POWTÓRZENIE.

Prezentacja na temat: "POWTÓRZENIE."— Zapis prezentacji:

1 POWTÓRZENIE

2 Mikrofale Dlaczego warto stosować mikrofale w reakcjach organicznych
2 Fale radiowe ; mikrofale ; podczerwień ; f. widzialne ; ultrafiolet ; promienie X ; promienie  Radio MW IR Vis UV X  km cm  m nm nm-pm pm  = 10-3m, m, m, m m Mikrofale:  = 0,01m – 1m;  = 300 – 0,3 GHz; dom, nauka, przemysł 2,450 GHz Dlaczego warto stosować mikrofale w reakcjach organicznych Zdolność energii mikrofalowej do znacznie szybszego zwiększania temperatur substancji organicznych porównaniu z tradycyjnym ogrzewaniem termicznym .  Zastosowania przyspieszenie reakcji; wzrost wydajności produktu „ogrzewanie molekularne” – nowe możliwości transformacji chemicznych; „zimne reakcje” – prowadzenie unikalnych i szybkich reakcji na obiektach wrażliwych na ciepło np. na białkach;

3 Porównanie ogrzewania tradycyjnego i mikrofalowego
Ogrzewanie tradycyjne Ogrzewanie mikrofalowe zewnętrzne źródło ciepła  ścianki naczynia   rozpuszczalnik reagenty minusy: długi czas nagrzewania zależny od przewodnictwa termicznego naczynia, niejednorodny rozkład temperatury, ograniczona kontrola reakcji, trudne chłodzenie. jednoczesne oddziaływanie na wszystkie cząsteczki rotacja dipoli lub przewodnictwo jonowe szybki wzrost temperatury reagentów plusy: nagrzewanie nie zależy od przewodnictwa termicznego naczynia, łatwa kontrola reakcji, po wyłączeniu energii mikrofalowej pozostaje tylko wtórne ciepło.

4 Oddziaływanie dipoli z polem elektrycznym
Mechanizmy ogrzewania mikrofalowego Oddziaływanie dipoli z polem elektrycznym polaryzacja dipolowa  Profile zmian temperatury w funkcji czasu w promieniowaniu mikrofalowym o mocy 150 W woda dioksan

5 Oddziaływanie jonów z polem elektrycznym
efekty przewodzenia Profile zmian temperatury w funkcji czasu w promieniowaniu mikrofalowym o mocy 150W Woda z kranu Woda destylowana

6 Równania fizchem  = k [A] [B] k – stała szybkości reakcji
Szybkość reakcji A B  A-B  = k [A] [B] Równanie Arrheniusa k – stała szybkości reakcji A – współczynnik częstości zderzeń aktywnych EA – energia aktywacji T – temperatura Temperatura reakcji ∆ = 150oC; EA = 50 kcal/mol;  = k [B] 10 razy szybciej  Toblicz. = 167oC (wzrost o 17oC) 100 razy szybciej  Toblicz. = 185oC (wzrost o 35oC) 1000 razy szybciej  Toblicz. = 206oC (wzrost o 56oC) Energia mikrofalowa zapewnia znaczne wzrosty temperatur! Równania fizchem

7 Reakcje konkurencyjne (równoległe, jednoczesne)
KONTROLA KINETYCZNA: Powstają produkty reakcji szybszej (łagodniejsze warunki) KONTROLA TERMODYNAMICZNA: Powstają produkty reakcji wymagające większej energii (ostrzejsze warunki)

8 Energia aktywacji a efekt mikrofalowy
8 produkty produkty mała wartość Ea duża wartość Ea małe zmiany polarności duża zmiana polarności od stanu podstawowego  do stanu przejściowego słaby efekt mikrofalowy silny efekt mikrofalowy

