微波超聲波組合催化合成萃取儀的製作方法

2023-12-06 14:47:51 1

專利名稱：微波超聲波組合催化合成萃取儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可用於藥物化學、有機合成化學、分子生物學、食 品科學、檢疫防疫、軍事化學、分析化學、無機化學、石油化工、材料化學、 生物醫學等相關領域的催化合成萃取儀，特別是涉及一種通過應用微波和超 聲波技術作為物理催化手段的微波超聲波組合催化合成萃取儀。
背景技術：
物理催化是有機化學領域近來發展起來的新技術，在加速和控制有機化 學反應速度、開拓新的反應通道、提高反應產率、簡化後處理過程等方面顯 示出了許多優越性、使過去許多難以發生或速度很慢的化學反應變得容易進 行。超聲波技術通過超聲波換能器把電能轉換成高頻機械振動，產生空化、 爆破作用來減少非反應性目標化合物與樣品基體之間的作用力或加速化合物 之間的反應速度，從而提高樣品消解或萃取效率和反應產率。超聲波的"空 化"作用造成反應體系活性的變化，產生足以引發化學反應的瞬時高溫高壓， 形成了局部高能中心，促進化學反應的順利進行，這是超聲波催化化學反應
的主要因素；超聲波的次級效應如機械震蕩、乳化、擴散、擊碎等都有利於 反應物的全方位充分混合，比一般的單向攪拌效果更為有效。
微波是一種波長介於紅外和超聲波之間的電磁波。微波應用於有機合成 的研究始於1986年，Gedye和Smith及本實用新型發明者之一胡文祥等通過 比較常規條件下與微波輻射條件下進行酯化、水解、氧化等反應，發現在微 波輻射條件下，反應得到不同程度的加快，而且有的反應速度被加快了幾百 倍，甚至幾千倍。微波是一種電場與磁場垂直振動、傳播方向又與振動方向 垂直的電磁波，電場的能量是磁場能量的371倍。按照絕對反應速度理論， 反應速率常數主要由反應焓和熵兩個物理量決定，通常情況下，反應速度主
要由焓效應決定，對應於微波中的電場效應，磁場主要影響反應體系的熵值。 交變電場變化為109/秒，作用於反應體系中的偶極分子，使之同步變化，偶 極分子跟不上這一變化速度而產生"內摩擦"，從而內能增加，加快反應速度。 在微波場作用下，反應物內部的電損耗和磁損耗機制使微波電磁場能量快速 轉化為熱能，實現對反應物的快速加熱。近來，微波在化學各分支學科以及 化工、醫藥、衛生、臨床、環保等領域應用廣泛，其清潔、低能耗、汙染少、 操作簡便、反應時間短、產率高以及選擇性好的優點引起了科學家的關注。
微波和超聲波分別用於有機化學反應過去已有了一些研究，但是催化效 率還不是很高，將兩者同時組合起來用於催化有機反應，效率大大提高，尚 未見國內外報導。
發明內容
有鑑於此，本實用新型的目的在於提供一種微波超聲波組合催化合成萃 取儀，它可在常溫常壓環境下，利用超聲波空化作用與微波輻射相結合的方 式，快速高效地催化化學合成的化學反應和萃取等物理過程，微波超聲波協 同組合的催化技術比單獨使用微波、超聲波更具有優勢，從而進一步縮短了 化學反應時間，提高了反應的選擇性和收率。
為達到上述目的，本實用新型的技術方案是這樣實現的 一種微波超聲 波組合催化合成萃取儀，包括計算機或晶片控制裝置、微波發生裝置、超聲 波發生裝置、智能控溫測溫裝置、反應容器和微波腔、機箱外殼，所述微波 腔設置在機箱外殼內，微波發生裝置和晶片控制裝置分別設置在微波腔外側 與機箱外殼之間，所述微波腔和機箱外殼的上方設置有兩個通孔， 一個通孔 插裝固定有超聲波換能器，其下變幅杆和探頭插裝在反應容器的中間接口中， 反應容器放置於微波腔中。另一個通孔處設置有波導截止管，波導截止管中 插裝有四通管，四通管上設置有回流冷凝管、滴液漏鬥和溫度計。
所述超聲波發生裝置，是由換能器、上變幅杆、下變幅杆、連接法蘭、 連接插頭，冷卻水進口和冷卻水出口構成，所述連接插頭與換能器相連，上
變幅杆通過連接法蘭與下變幅杆相連為一體，上變幅杆的上端與換能器相連， 下變幅杆的下端與探頭相連，冷卻水進口和冷卻水出口分別固定在變幅杆側 面的外表面上。
