Sonochimie

introduction

L'utilisation des ultrasons dans les réactions chimiques en solution permet une activation spécifique basée sur un phénomène physique: la cavitation acoustique. La cavitation est un processus dans lequel l'activation mécanique détruit les forces d'attraction des molécules en phase liquide. En appliquant des ultrasons, la compression du liquide se fait par raréfaction (expansion), au cours de laquelle une chute de pression soudaine forme de petites bulles de substances gazeuses qui oscillent. Ces bulles se dilatent à chaque cycle de l'énergie ultrasonore appliquée jusqu'à atteindre une taille instable; ils peuvent alors entrer en collision et / ou s’effondrer violemment.

Par exemple, la sonolyse de Fe (CO) ₅ dans le décane sous argon produit du fer amorphe lors de la décarbonylation à la place du fer cristallin, ce qui montre que des températures très élevées ainsi que des vitesses de refroidissement rapides (~ 10 ⁶ K s ^-1 ) entrent en jeu. le pentane volatil donne Fe ₃ (CO) ₁₂ , indiquant un effondrement un peu plus lent. Il a été estimé et calculé que la pression à l'intérieur d'une bulle dans l'eau peut atteindre plus de mille atmosphères et que la température peut atteindre plusieurs milliers de degrés lors d'un effondrement, car la conduction thermique ne peut pas suivre le chauffage adiabatique résultant. Étant donné que ces bulles sont petites et qu’elles s’effondrent rapidement, elles peuvent être considérées comme des microréacteurs qui permettent d’accélérer certaines réactions et qui permettent également à des réactions nouvelles sur le plan mécanique de se dérouler en toute sécurité.

De nombreuses réactions peuvent être conduites même dans un simple bain de nettoyage à ultrasons, bien que la quantité d'énergie atteignant la réaction ne soit comprise qu'entre 1 et 5 W cm ^-2 et que le contrôle de la température soit normalement médiocre. Les réactions à grande échelle peuvent être mieux conduites en utilisant des sondes à ultrasons immergeables qui contournent le transfert d'énergie à travers l'eau et le récipient de réaction. Les énergies appliquées dans ce cas peuvent être plusieurs centaines de fois plus élevées. Les équipements de laboratoire utilisent des fréquences comprises entre 20 kHz et 40 kHz, mais la cavitation peut être générée bien au-dessus de ces fréquences et les recherches récentes utilisent une plage beaucoup plus large.

Ultrasons en chimie organique de synthèse

Il y a deux types d'effets médiés par les ultrasons: chimiques et physiques. Lorsque la quantité de bulles est faible (utilisation d'un équipement de laboratoire standard), c'est principalement l'accélération du débit physique qui joue un rôle. Par exemple, un effet spécifique est l’effondrement asymétrique près d’une surface solide, qui forme des microjets. Cet effet est la raison pour laquelle les ultrasons sont très efficaces pour le nettoyage et sont également responsables de l'accélération du taux dans les réactions multiphasiques, car le nettoyage et l'érosion de la surface entraînent une amélioration du transport de masse.

Par exemple, lorsque les ultrasons sont appliqués à une réaction d'Ullmann qui nécessite normalement un excès de cuivre de 10 fois et une durée de réaction de 48 h, celle-ci peut être réduite à un excès de cuivre de 4 fois et à une durée de réaction de 10 h. La taille des particules de cuivre se contracte de 87 à 25 µm, mais l’augmentation de la surface ne peut expliquer totalement l’augmentation de la réactivité. Il a été suggéré que la sonication aide également à la décomposition des intermédiaires et à la désorption des produits de la surface.

En règle générale, les réactions ioniques sont accélérées par des effets physiques - meilleur transport de masse - également appelé "fausse sonochimie". Si les conditions extrêmes dans la bulle conduisent à des voies de réaction totalement nouvelles, par exemple via des radicaux générés en phase vapeur qui n'auraient qu'une existence transitoire dans le liquide en vrac, on parle de "commutation sonochimique". Un tel commutateur a été observé par exemple dans la réaction de Kornblum-Russel suivante où la sonication favorise une voie SET:

Les applications de la sonochimie peuvent être trouvées dans de nombreux domaines, mais les processus sonochimiques sont les plus largement développés pour les réactions hétérogènes. Actuellement, la sonochimie est un domaine multidisciplinaire dans lequel chimistes, physiciens, ingénieurs chimistes et mathématiciens doivent coopérer pour développer une meilleure compréhension des processus qui se déroulent au sein des bulles qui s'effondrent afin de développer des applications totalement nouvelles. Cependant, le potentiel d'amélioration de nombreux types de réactions suggère que chaque laboratoire de chimie devrait être équipé d'au moins un bain de nettoyage pour des essais simples.