9 ROZPUSZCZALNIKI POLARNOŚĆ
Przenikalność względna (’) – mierzy zdolność magazynowania ładunków elektrycznych; (Stała dielektryczna s= ’ w stałym polu elektrycznym); Moment dipolowy ( = q r [D]) – zależy od ładunku (q) i odległości (r) między centrami ładunku w cząsteczce; Tangens delta (tangens kąta stratności) (tg = ’’/’) – jest miarą wydajności przetwarzania energii mikrofalowej w energię termiczną; Stratność dielektryczna (współczynnik stratności) (’’) – mierzy ilość energii mikrofalowej, która jest tracona (zamieniana) w ciepło. Rozpuszczalniki polarne silnie oddziałują z MW – efekt przegrzewania przyspieszenia reakcji są spowodowane silnym wzrostem temperatury mieszaniny reakcyjnej Rozpuszczalniki niepolarne nie oddziałują z MW przyspieszenia reakcji są powodowane sprzęganiem samych reagentów z mikrofalami

10 CHARATERYSTYKA NIEKTÓRYCH ROZPUSZCZALNIKÓW
Absorpcja MW: ε’’>14 silna; 1<ε’’<14 średnia; ε’’<1 słaba Rozpuszczalnik t.w. oC Stała dielektryczna εSa kąt stratności tgδb Stratność dielektryczna ε’’ glikol etylenowy 197 37.0 1.350 49.95 etanol 78 24.6 woda 100 80.4 0.123 9.89 153 82 0.942 22.87 DMF 34.8 0.161 6.07 acetonitryl 37.7 0.062 2.33 aceton 56 20.6 0.054 1.12 dichlorometan 40 9.1 0.042 0.38 heksan 69 1.9 0.020 0.04 a εS = ε’ w temp. pok. i pod wpływem statycznego pola elektrycznego; btgδ zmierzono w MW 2,45GHz, temp. pok.

11 Reakcje w rozpuszczalnikach polarnych i niepolarnych
Reakcja Williamsona Reakcja Dielsa-Aldera 8 godz 50%; godz 70%; MW 1 godz 60%; godz 99%; EtOH: MW = Δ

12 Zmiany temperatury i ciśnienia
MeOH Rozpuszczalniki CH2Cl3 HMPA DMF THF CHCl3 PhNO2 NMP s s

13 Techniki reakcji bez rozpuszczalnika
Procedury: - bezpieczniejsze, prostsze, tańsze, wydajniejsze TYPY REAKCJII BEZ ROZPUSZCZALNIKA A Reakcje na podkładach mineralnych w „suchych środowiskach”: (zaadsorbowanie mieszanin reakcyjnych na tlenki mineralne) B Reakcje na żywicach i polimerach, Zastosowanie katalizatorów transferu fazowego (PTC) ciecz-ciało stałe: (glikol polietylenowy PEG, kopolimer polistyrenu i alkoholu allilowego Ps-OH, sole amoniowe itp.) C Reakcje „czyste” bez podłoża: (mieszaninę reakcyjną stanowią wyłącznie substraty ciekły i stały)

14 czas napromieniowania min
Efekty termiczne molekuł poddanych działaniu promieniowania mikrofalowego C. stałe czas napromieniowania min końcowa temperatura oC Al 6 557 C 1 1283 Cu 7 228 Fe 768 Cu2O 1012 Fe3O4 3 1258

15 Przykłady na podłożach mineralnych
Mineralne podłoża kwasowe: silikażel, wermikulit, bentonit, montmorillonity KSF i K10 (kwasowość równa H2SO4 czy HNO3) Przykłady na podłożach mineralnych Otrzymywanie tetrafenyloporfiryny na silikażelu silikażel Podłoża zasadowe - tlenki glinu, zasadowe glinki, glinki montmorillonitowe z dodatkiem KF, LiF lub innych soli zasadowych Syntezy metaloftalocyjanin MW 5 min 100%

16 Przykłady na polimerach i żywicach
Otrzymywanie heterocykli z zastosowaniem β–ketoestrów na polimerze Przykłady na polimerach i żywicach Otrzymywanie peptydów – synteza w fazie stałej na żywicy Chemia kombinatoryczna – przykład pojedynczej syntezy na celulozowej membranie Synteza zbioru wielu związków w 3-15 min

