माइक्रोवेव रसायन शास्त्र

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माइक्रोवेव रसायन विज्ञान रासायनिक प्रतिक्रियाओं में माइक्रोवेव विकिरण लागू करने का विज्ञान है।[1][2][3][4][5] माइक्रोवेव उच्च आवृत्ति वाले विद्युत क्षेत्र के रूप में कार्य करते हैं और आम तौर पर मोबाइल विद्युत आवेश वाले किसी भी पदार्थ को गर्म करते हैं, जैसे विलायक में ध्रुवीय अणु या ठोस में संवाहक आयन। ध्रुवीय विलायक गर्म हो जाते हैं क्योंकि उनके घटक अणु क्षेत्र के साथ घूमने के लिए मजबूर होते हैं और टकराव में ऊर्जा खो देते हैं। अर्धचालक और संचालन नमूने गर्म हो जाते हैं जब उनके भीतर आयन या इलेक्ट्रॉन विद्युत प्रवाह बनाते हैं और सामग्री के विद्युत प्रतिरोध के कारण ऊर्जा खो जाती है। 1986 में दस्तावेज़ों के बाद प्रयोगशाला में माइक्रोवेव हीटिंग को व्यापक स्वीकृति मिलनी शुरू हुई,[6] हालाँकि रासायनिक संशोधन में माइक्रोवेव हीटिंग के उपयोग का पता 1950 के दशक से लगाया जा सकता है। हालाँकि कभी-कभी इसे MAOS (माइक्रोवेव-असिस्टेड ऑर्गेनिक सिंथेसिस) जैसे संक्षिप्त शब्दों से भी जाना जाता है,[7] एमईसी (माइक्रोवेव-संवर्धित रसायन विज्ञान) या अधिक संश्लेषण (माइक्रोवेव-कार्बनिक प्रतिक्रिया वृद्धि), इन संक्षिप्त शब्दों को कुछ समूहों के बाहर बहुत कम स्वीकृति मिली है।

ताप प्रभाव

पारंपरिक हीटिंग में आमतौर पर भट्ठी या तेल स्नान का उपयोग शामिल होता है, जो संवहन या संचालन द्वारा रिएक्टर की दीवारों को गर्म करता है। नमूने के मूल भाग को लक्ष्य तापमान प्राप्त करने में अधिक समय लगता है, उदाहरण के लिए। सिरेमिक ईंटों के एक बड़े नमूने को गर्म करते समय।

आंतरिक ताप स्रोत के रूप में कार्य करते हुए, माइक्रोवेव अवशोषण संपूर्ण भट्टी या तेल स्नान को गर्म किए बिना लक्ष्य यौगिकों को गर्म करने में सक्षम है, जिससे समय और ऊर्जा की बचत होती है।[7]यह पर्याप्त रूप से पतली वस्तुओं को उनके पूरे आयतन में (इसकी बाहरी सतह के बजाय) गर्म करने में सक्षम है, सिद्धांत रूप में अधिक समान हीटिंग उत्पन्न करता है। हालाँकि, अधिकांश माइक्रोवेव ओवन के डिज़ाइन और गर्म की जा रही वस्तु द्वारा असमान अवशोषण के कारण, माइक्रोवेव क्षेत्र आमतौर पर गैर-समान होता है और स्थानीयकृत अत्यधिक गरम होना होती है। माइक्रोवेव वॉल्यूमेट्रिक हीटिंग (एमवीएच) एक तीव्र, समान माइक्रोवेव क्षेत्र को लागू करके असमान अवशोषण पर काबू पाता है।

अलग-अलग यौगिक अलग-अलग मात्रा में माइक्रोवेव विकिरण को गर्मी में परिवर्तित करते हैं। यह चयनात्मकता गर्म की जा रही वस्तु के कुछ हिस्सों को दूसरों की तुलना में अधिक तेज़ी से या अधिक धीरे-धीरे गर्म करने की अनुमति देती है (विशेषकर प्रतिक्रिया पोत)।

