URZ¥DZENIA WYKORZYSTYWANE W TRAKCIE PRACY Z MIKROFALAMI

Urz¹dzenia wykorzystywane w syntezie organicznej wspieranej mikrofalami podzieliæ mo¿na na dwie grupy: pracuj¹ce w polu pojedynczej fali stoj¹cej lub pra-cuj¹ce w uk³adzie takich fal. Kryterium podzia³u stanowi rozk³ad promieniowania w przestrzeni, w której znajduje siê naczynie z mieszanin¹ reakcyjn¹. W kuchen-kach pracuj¹cych w uk³adzie kilku fal, Ÿród³o promieniowania, zazwyczaj magne-tron, jest najczêœciej zamontowane bezpoœrednio w komorze urz¹dzenia, której

roz-miar i kszta³t pozwala na prowadzenie reakcji przy u¿yciu du¿ych iloœci reagentów. Wyemitowane promieniowanie ulega odbiciu od metalowych œcian komory, gene-ruj¹c w ten sposób trójwymiarowy trwa³y uk³ad fal stoj¹cych, wskutek czego pole znajduj¹ce siê we wnêtrzu kuchenki jest heterogeniczne. Niejednorodnoœæ pola, o której œwiadczy obecnoœæ tzw. gor¹cych i zimnych miejsc, nie odgrywa wiêkszego znaczenia w przypadku ogrzewania umieszczonej na obrotowym talerzu ¿ywnoœci, bêd¹cego pierwotnym zadaniem tego typu urz¹dzeñ. Jest ona jednak istotna w syn-tezie organicznej, zw³aszcza w przypadku próbek o ma³ych objêtoœciach, dla któ-rych efektywnoœæ ogrzewania mo¿e siê znacznie zmieniaæ w zale¿noœci od umiej-scowienia mieszaniny reakcyjnej w przestrzeni aparatu. Aby osi¹gn¹æ powtarzal-noœæ wyników nale¿y zastosowaæ du¿e naczynie reakcyjne oraz efektywne miesza-nie reagentów lub obrót mieszaniny reakcyjnej wraz z naczymiesza-niem, wewn¹trz ku-chenki [1, 3, 4, 38].

Typowym przyk³adem urz¹dzenia pracuj¹cego w powy¿szy sposób jest zwyk³a domowa kuchenka mikrofalowa, która mo¿e generowaæ od trzech do szeœciu uk³a-dów fal stoj¹cych. W porównaniu z urz¹dzeniami specjalnie zaprojektowanymi do przeprowadzania syntez organicznych w polu mikrofal, domowe kuchenki maj¹ sze-reg ograniczeñ. Nie s¹ wyposa¿one w przyrz¹dy umo¿liwiaj¹ce kontrolê makrosko-powej temperatury napromieniowywanej próbki ani stopnia i miejsca skupienia pro-mieniowania mikrofalowego [1]. Zmiana mocy propro-mieniowania w tych urz¹dze-niach wi¹¿e siê tak naprawdê z okresowym wy³¹czaniem magnetronu. Z tego te¿ powodu, rozk³ad energii elektromagnetycznej we wnêce kuchenki jest nieznany, i tylko jej czêœæ jest absorbowana przez próbkê, podczas gdy zdecydowana wiêk-szoœæ jest przekszta³cana w ciep³o lub wraca do magnetronu [38]. Poza tym, urz¹-dzenia te s¹ zaprojektowane dla typowego wsadu o wadze ok. 1 kg i przy pracy z mniejszymi próbkami mog¹ okazaæ siê zawodne [4]. Pomimo tych wad, jeszcze do niedawna, niemal wszystkie syntezy prowadzone by³y w zwyk³ych kuchenkach mikrofalowych domowego u¿ytku. Na ich popularnoœæ wp³ynê³y dostêpnoœæ, sto-sunkowo niska cena oraz mo¿liwoœæ prowadzenia kilku syntez w tym samym czasie [1]. Równie¿ dziœ, kuchenki mikrofalowe pracuj¹ce w polu wielokrotnej fali stoj¹cej sprawdzaj¹ siê w przypadku wielu syntez, zw³aszcza gdy s¹ wyposa¿one dodatkowo w ch³odnicê zwrotn¹ i wentylacjê [4]. Istotny jest fakt, i¿ istnieje mo¿liwoœæ zamon-towania tego typu oprzyrz¹dowania bez koniecznoœci technicznych zmian w kon-strukcji kuchenki. W 2000 r. Soroka i Ciukowska [61] opisali schemat aparatury umieszczanej w ca³oœci wewn¹trz komory zwyk³ej kuchenki mikrofalowej domo-wego u¿ytku, umo¿liwiaj¹cej iloœciowe oddestylowanie wody i lotnych wêglowo-dorów z próbek gleby (Rys. 6).

