CN201186171Y - 微波超声波组合催化合成萃取仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微波超声波组合催化合成萃取仪，包括计算机或芯片控制装置、微波发生装置、超声波发生装置、智能控温测温装置、反应容器和微波腔、机箱外壳，微波腔设置在机箱外壳内，微波发生装置和芯片控制装置分别设置在微波腔外侧与机箱外壳之间，微波腔和机箱外壳的上方设置有两个通孔，一个通孔插装固定有超声波换能器，下变幅杆和探头插装在反应容器的中间接口中，反应容器放置于微波腔中，另一个通孔处设置有波导截止管，波导截止管中插装有四通管；通过本技术方案，可以使反应速度比单一微波或超声波催化方法加快许多倍，同时提高反应选择性和收率，使过去许多难以发生或速度很慢的化学反应或物理过程变得容易实现和高速完成。

Description

微波超声波组合催化合成萃取仪

技术领域

本实用新型涉及一种可用于药物化学、有机合成化学、分子生物学、食品科学、检疫防疫、军事化学、分析化学、无机化学、石油化工、材料化学、生物医学等相关领域的催化合成萃取仪，特别是涉及一种通过应用微波和超声波技术作为物理催化手段的微波超声波组合催化合成萃取仪。

背景技术

物理催化是有机化学领域近来发展起来的新技术，在加速和控制有机化学反应速度、开拓新的反应通道、提高反应产率、简化后处理过程等方面显示出了许多优越性、使过去许多难以发生或速度很慢的化学反应变得容易进行。超声波技术通过超声波换能器把电能转换成高频机械振动，产生空化、爆破作用来减少非反应性目标化合物与样品基体之间的作用力或加速化合物之间的反应速度，从而提高样品消解或萃取效率和反应产率。超声波的“空化”作用造成反应体系活性的变化，产生足以引发化学反应的瞬时高温高压，形成了局部高能中心，促进化学反应的顺利进行，这是超声波催化化学反应的主要因素；超声波的次级效应如机械震荡、乳化、扩散、击碎等都有利于反应物的全方位充分混合，比一般的单向搅拌效果更为有效。

微波是一种波长介于红外和超声波之间的电磁波。微波应用于有机合成的研究始于1986年，Gedye和Smith及本实用新型发明者之一胡文祥等通过比较常规条件下与微波辐射条件下进行酯化、水解、氧化等反应，发现在微波辐射条件下，反应得到不同程度的加快，而且有的反应速度被加快了几百倍，甚至几千倍。微波是一种电场与磁场垂直振动、传播方向又与振动方向垂直的电磁波，电场的能量是磁场能量的371倍。按照绝对反应速度理论，反应速率常数主要由反应焓和熵两个物理量决定，通常情况下，反应速度主要由焓效应决定，对应于微波中的电场效应，磁场主要影响反应体系的熵值。交变电场变化为10⁹/秒，作用于反应体系中的偶极分子，使之同步变化，偶极分子跟不上这一变化速度而产生“内摩擦”，从而内能增加，加快反应速度。在微波场作用下，反应物内部的电损耗和磁损耗机制使微波电磁场能量快速转化为热能，实现对反应物的快速加热。近来，微波在化学各分支学科以及化工、医药、卫生、临床、环保等领域应用广泛，其清洁、低能耗、污染少、操作简便、反应时间短、产率高以及选择性好的优点引起了科学家的关注。

微波和超声波分别用于有机化学反应过去已有了一些研究，但是催化效率还不是很高，将两者同时组合起来用于催化有机反应，效率大大提高，尚未见国内外报道。

发明内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种微波超声波组合催化合成萃取仪，它可在常温常压环境下，利用超声波空化作用与微波辐射相结合的方式，快速高效地催化化学合成的化学反应和萃取等物理过程，微波超声波协同组合的催化技术比单独使用微波、超声波更具有优势，从而进一步缩短了化学反应时间，提高了反应的选择性和收率。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：一种微波超声波组合催化合成萃取仪，包括计算机或芯片控制装置、微波发生装置、超声波发生装置、智能控温测温装置、反应容器和微波腔、机箱外壳，所述微波腔设置在机箱外壳内，微波发生装置和芯片控制装置分别设置在微波腔外侧与机箱外壳之间，所述微波腔和机箱外壳的上方设置有两个通孔，一个通孔插装固定有超声波换能器，其下变幅杆和探头插装在反应容器的中间接口中，反应容器放置于微波腔中。另一个通孔处设置有波导截止管，波导截止管中插装有四通管，四通管上设置有回流冷凝管、滴液漏斗和温度计。