पारंपरिक ओवन की तुलना में माइक्रोवेव हीटिंग के कुछ लाभ हो सकते हैं:

  • प्रतिक्रिया दर त्वरण
  • हल्की प्रतिक्रिया की स्थिति
  • उच्च रासायनिक उपज
  • ऊर्जा का कम उपयोग
  • विभिन्न प्रतिक्रिया चयनात्मकताएँ

माइक्रोवेव रसायन विज्ञान को कार्बनिक रसायन विज्ञान पर लागू किया जाता है [8] और अकार्बनिक रसायन विज्ञान के लिए.[9][10][11][12][13][14]


चयनात्मक ताप

यदि घटकों की हानि स्पर्शरेखा पर विचार किया जाए तो एक विषम प्रणाली (विभिन्न पदार्थों या विभिन्न चरणों से युक्त) एनिस्ट्रोपिक हो सकती है। परिणामस्वरूप, यह उम्मीद की जा सकती है कि सिस्टम के विभिन्न हिस्सों में माइक्रोवेव क्षेत्र की ऊर्जा अलग-अलग मात्रा में गर्मी में परिवर्तित हो जाएगी। इस अमानवीय ऊर्जा अपव्यय का मतलब है कि सामग्री के विभिन्न हिस्सों का चयनात्मक हीटिंग संभव है, और उनके बीच तापमान में उतार-चढ़ाव हो सकता है। फिर भी, दूसरों की तुलना में अधिक तापमान वाले क्षेत्रों (जिन्हें हॉट स्पॉट कहा जाता है) की उपस्थिति को डोमेन के बीच गर्मी हस्तांतरण प्रक्रियाओं के अधीन होना चाहिए। जहां सिस्टम डोमेन के बीच ताप संचालन की दर अधिक होती है, वहां हॉट स्पॉट का कोई दीर्घकालिक अस्तित्व नहीं होगा क्योंकि घटक तेजी से थर्मल संतुलन तक पहुंचते हैं। ऐसी प्रणाली में जहां गर्मी हस्तांतरण धीमा है, एक स्थिर अवस्था वाले गर्म स्थान की उपस्थिति संभव होगी जो उस गर्म क्षेत्र के भीतर रासायनिक प्रतिक्रिया की दर को बढ़ा सकती है।

इस आधार पर, माइक्रोवेव रसायन विज्ञान के कई शुरुआती पत्रों ने अणुओं के भीतर विशिष्ट अणुओं, या कार्यात्मक समूहों को उत्तेजित करने की संभावना व्यक्त की। हालाँकि, जिस समय के भीतर ऐसे अंशों से तापीय ऊर्जा का पुनर्विभाजन होता है, वह माइक्रोवेव तरंग की अवधि की तुलना में बहुत कम होता है, इस प्रकार सामान्य प्रयोगशाला स्थितियों के तहत ऐसे 'आणविक हॉट स्पॉट' की उपस्थिति को रोक दिया जाता है। इन लक्ष्य अणुओं में विकिरण द्वारा उत्पन्न दोलन आसन्न अणुओं के साथ टकराव द्वारा तुरंत स्थानांतरित हो जाएंगे, और उसी क्षण थर्मल संतुलन तक पहुंच जाएंगे। ठोस चरणों वाली प्रक्रियाएँ कुछ अलग ढंग से व्यवहार करती हैं। इस मामले में बहुत अधिक गर्मी हस्तांतरण प्रतिरोध शामिल हैं, और हॉट-स्पॉट की स्थिर उपस्थिति की संभावना पर विचार किया जाना चाहिए। साहित्य में दो प्रकार के हॉट स्पॉट के बीच अंतर को नोट किया गया है, हालांकि कई लोग इस अंतर को मनमाना मानते हैं। मैक्रोस्कोपिक हॉट स्पॉट में सभी बड़े गैर-आइसोथर्मल वॉल्यूम शामिल माने जाते थे जिन्हें ऑप्टिकल पाइरोमीटर (ऑप्टिकल फाइबर या आईआर) के उपयोग से पता लगाया और मापा जा सकता है। इन माध्यमों से माइक्रोवेव विकिरण के तहत ठोस चरणों के भीतर थर्मल असमानताओं की कल्पना करना संभव है। सूक्ष्म हॉट स्पॉट गैर-आइसोथर्मल क्षेत्र हैं जो सूक्ष्म या नैनोस्केल (जैसे उत्प्रेरक गोली के अंदर समर्थित धातु नैनोकण) या आणविक पैमाने (उदाहरण के लिए उत्प्रेरक संरचना पर एक ध्रुवीय समूह) में मौजूद होते हैं। हालांकि, इस अंतर का कोई गंभीर महत्व नहीं है, क्योंकि कई गैस-चरण उत्प्रेरक प्रतिक्रियाओं में उत्प्रेरक व्यवहार को समझाने के लिए प्रस्तावित सूक्ष्म हॉटस्पॉट को पोस्टमार्टम विधियों द्वारा प्रदर्शित किया गया है।[15] और इन-सीटू तरीके।[16] विषम उत्प्रेरकों में हॉट स्पॉट प्रभाव के स्पष्टीकरण की दिशा में कुछ सैद्धांतिक और प्रयोगात्मक दृष्टिकोण प्रकाशित किए गए हैं।