17 Ciecze jonowe – alternatywa rozpuszczalników
Kationy: Aniony : CH3COO¯, CF3COO¯, F¯, Cl¯, Br¯, I¯, BF4¯, PF6¯, NO3¯, AlCl4¯, itp. ∎ znakomita zdolność sprzęgania się z mikrofalami ∎ błyskawiczne nagrzewanie do wysokich temperatur ∎ nielotne: minimalne wzrosty ciśnienia (do temp. 160oC brak rozkładu) ∎ szeroki zakres stosowania od – 96 oC do 160 oC ∎ możliwość wbudowania w strukturę substratu ∎ nieliczne ograniczenia

18 Ciecze jonowe - przykłady
Ciecz jonowa jako środowisko reakcji Δ c.j godz % Δ acetonitryl godz % Ciecz jonowa wbudowana w substrat Wydajność 98%- 99% Δ godz %

19 POLARNY MECHANIZM REAKCJI – wpływ rozpuszczalnika
19 PRZYSPIESZENIE REAKCJI: MW  duża energia aktywacji mała energia aktywacji polarny stan przejściowy () stabilizacja stanu przejściowego ()

20 Reakcje jednocząsteczkowe
• jonizacja (jednocząsteczkowa substytucja lub eliminacja) • wewnątrz cząsteczkowa addycja, cyklizacja dipolarny stan przejściowy dipolarny stan przejściowy Przykład: Tworzenie pierścienia pirazolowego MW 97% min  % min

21 Reakcje dwucząsteczkowe między obojętnymi reagentami prowadzące do naładowanych (jonowych ) produktów pośrednich 21 silne efekty mikrofalowe dipolarny stan przejściowy jonowe produkty pośrednie stan podstawowy

22 Przykłady reakcji addycji do podwójnego wiązania
Synteza amidów MW: min; % 150oC : godz; 10 –70% Synteza 2-oksazolin MW: 200oC min; 80-95% : t >200oC godz; 2–60% Reduktywna aminacja związków karbonylowych MW: 200oC ~30 min; 80-99%; : t > 200oC 20 godz; 10mmHg; ~25 %

23 silne efekty mikrofalowe
Reakcje dwucząsteczkowe między obojętnymi reagentami prowadzące do naładowanych produktów jonowych 23 silne efekty mikrofalowe dipolarny stan przejściowy stan podstawowy jonowe produkty Przykłady: Alkilowanie pirazoli bez katalizatora zasadowego MW 145oC 8 min  godz

24 Reakcje dwucząsteczkowe z jednym naładowanym reagentem
Reakcje z ujemnie naładowanym reagentem dipolarny stan przejściowy „luźna” para jonowa Nu¯ M+ „ścisła” para jonowa - silny ef MW; — Nu M+ „luźna” para jonowa – słaby ef MW Reakcje z dodatnio naładowanym reagentem

25 Przykłady MW 87% Δ 36% US 55% Przykład: brak efektu mikrofalowego
Reakcja substytucji elektrofilowej , nikła różnica w polarności stanu podstawowego i przejściowego Przykłady Przykład: występuje efekt mikrofalowy Reakcja β- eliminacji , MW 87% Δ % US 55% "ścisła" para jonowa "luźna" para jonowa 2

26 Przykłady-temperatura
26 Temperatura a efekty mikrofalowe Przykłady-temperatura Wpływ mezomerii 100oC MW 78%; Δ 36% 150oC MW 94%; Δ 91% Zimna chemia mikrofalowa – badanie przebiegu reakcji nitrowania kwasu 4-hydroksycynamonowego 2-nitro-4-[(E)-2-nitro-1-etenylofenol

27 Reakcje wyłącznie aktywowane mikrofalami
27 Reakcja dealkilacji o-etoksyanizolu MW ~ 75%I, 25%II; Δ brak reakcji Reakcja benzylowania pirydonu RX = PhCH2Br 5 min 196oC MW > 98% C-alkilowanie Δ > 98% N-alkilowanie RX = PhCH2I min 180oC MW > 98% C-alkilowanie Δ > ślady N-pochodnej

28 Radiosynteza organiczna wspomagana mikrofalami
Metoda dekarboksylacji wykorzystywana wyłącznie ze wspomaganiem mikrofalowym metoda tradycyjna: długotrwała, niewydajna, ogrzewanie w chinolinie, temp.250oC, kat. Cu metoda mikrofalowa: prowadzona w wodzie: 20 min, 100% wydajność Bardzo szybkie syntezy związków znakowanych 11C: d Współbieżne reakcje substytucji nukleofilowej (Ar ; Alk) - znakowanie 18F (wydajna metoda otrzymywania znacznika przepływu krwi)