所述超声波发生装置，是由换能器、上变幅杆、下变幅杆、连接法兰、连接插头，冷却水进口和冷却水出口构成，所述连接插头与换能器相连，上变幅杆通过连接法兰与下变幅杆相连为一体，上变幅杆的上端与换能器相连，下变幅杆的下端与探头相连，冷却水进口和冷却水出口分别固定在变幅杆侧面的外表面上。

所述微波腔下方的机箱外壳上竖直设置有微型电机，在微型电机的转动轴上设置有转动盘，在转动盘的上端面偏芯位置上固定有永久磁铁，在反应容器中可以放置磁子。

所述智能控温测温装置中的温度传感器为非接触红外传感器或为接触式铂金传感器、光纤传感器或光纤传感器。

所述微波发生装置中可以根据需求自动调节功率大小，变化范围为0-1000W，且微波功率连续可调，并可自动补偿，微波泄露符合国家标准，安全可靠，所述超声波发生器，根据需要超声波功率可达1500W，超声波发生频率常用25千赫和40千赫，其他频率也可替换；反应器具是特制的三颈瓶，温度传感器大多采用接触式测温，屏蔽式聚四氟接触式传感器，直接插入反应器皿测温，实时监测反应体系温度，精度高，避免了非接触式测温误差大，后滞性、体系温度不平衡的缺点。在单用微波催化的情况下，电磁搅拌提供不同速度磁力搅拌，使反应更加充分，温度更加均匀。

本实用新型可以通过与计算机联机，并根据温度变化曲线，自动调整微波发射功率，保证微波发射的连续性，实现高精度控温和反应体系的温度恒定，控温精度在±1℃。内嵌式微型打印机，一键式打印实验结果。微波超声波组合催化合成萃取仪是开放式反应体系，整个系统可安装在台车上，方便移动，实验人员可以在操作台上轻松观察实验过程，记录实验。

本实用新型是在先进的嵌入式控制技术基础上将微波、超声波技术应用在化学合成反应的高新科技产品，该仪器具有强大的数字处理功能，实时在线显示和记录反应数据和图像，程序控制反应条件，具有保存和查询每秒实验数据的功能。仪器具有微波、超声波、组合三种模式，用户可根据需要在触摸屏上选取和设定反应参数，反应过程中，可随时将屏幕切换成反应腔体内视频图像，实时监视反应进程。友好的人机界面和触摸屏；通过简明的屏幕提示，轻易完成操作过程；USB接口可连接鼠标和优盘，随时下载和储存反应数据。采用ARM 9核心的高性能嵌入式芯片，8寸液晶屏幕显示，实时显示试验数据、温度曲线、功率曲线。开放式反应体系，可安装滴液漏斗和冷凝管等进行回流反应。提供不同速度的磁力搅拌，使反应更加充分，温度更加均匀。先进的电脑温控自学习功能，全自动智能调节保温功率，高精度接触式传感器，实时监测反应温度，准确控制反应进程。

本实用新型的技术方案有三种形式的催化方法，一是只采用微波催化，相当于一个微波催化合成萃取仪；二是只采用超声波催化，相当于一个超声波催化合成萃取仪；三是微波超声波组合催化，即一个完整的微波超声波组合催化合成萃取仪，本实用新型的技术方案能催化完成取代、加成、酯化、烷基化、酰基化、水解、缩合、聚合、环合和氧化等许多类型的有机、药物和生物化学反应以及食品、天然产物和矿物的溶剂萃取等物理过程。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中超声波发生器的结构示意图。

图3为取代二苯羟乙酸类化合物的组合催化酯化反应。

图4为微波超声波组合催化卡芬太尼类化合物的合成

图中，1微波腔、2反应容器、3摄像头、4温度传感器、5波导截止管、6温度计、7回流冷凝管、8滴液漏斗、9四通接头、10微波发生装置、11芯片控制装置、12机箱外壳、13磁子、14超声波发生装置、15连接法兰、16下变幅杆、17探头、18冷却水进口、19冷却水出口、20插头、21换能器、22上变幅杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步的说明。

