光谱化学的制作方法

专利名称：光谱化学的制作方法
技术领域：
本发明涉及新方法，该方法通过例如在反应体系中使至少一种光谱能量谱型(例如至少一个包含至少一种电磁辐射频率的光谱谱型)暴露一个或多个参与者来影响、控制和/或定向反应途径(例如有机、无机、生物或其它反应)，该谱型能用来对应至少一部分的光谱催化剂或光谱能量催化剂。本发明还涉及模拟各种环境的反应条件下反应体系中多种催化剂的多种作用机理。本发明通过采用一个或多个光谱环境反应条件进一步公开了模拟、至少部分模拟一个或多个环境的反应条件的方法。具体而言，本发明公开了获取例如施加的能量和物质(如固体、液体、气体、等离子体和/或其组合或其部分)间能量频率匹配的不同方法，通过考虑反应体系中的多种能量因素，使能量转移至例如反应体系中的至少一个参与者。本发明还公开了用于设计或确定反应体系中所用的合适物理催化剂的方法。
背景技术：
化学反应由能量驱动。能量以众多不同形式出现，包括化学、热、机械、声学和电磁。各类能量的多种特征被认为是以不同方式为驱动化学反应作贡献。不管涉及的能量类型，化学反应不可否认和逃脱不掉地与能量转移和组合缠绕在一起。因此了解能量对了解化学反应是至关重要的。通过将能量以热、机械、声学和/或电磁形式加入到反应介质中，或通过物理催化剂转化能量的方法能控制和/或定向化学反应。这些方法通常能量不是那么有效并能产生例如不需要的副产物、分解所要求的瞬变体和/或中间体和/或活化的络合体和/或不足量的优选反应产物。—般认为化学反应是由反应分子间的碰撞产生的。根据化学动力学的碰撞理论，已预期反应速率与每秒分子碰撞数成正比。速率α碰撞数/秒此种简单的关系解释了反应速率依赖于浓度。此外，很少有例外，人们认为由于碰撞增加，反应速率随着温度提高而增加。反应速率常数k的关系式能用下列等式表示，即公知的Arrhenius公式k = Ae 孩其中Ea是反应的活化能，是启动化学反应所需的最低能量，R是气体常数，T是绝对温度，e表示以自然对数为底。A代表碰撞速率并表示速率常数与A成正比，并因此与碰撞速率成正比。进一步，由于指数Ea/RT前是负号，因此，速率常数随着活化能提高而降低，并随着温度提闻而提闻。一般情况下，只有一小部分碰撞分子，通常是运动最快的分子具有足够的动能超过活化能，因此现能解释随着温度升高速率常数k增加。由于在较高温度下存在更多的高能分子，因此在较高温度下产物形成的速率也较高。但是随着温度升高，反应体系将引入许多问题。随着热激发，其它竞争过程如键裂可能在达到所需能量态之前发生。同样，有许多 分解产物经常生成极具反应性的片段，但由于热力学的不稳定性它们的寿命如此之短，以至于优选反应可被抑制。辐射能或光能是可加入反应介质中的另一种形式能，也有一些负作用，但与热能所产生的负作用是不同(或相同)的。体系中加入辐射能产生电子激发分子，其能够进行化学反应。所有电子都在稳定轨道中的分子被认为是在电子基态。这些轨道可以是成键轨道或是非成键轨道。如果一个合适能量的光子与分子碰撞，光子可被吸收，其中一个电子可激发到具有更高能量的空轨道上。电子激发导致价电子在空间重新分布，同时核内构型发生变化。由于化学反应在很大程度上受控于这些因素，所以电子激发分子进行的化学反应与电子处于基态的分子所进行的反应截然不同。光子能量依据其频率或波长定义，E = h Y = hc/ λ其中E代表能量；h代表Plank常数，6.6 X 10_34J秒；Y是辐射频率，秒―1 ;c是光速；以及λ是辐射波长。当光子被吸收时，其所有能量赋予吸收的物种。吸收后的初期行为依赖于入射光的波长。光化学研究光子，其能量位于电磁光谱的紫外区域(100-4000Α)和可见区域(4000-7000 Α)。这些光子基本上是电子激发分子的起因。由于分子在吸收光后获取了电子能量，在热激发体系中相遇的不同的势能表面发生反应。然而，采用已知光化学技术存在一些缺点，即因为采用宽带频率由此导致不需要的副反应、不适当的试验和低的量子产率。下列专利显示了一些良好的光化学实例。特别是颁布给Cooper等的美国专利5174877 (1992)公开了用于光催化处理液体的装置。尤其公布了紫外光辐射所制得的淤浆表面以活化淤浆中所含颗粒的光催化特性，淤浆的透明度影响了例如辐射吸收。此外，文中讨论了适合取得所需光催化活性的不同频率。另外,颁布给Brumer等的美国专利4755269(1998)公开了用于在已知能量水平离解各种分子的光离解方法。尤其是公开了可能的不同离解途径以及由于选择某种电磁辐射的不同频率能跟随出现不同的途径。进一步公开了所用电磁辐射的振幅对应着制得产物的量。不同物种的选择性激发显示在下列三个专利中。具体而言，Rich等美国专利4012301 (1977)公开了汽相化学反应，这些反应采用对应于连续流动反应物物种的振动方式被选择性地激发。尤其是连续波激光发射出被反应物物种振动方式吸收的辐射。