الأشعة الميكرونية وتطبيقاتها في ا لكيمياء 20-10
Download
Report
Transcript الأشعة الميكرونية وتطبيقاتها في ا لكيمياء 20-10
األشعة الميكرونية وتطبيقاتها في
الكيمياء
أ .د .محمد حلمي النجدي
أستاذ الكيمياء العضوية الزائر – قسم الكيمياء – كلية العلوم
جامعة الكويت
أكتوبر 2010
مقدمة
-1أشعة الميكروويف هي تلك الموجات الكهرومغناطيسة ذات الطول
الموجي 1سم الي 1متر وتردد بين 300GHz-300MHz
-2ورغم أنه بالتحديد ال يمكن القطع بأول مكتشف ل Microwave
power cavityغير أن المؤكد أن Hullقد استخدم هذه التقنيه
في بحث نشر عام 1921وتم تطوير التقنية بواسطة بووث و
راندال في جامعة برمنجهام حوالي عام 1940و في فبراير عام
1940قاما بأطالق اول Microwave transmition
-3الحظ Percy spencerفي عام 1940أن أشعة الميكروويق
يمكنها تسخين االطعمه عندما الحظ ذوبان قطعه من الشيكوالتة في
جيبه اثناء مرورة علي Microwave cavity
4
- 4دونت أول برائة اختراع ألستخدام الميكروويف في التسخين في
اكتوبر عام 1945وتلي ذلك العديد من برأت األختراع وقد ابتدع فرن
تسخين يقال أنه امكنه خبز البسكويت في 29ثانية وطهي الهمبرجر في
35ثانية وشوي السجق في 10ثواني
-5اما اول فرن لالستخدام التجاري فقد صنعه P.L. Spencerفي عام
1952
-6تم وضع أول أفران منتجة في المعامل و المنازل في الواليات
المتحدة في الستينات ثم في المطاعم وفي الطائرات لتسخين الطعام
-7اتسع استخدام الميكروويف في المنازل للطهي في الفترة -1970
1960وفي عام 1977انتجت شركة sharpحوالي مليون فرن.
كيف تتحول الطاقة الكهرومغناطيسية الي اشعة
الميكروويف الي طاقة حرارية
الموجات المغناطيسية ذات قطب سالب واخر موجب
وكذلك الكثير من المواد المستقطبة ولذا عند امرار
االشعة الميكرووفية في مثل هذه المواد فأنها ترتب
نفسها في األتجاه المالئم للتفاعل مع الموجات
الكهرومغناطيسية وعند دوران الموجات تدور معظم
الجزيئات مع هذا الدوران أال ان بعض الجزيئات ال
يمكنها الدوران وتصتدم بتلك التي اعادت التنظيم
ومنتجة حرارة نابعه من االصطدام
بعض التطبيقات الصناعية لألشعة الميكرونية
-1رفع حرارة اللحم من -7الي Tempering ( 4-
)meat
-2تجفيف االخشاب
-3بركنة المطاط ( Vulcanizing Rubber
-4تجفيف البوليمرات
-5تحضير الباكون
استخدام األشعة الميكرونية في الكيمياء
-1في اواسط عام 1980شاع استخدام األشعة
الميكروفية في الكيمياء التحليلية وذلك لألذابة السريعة
لهذه العينات في األحماض
-2تم تصنيع قوارير خاصة من التفلون ألجراء هذه
العمليات بها وذلك لتفادي بعض المشاكل التقنية من
أستخدام قوارير مقتوحة وقد تم تصنيع بالستيكات ال
تمتص األشعة الميكروفية خصيصا ً لهذا الغرض
-3من المجاالت المهمه ألستخدام األشعة الميكروفية في
الكيمياء هي مجال Radio-pharmaceuticalوذلك
أنه لتحضير بعض صبغات االستكشاف تستخدم نظائر
F8 & N13 & C11وفترة نصف العمر لهذه النظائر
قصيرة للغاية ولذا فأن التحضير بالطرق التقليدية يستهلك
وقتا ً ينفذ خالل معظم النظير المشع مما يجعل المادة بال
جدوي وعلي سبيل المثال فأن مادة
Temozolomideتحضر من خالل التفاعل المبين في
المعادلة وهو تفاعل يتم في DMFعند درجة حرارة من
80-60مئوية ويمكن مالحظة أن تفاعل الميكروويف
يمتص أسرع وبعطاء اعلي
O
CH3
N N
H2N
N
N-
O
N
+
N N
H2N
C
O
N
N CH3
N
O
C = C11
Time
mins
conventional heat
MW.
