微波不只是加快化學反應速率而已

快速認識微波化學─為什麼微波廣泛應用在合成及各類化學領域

作者利泓科技
日期2022-09-14
分類

我們想讓您知道的是(目錄連結)：

  1. 甚麼是微波?
  2. 微波如何提升溫度?
  3. 微波合成的六大好處
  4. 為什麼微波可以提高反應速率?
  5. 除了合成外的應用還有哪些?
  6. 微波技術應用的設備和技術支援

微波化學從發現、開發、應用到擴展到各領域已超過半個世紀，但至今除了廣泛認知可以提高化學反應速率外，其實包含降低合成副產物、選擇性加熱合成應用、改善多相催化缺點、萃取化學應用、胺基酸分析應用、不同奈米合成結構應用和重金屬分析應用…等不勝枚舉，微波本身是一個非常淺顯易懂的能量現象，但衍伸的應用才是博大精深的課題，本篇作為引路，讓您有機會並踏入了解微波原理和微波化學領域。

微波合成儀|Milestone|Microwave Synthesis

甚麼是微波(Microwave)?

微波(Microwave)簡單來說就是電磁波，或稱為光，與我們常見的可見光、紅外線或紫外線的能量形式相同，同樣都帶有互相垂直的電場和磁場，微波被定義在頻率在300MHz至 300GHz之間，而我們目前市用的產生微波設備的頻率皆為2.45GHz。

微波如何提升溫度?

溶液中的極性分子會受到微波中的電場所影響而進行上下轉動，此時就會產生大量摩擦生熱，導致溫度上升，尤其是水分子的轉動能階剛好在2.45GHz，因此有接近100%的能量吸收效率，高速轉動摩擦生熱，所以也普遍用於食品加熱。

另一加熱形式是溶液中的帶電荷離子，會受到電場波的振幅所上下遷移，同樣在高頻率的上下遷移過程中大量的摩擦生熱，道理就如同電流及電阻關係，而電阻就是會讓電能轉換成熱能的特性，也依此進行快速加熱。

微波合成的六大好處

改善傳統加熱合成的六大好處：

  1. 巨幅加快反應合成速度
  2. 提高反應過程的選擇性
  3. 提高產率
  4. 降低副產物的產生率
  5. 能源使用效率高，節能並省時
  6. 原子經濟(atom economy)或稱為原子效率(atom effciency)的實踐技術，低廢物、低汙染及少浪費的合成方式。

為什麼微波可以提高反應速率?

微波加熱因為能量傳導的特性，能量使用效率高，可以讓我們的反應物和溶劑快速升溫，但這結果難以解釋說相同溫度和時間下，微波加熱得到的產率大幅高於傳導式加熱，畢竟我們已知反應物、生成物和活化能(activation energy)的焓(enthalpy)關係是固定的，並且微波是無法改變反應過程中的活化能大小。

例如本來次磷酸加乙醇難以產生的酯化反應(Esterification)，經由過量乙醇和微波加熱在200~220°C下，成功有效的促發了酯化反應(Esterification)。

甚至在較低溫的微波合成中卻比較高溫的一般加熱合成反應來的快速，例如：BMIM-PF₆經由180°C、30分鐘可以得到83%產率，遠高一般加熱200°C、2小時的產率僅17%。

也因此我們需要重新認識微波化學的神祕之處!!!

(參考文獻)

1.先認識微波加熱與傳導加熱差別

圖左為微波加熱，相比圖右的傳導式加熱，溫度較為均勻並且物質升溫速度也較快速許多。

2.微觀溫度下觀察微波加熱：

可以從下圖中了解，當微波被溶液吸收時，微觀溫度下不是瞬間均勻的，而是產生非常多的localized superheating(hot spots)的狀態。

微波加熱

3.當把localized superheating的現象套入到Arrhenius equiation

localized superheating的TOH和正常加熱的Tbulk，經由公式整理可以得到：

koverall = Vbulk/V0‧kbulk + VOH/V0‧kOH

4.了解localized superheating促進合成反應的關係式

我們先用1-hydroxy-3-methyl-3-phospholene oxide與butanol進行酯化反應來了解微波合成與一般加熱的反應速率關係比較。

我們經由實驗結果，把數據套入對數的pseudo-first-order kinetic equation比較，可以得到兩者的速率常數，其比值(kexprel)為3.10。

5.用不同localized superheating的體積比例與溫差建立速率常數關係(kexprel)