29 Efekty mikrofalowe Mechanizm reakcji ma podstawowe znaczenie dla efektów mikrofalowych Gdy substratami są cząsteczki obojętne, a reakcja biegnie poprzez polarne stany przejściowe to ich oddziaływanie z mikrofalami stanowi napęd reakcji. Obserwuje się efekty mikrofalowe nie związane z oddziaływaniem środowiska z mikrofalami. Lepiej nie stosować rozpuszczalnika lub stosować rozpuszczalniki niepolarne. Reakcje, w których jeden z reagentów jest jonowy dają duże efekty mikrofalowe gdy w nowo powstałym tworze jonowym ładunek jest rozłożony na dużą część cząsteczki: Stan przejściowy stanowi luźną, bardziej od substratu polarną strukturę. Dla reakcji z niską energią aktywacji efekty mikrofalowe dają się obserwować tylko w niższych temperaturach. Efekty mikrofalowe nie występują gdy: Reakcja przebiega według mechanizmu synchronicznego - (brak różnic w polarności stanu przejściowego i podstawowego); Występuje bardzo wczesny stan przejściowy - (podobna polarność stanu podstawowego i przejściowego); Reakcje o małej energii aktywacji są prowadzone w wysokich temperaturach lub w polarnym rozpuszczalniku stabilizującym stan przejściowy przez solwatację

30 Wybór metody

31 Wybór warunków syntezy mikrofalowej
wstępny dobór temperatury: zgodna z syntezą klasyczną czas: jeśli  do 4 godz to MW 10 min jeśli  do 8 godz to MW min jeśli  od 8 do 18 godz to MW min jeśli  powyżej 18 godz to MW 60 min moc: kuchenka wielomodowa: jeśli wybieramy temp. wrzenia rozpuszczalnika ustawiamy dużą moc  300W jeśli temp. reakcji jest niższa od temp. wrzenia – średnia moc = W reakcje bez rozpuszczalnika lub z cieczą jonową – moc możliwie najmniejsza poniżej 100 W  kuchenka monomodowa: maksymalnie 1/3 mocy wybranej dla kuchenki wielomodowej

32 Sprzęt mikrofalowy Reaktory jednomodowe równomierny rozkład sił pola
wyniki wysoce powtarzalne. bezpieczna praca. Reaktory wielomodowe „ciepłe i zimne punkty” kuchenka domowa - trudna optymalizacja warunków syntezy. mniejsza odporność na wysokie ciśnienia Reaktory wielomodowe profesjonalne bezpieczne powtarzalne warunki (ustalona temperatura, moc i ciśnienie).  

33 Schematyczny diagram mikrofalowego reaktora przepływowego
– zbiornik z reagentami; – pompa dozująca; – przetwornik ciśnienia; – komora mikrofalowa; – „zwój reakcyjny”; – czujnik temperatury; – wymiennik ciepła; – regulator ciśnienia; – komputer sterujący; 10 – zbiornik na produkty

34 Sprzęt badania kinetyczne, reakcje ciśnieniowe,
reakcje w niskich temperaturach 3 Sprzęt 2 8 12 4 11 10 1 13 dodawanie regentów, pobieranie próbek 13 9 6 2 7 5 3 9 7 1 11 1 – naczynie reakcyjne; 2 – „zimny palec”; 3 – miernik ciśnienia; 4 – magnetron; 5 – miernik mocy; 6 – zasilanie magnetronu; 7 – mieszadło magnetyczne; 8 – komputer; 9 – światłoczuły termometr; 10 – wyrównywanie ładunku; 11 – cylinder ochronny; 12 – światłowód; 13 – komora mikrofalowa 13

35 ! Nie wolno prowadzić badań przy użyciu uszkodzonego reaktora.
BHP ! Nie wolno prowadzić badań przy użyciu uszkodzonego reaktora. ! Wszelkie modyfikacje reaktora muszą być wykonane fabrycznie. ! Reakcje ciśnieniowe należy prowadzić w specjalnych certyfikowanych naczyniach. ! Reakcje w większej skali wymagają osłon (teflon, spiek wermikulitowy itp.) ! Praca z mikrofalami oczu wymaga stosowania okularów ochronnych.