Yield
%
60
30
20
45
أشعة الميكروويف وتأثيرتها علي سرعة التفاعالت:
-1لوحظ منذ بدايات تطبيق التسخين بالميكروويف في تحضير المواد
العضوية أن التفاعالت تحت هذه الظروف تتطلب أزمنة أقل كثيرا
من مظيرتها بالتسخين التقليدي
-2أعتقد أوال أن أختالف السرعة هو ناتج لتأثير درجة النظام
Entropyللجزيئات المتفاعلة
-3هذا االعتقاد لم يعد سائد األن في ضوء التجارب الدقيقة المقارنة
والتي أكدت أن سرعة التفاعل ال تتغير عند درجة الحرارة
الواحدة
-4يعتقد أن األمر ناتج عن تباين طرق التسخين وفيما يلي رسم
يوضح المقصود
• من الشكل فأن ما يحدث أن تفاعالت للشعة الميكرونية
تحدث عند درجات حرارة أعلي من تلك التي تجري
بالتسخين المباشر بالطرق التقليدية وحيث أن سرعة
التقاعالت تتضاعف كل عشرة درجات طبقا للقوانين
الفزيائية فأن التفاعالت في االفران الميكروونية تتم
أسرع كثيرا من تلك التي تجري بالتسخين العادي مالم
تكن الجزيئات المتفاعلة أقل قطبية من قطبية الوسط
أستخدام التسخين بألشعة الميكروونية في تفاعالت الكيمياء
العضوية
-1حيث ان التفاعالت العضوية حتي ما طرد منها حرارة تحتاج
طاقة تنشيط فأن تسخين المتفاعالت أمر ال فرار منه في أغلب
التفاعالت العضوية
-2عادة ما يتم التسخين بأذابة المتفاعالت في مذيب مناسب ثم
تسخين الوعاء وتحدد درجة غليان المذيب أعلي درجة حرارة ممكن
أن يصل اليها المتفاعالت
-3حيث أن المواد العضوية تمتص طاقة الميكروويف وتحولها الي
طاقة حرارية فال ضرر أن تستخدم بغرض التسخين بمصدر طاقة
غير تقليدي وكذلك ألحداث التفاعالت في ازمنة اقل كثيرا
-4اول بحث استخدم هذه التقنية نشر بواسطه ( Gidy
)and Gidyفي Tetrahedron lettersفي عام
1986
-5منذ ذلك التاريخ التاريخ نشر اكثر من عشرة
أالف بحث باستخدام هذه التقنية
-6في البداية استخدم الباحثون فرن األشعة
الميكرووفي المنزلي أال أن العديد من المشاكل
صادفت هذه التقنية واهمها
•
•
•
حدوث فوران للمذيبات من أن ألخر مما نتج عنها كثير
من االحوال حدوث حرائق
عدم امكانية تكرار التجارب تحت نفس الظروف
ألختالف مواصفات أجهزة األشعة الميكروويف عن
بعضها البعض
تم تطوير أجهزة خاصة للكمياء لتفادي العقبات التي
أشرت اليها وظهرت األن اجهزة األشعة الميكروويف
المستخدمة في معامل االبحاث
• التسخين بالميكروويف وتقنيات الكيمياء
الخضراء
• أثرت الصناعات الكيميائية المختلفة تأثير سالب علي البيئة مما
ألجأ السلطات في الواليات المتحدة األمريكية عام 1990الي
اصدار قانون الفعل النظيف ( )clean actوهو يلزم الصانع عامة
أن يزيلوا األثار البيئية السلبية لصناعتهم و أزالة األثار السلبية
بدال من تفادي احداثها أمر مكلف اقتصاديا أدي هذا القرار الي
مراجعه طرق العمل في العديد من الصناعات وذلك في ضوء
أسس لعلم سمي علم الكيمياء الخضراء وهذه األسس يمكن
تلخيصها في الرسم التالي.