颁布给Wan等的美国专利5215634(1993)公开了将甲烷选择性地转化成所需的氧化态。尤其是甲烷在催化剂存在下被脉冲微波辐射将反应物转化成所需的产物。公开的物理催化剂包括镍，微波辐射采用约I. 5-3. OGHz的范围。颁布给Suib等的美国专利5015349(1991)公开了用于裂化烃生成裂化反应产物的方法。公开了烃流暴露于微波能量下产生低功率密度微波放电等离子体，其中将微波能量调整以获得所需的结果。微波能量所需的特定频率公开为2.45GHz。物理催化剂在本领域中是熟知的。具体而言，物理催化剂是一种改变化学反应速 率而在最终产物中又不出现的物质。已知一些反应能因一些反应结束后本身保持不变的物质的存在而加速或受控。通过相对于不需要的反应增加所需反应的速度，使得与不需要的副产物比较，所需产物的形成能达到最大。通常只需要痕量的物理催化剂来加速反应。也已观察到某些物质，假如加入痕量，能降低反应速率。这看起来是反催化，可实际上减慢反应速率的物质被称为负催化剂或毒物。已知的物理催化剂经历一个循环，其中它们使用和再生以便能够一次又一次地使用。物理催化剂通过为反应提供另一条途径而发挥作用，其能比没有物理催化剂时具有较快或较慢的反应速率。在反应结束时，由于物理催化剂能复原，所以看起来物理催化剂不参与反应。但物理催化剂必定在某种程度上参与了反应，否则反应速率不会改变。催化作用历史上已最早由Ostwald于约18世纪后期提出的五个基本步骤代表I.扩散到催化部位(反应物)；2.在催化部位(反应物)形成键；3.催化剂-反应物络合体的反应；4.在催化部位键裂化(产物)；和5.从催化部位扩散(产物)。催化作用的精确机理在本领域中是未知的，但已知物理催化剂能加速反应，否则反应发生将太慢而无实际意义。已知的工业催化剂涉及许多问题首先，物理催化剂不仅能丧失效率而且丧失选择性，之所以如此是由于例如过热或催化剂的污染；其二，许多物理催化剂包括昂贵的金属如钼或银并且只有有限的寿命周期，一些催化剂难以再生，贵重金属不容易回收。还有许多与物理催化剂相关的物理限制，使得它们在许多反应中不是理想的参与者。因此，需要的是了解催化过程，以便通过更精确地控制众多现已存在的反应过程以及开发完全新型的反应途径和/或反应产物巧妙地完成生物处理、化学处理和工业加工等。这些了解的例子包括没有下列缺点的催化反应方法(I)已知的物理催化剂；(2)使用比现有技术教导具有更高的特效性的能量，这些现有技术使用不理想的热和电磁辐射方法并导致众多的无效性。

发明内容
定义为本发明目的，说明书和权利要求书中出现的下列术语和表达欲具有下列含义如本发明所用的“活化络合物”表示在描述反应物转化为反应产物的反应分布图中对应着最大值的原子(带电或中性)集合体。本定义中反应物或反应产物可以是包括一个以上步骤的整个转化中的中间体。如本发明所用的“应用光谱能量谱型”表示下列全部(a)所有外部施加的光谱能量谱型；和/或(b)输入反应体系中的光谱环境反应条件。如本发明所用的“催化光谱能量谱型”表示物理催化剂的至少一部分光谱能量谱型，当以光束或场形式施加到反应体系中时，其能催化反应体系。如本发明所用的“催化光谱谱型”表示物理催化剂的至少一部分光谱谱型，当施加到反应体系时，其能通过下列方式催化反应体系a)完全代替物理化学催化剂；b)通过与物理化学催化剂一致的作用增加反应速率；c)通过用作负催化剂降低反应速率；或·d)改变反应途径以形成特定的反应产物。如本发明所用的“直接共振靶向”表示通过至少一个下列光谱能量提供物将能量施加到反应体系中光谱能量催化剂、光谱催化剂、光谱能量谱型、光谱谱型、催化光谱能量谱型、催化光谱谱型、应用光谱能量谱型和光谱环境反应条件，以获取与至少一种下列物质形式的直接共振反应物、瞬变体、中间体、活化络合物、物理催化剂、反应产物、助催化剂、毒物、溶剂、物理催化剂载体材料、反应容器、和/或其混合物或组分，所述光谱能量提供物通过与其至少一种频率相互作用，但排除所述反应物中的电子和振动频率，向至少一种所述物质形式提供能量，从而生成至少一种所需的反应产物和/或以所需的反应速率生成至少一种所需反应产物。如本文所用的“环境反应条件”表示并包括常规的反应变量如温度、压力、催化剂的表面积、物理催化剂大小和形状、溶剂、物理催化剂载体材料、毒物、助催化剂、浓度、电磁辐射、电场、磁场、机械力、声场、反应容器大小、形状和组成及其组合等，其可存在并能正影响或负影响反应体系中的反应途径。如本文所用的“频率”表示一个物理事件(如波、场和/或运动)在单位时间(如I秒；和I个周期/秒=IHz)内经历一个完整周期偏离平衡值的次数。偏离平衡能是正的和/或是负的，并能是例如对称的、非对称的和/或与平衡值成比例的。