如图1所示为本实用新型涉及的微波超声波组合催化合成萃取仪的一种实施例，包括芯片控制装置11、微波发生装置10、智能控温测温装置、反应容器2和微波腔1、机箱外壳12，所述微波腔1设置在机箱外壳12内，所述微波发生装置10和芯片控制装置11分别设置在微波腔1的外侧与机箱外壳12之间，所述微波腔1和机箱外壳12的上方设置有通孔，在机箱外壳12上方外侧的通孔出口处设置有波导截止管5，在波导截止管5中插装固定有超声波发生器14，反应容器2放置于微波腔1中，所述超声波发生器14的下变幅杆16和探头17插装在反应容器2的一个接口中，在反应容器2上的另一个接口中设置有蒸汽冷却回流装置；所述蒸汽冷却回流装置是由回流冷凝管7、滴液漏斗8和四通接头9构成，回流冷凝管7、滴液漏斗8，分别通过四通接头9与微波腔1中的反应容器2相连通，温度计6也插装在四通接头9上。

如图2所示，所述超声波发生器14，是由换能器21、上变幅杆22、下变幅杆16、连接法兰15、探头17、连接插头20，冷却水进口18和冷却水出口19构成，所述连接插头20与换能器21相连，所述上变幅杆22通过连接法兰15与下变幅杆16相连为一体，上变幅杆22的上端与换能器21相连，下变幅杆16的下端与探头17相连，所述冷却水进口18和冷却水出口19分别固定在上变幅杆22侧面的外表面上。

所述微波腔1下方的机箱外壳12上竖直设置有微型电机，在微型电机的转动轴上设置有转动盘，在转动盘的上端面偏芯位置上固定有永久磁铁，在反应容器中放置有磁子13。

所述智能控温测温装置中的温度传感器为非接触红外传感器或为接触式铂金传感器、光纤传感器或光纤传感器。

本实用新型的一种实施例中，在微波腔1内设置有摄像头3，通过摄像头3与外部显示设备相连接，可以实时监视反应进程。

我们已经用该实用新型智能微波超声波组合催化合成萃取仪完成了多种类型的化学反应，包括加成、取代、酯化、酰基化、氧化以及还原等许多不同类型的反应，都取得了良好的效果。实验结果表明，微波超声波组合催化合成萃取仪在加快反应速率，提高反应的选择性和收率等方面都有较好的效果，使过去许多难以发生的或较慢的反应变得容易并快速完成。

本实用新型具有结构简单、制作过程简单易行、便于生产加工等特点，将微波的内摩擦作用与超声波的空化作用协同组合，大大超过单一作用的催化效果。

下面结合附图和实验操作，作进一步的说明。

实验操作1：取代二苯羟基乙酸酯的微波超声波组合催化合成

如图3所示为取代二苯羟基乙酸酯的合成路线。

在250mL三口瓶中加入11.4g二苯羟基乙酸，90mL无水甲醇，溶解后，在搅拌下滴加2.5mL浓硫酸。放置于新型智能微波超声波组合催化合成萃取仪中，控制微波功率600W，超声波功率700W，温度68℃，反应时间20mi n。反应完成后减压蒸出溶剂，加入20mLH₂O稀释，在冰水浴冷却下，用25％的Na₂CO₃溶液调节pH 9-10。用30mL乙醚提取为溶解的固体，有机相用10mLH₂O洗涤两次，分出有机相，用无水Na₂SO₄干燥过夜。滤除干燥剂后，减压蒸出溶剂，收集白色固体，用乙酸乙酯∶石油醚＝1∶3.5的混合溶液重结晶。产率98.0％，熔点64-66℃。

实验操作2：微波超声波组合催化卡芬太尼类化合物的合成

卡芬太尼是一种强效镇痛药，卡芬太尼合成路线存在反应时间长、反应产率低等缺点，在卡芬太尼的合成中引入微波和超声波组合催化等技术手段，大大改善了合成结果。

如图4所示为卡芬太尼合成路线。

在微波超声波组合催化的条件下，分别对化合物A制备化合物B及化合物B直接制备化合物D进行了探索研究。所用仪器为祥鹄XH-300A新型智能微波超声波组合催化合成萃取仪。