الكيمياء الخضراء و البحث العلمى فى جامعة الكويت
يحرص اعضاء هيئة التدريس بجامعة الكويت على المساهمة فى العلم العالمى و تدريب الباحثين على
استخدام احدث التقنيات و تتجاوب ادارة األبحاث بالجامعة مع متطلبات التطوير و تمد الباحثين بكل ما
يحتاجونه من ادوات و لذا فقد بدئ فى جامعة الكويت البحث فى تطويع الطرق الخضراء فى التحضير
فى العديد من المعامل فهناك مجموعة من الباحثين بقيادة األستاذة الدكتورة نورية العوضى تدرس
تحضير المركبات بالتحلل الحراري في الحالة الغازية و هى طريقة شائعة فى الصناعات البتروكيميائية
و بذا نتفادى استخدام المذيبات و على سبيل المثال فقد تم ابتداع طريق سهل و بسيط لتحضير
النيتريالت كما هو مبين من األلدهيدات.
CN
CN
CN
RCHO
OH
N
RC
N
+
O
N
H
N
R
CN
O
N
H
O
N
NH2
كذلك تقوم مجموعات عديدة بدراسة تطويع استخدام األشعة الميكرونية فى
التحضيرات العضوية و قد قامت ادارة األبحاث بالجامعة بتوفير فرن اشعة ميكرونية
خاص بالتفاعالت الكيميائية يستخدم اخر ما وصلت اليه التقنيات فى هذا المجال
(انظر الصورة)
و فيما يلى بعض النتائج التى توصل لها الباحثون فى هذا المجال الذى
اسهم فيه معظم اعضاء الهيئة التدريسية
NH2
O
O
CN
R
; MW
CN
R
R
R
CN
O
CN
NH
Ar
O
R
N
; MW
NOH
R
AcOH
NH
N
Ar
أ.د .نورية العوضى – د .مرفت عبد الخالق – د .اسماعيل عبد الشافى – أ.د .عثمان الدسوقى – أ.د .محمد
حلمى النجدى
O
CH3
CN
O
X
N
X
; MW
CNCH2CO2Et
N
NH
R
N
Ar
Ar
د .صالح الموسوى – د .بلقيس الصالح د .مرسى أحمد االباصيرى – أ.د .محمد حلمى النجدى
و تقوم مجموعات اخرى بدراسة استخدام عوامل وسيطة صديقة للبيئة قابلة العادة
التدوير كبديل للوسائط التقليدية و فيما يلى بعض من االنتاج فى هذا المجال
Ar
O
CN
CN
EtO
Chitozan
O
NH2
O
H3C
OEt
د .حمد المطر – د .خالد الدسوقى – أ.د .محمد حلمى النجدى
CN
O
H3C
Ar
و هناك مجموعات أخرى تدرس استبدال طرق التحضير الخطرة بطرق صديقة للبيئة مثال النيتريالت الكاربونيلية
تحضر كما يلى.
O
O
O
CH2CN
KCN
Br 2
CH2Br
CH3
X
X
X
Strong base
O
OEt
CH3CN
+
X
و كال الطريقين مكلف و ملوث و لذا فقد استبدل حديثا فى جامعة الكويت بالطريق التالى
O
O
CH2CN
CN
X
د .حمد المطر – د .خالد الدسوقى – أ.د .محمد حلمى النجدى
O
O
InCl3
H3C
X
وفى مجال آخر فقد الحظ علماء جامعة الكويت ان المادة األولية لتحضير الفياجرا
تحضر من خالل استخدام النيترة بطرق ملوثى للبيئة ثم االختزال بعوامل وسيطة
وملوثة و لذا فقد ابتدعت الطريقة التالية كبديل محتمل
NO2
NH2
CO2 Et
N
N
Pd/H
CO2 Et
N
N
HNO3/
CO2 Et
N
H 2SO4
NH2
R1
CO2 Et
R1
CN
ClCH2CO2Et
N
N
NH
R
R
د .سعد مخصيد – أ.د .محمد حلمى النجدى
الطريق القديم
R
R
R
N
N
الطريق المبتكر
و هناك مجموعة عمل بقيادة األستاذ الدكتور نادر الجالل مدير جامعة
الكويت األسبق تدرس تطويع الضوء و األشعة الشمسية فى
التحضيرات العضوية للمركبات الوسيطة فى صناعة الدواء و أخر ما
وصلت اليه هو طريق جديد لتحضير األندوالت
NMe 2
O
R
hv
O
N
H
R
NMe 2
N
N
N
Thank you