Rysunek 6. Schemat aparatury umo¿liwiaj¹cej przeprowadzenie procesu destylacji w kuchence mikrofalowej domowego u¿ytku, bez koniecznoœci jej technicznych modyfikacji:

1 – strzykawka do wydmuchiwania wykraplaj¹cej siê pary wodnej, 2 – silikonowy wê¿yk do odprowadzania destylatu, 3 – silikonowy wê¿yk do wprowadzania powietrza ze strzykawki, 4 – szklany pojemnik dla próbki,

5, 6 – bibu³a filtracyjna nas¹czona roztworem elektrolitu, 7 – próbka gleby, 8 – metalowy pojemnik z wewnêtrzn¹ izolacj¹ ciepln¹, 9 – mieszanina oziêbiaj¹ca, 10 – ch³odnica, 11 – aluminiowa pokrywka,

12 – boczny otwór, 13 – szklany odbieralnik, 14 – warstwa izolacyjna [61]

Opisane przez autorów rozwi¹zanie zosta³o wprawdzie wykorzystane do eks-trakcji wêglowodorów z wilgotnego gruntu, do ich iloœciowego oznaczenia, ale mo¿e byæ z powodzeniem u¿yte równie¿ do innych celów, np. do prowadzenia syntez organicznych. Zastosowany tu metalowy pojemnik stanowi³ klatkê Faradaya izolu-j¹c¹ zawartoœæ od zewnêtrznego pola mikrofalowego. To rozwi¹zanie umo¿liwi³o równoczesne uzyskanie w komorze kuchenki mikrofalowej zarówno zimnych, jak i gor¹cych miejsc. Zatem mo¿liwe jest ogrzewanie jedynie kolby z mieszanin¹ reak-cyjn¹, podczas gdy pozosta³e elementy aparatury, np. ch³odnica zwrotna, pozostaj¹ ch³odne. Jedynym ograniczeniem jest tutaj rozmiar komory, w której musi siê zmieœ-ciæ kompletna aparatura do prowadzenia reakcji.

W urz¹dzeniach pracuj¹cych w polu pojedynczej fali stoj¹cej, promieniowanie mikrofalowe jest przepuszczane przez komorê d³ugim falowodem, a wytworzona fala stoj¹ca ma maksymaln¹ amplitudê dok³adnie w miejscu, gdzie znajduje siê naczynie z mieszanin¹ reakcyjn¹. Rozmiar komory, a tym samym objêtoœæ miesza-niny reakcyjnej, s¹ w tym przypadku ograniczone d³ugoœci¹ fali generowanego pro-mieniowania, co uniemo¿liwia prowadzenie syntez w du¿ej skali. W falowodzie, przed komor¹, zainstalowane jest specjalnie urz¹dzenie, które mierzy absorpcjê pro-mieniowania mikrofalowego przez próbkê oraz redukuje falê odbit¹. W efekcie straty

energii s¹ minimalne, przez co istnieje mo¿liwoœæ osi¹gniêcia wymaganych dla danej syntezy warunków, przy znacznie ni¿szej mocy promieniowania [38]. W dobrze zapro-jektowanym urz¹dzeniu istnieje mo¿liwoœæ uzyskania jednorodnego pola, co po-zwala osi¹gn¹æ optymaln¹ wydajnoœæ oraz lepsz¹ powtarzalnoœæ i przewidywalnoœæ wyników, nawet w przypadku próbek o ma³ych objêtoœciach. Mo¿liwoœæ uzyskania silniejszego pola umo¿liwia ponadto przyspieszenie ogrzewania [3].

Je¿eli syntezê prowadzi siê w wiêkszej skali, nale¿y pamiêtaæ, ¿e wielkoœæ ogrze-wanej próbki wp³ywa na moc u¿ytego promieniowania. Je¿eli np. 3 ml danego roz-puszczalnika mo¿na ogrzaæ do temperatury 150°C w ci¹gu 20 s przy u¿yciu promie-niowania o mocy 300 W, to do ogrzania 150 ml tego samego rozpuszczalnika, w tym samym czasie potrzebne bêdzie ju¿ promieniowanie o mocy 15 kW [3]. W takim przypadku wygodne staje siê wykorzystanie reaktora przep³ywowego. Ma on kszta³t rury z materia³u przezroczystego dla promieniowania mikrofalowego (kwarcu, teflonu lub wybranego gatunku szk³a) umieszczonej we wnêtrzu kuchenki mikrofa-lowej. Czas naœwietlania jest wówczas kontrolowany szybkoœci¹ przep³ywu mie-szaniny reakcyjnej przez reaktor, którego pewne fragmenty, w celu uzyskania mo¿-liwoœci ch³odzenia i unikniêcia zjawiska przegrzania, znajduj¹ siê poza wnêtrzem aparatu. W tego typu reaktorze mo¿na prowadziæ syntezy biegn¹ce i w rozpuszczal-niku, i bez jego udzia³u [3, 38].

Do dziœ do prowadzenia syntez organicznych w obecnoœci mikrofal u¿ywa siê zarówno przep³ywowych jak i okresowych reaktorów. Firmy, takie jak CEM Corp. (USA), Milestone Inc. (W³ochy), Personal Chemistry AB (Szwecja) czy Prolabo (Francja), w swoich produktach stosuj¹ w³asne rozwi¹zania, pozwalaj¹ce na kon-trolê mocy promieniowania, temperatury, a tak¿e umo¿liwiaj¹ce rozszerzenie skali syntez prowadzonych w polu mikrofal [38].

4. ROZWI¥ZANIA STOSOWANE W SYNTEZACH PROWADZONYCH