套的连续微波加工设备，将微波辐照引入到聚合物加工过程，为通用高分子材料高性能化提供新途径。,高分子材料微波辐照加工新方法,高分子材料连续微波辐照加工设备样机照片,3.微波辅助化学及其应用,今天，微波辅助有机化学已经成为跨越制药、生物技术和精细化工行业的重要技术，全世界的主要工业有数千套的设备在运转:,微波辅助化学,药物,应用:开发新药药物化学,石化产品,应用:催化剂聚合物,精细化学,应用:添加剂化妆品食品农业化学制品,为什么微波技术对学术界很重要？,由于以下原因，希望跟上有机化学专业领域发展的科研机构发现很难掌握这项技术:获得专业系统的初期高额投入缺乏适于教学环境的专业微波平台,科研院所进入微波辅助化学时代:,START系统,上海新仪微波化学工作站,新仪微波化学工作站使学术界能够接触目前在最先进的化学实验室中使用的微波技术。主要优点:实时技术绿色化学快速结果,新仪微波化学工作站,教授给学生在工作中将需要的技能和技术使学生在求职市场中处于优势地位允许学术研究者同他们在工业领域中的同事一样使用相同的方法,实时技术,微波辅助化学所需溶剂仅仅是传统方法所用溶剂的一小部分减少购买试剂和处理的费用,绿色化学,在教室中进行的实验变得非常快速在几分钟内完成而不是以小时计可以进行更多的实验可以进行更有深度的反应研究，比如催化剂数量的多样性、反应的stoichiometry,快速结果,合成阿司匹林反应,每个反应所需时间越少拥有越多的时间去教学,快速结果,合成荧光素的反应,含尿素甲苯的合成,Biginelli反应,部分反应,HydrolysisofBenzamidetoBenzoicAcid苯甲酰胺水解成为苯甲酸,MicrowaveNitrationofElectron-PoorAromatics微波硝化少电芳香物质,SynthesisofCopper-Phthalocyanine合成铜-苯二甲蓝染料,Synthesisofionicliquids:1-butyl-3-methylimidazoliumchloride合成离子液体：1-丁基-3-甲基偕氯代亚胺,Multistep-synthesisofNewPharmaceuticalCompoundforAlzheimerTherapy多步骤合成治疗老年痴呆症的新药物化合物,Multistep-synthesisofNewPharmaceuticalCompoundforAlzheimerTherapy多步骤合成治疗老年痴呆症的新药物化合物,DMF合成1,4-苯并对二-5-one:镇静剂内核结构单元、抗焦虑物质,Ref.SantagadaV.,CaliendoG.,CurrentMedicinalChemistry,2002,9,1251-1283,4.微波合成,液相微波加热制备纳米材料,微波液相加热,作为一种快速制备粒径分布窄、形态均一的纳米粒子的方法,具有其他一些方法不可比拟的优越性。微波液相加热制备纳米粒子,就是在微波辐照下,金属盐或醇盐溶液能直接分解制备超细金属氧化物和硫化物粉体。微波快速加热,提供反应活化能,加速化学反应,加速成核;分子转动生热，内加热，制约晶体生长。,微波制备纳米金属氧化物,以明矾和氢氧化钠溶液为原料,采用微波(750W、2450MHz),加热78min,合成1724nm球形氧化铜粒子.杨升红等以海棉钛为原料,采用微波水解法成功地合成锐钛矿型TO2纳米粉末。粉末颗粒成球形,粒度集中于7080nm,颗粒分布均匀,分散性好。微波辐照饱和SnCl4水溶液，制得纳米SnO2。封闭体系以乙醇-水为溶剂、微波辐照Zn(NO3)2成功制备纳米ZnO。,微波制备纳米金属氧化物,纳米氧化铁的合成,反应体系的初始pH值为1.37,FeCl3浓度为0.333mol/L,尿素过量,微波140下反应25min,产物经多次水洗,离心分离,在350400下锻烧140min.78%的产品,粒度小于280nm。,氧化铁的制备包括两个阶段:晶种的生成晶种的长大晶种的生成是化学反应,升高温度有利于提高反应速率,加速晶种生成.晶种的长大是物理变化,升高温度有利于晶体的溶解,不利于晶种的长大.微波辐照引起分子摩擦生热,体系温度瞬间升高,晶种迅速生成而不能及时长大,为纳米氧化铁的制备创造了有利的环境条件.,不同形貌纳米CaCO3的制备,不同形貌纳米CaCO3的制备,纳米SiO2,微波辅助有机合成,微波辐照条件下的Reimer-Tiemann反应的研究微波辐时照间为30min，温度为55，pH=5，相转移催化剂用量为2.5gReimer-Tiemann反应的两种产物的总产率为97.54%.,9.4g（0.1mol）苯酚，20g(0.5mol)NaOH，50ml蒸馏水，16ml（0.2mol）三氯甲烷,相转移催化实验结果,由上表可地相转移催化剂的用量为2.5g时总产率最大为58.11%,微波辐照条件下的实验结果(1)相转移催化剂用量为2.5g,由表可得微波辐照时间为30min时总产率最大为97.29%,(2)相转移催化剂用量为2.5g，时间为30min,由上表可得当反应温度为55时总产率最大为97.54%。,微波辐照下的苯酚法合成4羟基香豆素条件：物质的量丙二酸：苯酚：催化剂1：1：3；微波辐照6065反应34min，产率17。但在传统试验中产率14.6，6065反应10h。产物经熔点及红外分析证实。,微波辐照合成华法林以4-羟基香豆素与亚苄基丙酮为原料，在微波条件下，不使用任何催化剂，经Michael加成反应合成出了华法林，产物经IR进行了结构表征。通过微波辐照，使常规合成的反应时间由18h缩短至1h，收率达到了66.6%，且该法步骤简单，绿色环保。,微波辐照强化废旧腈纶毛线水解及高吸水树脂的制备研究(1)以废腈纶毛线为原料，碱性水解并经交联改性可制成性能优良的吸水剂材料，吸水倍数达到720左右。(2)通过实验得出微波条件下用废旧腈纶毛线制备高吸水树脂的最佳工艺条件是：水解部分:反应温度95；腈纶毛线:NaOH:蒸馏水=1:1:12（质量比）；反应时间:2.0h；微波功率:700w。交联部分:反应温度90；水解产物:5%甲醛溶液=4:1（质量比）；反应时间:30min；微波功率:700w。,微波辐照合成PVC增塑剂苯甲酸二乙二醇酯bp-235237（236）;T=23时，折光率在1.5348-1.5390（T=201.5448）,微波辐照制备丙烯酸钠-丙烯酰胺共聚高吸水树脂以丙烯酸和丙烯酰胺为原料，过硫酸铵为引发剂，N，N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，在微波辐照下水溶液聚合制备高吸水树脂。饱和吸水倍率=1400gH2O/g树脂.最佳配方及工艺条件为：10mL丙烯酸、0.5g丙烯酰胺、引发剂0.045g、交联剂0.003g、中和度90%、单体浓度30%、微波功率320W,辐照交联4min。,研究微波辐照对填充高密度聚乙烯共混材料力学性能的影响。结果表明,微波辐照能在不影响材料刚性的基础上,提高材料的韧性和断裂伸长率,炭黑、钛酸铅锆(PZT)、碳酸钙填充的高密度聚乙烯经微波辐照后在保持屈服强度基本不变的情况下断裂伸长率分别提高了270%、100%、41%。透