सिंथेटिक रसायन विज्ञान में एक अलग विशिष्ट अनुप्रयोग एक ध्रुवीय अणु विलायक और एक गैर-ध्रुवीय विलायक से युक्त द्विआधारी प्रणाली के माइक्रोवेव हीटिंग में अलग-अलग तापमान प्राप्त होता है। चरण स्थानांतरण उत्प्रेरक में लागू होने पर जल चरण 100 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक पहुंच जाता है जबकि क्लोरोफार्म चरण 50 डिग्री सेल्सियस का तापमान बनाए रखता है, जिससे एक चरण से दूसरे चरण में अभिकारकों का निष्कर्षण (रसायन विज्ञान) मिलता है। शुष्क मीडिया प्रतिक्रियाओं में माइक्रोवेव रसायन विशेष रूप से प्रभावी है।

माइक्रोवेव प्रभाव

माइक्रोवेव प्रभावों के दो सामान्य वर्ग हैं:

  • विशिष्ट माइक्रोवेव प्रभाव।
  • गैर-थर्मल माइक्रोवेव प्रभाव।

एक समीक्षा में यह परिभाषा प्रस्तावित की गई है[17] और कार्बनिक रसायन विज्ञान में माइक्रोवेव प्रभावों के उदाहरणों को संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है।[18] विशिष्ट माइक्रोवेव प्रभाव वे प्रभाव होते हैं जिन्हें पारंपरिक हीटिंग विधियों के माध्यम से (आसानी से) अनुकरण नहीं किया जा सकता है। उदाहरणों में शामिल हैं: (i) विशिष्ट प्रतिक्रिया घटकों का चयनात्मक ताप, (ii) तीव्र ताप दर और तापमान प्रवणता, (iii) दीवार प्रभावों का उन्मूलन, और (iv) सॉल्वैंट्स का सुपरहीटिंग। माइक्रोवेव-विशिष्ट प्रभाव विवादास्पद नहीं होते हैं और देखे गए प्रभावों के लिए पारंपरिक स्पष्टीकरण (यानी गतिज प्रभाव) का आह्वान करते हैं।[19] माइक्रोवेव रसायन विज्ञान में असामान्य टिप्पणियों को समझाने के लिए गैर-थर्मल माइक्रोवेव प्रभाव प्रस्तावित किया गया है। जैसा कि नाम से पता चलता है, प्रभावों के लिए माइक्रोवेव ऊर्जा को थर्मल ऊर्जा में स्थानांतरित करने की आवश्यकता नहीं होती है। ऐसे प्रभाव विवादास्पद हैं.

