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分类号R914
Development of Microwave-Assisted Organic Chemistry
Zeng Zhaojun,Li Xiangwen
Department of Pharmaceutics,Shenyang Pharmaceutical University,Shenyang 110015
AbstractThe development of the research on the microwave-assisted organic chemisty since 1986 is reviewed.The principles of microwave irradiation accelerating organic reactions is introduced.The application of various microwave reactors is also reviewed.And the development of microwave-assisted organic chemistry is discussed in this paper.
Key wordsmicrowave irradiation;microwave-assisted organic chemistry;microwave-oven;microwave reactor
微波辐射(microwave irradiation ,MWI)最早用于有机合成反应是在本世纪60年代利用电磁辐射脉冲进行丙烯酸酯、丙烯酸和异丁烯酸的乳液聚合〔1〕.在MWI作用下聚合反应速度明显增加.此专利当时并未引起人们的重视.1970年Harwell实验室利用微波炉成功地处理了核废料以后，MWI技术扩展到化学领域.真正开始MWI技术在有机合成中的应用，始于加拿大学者R.Gedye等人〔2〕，他们于1986年在家用微波炉中进行了一系列有机小分子的合成研究，既所谓的“烹饪实验”.指出MWI可以大大加快反应速度(最高达1 240倍)，反应时间以分、秒计.此后，引起了化学界的极大兴趣.几年里，有关MWI促进有机反应速度的报道呈指数关系迅速增加，成为有机化学领域中迅速发展的一个热点.不到10年的时间已逐步形成了微波有机化学(microwave-assisted organic chemistry，MAOC)——有机化学的新分支学科.
微波(microwave MW)又称超高频电磁波，是波长从1 m～1 mm、频率从300 MHz～300 GHz(G=kM)的电磁波.由调速管、磁控管和行波振荡器等组成的MW发生器中产生，输出功率可达几微瓦～数千千瓦，广泛用于雷达和电讯中.为使微波应用领域规范化，避免互相干扰，国际公约规定下列频率：(915±25)MHz、(2 450±13)MHz、(5 800±75)MHz、(22 125±125)MHz用于 工业、民用及科学研究中加热和干燥.其中2 450 MHz相当于波长为12.2 cm的MW是最为广泛使用的频率〔3〕.常见的商用微波炉无论是进口的还是国产的均使用这个频率.
为什么MAOC反应会迅速进行呢?原因有三：其一，MWI具有很强的穿透作用，可以在反应物内外同时均匀、迅速地加热，故效率大大提高；其二，在MWI场作用下，导致反应物的活化能减小，反应速度加快；其三，在密闭容器中压力增大、温度升高也促使反应速度加快.三者综合在一起，就大大地提高了反应速度.
MWI的加热原理有二：其一，是通过“介电损耗”，所以有的文章中称之为“介电加热”.具有永久偶极的分子在2 450 MHz电磁场中产生共振频率高达4.9×109次/s，超高速旋转使分子平均动能迅速增加(温度升高).其二，是离子传导.离子化的物质在超高频电磁场中超高速运动(传导)，因摩擦而产生热效应.这取决于离子的大小、电荷的多少、传导性能如何及溶剂的相互作用等.一般来讲，具有较大介电常数的化合物如水、乙醇、乙腈等，在MWI作用下会被迅速加热；而极性小的化合物如芳香和脂肪烃类或没有净偶极的化合物如二氧化碳、二氧六环和四氯化碳以及高度结晶的物质，对MWI能量的吸收很差，不易被加热.
目前报道MAOC反应可分为两大类；湿式反应和干式反应.前者是指有溶剂参与的反应，后者是无溶剂参与的反应.
1MAOC湿反应
1.1在密闭容器中进行的MAOC反应
以所谓的“烹饪实验”为主，是最早发展起来的.它是将反应物和溶剂放入密闭的聚四氟乙烯容器内，在MW-oven中加热使反应进行.
1.1.1SN2反应〔2〕
(1)
反应1，传统的方法是在甲醇中回流12 h，产率为65%.用MW-oven加热，560 W时仅35 s，便可达到相同收率，反应速度是传统方法的1 240倍.同样条件下加热4 min，产率可达93%.