如本文所使用的“谐波靶向”表示通过至少一种下列光谱能量提供物将能量施加到反应体系中光谱能量催化剂、光谱催化剂、光谱能量谱型、光谱谱型、催化光谱能量谱型、催化光谱谱型、应用光谱能量谱型和光谱环境反应条件，以获取与至少一种下列物质形式谐振反应物、瞬变体、中间体、活化络合物、物理催化剂、反应产物、助催化剂、毒物、溶齐IJ、物理催化剂载体材料、反应容器、和/或其混合物或组分，所述光谱能量提供物通过与其至少一种频率相互作用，排除所述反应物中电子和振动频率，向至少一种所述物质形式提供能量，从而生成至少一种所需的反应产物和/或以所需的反应速率生成至少一种所需反应产物。如本发明所用“中间体”表示分子、离子和/或原子，其存在于反应途径或反应分布图中介于反应物和反应产物之间。其对应于反应物和反应产物间反应的反应分布图中的最小值。包含中间体的反应通常是分步反应。如本发明所用的“非谐波外差式靶向”表示通过至少一种下列光谱能量提供物将能量应用到反应体系中光谱能量催化剂、光谱催化剂、光谱能量谱型、光谱谱型、催化光谱能量谱型、催化光谱谱型、应用光谱能量谱型和光谱环境反应条件，以获取与至少一种下列物质形式非谐波外差式共振反应物、瞬变体、中间体、活化络合物、物理催化剂、反应产物、助催化剂、毒物、溶剂、物理催化剂载体材料、反应容器、和/或其混合物或组分，所述光谱能量提供物通过与其至少一种频率相互作用向至少一种所述物质形式提供能量，从而生成至少一种所需的反应产物和/或以所需的反应速率生成至少一种所需反应产物。如本发明所用的“参与物”表示反应物、瞬变体、中间体、活化络合物、物理催化剂、助催化剂、毒物和/或包含分子、离子和/或原子(或其组分)的反应产物。如本发明所用的“反应物”表示反应体系中的初始物质或初始组分。反应物能是任何无机、有机和/或生物原子、分子、离子、化合物、物质和/或其类似物。 如本发明所用的“反应坐标”表示分子/原子间或分子/原子内构型变体，其变化对应于反应物转化为反应产物。如本发明所用的“反应途径”表示导致形成反应产物的那些步骤。反应途径可包括中间体和/或瞬变体和/或活化络合物。反应途径可包括一些或所有反应分布图。如本发明所用的“反应产物”表示包含反应物的任何反应产物。反应产物可具有与反应物不同的化学组成或基本近似(或完全相同)的化学组成，但表现出不同的物理或结晶结构和/或相。如本发明所用的“反应分布图”表示在反应物转化为反应产物过程中能量(如分子势能、摩尔焓或自由能)对反应坐标作图。如本发明所用的“反应体系”表示下列涉及任何反应途径的物质的组合反应物、中间体、瞬变体、活化络合物、物理催化剂、毒物、助催化剂、光谱催化剂、光谱能量催化剂、反应产物、环境反应条件、光谱环境反应条件、应用光谱能量谱型等。如本发明所用的“所得到的能量光谱谱型”表示反应体系中介于应用光谱能量谱型和所有参与物和/或组分间的全部能量相互作用。如本发明所用的“光谱催化剂”表示电磁能量，其充当反应体系中的催化剂，例如具有影响、控制或定向反应途径的光谱谱型的电磁能量。如本发明所用的“光谱能量催化剂”表示能量，其充当反应体系中的催化剂，具有影响、控制和/或定向反应途径的光谱能量谱型。如本发明所用的“光谱能量谱型”表示由一种或多种能量和/或组分形成的光谱谱型，所述能量和/或组分被分子、离子、原子和/或其组分所发射或吸收，和/或光谱谱型存在于分子、离子、原子和/或其组分附近和/或内部。如本发明所用的“光谱环境反应条件”表示至少一种频率和/或场，其模拟了反应体系中至少一种环境反应条件的至少一部分。如本发明所用的“光谱谱型”表示原子或分子激发后由一个或多个发射或吸收的电磁频率形成的光谱谱型。光谱谱型可由任何已知的光谱学技术形成。如本发明所用的“靶向”表示通过至少一种下列光谱能量提供物将能量施加到反应体系中光谱能量催化剂、光谱催化剂、光谱能量谱型、光谱谱型、催化光谱能量谱型、催化光谱谱型、应用光谱能量谱型和光谱环境反应条件，以获取与至少一种下列物质形式直接共振和/或谐振和/或非调谐外差式共振反应物、瞬变体、中间体、活化络合物、物理催化剂、反应产物、助催化剂、毒物、溶剂、物理催化剂载体、反应容器、和/或其混合物或组分，所述光谱能量提供物通过与其至少一种频率相互作用，向至少一种所述物质形式提供能量，从而生成至少一种所需的反应产物和/或以所需的反应速率生成至少一种所需反应产物。如本发明所用的“瞬变体”表示存在于反应途径或反应分布图中介于反应物和反应产物间的任何化学和/或物理形态。本发明克服了与在各种不同环境中使用多种已知物理催化剂有关的许多不足。更重要的是本发明第一次公开多种新光谱能量技术，这里有时称为光谱化学，这些技术能用于许多反应，包括很基本的反应，这些反应可以在基本无限制的多领域中如愿地发生或允许发生。这些光谱能量技术能用于例如任何类型的生物反应(即植物和动物)、物理反应、化学反应(即有机或无机)、工业反应(即任何大规模或小规模的工业反应)和/或任何型式的能量反应等。 这些新光谱能量技术(现称光谱化学)的取得是可能的，这是由于本发明所含的基本发现公开了用于例如在两个实体间实现能量转移的各种方法。本发明指出两个实体(如一个实体与另一个实体分享能量)间能量转移的关键是当频率匹配时能量转移。