等離子體有機(jī)合成

等離子體有機(jī)合成第1頁(yè)/共24頁(yè)目錄一、概述二、等離子體的有機(jī)合成裝置三、等離子體在有機(jī)合成中的應(yīng)用四、結(jié)語(yǔ)第2頁(yè)/共24頁(yè)

一、概述

對(duì)氣態(tài)物質(zhì)再繼續(xù)升高溫度或放電，氣體分子就要發(fā)生解離和電離，當(dāng)電離產(chǎn)生的帶電粒子密度達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，這一集聚狀態(tài)稱為物質(zhì)的第四態(tài)——等離子體。第3頁(yè)/共24頁(yè)自然界中的等離子體第4頁(yè)/共24頁(yè)自然界中的等離子體第5頁(yè)/共24頁(yè)自然界中的等離子體第6頁(yè)/共24頁(yè)

等離子體和普通氣體性質(zhì)不同：

普通氣體由分子構(gòu)成，分子之間相互作用力是短程力，僅當(dāng)分子碰撞時(shí)，分子之間的相互作用力才有明顯效果，理論上用分子運(yùn)動(dòng)論描述在等離子體中，帶電粒子之間的庫(kù)侖力是長(zhǎng)程力，庫(kù)侖力的作用效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)帶電粒子可能發(fā)生的局部短程碰撞效果，等離子體中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)，能引起正電荷或負(fù)電荷局部集中，產(chǎn)生電場(chǎng)；電荷定向運(yùn)動(dòng)引起電流，產(chǎn)生磁場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)要影響其他帶電粒子的運(yùn)動(dòng)，并伴隨著極強(qiáng)的熱輻射和熱傳導(dǎo)；等離子體能被磁場(chǎng)約束作回旋運(yùn)動(dòng)等第7頁(yè)/共24頁(yè)

等離子體的產(chǎn)生

產(chǎn)生等離子體的方法和途徑是多種多樣的，其中，宇宙天體和地球上層大氣的電離層屬于自然界產(chǎn)生的等離子體。人工產(chǎn)生的方法主要有氣體放電法（電暈放電、輝光放電、電弧放電和微波放電等）、光電離法（激光照射）、射線輻照法（X射線、γ射線等）、燃燒法（高溫?zé)犭婋x）和沖擊波法等。第8頁(yè)/共24頁(yè)等離子體的分類高溫等離子體低溫等離子體第9頁(yè)/共24頁(yè)

等離子體的物理特點(diǎn)

(1)盡管等離子體中存在著大量的帶電粒子，但正、負(fù)電荷總數(shù)相等，整體呈電中性；(2)由于其內(nèi)部存在大量的自由電子和離子，從而表現(xiàn)出很強(qiáng)的導(dǎo)電性；(3)作為一個(gè)帶電粒子體系，等離子體明顯會(huì)受到電磁場(chǎng)的作用。第10頁(yè)/共24頁(yè)

等離子體的化學(xué)特點(diǎn)：

(1)由于等離子體中存在大量的離子、電子和激發(fā)態(tài)原子、分子、自由基等極活潑的反應(yīng)物種，從而使等離子體反應(yīng)很容易進(jìn)行，甚至可使某些在常規(guī)條件下不能發(fā)生的反應(yīng)得以進(jìn)行；(2)利用低溫等離子體，可實(shí)現(xiàn)高溫反應(yīng)的低溫化，例如利用等離子體人工合成金剛石可從傳統(tǒng)方法幾千度的高溫降為幾百度。第11頁(yè)/共24頁(yè)

二、等離子體的有機(jī)合成裝置

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三、等離子體在有機(jī)合成中的應(yīng)用

等離子體技術(shù)在無(wú)極材料合成、膜合成及表面改性、光譜分析、高分子合成、廢水廢氣處理、半導(dǎo)體器件等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。第13頁(yè)/共24頁(yè)

1.合成反應(yīng)

在不加催化劑條件下，通過(guò)等離子體狀態(tài)，可以從單質(zhì)或化合物出發(fā)，經(jīng)過(guò)中間體合成各種氨基酸、卟啉、核酸鹽等，這種合成可用于說(shuō)明由原始大氣產(chǎn)生生命的過(guò)程。第14頁(yè)/共24頁(yè)2.消除反應(yīng)消除反應(yīng)是氣相等離子有機(jī)反應(yīng)最成功的領(lǐng)域之一，得到了大批有意義的結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)弱鍵的鍵能比其他鍵能弱4×104J/mol時(shí)，等離子體中的消除反應(yīng)可獲得純凈的產(chǎn)物?？s環(huán)反應(yīng)、多重鍵的形成、環(huán)化反應(yīng)及縮合反應(yīng)等都是頗具吸引力的非平衡等離子體消除反應(yīng)。其中脫羰反應(yīng)可得到很好的產(chǎn)率。通過(guò)低溫等離子體作用，有機(jī)物可發(fā)生脫除H2、CO、CO2等小分子的反應(yīng)。