值得注意的是，在密闭容器中进行的MAOC反应，其反应速度与容积成反比.容积越小，压力越大、温度越高.最初常因这方面处理不好，导致容器爆炸或变形.为安全起见，反应器的容积一定不能太小，一般以反应溶剂与反应容积的比小于1/6为好〔4〕.
1.1.2Diels-Alder反应〔5〕
(2)
反应2，传统方法是在对-二甲苯中回流4 h，其产率为 67%.在MWI作用下，对-二甲苯作溶剂，仅4 min其产率已达87%.
1.1.3Claisen反应〔6〕
(3)
反应3，传统方法是加热到220℃保温6 h，其产率为85%.用MWI技术以DMF为溶剂，仅6 min其产率便达92%.
1.1.4皂化反应〔2〕
(4)
反应4中苯甲酸甲酯在7 mol/L的NaOH溶液中，用MWI加热与传统加热方法比较，水解速度快25倍，水解率可达84%.在日本，用橄榄油制备肥皂过程中，已开始用MWI加热来进行某些脂的皂化和合成〔4〕.
1.2在敞口容器中进行的MAOC反应
1.2.1MORE化学(microwave-organic reaction enhancement chemistry)
这是为了避免在密闭容器中进行的MAOC反应易发生爆炸、容器变形等事故而发展起来的，应用高沸点的极性溶剂为反应介质、利用敞口容器在MW-oven中进行的MAOC反应.反应温度一般控制在溶剂沸点以下20～30℃为宜.常用的溶剂有邻位二氯苯，bp 180℃；二乙二醇二甲醚(diglyme)，bp 162℃；DMF，bp 153℃等.一般用较大的烧杯或锥形瓶(250 mL)，溶剂量仅几毫升，反应物用量在1.0 g左右.由于玻璃不吸收MWI，且可以让MWI穿透，因此短时间(几分钟)容器上部仍保持冷却状态，可以使产生的溶剂蒸气冷凝下来，反应不必在密闭容器中进行，也避免了高压的危险.
缩合反应〔7〕：反应5，学生的平均收率为75%.这个反应已在美国新泽西洲赫伯肯的斯帝文斯技术学院的化学化工系学生的实验教学中采用.既缩短了课时又节省了试剂.MORE化学反应的缺点是高沸点溶剂给后处理带来不便，为此又发展了回流条件下进行的MAOC反应.
(5)
1.2.2回流条件下进行的MAOC反应
1.2.2.1采用“冷指”(cold finger)的反应器
在MW-oven中，用一个较大的玻璃烧杯作反应器，其上盖一个大沿儿小烧杯(内装干冰)作为“冷指”(内冷凝器).反应在大烧杯底部进行，低沸点溶剂气化后，遇到冷指就被凝结下来，达到回流目的.其原理是干冰为固态CO2，是非极性物质，能让MWI自由穿透而不吸收其能量，因此短时间内它不会升华，可以有效地将上升的溶剂蒸气冷凝下来，不致逸出.
有机金属反应〔8〕：MCl3·XH2O+C8H12［M(C8H12)Cl］+2，M=Rh,Ir
(6)
这项工作最早是英国牛津大学的Baghurst等人完成的.他们用MW-oven和带冷指的反应器，不仅合成了铑和铱的二烯烃化合物，还合成了三明治(Sandwich)型的［Fe(η-arene)2］+阳离子化合物.反应6若用传统方法，需在水和醇溶液中回流4～36 h；用MWI技术只需45～50 s.产率分别为91%和72%.上述装置可以进行许多有机合成反应.
1.2.2.2装有外冷凝器的MW-oven反应器
这类反应是在改装的MW-oven中进行.将普通MW-oven壁上打个洞，将外冷凝器与炉内的反应瓶用玻璃管连接在一起，反应在炉内进行，溶剂蒸气经冷凝器冷却后再回流到反应瓶内.这种装置可进行需要回流的大多数反应.如尼泊金酯类的合成〔9〕.