例如两种不同物质形式的光谱能量谱型的频率匹配；或以光谱能量催化剂形式带有能量的物质的光谱能量谱型的频率匹配。两个实体可都包括物质(固体、液体、气体和/或等离子体和/或其混合物和/或其组分)，两者皆包含各种形式能量，或一种包括各种形式能量和另一种包括物质(固体、液体、气体和/或等离子体和/或其混合物和/或其组分)。更具体地，所有物质都能以光谱能量谱型来表示，其在外观上可以是非常简单到很复杂，这取决于例如物质的复杂性。光谱能量谱型的一个实例就是外观上同样也相当简单到相当复杂的光谱谱型，其取决于，例如物质的复杂性，在以光谱谱型表示的物质情况下，如果例如两种物质形式的光谱谱型匹配，至少部分匹配，或使其至少部分能匹配或重叠(例如包含一个或多个电磁频率的光谱曲线或光谱谱型可相互重叠)，物质间能相互交换能量。一般而言，不是在所有情况下，光谱谱型重叠越多(因此，包含光谱谱型的频率重叠越多)，能量转移的量就越多。同样，例如如果至少一种形式的能量光谱谱型与某物质光谱谱型能至少部分地引起匹配或重叠，则能量也将转移给该物质。因而，通过促成频率匹配能将能量转移给物质。如本发明其它地方所讨论，在真空中能量(E)、频率(Y)和波长(λ)以及光速(C)通过例如下列等式相关联E = h Y = hc/ λ当对应于至少第一种物质形式的一个频率或一组频率能与对应于至少第二种物质形式的一个频率或一组频率引起匹配时，能量就能在物质的不同形式间转移，并允许至少一些相互作用和/或包括两种不同物质形式中的至少一种反应发生。例如，物质的固体、液体、气体和/或等离子体(和/或其混合物和/或其部分)形式能相互作用和/或反应并形成所需的反应产物或结果。为了发生所需的相互作用和/或反应可能实行上述物质形式的任何组合(如固体/固体、固体/液体、固体/气体、固体/等离子体、固体/气体/等离子体、固体/液体/气体等，和/或其混合物和/或其部分)。进一步，在例如反应体系中，沿着所需的反应途径，通过以如催化光谱能量谱型、催化光谱谱型、光谱能量谱型、光谱能量催化剂、光谱谱型、光谱催化剂、光谱环境反应条件和/或其组合的形式(上述的形式能共同产生应用光谱能量光谱谱型)施加能量，物质(例如固体、液体、气体和/或等离子体和/或其混合物和/或其部分)能被引发或受影响与其它物质和/或其部分相互作用和/或反应。在这些情况下，当应用光谱能量谱型导致例如反应体系中一种或多种物质形式的光谱能量谱型发生某种类型变更时，可引发相互作用和/或反应。该多种物质形式包括反应物、瞬变体、中间体、活化络合物、物理催化剂、反应产物、助催化剂、毒物、溶剂、物理催化剂载体材料、反应容器、和/或其组分的混合物。例如，当合适地靶向例如反应体系中的参与物和/或组分时，应用光谱能量提供物(即至少一种下列物质光谱能量催化剂、光谱催化剂、光谱能量谱型、光谱谱型、催化光谱能量谱型、催化光谱谱型、应用光谱能量谱型和光谱环境反应条件)能导致生成一个或多个参与物，和/或与一个或多个参与物产生理想的相互作用。具体而言，应用光谱能量提供物能被靶向以实现很特定的所希望结果和/或反应产物和/或以所需速率生成的反应产物。通过直接共振方法(即直接共振靶向)、谐波共振方法(即谐波靶向)和/或非调谐外差式共振方法(即非谐波外差式靶向)，能产生靶向。光谱能量提供物能被靶向与例如至少一种频率的原子或分子相互作用，包括但不限于电子频率、振动频率、转动频率、转动-振动频率、细分裂频率、超细分裂频率、磁场诱导频率、电 场诱导频率、自然振动频率和其所有组分和/或其部分(本发明下文将更详细讨论)。这些方法可导致例如模拟反应体系中物理催化剂的至少一种作用机理。例如,在一些情况下，可通过采用单一应用光谱能量光谱谱型靶向到单一的参与物来实现理想的结果；而在其它情况下，一种以上的应用光谱能量谱型可通过例如多种方法靶向到单一参与物或多种参与物。具体而言，可将直接共振靶向、调谐靶向和非调谐外差式靶向进行组合与原子和/或分子中发生的一个或多个频率相互作用，这一组合可按序或基本上连续使用。另外，在某些情况下，光谱能量提供物靶向可导致反应体系中主要在较高的能量水平的一种或多种不同物质形式的多种相互作用。本发明进一步认识和解释了当采用光谱能量催化剂如光谱催化剂时，各种环境反应条件能影响反应体系中的反应途径。为了获得反应中理想的结果(如在一种或多种理想的反应途径中的理想的反应产物)和/或相互作用，本发明教导了特别的方法，用于控制各种环境反应条件。本发明进一步公开了应用光谱能量方法，其通过采用至少一种例如光谱环境反应条件而允许模拟，至少部分模拟理想的环境反应条件。因而，环境反应条件能受控并用于与至少一种光谱能量光谱谱型的组合中以实现所需的反应途径。此外，惯例采用的环境反应条件通过用至少一种光谱环境反应条件补充和/或代替传统的环境反应条件，能以理想的方式修改(如采用降低的温度和/或降低的压力)。