声化学的合成原理及应用.doc

声化学合成原理及应用 摘 要:声化学作为一门新的学科,已经广泛应用于化学及化工领域。本文论述了声化学合成原理及类型，阐述了超声化学的特点及影响因素，介绍了目前所使用的声化学反应器，汇总了声化学的主要应用领域及进展。 关键词：声化学；合成原理；反应器；应用进展 （1）合成原理 声化学中采用的激励源主要是高能量的超声波，频率范围为16KHz－5MHz甚至500MHz,多数化学反应在液相进行。 超声波促进化学反应并不是声场与反应物在分子水平上直接作用的结果。常用超声波的能量很低，不足以激发分子的转动，因而并不能使化学键断裂引发反应。 光化学反应:光子进入分子，在能量上是量子化的；声化学中声波通过介质进入分子，在能量上则不是量子化的。 （2）声化学基本类型声化学反应一般在低超声频段(20一SOkHz)进行.其反应大致可分为四种基本类型： (l)有金属表面参与的反应:一种是金属作为试剂在反应中消耗掉;另一种是金属只起催化作用.声空化所产生的冲击波及溶剂向金属表面高速喷射的微射流使金属表面不断被清洗、腐蚀、更新和激活，增加有效反应面积而加速反应. 有粉末状的固体颗粒参与的反应:声空化作用能将金属或非金属颗粒进一步粉碎，增加反应面积和使表面活化，有可能替代相转移催化剂(PTC)，作为促进固一液多相反应的一种新手段.同时空化作用使多相介质混合得更均匀，提高质的传输.在水或粘度低的液体中用高转的机械搅拌，其最高的质传输系数K为0.01，cm/:，转速再高K也不再增加，而超声空化作用可进一步提高。 (3)乳化反应:声空化促使两种不相溶的液体迅速乳化，增加反应区域，可以代替PTC.如果将PTC和声空化作用结合起来，效果更好。 (4)均相反应:空化饱中一般充有气体和溶剂的蒸汽，当气泡崩溃时，蒸汽受压缩而产生局部高温、高压，产生自由基，伴随冲击波的作用会改变溶剂结构而影响反应. （3）超声的特点 (l)加速化学反应，提高反应产率.例如在催化反应中用镍作催化的烯烃加氢反应，在超声的作用下活性增大十万倍田.又如特丁基氯在乙醇水溶液中的反应在声强不高的超声作和适当声强，反应速度可加快约20倍‘ (2)降低反应条件.例如金属铜用于ullmarm偶联时叫，往往需要高温，在超声作用下金属颗粒被粉碎，使所需反应温度下降.又如在硅氢反应中，传统方法需要进行强烈的机械搅拌，同时要求温度在40一80℃的条件下才能反应，而在超声作用下可不用机械搅拌，在30℃下即可进行反应。 (3)缩短反应诱导时间.声化学反应可以缩短生成Grignard试剂的诱导期’‘”.含有水及乙醇各0.01多的乙醚溶液进行声反应时，其诱导期仅需10秒钟，而用传统方法则需要6一7分钟。有机齿化物与金属铿合成烷基铿的超声反应(50kH:)可以避免用活拨试剂，能提高反应性，消除诱导期。 （4）进行有些传统方法难以进行的合成反应。例如难反应的芳基卤化物，用超声辐照时可发生偶合反应，又如FeZ(CO)与葱在超声作用下在负20℃即可生成稳定的络合物t1”，而用其它方法难以做到. （4）超声化学的影响因素 (1)声场的频率:声场的频率对声化学反应有较明显的影响，一般情况下，脉冲声波比连续声波的效果要好些;声源的调制方式也很重要脉冲的占空比在1:1一1:1.5时声化学反应有较高的诱发率. (2)声场的能量:声场的能量取决于超声换能器的功率，而它则是声化学反应的决定性因素.声化学反应的加速和启通源于超声的空化作用，只有当声强(声场的能量)达到一定程度时，才能使以声场频率振动的气泡发生闭合，声强越高，闭合的速度就越快，产生的压力波也越强，热点处的温度和压强也将更高，以及其它的一些空化效应也就越剧烈，从而触发和启通一系列的声化学反应. (3)溶液的温度:溶液的温度也是一个重要的影响因素.早年人们认为，温度升高，溶液的粘度下降，这样一来，空化核半径和声场的频率不合，从而促使能够发生空化效应的空化核数目下降，反应速度下降.近来的研究表明，溶液的的粘度下降并不是主要原因，而是溶液的温度升高以后，在溶液中溶解的气体大量逃逸出去，结果造成空化核的生成量下降，反应速度下降. （5）超声化学反应器 声化学反应器一般包括电子部分、换能器部分、藕合系统及反应器部分.前面两部分基本上是已经定型的东西，只是在应用的时候选择何种型号而已，至于其本质特性，则属于超声学的内容，这里说的是声化学，故这两部分就不再叙述，只谈声化学反应藕合系统和反应器. （1）超声清洗器:这类反应器价廉易得，目前大部分的声化学反应都是用它来进行的.它一般是将一组并联的压电换能器置于清洗槽底部，槽内注人水等祸合液，然后将反应器置于祸合液中.超声波清洗器虽然可以用于声化学研究，但工业应用显然是不合适的.原因有二:第一，反应器远小于清洗槽，能量损失相当大