(1)从化合物A制备化合物B的微波超声波组合催化反应

将1-(β-苯乙基)-4-腈基-4-苯胺基哌啶(1)100.0g和5％的硫酸溶液300mL置于1000mL的圆底三颈瓶中，在微波功率800W、超声波功率800W下反应5min，反应温度80℃。将反应液倾入到冰水混合液1000mL中，用氨水调节pH值至8左右，用氯仿萃取，浓缩干燥，柱分离得到产品，mp.181.7℃，结构经NMR谱图鉴定。

通常条件下由1-(β-苯乙基)-4-腈基-4-苯胺基哌啶(A)制备1-(-苯乙基)-4-苯胺基-4-哌啶甲酰胺(B)，存在反应时间长(72h)，反应产率低(15％左右)，副产品多(磺化产物，逆反应生成的苯乙基哌啶酮等)，用微波超声波组合催化反应，反应5min即可达到58％左右的产率。

(2)从化合物B制备化合物D的微波超声波组合催化反应

将1-(-苯乙基)-4-苯胺基-4-哌啶甲酰胺(B)100g和无水甲醇300mL、98％浓硫酸100mL置于1000mL圆底三颈瓶中，在微波功率800W、超声波功率800W下反应20min，反应温度80℃。将反应产物投入到冰水混合物1000mL中，用氨水调节pH值至8左右，用氯仿回流萃取，产品浓缩后用正己烷重结晶得产品，mp.96.2℃，结构经NMR谱图鉴定。

通常条件下，由化合物B制备化合物D(1-(β-苯乙基)-4-苯胺基-4-哌啶甲酸甲酯)，需要2步反应，反应时间为81h左右，中间产品化合物C(1-(β-苯乙基)-4-苯胺基-4-哌啶甲酸)的后处理很复杂，最终产率也不高20％左右。在微波超声波组合催化条件下，从化合物B一步制备化合物D，反应20min左右，就有37％左右的化合物D生成。

实验操作3：组合催化糖类选择性酯化反应

我们在对多糖进行选择性酯化时，常用脂肪酶作催化剂，由于酶对底物专属性强，换了底物，反应速度大为降低，故这类酶促反应很慢，72h后产率不到5％，若用本实用新型的超声波催化，2h后产率达到20％，若在60℃以下(以防止脂肪酶变性，此温度下，酶的活力测定结果表明：酶的活力达98％以上)，再加微波催化之，即实现了超声波、微波和酶促三者组合协同催化了糖类的选择性酯化反应，1h后产率达到45％。

以上几个实施的例子表明，应用我们研制的新型智能微波超声波组合催化合成萃取仪，不仅可以大大提高反应速度，简化后处理过程，还可以大幅度提高反应产率，在科研、制药、生化、化工、材料和国防等部门的应用前景十分广阔。

以上所述，仅为本实用新型的部分实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种微波超声波组合催化合成萃取仪，包括计算机或芯片控制装置、微波发生装置、超声波发生装置、智能控温测温装置、反应容器和微波腔、机箱外壳，所述微波腔设置在机箱外壳内，微波发生装置和芯片控制装置分别设置在微波腔外侧与机箱外壳之间，其特征在于，所述微波腔和机箱外壳的上方设置有两个通孔，一个通孔插装固定有超声波换能器，下变幅杆和探头插装在反应容器的中间接口中，反应容器放置于微波腔中，另一个通孔处设置有波导截止管，波导截止管中插装有四通管，四通管上设置有回流冷凝管、滴液漏斗和温度计。

2.根据权利要求1所述的微波超声波组合催化合成萃取仪，其特征在于，所述超声波发生装置，是由换能器、上变幅杆、下变幅杆、连接法兰、连接插头，冷却水进口和冷却水出口构成，所述连接插头与换能器相连，上变幅杆通过连接法兰与下变幅杆相连为一体，上变幅杆的上端与换能器相连，下变幅杆的下端与探头相连，冷却水进口和冷却水出口分别固定在变幅杆侧面的外表面上。

3.根据权利要求1或2所述的微波超声波组合催化合成萃取仪，其特征在于，所述微波腔下方的机箱外壳上竖直设置有微型电机，在微型电机的转动轴上设置有转动盘，在转动盘的上端面偏芯位置上固定有永久磁铁，在反应容器中可以放置磁子。

4.根据权利要求1所述的微波超声波组合催化合成萃取仪，其特征在于，所述智能控温测温装置中的温度传感器为非接触红外传感器或为接触式铂金传感器、光纤传感器或光纤传感器。

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