绿色化学技术

本章内容
一、微波有机化学 二、超声化学 三、电化学
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第一节
微波有机合成化学
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一、微波及其特性
微波(microwave， MW)即指波长从 1 mm～ 1 m （不包含1米），频率从300MHz～300GHz的超高频电 磁波，它位于电磁波谱的红外辐射（光波）和无线电 波之间。
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医学及家用等民用微波频率一般 为 900( ±15) MHz 和 2450( ±50) MHz。 我国手机常用的频段主要有 900/1800/1900MHZ 频段；3G占用的 900/1800/1900/2100MHz频段。
ε— 电场 Η— 磁场 C — 光速 λ— 波长
•微波化学是建立在通过微波介电加热效应来有效地加热物 质基础上的。
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微波加热的原理
微波靠介质的偶极子转向极化和界面 极化在微波场中的介电耗损而引起的体内 加热。通俗地说, 是极性介质在微波场作用 下随其高速旋转而产生相当于“分子搅拌” 的运动, 从而被均匀快速地加热, 此即“内 加热”。
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总结起来大概有以下几点: a) 微波的存在会活化反应物分子, 使反应的诱导 期缩短。 b) 微波场的存在会对分子运动造成取向效应, 使 反应物分子在连心线上分运动相对加强, 造成有效 碰撞频率增加, 反应速率加快。 c) 微波加速有机反应与其对催化剂的作用有很大关 系。催化剂在微波场中被加热速度比周围介质更快, 造成温度更高, 在表面形成“热点”,从而得到活化, 造成反应速率和选择性的提高。
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微波加热的特点：
a)
快速加热。微波能以光速(3×109m/s)在物体中传 9秒以内)就能把微波能转换为物质 播，瞬间(约10的热能，并将热能渗透到被加热物质中，无需热 传导过程。
b) 快速响应能力。能快速启动、停止及调整输出 功率，操作简单。
c) 加热均匀。里外同时加热。
d) 选择性加热。介质损耗大的，加热后温度高， 反之亦然。
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e)加热效率高。由于被加热物自身发热，加热没有 热传导过程，因此周围的空气及加热箱没有热 损耗。
f) 加热渗透力强。透热深度和波长处于同一数量 级，可达几厘米到十几厘米，而传统加热为表 面加热，渗透深度仅为微米数量级。 g) 安全无害。由于微波能是控制在金属制成的加 热室内和波导管中工作，所以微波泄漏极少， 没有放射线危害及有害气体排放，不产生余热 和粉尘污染，既不污染食物，也不污染环境。
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在生物医学方面的应用 诊断：（磁共振） 热效应：微波理疗、组织固定。
治疗
非热效应：免疫组织化学和免疫细胞化学研究。
交叉学科ຫໍສະໝຸດ Baidu
微波物理 微波吸收光谱学 微波化学 微波等离子体化学
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微波有机合成化学
将微波用于有机合成的研究涉及酯化、 Diels-Alder、重排、Knoevenagel Perkin、 Witting、Reformat sky 、Dveckman、 羧醛缩合、开环、烷基化、水解、烯烃加 成、消除、取代、自由基、立体选择性、 成环、环反转、酯交换、酯胺化、催化氢 化、脱羧等反应及糖类化合物、有机金属、 放射性药剂等的合成反应。
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辐射类型和键能的比较
辐射类型 γ射线 χ射线 紫外 可见光 红外光 微波 无线电波
频率/MHz 3.0×1014 3.0×1013 1.0×109 6.0×108 3.0×106 2450 1
量子能/eV 1.24×106 1.24×105 4.1 2.5 0.012 0.0016 4.0×10-9
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研究背景
20 世纪 30 年代，发明产生微波的电子管。 开始微波技术仅用于军事雷达； 1947 年，美国发明了第一台加热食品的机 器—微波炉； 1952 年，微波等离子体用于光谱分析； 60 年代后，用于无机材料的合成，如表面 膜（金刚石膜、氮化硼膜）和纳米粉体材 料的合成；
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1981 年，嘉茂睦等用微波等离子体增强 化学气相沉积法，以CH4 与 H2 为原料，在 钼与硅基上沉积出厚度为 1-2 m 的金刚石膜。
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与传统加热相比, 微波加热的优点： a) 可使反应速率大大加快, 可以提高 几倍、几十倍甚至上千倍。
b) 由于微波为强电磁波, 产生的微波 等离子体中常可存在热力学方法得不到 的高能态原子、分子和离子, 因而可使 一些热力学上不可能发生的反应得以发 生。
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微波的 “非热效应”
“非热效应”说认为： 微波对有机化学反应 的作用是非常复杂的，除其热效应外，它还能改 变反应的动力学性质，降低反应的活化能，也即 微波的非热效应。微波是电磁波，具有电磁影响， 也具有微波的特性影响；微波可引起（激发）分 子的转动，就可对化学键的断裂做出贡献。
直到 1986 年起，加拿大化学家 Gedye 等 发现微波辐射下的 4-氰基苯氧离子与氯苄的 SN2 亲核取代反应可以使反应速率提高1240 倍，并且产率也有不同程度的提高。
从此微波有机合成逐渐变得流行起来。 （标志着微波有机合成化学开始）
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微波介电加热
电组分
ε
磁组分
C
Η λ 2.45GHz=12.25cm 微波中的电场和磁场部分
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微波的特性
a) 似光性。微波波长非常小，当微波照射到某些物 体上时，将产生显著的反射和折射，就和光线的 反、折射一样; b) 穿透性。微波照射于介质物体时，能够深入该物 体内部的特性称为穿透性; c) 信息性。微波波段的信息容量非常巨大，即使是 很小的相对带宽，其可用的频带也是很宽的，可 达数百甚至上千兆赫; d) 非电离性。微波的量子能量不够大，因而不会改 变物质分子的内部结构或破坏其分子的化学键， 所以微波和物体之间的作用是非电离的。
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a)军事应用：空间和海事导航，飞机、 导弹、空间飞行器的定位、检测和跟 踪，导弹的精确制导，导弹和火炮的 点火控制，武器保险、侦察等。
b）公共应用：机场监视、海上导航、气象雷达、测量学、 飞机着陆、夜间防盗、速度测量（警戒雷达）、测绘等。
c）科学应用：天文学、绘图和成像，精密距离测量， 自然资源遥感等。
键类型 C—C C=C C—O C=O C—H O—H 氢键
键能/eV 3.61 6.35 3.74 7.71 4.28 4.80 0.04-0.44
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蓝牙技术 移动通信 卫星通信 广播电视 中继通信 无线微波接入 紧急状态下 的通信
网络
WLAN
全球定位 系统(GPS)
国外发达国家的微 波中继通信在长途 通信网中所占的比 例高达50%以上。