碳化硅容器在微波合成中的应用

使用碳化硅作为微波合成的辅助加热剂并不是一项新技术，几年前就已经推出了用于多模式仪器中并行微波化学应用的碳化硅被动加热元件和微量板。 因此，这也导致了我们的单模式反应器相应的碳化硅容器的开发。与普通的 10ml 和30ml 宽颈玻璃瓶的尺寸相似，引入了 C10 和C30 宽颈合成管（图 1）。 本报告总结了独特碳化硅容器的最重要应用领域，这些容器可专门用于 Mono 200（仅限于 C10）、400 和 450 中，并已被证明是一种非常有用的附件。


图1：碳化硅容器 C10 和 C30 旁边的硼硅酸盐对应物。

二、仪器

软件中已经提供了碳化硅容器的红外校准因子。只需确保在创建实验时选择了正确的合成管类型。 碳化硅容器当然也可以与 Ruby 红宝石温度计一起使用。

三、微波加热碳化硅

在 SiC 微波场中快速加热，因为微波辐射诱导电子流， 通过（欧姆）电阻加热机制非常有效地加热材料。 图 2 中的红外图片显示，在1400 瓦的微波辐射下，仅 2-3 分钟的微波辐射就足以将碳化硅容器加热到近 600 度。

图2 : SiC容器在Synthos3000（Mult iwave 5000 的前身）腔内加热的红外图像。

 

1. 微波透明溶剂

由于碳化硅对微波能有很强的吸收能力，因此非吸收性溶剂也能在微波场中高效加热。 图 3 显示 5 毫升甲苯在标准 10 毫升玻璃小瓶和碳化硅容器中的加热曲线。虽然在玻璃小瓶中，甲苯需要大约 10 分钟才能加热到 250°C，但在 C10 容器中，仅需 60 秒即可达到相同的目标温度。


图3：在G10 小瓶（灰色曲线）和C10 容器（红色曲线）中，用红宝石温度计控制5 毫升甲苯至250°C的 Mono 400 加热曲线。

在非极性溶剂的烷基化反应中，已成功地转移到多个溶剂的极性转化过程中。另外，当水需要加热到超过200°C 时，其微波加热效率下降，SiC 容器可以简化加热。

2. 微波辅助氟化反应
碳化硅不仅在微波场中具有令人印象深刻的加热效率，使其成为一种有价值的容器材料，而且由于其耐化学腐蚀性，因此非常有用。碳化硅是化学惰性的，这意味着它不仅能耐受酸性溶液，也能耐受碱性溶液，这些溶液通常会降解常用的玻璃反应瓶。当Kremsner 等人。在进行方案 1 中所示的氟化反应时，他们注意到玻璃反应容器的显著降解，尽管氢氟酸不是直接施加，而是在整个反应过程中由TREAT-HF 原位生成。

方案1：（三氯甲基硫基）苯氟化


小瓶B（图4）的管壁只有0.35毫米厚，由于TREATHF的腐蚀，小瓶的原始重量减少了4克以上。在碳化硅容器中进行相同的反应不会损坏反应容器。反应前后 C10 管的重量基本相同，氟化反应使反应完全转化。同样，在含氢氟酸的纳米材料合成中，稳定的碳化硅容器对制备氟化铁纳米颗粒或氟溶性溶胶-凝胶合成掺杂磷酸锂非常有益。


图4：一个新的损坏的10 毫升微波瓶的图像。B： 在方案1 所示条件下，多次重复使用后蚀刻的微波小瓶。


五、强碱性的溶液反应

玻璃瓶在高温下也会受到强碱性溶液的严重侵蚀。尤其是pH 值为10 或更高的氢氧化钠或氢氧化钾溶液会导致玻璃严重腐蚀，从而降低小瓶的压力稳定性。为了消除小瓶破裂的风险，这种转变可以很容易地在耐化学腐蚀的碳化硅容器中进行。一个典型的例子是钛酸盐纳米管的制备（方案2）。

方案2：钛酸钠纳米管的水热合成

恶劣的条件和较长的反应时间相结合，使坚固的碳化硅容器成为本实验的一个有价值的工具。


六、非热微波效应的研究

碳化硅容器除了具有制备的优点外，还可用于非热微波效应的基础研究。由于使用SiC 作为容器材料可以消除电磁场对反应混合物的任何影响，因此可以快速地将热效应与特定（非热）效应分开。

2010 年，Kappe 等人。介绍了21 个不同的化学反应实例，并指出，在几乎每一个反应中，几乎在转化率、纯度曲线和/或分离产物收率方面得到了几乎相同的结果，比较了在玻璃小瓶中进行真正的微波化学与在SiC容器中进行“微波加热”的实验。

这证实了在这些特定情况下，只有体温度效应才是所观察到的增强的原因，并且电磁场对反应路径没有直接影响。


七、结论

由于其有益的性质，SiC是微波化学中常用反应瓶的一个非常有用的替代品。这种材料一方面具有高的微波吸收率、热导率和发射率，另一方面又具有优异的温度、压力和耐腐蚀性，使其成为微波反应器容器材料的理想材料。两种适用的容器尺寸甚至允许将反应放大到克级，而无需切换到带有聚四氟乙烯衬里反应容器的平行平台上。

更多成功的例子可以在我们的应用程序数据库中找到(www.anton-paar.com/synthesis)搜索词是“碳化硅容器”。