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13.11.09 Neues experimentelles Vorgehen für Detektion von Mikrowelleneffekten

Spitze durch Hitze

Dem Geheimnis der Mikrowellen-Beschleunigung organischer Reaktionen auf der Spur

An der Mikrowelle scheiden sich die Geister. Die Frage, ob ihre elektromagnetischen Strahlen neben dem Temperatur-Effekt noch andere Veränderungen in chemischen Reaktionen hervorrufen, beschäftigt seit Jahren die Forschung. Im Christian-Doppler-Labor für Mikrowellenchemie der Karl-Franzens-Universität Graz ist das Team um Univ.-Prof. Dr. C. Oliver Kappe der Antwort auf diese Frage nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen.

Abb. 1: "Mikrowellenchemie ohne Mikrowellen": Druckfeste Reaktionsgefässe aus Siliziumkarbid-Keramik absorbieren Mikrowellenstrahlung fast vollständig und geben sie über konventionelle Wärmetransfermechanismen wie Wärmeleitung und Konvektion an die Reaktionsmischung weiter. Diese Methodik ermöglicht es unter anderem, die besonders schnelle und präzise Temperaturregelung moderner Mikrowellenreaktoren in einem konventionell geheizten Autoklavenexperiment zu nutzen, und damit die scharfen Aufheizprofile in modernen Mikrowellenreaktoren unter Ausschluss von Mikrowellen exakt nachzustellen.
Quelle: C. O. Kappe, D. Obermayer, Uni Graz

"Wir haben eine Methode gefunden, mit der wir einfach und rasch feststellen können, ob Mikrowellen auch nicht-thermische Effekte haben", freut sich Kappe über den jüngsten Durchbruch in der Forschung. Die WissenschafterInnen verwenden dazu ein Gefäß aus Siliziumkarbid in der Form eines Reagenzglases. "Dieses Material absorbiert Mikrowellen zu annähernd hundert Prozent, lässt sie also nicht bis zur Flüssigkeit im Inneren des Gefäßes durch", erklärt Kappe, der sich vor allem deshalb für Mikrowellen interessiert, weil sie chemische Reaktionen extrem beschleunigen.

Das Team um Kappe hat untersucht, ob chemische Prozesse unterschiedlich ablaufen, je nachdem ob eine Substanz im MW-durchlässigen Reagenzglas direkt durch die Mikrowellenstrahlung erhitzt wird oder ob die Mikrowellen nur das Siliziumkarbid-Gefäß aufheizen und dieses dann die Wärme auf die Flüssigkeit im Inneren überträgt. An 18 verschiedenen Reaktionen wurde der Versuch bisher durchgeführt. Das Ergebnis: "Die Reaktionen verliefen in beiden Gefäßen gleich schnell und gleich sauber", berichtet Kappe. "Offenbar ist in diesen Fällen ausschließlich die Hitze, sprich der thermische Effekt der Mikrowellen, verantwortlich für die Beschleunigung der Synthese." Andere Auswirkungen ließen sich nicht feststellen. Was nicht heißt, dass es nicht Ausnahmen geben kann. Diese zu identifizieren wird Aufgabe weiterer Forschungen des Teams um Kappe sein..

Abb. 2: Eine Auswahl an Transformationen, die unter konventioneller Erhitzung unter Verwendung von mikrowellenabsorbierender SiC-Druckgefässen (S) und "klassischer" Mikrowellenerhitzung unter Verwendung mikrowellentransparenter Druckgefässen aus Pyrex (P) untersucht wurden. Oben: Heck-Reaktion, Unten: Newman-Kwart-Umlagerung
Quelle: C. O. Kappe, D. Obermayer, Uni Graz

Quelle:

Microwave Chemistry in Silicon Carbide Reaction Vials: Separating Thermal from Nonthermal Effects
D. Obermayer, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2009, DOI: 10.1002/anie.200904185

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Neues experimentelles Vorgehen für Detektion von Mikrowelleneffekten
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2009/nov/mikrowellen.shtm)

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