所述微波腔下方的機箱外殼上豎直設置有微型電機，在微型電機的轉動 軸上設置有轉動盤，在轉動盤的上端面偏芯位置上固定有永久磁鐵，在反應 容器中可以放置磁子。
所述智能控溫測溫裝置中的溫度傳感器為非接觸紅外傳感器或為接觸式 鉑金傳感器、光纖傳感器或光纖傳感器。
所述微波發生裝置中可以根據需求自動調節功率大小，變化範圍為
0-1000W，且微波功率連續可調，並可自動補償，微波洩露符合國家標準，安 全可靠，所述超聲波發生器，根據需要超聲波功率可達1500W，超聲波發生頻 率常用25千赫和40千赫，其他頻率也可替換；反應器具是特製的三頸瓶， 溫度傳感器大多釆用接觸式測溫，屏蔽式聚四氟接觸式傳感器，直接插入反 應器皿測溫，實時監測反應體系溫度，精度高，避免了非接觸式測溫誤差大， 後滯性、體系溫度不平衡的缺點。在單用微波催化的情況下，電磁攪拌提供 不同速度磁力攪拌，使反應更加充分，溫度更加均勻。
本實用新型可以通過與計算機聯機，並根據溫度變化曲線，自動調整微 波發射功率，保證微波發射的連續性，實現高精度控溫和反應體系的溫度恆 定，控溫精度在士rc。內嵌式微型印表機， 一鍵式列印實驗結果。微波超聲 波組合催化合成萃取儀是開放式反應體系，整個系統可安裝在臺車上，方便 移動，實驗人員可以在操作臺上輕鬆觀察實驗過程，記錄實驗。
本實用新型是在先進的嵌入式控制技術基礎上將微波、超聲波技術應用 在化學合成反應的高新科技產品，該儀器具有強大的數字處理功能，實時在 線顯示和記錄反應數據和圖像，程序控制反應條件，具有保存和查詢每秒實 驗數據的功能。儀器具有微波、超聲波、組合三種模式，用戶可根據需要在 觸控螢幕上選取和設定反應參數，反應過程中，可隨時將屏幕切換成反應腔體
內視頻圖像，實時監視反應進程。友好的人機界面和觸控螢幕；通過簡明的屏
幕提示，輕易完成操作過程；USB接口可連接滑鼠和優盤，隨時下載和儲存 反應數據。釆用ARM9核心的髙性能嵌入式晶片，8寸液晶屏幕顯示，實時 顯示試驗數據、溫度曲線、功率曲線。開放式反應體系，可安裝滴液漏鬥和 冷凝管等進行回流反應。提供不同速度的磁力攪拌，使反應更加充分，溫度 更加均勻。先進的電腦溫控自學習功能，全自動智能調節保溫功率，高精度 接觸式傳感器，實時監測反應溫度，準確控制反應進程。
本實用新型的技術方案有三種形式的催化方法， 一是只釆用微波催化， 相當於一個微波催化合成萃取儀；二是只釆用超聲波催化，相當於一個超聲 波催化合成萃取儀；三是微波超聲波組合催化，即一個完整的微波超聲波組 合催化合成萃取儀，本實用新型的技術方案能催化完成取代、加成、酯化、 烷基化、醯基化、水解、縮合、聚合、環合和氧化等許多類型的有機、藥物 和生物化學反應以及食品、天然產物和礦物的溶劑萃取等物理過程。


圖l為本實用新型的結構示意圖。
圖2為本實用新型中超聲波發生器的結構示意圖。
圖3為取代二苯羥乙酸類化合物的組合催化酯化反應。
圖4為微波超聲波組合催化卡芬太尼類化合物的合成
圖中，l微波腔、2反應容器、3攝像頭、4溫度傳感器、5波導截止管、 6溫度計、7回流冷凝管、8滴液漏鬥、9四通接頭、IO微波發生裝置、11芯 片控制裝置、12機箱外殼、13磁子、14超聲波發生裝置、15連接法蘭、16 下變幅杆、17探頭、18冷卻水進口、 19冷卻水出口、 20插頭、21換能器、 22上變幅杆。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例作進一步的說明。
如圖1所示為本實用新型涉及的微波超聲波組合催化合成萃取儀的一種
實施例，包括晶片控制裝置ii、微波發生裝置io、智能控溫測溫裝置、反應
容器2和微波腔1、機箱外殼12,所述微波腔1設置在機箱外殼12內，所述
微波發生裝置10和晶片控制裝置11分別設置在微波腔1的外側與機箱外殼 12之間，所述微波腔1和機箱外殼12的上方設置有通孔，在機箱外殼12上 方外側的通孔出口處設置有波導截止管5,在波導截止管5中插裝固定有超聲 波發生器14,反應容器2放置於微波腔1中，所述超聲波發生器14的下變幅 杆16和探頭17插裝在反應容器2的一個接口中，在反應容器2上的另一個 接口中設置有蒸汽冷卻回流裝置；所述蒸汽冷卻回流裝置是由回流冷凝管7、 滴液漏鬥8和四通接頭9構成，回流冷凝管7、滴液漏鬥8，分別通過四通接 頭9與微波腔1中的反應容器2相連通，溫度計6也插裝在四通接頭9上。