本发明也提供了一种方法，用于确定理想的物理催化剂(即包括以前已知的物质或以前不知道可具有物理催化剂功能的物质)，其能在反应体系中用于获取所需的反应途径和/或所需的反应速率。在这方面，本发明可以为一个特定的反应体系提供一个物理和/或光谱催化剂配方，在所述特定反应体系中以前不存在物理催化剂。在本发明的实施方案中，光谱能量谱型由本发明技术确定或计算，并且相对应的物理催化剂能被提供或制备，并在其后包括在反应体系中以生成经计算要求的光谱能量谱型。在某些情况下，如果认为单一物理物种不足，能采用一个或多个现存的物理物种或以合适的方式组合，从而获得合适的经计算的光谱能量谱型以实现所需的反应途径和/或所需的反应速率。这些催化剂能单独使用，与其它物理催化剂、光谱能量催化剂、受控环境反应条件和/或光谱环境反应条件组合使用，从而实现所需得到的能量谱型和必然的反应途径和/或所需的反应速率。本发明公开了全篇所陈述的基本主题的许多不同变换，即当频率匹配的时候能量转移。应当理解这些许多不同变换能单独使用以获取所需的结果(如所需的反应途径和/或所需的反应速率)，或能用于无限制的变换组合，从而取得所需的结果(如所需的反应途径和/或所需的反应速率)。然而，与所有这些看似复杂的变换和组合共同的是本发明第一次提出的基本认识是为了控制或能够进行任何反应，只要两实体频率匹配(如光谱谱型重叠)，能量就能转移。如果能量转移，理想的相互作用和/反应就能产生。此外，这个概念也能反过来使用。具体而言，如果因为频率匹配反应发生，那么通过使频率不再匹配或至少使匹配降低到较低程度，反应能减慢或停止。在这方面，修改和/或应用一个或多个反应体系组分(如环境反应条件、光谱环境反应条件和/或应用光谱能量谱型)使频率匹配达到最低、降低或消除频率匹配。这也使得反应轻而易举地开始和终止，从而为无数反应提供新型控制。 为简化本发明的内容和理解，在“发明概述”和“优选实施方案详述”中采用了特定的类目和章节。然而，应理解这些类目不是相互排斥的，而且有些部分存在重叠。因此，这些人为采用的章节不应用来试图限制本发明由权利要求书所限定的保护范围。I.波能一般来说，通过应用热和增加反应体系温度，热能传统地用来驱动化学反应。加入热增加了化学反应物的动(运动)能。已相信具有更多动能的反应物运动更快和更远，并且更可能参与化学反应。同样机械能通过搅拌和运动化学品增加它们的动能因而增加了其反应性。加入机械能通常通过增加动能而提高了温度。声能作为有序的机械波应用到化学反应中。由于其机械特性，声能能增加化学反应物的动能，并且也能提升它们的温度。电磁(EM)能由电波和磁场组成。电磁能也可增加反应体系中的动能和热。其也可对一些反应中的电子轨道或振动运动赋予能量。声能和电磁能都由波组成。能量波和频率具有一些有趣的特性，并可以一些有趣的方式组合。波能转移和组合的方式大部分依赖于频率。例如，有两个能量波，每个具有相同的振幅，但一个频率为400Hz，另一个频率是100Hz，当两者被引发相互作用时，波将组合，它们的频率将相加，产生新频率500Hz (即“和”频率)。但它们组合时波频率也将相减产生频率300Hz (即“差”频率)。所有波能量通常以这种方式加减，并且这种加减法称为外差式。外差式常见结果大多与音乐中的和声学类似。外差式的重要性将在本发明下文中更详细讨论。对本发明重要的另一个概念是波相互作用或干涉。尤其是已知波能相长和相消地相互作用。这种现象在测定应用光谱能量谱型中是重要的。图Ia-Ic显示两个不同入射的正弦波1(图Ia)和2(图Ib)，这两个波对应于能应用到反应体系中的具有两个不同波长λ I和λ 2(因而不同频率)的两个不同光谱能量谱型。假定图Ia的能量光谱谱型对应电磁光谱谱型，而图Ib对应光谱环境反应条件。每个正弦波I和2都不同的描述了其单独运动的微分方程。然而，当弦波组合生成加法波1+2(图Ic)时，所得的复合微分方程，其描述了全部组合能量(即应用光谱能量谱型)，实际导致某些输入能量在某些时间点是高的(即由较高波幅所显示的相长干涉)，而在某些时间点是低的(即由较低波幅所显示的相消干涉)。具体而言，“X”部分代表波I的电磁光谱谱型与波2的光谱环境反应条件具有相长干涉的面积，而“Y”部分代表两个波I和波2具有相消干涉的面积。依赖于“X”部分是否对应于理想的或不理想的波长、频率或能量(如引发反应体系中应用光谱能量光谱谱型与例如一个或多个参与物 和/或组分发生正的或负的相互作用)，“X”部分能增强反应体系中正作用或负作用。相类似，依赖于“Y”部分是否对应于理想的或不理想的波长、频率或能量，“Y”部分可对应于正作用或负作用的有效丧失。从这种特别的分析中应清楚相长干涉(即点“X”)能使例如反应体系中的正作用和负作用都最大化。因此，该简化的例子表明通过将例如来自光谱谱型的某些频率与一个或多个来自例如至少一个光谱环境反应条件的其它频率组合，实际应用到反应体系中的应用光谱能量光谱谱型能是相长干涉和相消干涉的组合。