36 Ograniczenia – BHP- wpływ mikrofal na organizmy
O K O

37 Obowiązujące w Polsce dopuszczalne wartości graniczne gęstości mocy
Zakres częstotliwości [GHz] Wartości graniczne gęstości mocy [W/m2] Strefa ochronna I stopnia II stopnia Strefa bezpieczna 0,3 – 300 (pole stacjonarne) powyżej 0,1 0,025 – 0,1 poniżej 0,025 (pole niestacjonarne) powyżej 1 0,25 – 1 Mikrofale wysyłane przez telefony komórkowe nie spełniają ani polskich, ani europejskich, a nawet najłagodniejszych norm amerykańskich ! ! !

38 Przykładowe pozycje literaturowe
Microvawe Assisted Organic Synthesis Ed. Tierney,JansonP., Lindstrom, Pelle;© 2005 Blackwell Publishing Ganapati D.Yadav, Piyush S. Lathi; Clean Techn. Environ policy 281 (2007) Shan-Shan Lin, Chi-Hong Wu, Mei-Chuan Sun, Chung-Ming Sun, Yen-Peng Ho; J.Am.Soc MS 16, 581 (2005) Brandt M., Gammeltoft S., Jensen K.J., Intern. Journal of Peptide Research and Terapeutic 4, 349, (2006) Mathew K.M., Ravi S, Unny V., Sivaprasad N., J of Raioanalytical and Nuclear Chemistry 268 , 651 (2006) Rahmankulov D.L., Shavshukova, Latypowa F.N., Chemistry of Heterocyclic Compounds 41,951 (2006) Gopalakrishnan S., MunchJ., Herrman R., Schweiger W., Chem.Engineering.J. 120, 99 (2006) Garcia M. B., Torres R.A., Orelli L.R., Tetrahedron Letters (2006) Hayes B.L., „Microwave Synthesis“ CEM Publishing (2002) Gedye R.N., Wei J.B., Can. J. Chem (1998) Gabriel C., Gabriel S., Grant E.H., Halstead B.S., Mingos D.M.P., Chem. Soc. Rev (1998) Vanden J.J, Rutot D. Tetrahedron (1999) Yu HM., Chen ST., Wang KT., J.Org.Chem 57 (1992) Loupy A., Petit A., Hamelin J.,TeXier-Boullet F., Jacquault P., Mathe D., Synthesis (1998) Welton T., Chem Rev (1999) Fraga-Dubreuil J., Bazureau P. Tehrahedron Lett (2001) Varma R.S., Namboodiri V.V., Chem.Comm (2001) Leadbeater N., Torenius H.M., J.Org. Chem. 67, (2002) Lakhrissi Y., Taillefumier C., Lakhrissi M., Chaupler Y. Tetrahedron Asymm (2000) Elander N., Jones R.J., LU SY., Stone-Elander S., Chem. Soc. Rev., (2000) Austin R.E., Okonya J.F., Bond D.R.S., Al-Obeidi F., Tetrahedron Lett (2002) Iqubal M., Vyse N., Dauvergne J., Evans P., Tetrahedron Lett (2002) Westman J., Orling K., Comb. Chem. High Throughput Screen, (2002) Paolini L., Petricci E., Corelli F., Botta M., Synthesis (2003) Westman J., Lundin R., ., Synthesis (2003) Balalaie S., Hashemi M.M., Akhbari M.A., Tetrahedron. Lett (2003) Loupy A., C.R. Chimie (2004) Zbruyev O.J., Kappe C.O., J. Comb. Chem (2005) Ley S.V., Taylor S.J., Bioorg. Med. Chem. Lett., (2005) Kuznetsov D.V., Raev V. A., Kuranov G.L., Arapov O.V., Kostikov R.R., Rus. J. Org. Chem. 41, 1719 (2005) Wolfson A., Dlugy Ch., Shotland Y.; Environ Chem. Lett , 67 (2007)