如圖2所示，所述超聲波發生器14,是由換能器21、上變幅杆22、下變 幅杆16、連接法蘭15、探頭17、連接插頭20,冷卻水進口 18和冷卻水出口 19構成，所述連接插頭20與換能器21相連，所述上變幅杆22通過連接法蘭 15與下變幅杆16相連為一體，上變幅杆22的上端與換能器21相連，下變幅 杆16的下端與探頭17相連，所述冷卻水進口 18和冷卻水出口 19分別固定 在上變幅杆22側面的外表面上。
所述微波腔1下方的機箱外殼12上豎直設置有微型電機，在微型電機的 轉動軸上設置有轉動盤，在轉動盤的上端面偏芯位置上固定有永久磁鐵，在 反應容器中放置有磁子13。
所述智能控溫測溫裝置中的溫度傳感器為非接觸紅外傳感器或為接觸式 鉑金傳感器、光纖傳感器或光纖傳感器。
本實用新型的一種實施例中，在微波腔1內設置有攝像頭3,通過攝像頭 3與外部顯示設備相連接，可以實時監視反應進程。
我們已經用該實用新型智能微波超聲波組合催化合成萃取儀完成了多種 類型的化學反應，包括加成、取代、酯化、醯基化、氧化以及還原等許多不
同類型的反應，都取得了良好的效果。實驗結果表明，微波超聲波組合催化 合成萃取儀在加快反應速率，提高反應的選擇性和收率等方面都有較好的效 果，使過去許多難以發生的或較慢的反應變得容易並快速完成。
本實用新型具有結構簡單、製作過程簡單易行、便於生產加工等特點，將 微波的內摩擦作用與超聲波的空化作用協同組合，大大超過單一作用的催化 效果。
以下結合附圖和實驗搡作，作進一步的說明。
實驗操作1:取代二苯羥基乙酸酯的微波超聲波組合催化合成
如圖3所示為取代二苯羥基乙酸酯的合成路線。
在250mL三口瓶中加入11.4g 二苯羥基乙酸，90mL無水甲醇，溶解後， 在攪拌下滴加2. 5mL濃硫酸。放置於新型智能微波超聲波組合催化合成萃取 儀中，控制微波功率600W，超聲波功率700W,溫度68。C,反應時間20min。 反應完成後減壓蒸出溶劑，加入20mLH20稀釋，在冰水浴冷卻下，用25%的Na2C03 溶液調節pH 9-10。用30mL乙醚提取為溶解的固體，有機相用10mLH20洗滌 兩次，分出有機相，用無水Na2S04乾燥過夜。濾除乾燥劑後，減壓蒸出溶劑， 收集白色固體，用乙酸乙酯石油醚=1: 3. 5的混合溶液重結晶。產率98. 0%, 熔點64-66°C。
實驗搡作2:微波超聲波組合催化卡芬太尼類化合物的合成 卡芬太尼是一種強效鎮痛藥，卡芬太尼合成路線存在反應時間長、反應
產率低等缺點，在卡芬太尼的合成中引入微波和超聲波組合催化等技術手段,
大大改善了合成結果。
如圖4所示為卡芬太尼合成路線。
在微波超聲波組合催化的條件下，分別對化合物A製備化合物B及化合 物B直接製備化合物D進行了探索研究。所用儀器為祥鵠XH-300A新型智能 微波超聲波組合催化合成萃取儀。
(1 )從化合物A製備化合物B的微波超聲波組合催化反應
將1- ( (3-苯乙基)-4-腈基-4-苯胺基哌啶(1 ) 100. 0g和5%的硫酸溶 液300mL置於1000mL的圓底三頸瓶中，在微波功率800W、超聲波功率800W 下反應5min,反應溫度8(TC。將反應液傾入到冰水混合液1000 mL中，用氨 水調節pH值至8左右，用氯仿萃取，濃縮乾燥，柱分離得到產品，mp. 181.7 °C,結構經NMR譜圖鑑定。
通常條件下由1- ( (3-苯乙基)-4-腈基-4-苯胺基哌啶(A)製備1-(-苯乙基)-4-苯胺基-4-哌啶甲醯胺(B),存在反應時間長(72h)，反應產率 低(15%左右)，副產品多(磺化產物，逆反應生成的苯乙基哌P定酮等)，用微 波超聲波組合催化反應，反應5min即可達到58°/。左右的產率。
