La radiación de microondas no afecta a la energía de activación necesaria para iniciar la reacción, pero proporciona la suficiente energía, casi de forma instantánea, para superar esta barrera y completar la reacción más rápidamente y con mayor rendimiento que utilizando métodos convencionales de calentamiento. Además, la energía transmitida por microondas afecta a los parámetros de temperatura descritos en la ecuación de Arrhenius de forma que este calentamiento instantáneo causa un movimiento molecular más rápido, lo que provoca un número más grande de colisiones.
El calentamiento de un material (disolvente o reactivo) bajo irradiación de microondas depende de sus propiedades dieléctricas. La capacidad de una sustancia específica para convertir la energía electromagnética en calor a una determinada frecuencia y temperatura viene determinada por el llamado factor de pérdida (tanδ), el cual depende de la constante dieléctrica. Para tener una absorción eficiente y, en consecuencia, un calentamiento rápido hace falta un medio de reacción con un valor de tanδ elevado. Los disolventes se pueden clasificar según este valor en: capacidad de absorción de la energía de microondas alta (tanδ > 0.5), media (tanδ 0.1-0.5) o baja (tanδ < 0.1).
Así, por ejemplo, un disolvente como el metanol (tanδ = 0.659) se puede sobrecalentar en pocos segundos hasta temperaturas superiores a su punto de ebullición al ser irradiado dentro de un recipiente cerrado. Contrariamente, los disolventes con momento dipolar nulo (CCl4, benceno, dioxano, ...) son prácticamente transparentes a la radiación de microondas, mientras que el uso de disolventes iónicos (líquidos iónicos como el [(bmim)PF6] ) aumentan considerablemente la absorción.
Taula 1. Factor de pérdida (tanδ) de disolventes usuales.
disolvente |
tanδ |
disolvente |
tanδ |
disolvente |
tanδ |
etilenglicol |
1.350 |
2-butanol |
0.447 |
CHCl3 |
0.091 |
[bmim]PF6 |
>1 |
1,2-diclorobenceno |
0.280 |
CH3CN |
0.062 |
etanol |
0.941 |
NMP |
0.275 |
acetato de etilo |
0.059 |
DMSO |
0.825 |
ácido acético |
0.174 |
acetona |
0.054 |
2-propanol |
0.799 |
DMF |
0.161 |
THF |
0.047 |
ácido fórmico |
0.722 |
1,2-dicloroetano |
0.127 |
CH2Cl2 |
0.042 |
metanol |
0.659 |
H2O |
0.123 |
tolueno |
0.040 |
nitrobenceno |
0.589 |
clorobenceno |
0.101 |
hexano |
0.020 |
1-butanol |
0.571 |
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La radiación de microondas ha sido utilizada en numerosas reacciones químicas tanto orgánicas como inorgánicas, representando una vía alternativa eficaz a los métodos convencionales. Además, puede ser considerada una técnica energética ecológica que ha surgido dentro del marco de la química sostenible respetuosa con el medio ambiente. Las ventajas del uso de esta técnica se pueden resumir en:
1. Tiene lugar un mecanismo de transferencia de energía en lugar de transferencia de calor, con las correspondientes ventajas económicas y ecológicas.
2. Se produce un calentamiento selectivo y orientado del material.
3. El calentamiento es rápido llegando a temperaturas más altas, y en consecuencia aumentando la velocidad de reacción.
4. El calentamiento afecta directamente a las moléculas, lo que asegura la síntesis de productos más puros por reducción de reacciones secundarias, y por lo tanto rendimientos más altos.
5. Los efectos térmicos son reversibles, dado que el calentamiento empieza desde el interior del material con lo que presenta una mejor eficiencia frente a los métodos de calentamiento convencional.
En resumen, esta técnica permite optimizar muchos procesos para obtener rendimientos más elevados, en condiciones de reacción más suaves y en un tiempo de reacción mucho menor reduciendo a horas o minutos reacciones que duran semanas o días por métodos convencionales, con el consiguiente ahorro energético.