雖然，某些相同產(chǎn)物也能用其他方法合成，但不能在一步中完成。如制備聯(lián)二亞苯的經(jīng)典方法一般步驟多，產(chǎn)率低，在非平衡等離子體中可一步合成，而且產(chǎn)率高。第15頁(yè)/共24頁(yè)

3.異構(gòu)體反應(yīng)

具有不飽和鍵的有機(jī)化合物的順?lè)串悩?gòu)化反應(yīng)可在較低的電子能量下有效地進(jìn)行。例如，反式二苯乙烯通過(guò)等離子體可變換為順式異構(gòu)體，收率90%。第16頁(yè)/共24頁(yè)

4.重排反應(yīng)

有機(jī)化合物暴露在等離子體中易發(fā)生重排，許多奇特的重排反應(yīng)，只有在等離子體和質(zhì)譜中才會(huì)發(fā)生。其中兩個(gè)例子為：

有趣的是，氮雜環(huán)化合物總是異構(gòu)成以CN為端基的不飽和腈。這個(gè)反應(yīng)對(duì)等離子體聚合是很有意義的。芳香醚、芳香胺通過(guò)等離子體可發(fā)生各種重排反應(yīng)。例如苯甲醚在等離子體空間離解出烷基自由基，并轉(zhuǎn)移到芳環(huán)上。第17頁(yè)/共24頁(yè)

5.開(kāi)環(huán)反應(yīng)

對(duì)芳香族化合物只要稍提高電子能量就能打開(kāi)苯環(huán)，生成順?lè)串悩?gòu)混雜的不飽和碳?xì)浠衔?，其中含氮環(huán)和苯胺都是以氰基為開(kāi)環(huán)終端的。第18頁(yè)/共24頁(yè)

6.環(huán)化反應(yīng)

二苯基化合物通過(guò)等離子體可環(huán)化生成各種多環(huán)化合物。第19頁(yè)/共24頁(yè)

7.加成反應(yīng)

等離子體的加成反應(yīng)可以是自由基加成，也可以是分子間加成。除此之外，利用低溫等離子體還可發(fā)生取代反應(yīng)、聚合反應(yīng)、分解反應(yīng)、氧化反應(yīng)等類型的反應(yīng)。等離子體有機(jī)化學(xué)反應(yīng)不僅可得到熱反應(yīng)和光反應(yīng)相同的產(chǎn)物，還可能得到熱反應(yīng)和光反應(yīng)得不到的產(chǎn)物，其產(chǎn)物的多樣性具有重要的意義。第20頁(yè)/共24頁(yè)

8.氧化反應(yīng)

非平衡等離子體中烴類氧化的典型例子，是環(huán)己烷氧化成環(huán)己醇和環(huán)己酮的反應(yīng)。該反應(yīng)已在能耗20~35kWh／kg的實(shí)驗(yàn)工廠規(guī)模實(shí)現(xiàn)。如果把環(huán)己烷和NO混合物通過(guò)等離子體反應(yīng)器，形成的環(huán)己基自由基立即被NO捕獲生成亞硝基環(huán)己烷。亞硝基環(huán)己烷很容易異構(gòu)成ε一己內(nèi)酰胺。甲烷的直接氧化反應(yīng)，近年來(lái)取得了有益的進(jìn)展，反應(yīng)生成甲醛的選擇性可達(dá)80％以上，捕獲產(chǎn)物中甲醛和甲醇的總量可達(dá)97%，并提出了一個(gè)利用易得實(shí)驗(yàn)參數(shù)描述反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和主產(chǎn)物選擇性的動(dòng)力學(xué)模型第21頁(yè)/共24頁(yè)

9.其他反應(yīng)

在等離子體中，鄰苯二酸酐可容易地產(chǎn)生苯炔。在氣相中，苯炔可以二聚成聯(lián)二亞苯，加入適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)(如NH3)，苯炔和另兩個(gè)中間體可容易地清除掉。第22頁(yè)/共24頁(yè)四、結(jié)語(yǔ)看似“神秘”的等離子體，其實(shí)是宇宙中一種常見(jiàn)的物質(zhì)，在太陽(yáng)、恒星、閃電中都存在等離子體，它占了整個(gè)宇宙的99％?，F(xiàn)在人們已經(jīng)掌握利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生來(lái)控制等離子體。例如焊工們用高溫等離子體焊接金屬。低溫等離子體可以被用于氧化、變