उत्प्रेरण

समर्थित उत्प्रेरकों में धातुओं की उपस्थिति और ज्वलनशील सॉल्वैंट्स की उपस्थिति में इलेक्ट्रिक आर्क घटना की संभावना के कारण विषम उत्प्रेरण प्रतिक्रियाओं के लिए माइक्रोवेव हीटिंग के अनुप्रयोग का गहनता से पता नहीं लगाया गया है। हालाँकि, नैनोकण के आकार के धातु उत्प्रेरक का उपयोग करने से यह परिदृश्य असंभावित हो जाता है।[7]


संदर्भ

  1. ↑ "कार्बनिक संश्लेषण में माइक्रोवेव". Organic Chemistry Portal. Retrieved 23 October 2018.
  2. ↑ Microwaves in organic synthesis. Thermal and non-thermal microwave effects, Antonio de la Hoz, Angel Diaz-Ortiz, Andres Moreno, Chem. Soc. Rev., 2005, 164-178 doi:10.1039/b411438h
  3. ↑ Developments in Microwave-assisted Organic Chemistry. C. Strauss, R. Trainor. Aust. J. Chem., 48 1665 (1995).
  4. ↑ Dry media reactions M. Kidwai Pure Appl. Chem., Vol. 73, No. 1, pp. 147–151, 2001.[1]
  5. ↑ Microwaves in Organic and Medicinal Chemistry, 2nd, Completely Revised and Enlarged Edition, Wiley-VCH, Weinheim, 2012 http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/productCd-3527331859.html
  6. ↑ The use of microwave ovens for rapid organic synthesis Richard Gedye, Frank Smith, Kenneth Westaway, Humera Ali, Lorraine Baldisera, Lena Laberge and John Rousell Tetrahedron Letters Volume 27, Issue 3, 1986, Pages 279-282 doi:10.1016/S0040-4039(00)83996-9
  7. ↑ 7.0 7.1 7.2 Pizzetti, Marianna (May 2012). "माइक्रोवेव हीटिंग के तहत विषम उत्प्रेरण" (PDF). La Chimica & l'Industria. Società Chimica Italiana (4): 78–80.
  8. ↑ R.Cecilia, U.Kunz, T.Turek. "Possibilities of process intensification using microwaves applied to catalytic microreactors" Chem. Eng. Proc. Volume 46, Issue 9, Pages 870-881 (September 2007)
  9. ↑ Martín-Gil J, Martín-Gil FJ, José-Yacamán M, Carapia-Morales L and Falcón-Bárcenas T. "Microwave-assisted synthesis of hydrated sodium uranyl oxonium silicate". Polish J. Chem, 2005, 1399-1403.
  10. ↑ J. Prado-Gonjal, M.E. Villafuerte-Castrejón, L. Fuentes and E. Morán. "Microwave-hydrothermal synthesis of BiFeO3". "Mat.Res.Bull" 44 (2009) 1734-1737
  11. ↑ K.J.Rao, B.Vaidhyanathan, M.Ganduli, P.A.Ramakrishnan, Chem.Mater. 11, 1999, 882
  12. ↑ J.Zhao, W.Yan, Modern Inorganic Synthetic Chemistry, Chapter 8 (2011) 173
  13. ↑ R.K.Sahu, M.L.Rao, S.S.Manoharan, Journal of Materials Science 36 (2001) 4099
  14. ↑ D.M.P.Mingos, D.Baghurst, Chem.Soc.Rev 20 (1991) 1
  15. ↑ Zhang, X., Hayward, D.O., Lee, C. and Mingos, D.M.P. (2001) Microwave assisted catalytic reduction of sulfur dioxide with methane over MoS2 catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 33, (2), 137-148
  16. ↑ http://www.isis.rl.ac.uk/isis2005/reports/15301.PDF[permanent dead link]
  17. ↑ Kappe, C. O. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 6250-6285.
  18. ↑ De la Hoz, A.; Diaz-Ortiz, A.; Moreno, A. Chem. Soc. Rev. 2005, 164-178.
  19. ↑ "औद्योगिक माइक्रोवेव के पीछे का विज्ञान". Massalfa. 23 October 2018.


बाहरी संबंध

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