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