因此，在选择合适的要应用到反应体系中的光谱能量光谱谱型时，这些因素也应考虑到。在这方面，注意到实践中有许多理想的入射波长能应用到反应体系中。此外，也应清楚波相互作用的效果包括，但不限于外差式、直接共振、间接共振、加法波、减法波、相长或相消干涉等。进一步，如本发明下文详细讨论，附加效应如电子效应和/或磁场效应也能影响光谱能量光谱谱型(如光谱谱型)。II.光谱催化剂和光谱学在具有特定光谱能量光谱谱型(如光谱谱型或电磁光谱谱型)的光谱能量催化剂帮助下，能有利地影响和定向多种反应，所述光谱能量催化剂转移预定量的靶能量以便启动、控制和/或促进反应体系中理想的反应途径和/或理想的反应速率。本节较详细讨论光谱催化剂并解释反应体系中采用光谱催化剂的的各种技术。例如，光谱催化剂能用于反应体系中代替和提供额外的能量，所述能量一般由物理催化剂提供。光谱催化剂能实际模拟或拷贝物理催化剂的作用机理。光谱催化剂能充当正催化剂增加反应速率或充当负催化剂或毒物降低反应速率。进一步，通过在光谱催化剂采用物理催化剂和光谱催化剂两者反应体系中能增强物理催化剂。光谱催化剂能提高物理化学催化剂的活性。光谱催化剂还能部分代替特定量的物理催化剂，由此降低许多工业反应中物理催化剂的高额费用。本发明中，光谱能量催化剂以足够长时间足以启动和/或促进和/或定向化学反应的数量(例如遵照特定反应途径)来提供靶能量(例如包含特定频率或频率组合的电磁辐射)。在任意时间点应用到反应体系中的全部靶能量组合被称为应用光谱能量谱型。应用光谱能量光谱谱型可包含单一光谱催化剂、多种光谱催化剂和/或其它光谱能量催化齐U。随着靶能量吸收进反应体系(例如来自光谱催化剂的电磁能量)，反应物可被引发进入一个或若干个反应途径包括能量转移，其能例如通过促成频率匹配激发电子到较高的能量状态以启动化学反应；使可参与化学反应的反应物离子化或离解；稳定反应产物；赋予进入反应途径的中间体和/或瞬变体和/或活化络合物能量和/或使其稳定；和/或促使反应体系中的一个或多个组分具有至少部分重叠的光谱谱型。例如，在简单的反应体系中，如果化学反应提供至少一种反应物“A”准备转化成至少一种反应产物“B”，可采用物理催化剂“C”。相反，物理催化剂“C”的催化光谱能量光谱谱型的一部分(例如本节中催化光谱谱型)可以例如电磁束形式施用以催化反应。C
A — B物质A和B频率未知，C频率30Hz ；因此，物质A+30Hz —物质B本发明中，例如物理催化剂“C”的光谱谱型(如电磁光谱谱型)能采用已知的光谱学方法测定。采用光谱学仪器，物理催化剂的光谱谱型在与那些发生在使用物理催化剂的反应体系中(例如光谱能量光谱谱型以及光谱谱型能由环境反应条件所影响，如本发明下文讨论)相近似的条件下优选测定。光谱学是一个过程，其中对任何体系所允许的状态间的能量差异的测定方法是测定对应电磁能量的频率，所述能量或被吸收或被发射。光谱学一般涉及电磁辐射与物质的相互作用。当光子与例如原子或分子相互作用时，就观察到原子和分子特性的变化。
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原子和分子与若干不同种的运动有关。虽然整个分子转动，键振动甚至电子运动如此之快以至于电子密度分布在历史上就已是现有技术的主要焦点。每种这类运动是定量的。即原子、分子或离子只以独特的状态存在，所述状态对应于不连续的能量数量。不同量子状态间的能量差异依赖于参与运动的类型。因此，跃迁所需的能量频率对不同运动类型是不同的。即每种运动对应于不同电磁光谱区域中能量的吸收，而每个光谱区域需要不同的光谱学仪器。原子或分子的全部运动能量可认为至少是电子能、振动能和转动能的总和。在发射和吸收光谱中，原子或分子中能量变化与发射或吸收的电磁能频率间的关系由所谓的Bohr频率条件给出ΛΕ = h Y其中h是Plank常数；Y是频率；和ΔΕ是终态和初态的能量差。电子光谱是原子、分子或离子中的电子从一个电子能级运动到另一个电子能级的结果。分子物理催化剂光谱谱型不仅包括电子能量跃迁，也可涉及转动能级和振动能级间的跃迁。结果，分子光谱比原子光谱复杂得多。与光子相互作用后观察原子或分子的主要变化包括激发、离子化和/或化学键的破裂，所有这些可由光谱学方法测定和定量，所述光谱学方法包括发射或吸收光谱学，它们给出了有关能级分隔的相同的信息。在发射光谱学中，当原子或分子置于火焰或电子放电中，这些原子或分子可吸收能量并变成“激发”态。在它们回到“标准”态时，它们可发射辐射。该发射是原子或分子从高能或“激发”态跃迁到一个较低能态的结果。跃迁中所丢失的能量以电磁能量形式发射。“激发”原子通常产生线光谱而“激发”分子则倾向于产生带光谱。在吸收光谱学中，当其在某一范围的频率上扫描时，近似单色入射辐射的吸收受到监控。在吸收过程中，原子或分子从低能态转移到高能态。由电磁能量吸收所产生的能量变化只以称为量子的单位能量的整倍数出现，其是每种吸收物种的特征。吸收光谱可分为四类转动吸收光谱、转动-振动吸收光谱、振动吸收光谱和电子吸收光谱。分子的转动光谱与出现在分子转动态中的变化有关。转动态能量只有比较少量的区别，因此在转动水平必须产生变化的频率是很低的，而且电磁能量波长很大。分子转动态的能量差距依赖于键的距离和角度。在远红外和微波和无线电区域可观察到纯转动光谱(参见表I)。转动-振动光谱与跃迁有关，在跃迁中分子的振动态被改变而且可伴随着转动态中的变化。吸收发生在较高频率或较短波长，并通常出现在红外区域的中部(参见表I)。