首先因為localized superheating的體積(VOH)會與溫差(TOH-Tbulk)呈現指數關係整理，並考量同時會出現不同溫差的表現，整理如左下圖。並依得到的體積比的關係式，套入pseudo-first-order kinetic equation：

k’ = B‧ln((100-x)/100)/t

  k’：pseudo-first-order rate constant，   x：conversion，   t：time

並依此建立一般加熱方法與不同localized superheating體積比(VOH/V0)和溫差的關係比，如右下，得到一系列速率常數(kexprel)的比值。

6.微波加熱與熱傳導加熱之產率與時間比較圖

由右上圖紅框可以知道1-hydroxy-3-methyl-3-phospholene oxide與butanol的酯化反應，最符合裡面的model V的狀態(3.06)，也就是(Vbulk/V0)=60%的比例。

因此我們建立不同產率下與兩個加熱方法的時間比例關係圖，可以了解需要多少的時間成本來達到目標產率，也是一個很好的方式去量化並評估微波加熱的效率、能源耗損比例，建立一般加熱與微波加熱最大的效率成本差異，進一步到量化比較…等。

參考文獻

除了合成外的應用還有哪些應用範例?

天然物萃取

微波萃取出動植物內部的天然化學分子，具有非常好的醫療及產品升級價值，因為微波能量傳遞方式與物理破碎或者水煮萃取的方法更為細膩，不需要添加任何溶劑、萃取速度非常快、保留的抗氧化分子和熱敏分子都較高，也比較不會有異物存在..等優點。

蛋白質水解

蛋白質是由胺基酸所組成，為了分析蛋白質中的胺基酸成分，必須有效打斷胺基酸間的胜肽鍵(Peptide bond)，並保留各類的胺基酸，微波加熱水解不只適用純化過後蛋白質樣品，更適用於自然無處裡的蛋白質生物組織。

生物質(biomass)轉化製造與升質

生物質(biomass)廢棄物經處理後應用主要分為三類：固體燃料、生質能源和化學原料，因此應用產生的價值受限於原料品質和處理技術，發現經由微波處理的生物質廢棄物其產生的能源價值和化學原料相比傳統處理來的高，成本也較低。

奈米粒子的長晶形狀

微波因為能量傳遞具有選擇性，因此與一般整體加熱養晶的方式有所不同，也因此可以利用微波進行長晶來獲得不同形狀的奈米粒子。

想了解更多的應用? 請參考下列的書籍!

微波技術應用的設備和技術支援

Milestone 40年以上微波技術開發和應用經驗，同時提供各種微波精密儀器，整合了硬體與科學使用上的開發、應用甚至量產等需求，設計的多款微波設備，已廣泛與各化學領域合作，具有大量研究成果，並針對微波化學彙整成冊，方便研究人員快速了解微波化學，算是入門的百科大全。(書籍連結)

  1. Microwave chemistry: history, development and legacy
  2. An Introduction to dielectric heating
  3. Microwave generators, transmission, and interaction with different materials
  4. Interpretation of the rate enhancing effect of microwaves
  5. Industrial microwave reactors: components and set up
  6. The impact of microwaves in organic synthesis
  7. Chemical reactions on the interfaces of solids under microwaves
  8. Some aspects of catalysis with microwaves
  9. Microwaves in flow chemistry
  10. Microwaves in green and sustainable chemistry
  11. Synthesis of medium-sized heterocycles under microwave irradiation
  12. Microwaves applied to hydrothermal synthesis of nanoparticles
  13. Microwave-assisted solvothermal synthesis of inorganic compounds (molecular and non molecular)
  14. Microwave-assisted synthesis of nanoparticle
  15. Microwaves in polymer chemistry
  16. Microwave extraction of natural products in the teaching laboratory: fundamentals of essential oils green extraction
  17. Microwave extraction of bioactive compounds from industrial by-products
  18. The Use of microwaves in drug discovery
  19. Microwave heating in medicinal chemistry
  20. Microwave-assisted biomass conversion
  21. Microwave technology for environmental remediation
  22. Microwaves in the omics field
  23. Microwaves in sample preparation for elemental determination
  24. Microwave-assisted sample preparation for organic analysis
  25. Microwave chemistry in the organic instructional laboratory
彙整微波技術的應用大全

Milestone實驗室微波設備系列

微波合成儀系列
微波固相合成儀
微波合成儀(高壓釜)
微波消化儀(高壓釜)
微波灰化儀
微波萃取儀
微波天然物萃取儀
微波消化儀
Tags

// 相關產品

// 應用文章

聯絡我們
詢問清單
目前詢問清單是空的
填寫詢問單