[发明专利]频谱催化剂

说明书

相关申请的参考

本申请要求在美国于1997年6月18日递交的临时申请60/049,910的优先权。

技术领域

本发明涉及通过将反应体系暴露于能够复制物理催化剂谱型的一种或多种电磁能频率中来控制和/或使化学反应定向发生的新方法。

发明背景

一个化学反应能够发生或被活化，或者是以热能和电磁能的形式向反应介质中增加能量，或者通过一种物理催化剂来转移能量。这些方法没有一个可以有效利用能量并且可能导致副产物产生、使反应所必须的过渡态发生分解、所需产物产量下降。

一般认为化学反应是反应分子之间碰撞的结果。根据化学动力学的碰撞理论，反应速率与每秒分子碰撞次数，或者分子碰撞频率成正比：

                 速率∝碰撞次数/秒

这个简单的关系式解释了反应速率与浓度的依赖关系。此外，除了很少的例外，由于增加碰撞，反应速率随温度的升高而增加。

反应速率常数k的依赖关系可以用下面的等式来表示，被称为阿仑尼乌斯方程：

                      k＝Ae^-Ea/RT式中Ea是反应活化能，是使反应发生所需的最小的能量；R是气体常数；T是绝对温度；e是自然对数的底。A代表碰撞频率且表明速率常数与A成正比，因此与碰撞频率成正比。而且，由于与指数项Ea/RT相关的负号，速率常数随活化能的增加而降低，随温度升高而增加。

一般来说，碰撞分子中只有一小部分，即那些运动速度最快的分子，具有超过活化能的动能，因此，速率常数的增加可以理解为温度升高。既然高温时有更多的高能分子出现，那么，高温时产物生成速率就比较大。但是，温度的升高会给反应系统带来一系列的问题。随着热量的增加其它竞争过程，例如，键的断裂，有可能在达到所需能态之前发生。并且还会产生许多具有很高反应活性碎片的分解产物，由于它们的热力学不稳定性，这些产物的寿命很短使得所需的反应受到抑制。

辐射能或光能是另一种形式的能量，可以加入反应介质而不会有热能的负面效应。辐射能的加入使得体系中产生可以进行化学反应的电子激发态分子。

一个分子中的所有电子都占据稳定的轨道时被认为处于电子基态。这些轨道可以是成键轨道或非键轨道。如果一个具有适当能量的光子与分子发生碰撞，即：光子被吸收，一个电子被激发到高能的未占据轨道。电子的激发导致了伴随着原子核内组态的改变的价电子空间的重新分布。因为化学反应在很大程度上受这些因素的控制，电子激发态分子所进行的化学反应与相应的基态分子所进行的反应非常不同。

光子的能量由它的频率或波长决定，

             E＝hν＝hc/λ式中E是能量；h是普郎克常数，6.6×10^-34焦耳·秒(J·sec)；ν是辐射频率，sec^-1；c是光速；λ是辐射波长。当光子被吸收，它的全部能量都传递给了吸收物质。吸收后的主要行为取决于入射光的波长。光化学所研究的是能量位于电磁光谱的紫外区(100-4000埃)和可见区(4000-7000埃)的光子。这样的光子是电子激发态分子的主要因子。

分子吸收光充满了电子能量，因此反应在与受热激发系统完全不同的势能面上发生。然而，使用已知的光化学技术有一些缺点，宽带频率的使用会导致不希望的副反应，过度的实验和非常低的量子产率。

催化剂是一种能够改变化学反应速率而且不出现在最终产物中的物质。众所周知某些反应可以被在反应完成后本身仍然保持不变的物质所控制或加速。相对于不需要的反应，通过提高所需反应的反应速率，所需产物的产量与副产物相比可能最多。通常加速反应只需要痕量的催化剂。同样也发现某些物质，只要加入很少一点量，就会降低反应速率。这看来好象是催化的反向，事实上这种降低反应速率的物质被称为负催化剂。已知的催化剂经历一个循环，它们被使用并且再生所以它们可以一再使用。催化剂是通过给反应提供另一条路径来发挥作用的，与没有催化剂存在时相比反应速率更快或更慢。在反应终点，由于催化剂可以回收，似乎催化剂没有包括在反应中。但是催化剂必须参与反应，否则反应速率不会变化。催化作用可以用五个基本步骤来代表：

1.扩散到催化位置(反应物)

2.在催化位置(反应物)键的生成

3.催化剂-反应物络合物的反应

4.在催化位置(产物)键的断裂

5.扩散离开催化位置(产物)。

催化作用的确切机制还不清楚，但它们能加速反应，否则该反应进行太慢不能实用。