从不同振动能级出现振动光谱是由于键的运动。伸展振动涉及沿着两个原子间键轴的原子间距离的变化。弯曲振动的特征在于两个键间角度的变化。分子的振动光谱通常在近红外范围。对原子和分子来说电子光谱来自电子态间的跃迁，并同时伴随着分子中转动和振动态的变化。由于包含了比较大的能量差异，因此吸收发生在很大频率或比较短波长。原子或分子的不同电子态相对应于电磁光谱的红外、紫外-可见或X-射线区域中的能量(参见表I)。表I大约的边界

权利要求
1.一种控制反应系统的方法，包括 形成反应系统；和 用至少一种选自直接共振靶向、谐波靶向和非谐波外差式靶向的方法，靶向所述的反应系统。
2.权利要求I的方法，其中所述的反应系统含有至少一种参与物。
3.权利要求I的方法，其中所述的反应系统含有至少一个选自反应物、瞬变体、中间体、活化络合物、物理催化剂、助催化剂、毒物和反应产物的成员。
4.一种控制反应系统的方法,包括 形成反应系统，其包括至少一个选自反应物、瞬变体、中间体、活化络合物、物理催化剂、反应产物、助催化剂、毒物、溶剂、物理催化剂载体材料、反应容器及它们的混合物和组分的成员；及 施加至少一种光谱能量提供者于所述的反应系统，所述的光谱能量提供者选自光谱能量催化剂、光谱催化剂、光谱能量谱型、光谱谱型、催化光谱能量谱型、催化谱型、应用光谱能量谱型及光谱环境反应条件，所述的至少一种光谱能量提供者通过如下所述反应系统的至少一个成员提供能量，所述的方法是通过与该成员的至少一种频率相互作用，但排除在任何所述反应物中的电子和振动频率，以实现与其直接共振并产生至少一种所需反应产物。
5.—种控制反应系统的方法,包括 形成反应系统，其包括至少一个选自反应物、瞬变体、中间体、活化络合物、物理催化剂、反应产物、助催化剂、毒物、溶剂、物理催化剂载体材料、反应容器及它们的混合物和组分的成员；及 施加至少一种光谱能量提供者于所述的反应系统，所述的光谱能量提供者选自光谱能量催化剂、光谱催化剂、光谱能量谱型、光谱谱型、催化光谱能量谱型、催化谱型、应用光谱能量谱型及光谱环境反应条件，所述的至少一种光谱能量提供者通过如下方法给所述反应系统的至少一个成员提供能量，所述的方法是通过与该成员的至少一种频率相互作用，但排除在任何所述反应物中的电子和振动频率，以实现与其谐波共振及产生至少一种所需反应产物。
6.—种控制反应系统的方法,包括 形成反应系统，其包括至少一个选自反应物、瞬变体、中间体、活化络合物、物理催化剂、反应产物、助催化剂、毒物、溶剂、物理催化剂载体材料、反应容器及它们的混合物和组分的成员；及 施加至少一种光谱能量提供者于所述的反应系统，所述的光谱能量提供者选自光谱能量催化剂、光谱催化剂、光谱能量谱型、光谱谱型、催化光谱能量谱型、催化谱型、应用光谱能量谱型及光谱环境反应条件，所述的至少一种光谱能量提供者通过如下方法给所述反应系统的至少一个成员提供能量，所述的方法是通过与该成员的至少一种频率相互作用，以实现与其非谐波外差作用共振及产生至少一种所需反应产物。
7.一种用光谱能量催化剂催化反应系统得到至少一种反应产物的方法，包括 形成反应系统，其包括至少一种参与物；及 施用至少一种光谱能量催化剂于所述的反应系统，引起所述至少一种参与物的光谱能量谱型宽化，使能量传递到所述反应系统，造成至少一种反应产物的形成。
8.—种控制反应系统的方法,包括 形成反应系统；及 施用至少一种应用光谱能量谱型于所述的反应系统，所述至少一种应用光谱能量谱型引起所述反应系统中至少一种组分谱型宽化，使能量从所述的至少一种应用光谱能量谱型传递到所述的反应系统，导致至少一种反应产物的形成。
9.一种控制反应系统的方法,包括 形成反应系统，其包括至少一种选自反应物、瞬变体和反应产物的成员 '及施用至少一种光谱能量谱型于所述的反应系统，所述至少一种被施用的光谱能量谱型引起所述反应系统中至少一个所述成员的谱型宽化，使能量从所述的被施用的光谱能量谱 型传递到所述反应系统的至少一个成员，导致至少一种反应产物的形成。
10.一种用光谱能量催化剂影响和导向反应系统的方法，包括 确定在所述反应系统中至少一种起始反应物的至少一部分光谱能量谱型； 确定在所述反应系统中至少一种反应产物的至少一部分光谱能量谱型； 由所述至少一种起始反应物和所述的至少一种反应产物设计附加光谱能量谱型，以确定设计的光谱能量催化剂； 生成至少一部分设计的光谱能量催化剂；和 将所述至少一部分设计的光谱能量催化剂应用到反应系统中以形成至少一种所需的反应产物。