(2 )從化合物B製備化合物D的微波超聲波組合催化反應 將1-(-苯乙基)-4-苯胺基-4-哌P定甲醯胺(B ) 100g和無水甲醇300 mL、 98%濃硫酸100mL置於lOOOmL圓底三頸瓶中，在微波功率800W、超聲波功率 800W下反應20min，反應溫度8(TC。將反應產物投入到冰水混合物1000 mL 中，用氨水調節PH值至8左右，用氯仿回流萃取，產品濃縮後用正己烷重結 晶得產品，mp. 96.2°C,結構經麗R譜圖鑑定。
通常條件下，由化合物B製備化合物D (1- ( p-苯乙基)-4-苯胺基-4-哌啶甲酸甲酯)，需要2步反應，反應時間為81h左右，中間產品化合物C(l-(苯乙基)-4-苯胺基-4-哌啶甲酸)的後處理很複雜，最終產率也不高20% 左右。在微波超聲波組合催化條件下，從化合物B —步製備化合物D，反應 20min左右，就有37y。左右的化合物D生成。
實驗操作3:組合催化糖類選擇性酯化反應
我們在對多糖進行選擇性酯化時，常用脂肪酶作催化劑，由於酶對底物 專屬性強，換了底物，反應速度大為降低，故這類酶促反應很慢，72h後產率 不到5%，若用本實用新型的超聲波催化，2h後產率達到20y。，若在6(TC以下 (以防止脂肪酶變性，此溫度下，酶的活力測定結果表明酶的活力達98% 以上)，再加微波催化之，即實現了超聲波、微波和酶促三者組合協同催化了
糖類的選擇性酯化反應，lh後產率達到45y。。
以上幾個實施的例子表明，應用我們研製的新型智能微波超聲波組合催化 合成萃取儀，不僅可以大大提高反應速度，簡化後處理過程，還可以大幅度 提高反應產率，在科研、製藥、生化、化工、材料和國防等部門的應用前景 十分廣闊。
以上所述，僅為本實用新型的部分實施例而已，並非用於限定本實用新 型的保護範圍。
權利要求1.一種微波超聲波組合催化合成萃取儀，包括計算機或晶片控制裝置、微波發生裝置、超聲波發生裝置、智能控溫測溫裝置、反應容器和微波腔、機箱外殼，所述微波腔設置在機箱外殼內，微波發生裝置和晶片控制裝置分別設置在微波腔外側與機箱外殼之間，其特徵在於，所述微波腔和機箱外殼的上方設置有兩個通孔，一個通孔插裝固定有超聲波換能器，下變幅杆和探頭插裝在反應容器的中間接口中，反應容器放置於微波腔中，另一個通孔處設置有波導截止管，波導截止管中插裝有四通管，四通管上設置有回流冷凝管、滴液漏鬥和溫度計。
2. 根據權利要求1所述的微波超聲波組合催化合成萃取儀，其特徵在於， 所述超聲波發生裝置，是由換能器、上變幅杆、下變幅杆、連接法蘭、連接 插頭，冷卻水進口和冷卻水出口構成，所述連接插頭與換能器相連，上變幅 杆通過連接法蘭與下變幅杆相連為一體，上變幅杆的上端與換能器相連，下 變幅杆的下端與探頭相連，冷卻水進口和冷卻水出口分別固定在變幅杆側面 的外表面上。
3. 根據權利要求1或2所述的微波超聲波組合催化合成萃取儀，其特徵 在於，所述微波腔下方的機箱外殼上豎直設置有微型電機，在微型電機的轉 動軸上設置有轉動盤，在轉動盤的上端面偏芯位置上固定有永久磁鐵，在反 應容器中可以放置磁子。
4. 根據權利要求1所述的微波超聲波組合催化合成萃取儀，其特徵在於， 所述智能控溫測溫裝置中的溫度傳感器為非接觸紅外傳感器或為接觸式鉑金 傳感器、光纖傳感器或光纖傳感器。
專利摘要本實用新型涉及一種微波超聲波組合催化合成萃取儀，包括計算機或晶片控制裝置、微波發生裝置、超聲波發生裝置、智能控溫測溫裝置、反應容器和微波腔、機箱外殼，微波腔設置在機箱外殼內，微波發生裝置和晶片控制裝置分別設置在微波腔外側與機箱外殼之間，微波腔和機箱外殼的上方設置有兩個通孔，一個通孔插裝固定有超聲波換能器，下變幅杆和探頭插裝在反應容器的中間接口中，反應容器放置於微波腔中，另一個通孔處設置有波導截止管，波導截止管中插裝有四通管；通過本技術方案，可以使反應速度比單一微波或超聲波催化方法加快許多倍，同時提高反應選擇性和收率，使過去許多難以發生或速度很慢的化學反應或物理過程變得容易實現和高速完成。
文檔編號B01D11/04GK201186171SQ20082007950
公開日2009年1月28日 申請日期2008年3月20日 優先權日2008年3月20日
發明者楊萱平, 胡文祥 申請人:北京祥鵠科技發展有限公司