11.一种影响和导向反应系统的方法，包括 形成反应系统，及 应用至少一种光谱环境反应条件到所述的反应系统，在所述的反应系统中产生至少一种所需的反应途径。
12.权利要求11的方法，其中选择性地使用所述的至少一种光谱环境反应条件以启动和停止所述至少一种所需的反应途径。
13.一种设计应用于反应系统的催化剂的方法，包括 确定在所述反应系统中至少一种起始反应物的至少一部分光谱能量谱型； 确定在所述反应系统中至少一种反应产物的至少一部分光谱能量谱型； 确定来自所述至少一种起始反应物和所述的至少一种反应产物的附加光谱能量谱型，以确定设计的催化剂光谱能量谱型；及 选择至少一种催化剂，该催化剂选自至少一种物理材料和一种光谱能量催化剂，所述物理材料至少部分对应于所设计的催化剂光谱能量谱型，及所述光谱能量催化剂至少部分对应于所设计的催化剂光谱能量谱型。
14.权利要求13所述的方法，其中所述至少一种物理材料包括至少两种组分的混合物。
15.权利要求13的方法，其中所述至少一种物理材料包括至少两种组分化学键合的混合物。
16.—种影响和导向反应系统的方法,包括 形成反应系统，其包括至少一种选自所需的中间体和所需的瞬变体的成员，及应用至少一种光谱能量谱型引起在所述反应系统中的至少一个成员的谱型宽化，导致稳定任何所述的所需的中间体和所需的瞬变体，使之形成至少一种所需的反应产物。
17.—种催化反应系统的方法,包括 形成反应系统，其包括至少一种物质组分；和 应用至少一种频率，所述的频率可实现与所述反应系统中的所述至少一种物质组分发生非谐波外差作用共振，导致产生至少一种所需的反应产物。
18.—种催化反应系统的方法,包括 使用至少一种第一光谱能量谱型；和 应用至少一种第二光谱能量谱型以形成至少一种所需的反应产物。
19.权利要求18的方法，其中所述至少一种第一光谱能量谱型和所述的至少一种第二光谱能量谱型被基本上连续应用，以形成应用光谱能量谱型。
20.权利要求18的方法，其中所述至少一种第一光谱能量谱型和所述的至少一种第二光谱能量谱型顺序应用。
21.一种影响和指导反应系统的方法，包括 形成反应系统，及 应用至少两种光谱能量谱型，其中所述至少两种光谱能量谱型的第一种引起在所述反应系统内遵循的第一种所需的反应途径，其中所述至少两种光谱能量谱型的第二种包括在所述反应系统内遵循的第二种反应途径。
22.—种选择性催化反应系统的方法,包括 形成反应系统， 应用至少第一种光谱能量谱型于所述的反应系统；及 接着应用至少一种第二种光谱能量谱型于所述的反应系统，因此所述第一种光谱能量谱型和所述的第二种光谱能量谱型在反应系统内可产生不同的反应途径。
23.—种控制反应系统的方法,包括 形成反应系统； 确定在所述的反应系统中的所有组分的谱型； 确定在所述反应系统中所有所需的反应产物的谱型； 确定至少一种将使用的应用光谱能量谱型，以得到所有的所需反应产物 '及 应用所述的至少一种应用光谱能量谱型。
24.一种在反应系统中控制反应途径的方法，包括 确定第一反应途径的反应系统中所有组分的光谱能量谱型； 确定第一反应途径的所有所需的反应产物的光谱能量谱型； 确定第二反应途径的反应系统中所有组分的光谱能量谱型； 确定第二反应途径的反应系统中所有组分的光谱能量谱型； 确定第一光谱能量催化剂以实现所述的第一反应途径；确定第二光谱能量催化剂以实现所述的第二反应途径 '及 选择应用所述的第一光谱能量催化剂和第二光谱能量催化剂，以按照所述的第一和第二反应途径中的每一种进行反应。
25.一种用光谱能量谱型催化反应系统的方法，包括形成反应系统，其包括至少一种选自反应物、瞬变体和中间体的成员 '及以足够时间和足够强度应用至少一种光谱能量谱型，以稳定至少一种选自至少一种瞬变体和至少一种中间体的成员，生成至少一种所需的产物。
26.一种用至少一种光谱能量谱 型催化反应系统的方法，包括 形成反应系统，其包括至少一种瞬变体；及 应用所有的所需光谱能量谱型，以稳定在所需的反应途径中的所有瞬变体。
全文摘要
本发明涉及光谱化学。本发明特别涉及催化剂领域，具体涉及通过在反应体系中使至少一种光谱能量谱型用作光谱催化剂或光谱能量催化剂的方法。本发明公开了模拟各种环境的反应条件下反应体系中多种催化剂的多种作用原理，以及通过采用一个或多个环境的反应条件模拟、至少部分模拟一个或多个环境的反应条件的方法。本发明还公开了用于涉及设计或确定反应体系中所用的合适物理催化剂的方法。采用本发明的方法，可更精确地控制反应程，提高反应的效率和选择性。
文档编号B01J19/00GK102962017SQ20121004392
公开日2013年3月13日 申请日期2001年9月11日 优先权日2000年9月11日
发明者朱莉安娜·H·J·布鲁克斯, 本特利·J·布卢姆 申请人:Gr智力储备股份有限公司