Chapter 4-微波辐射有机合成

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在微波炉的壁上打孔,将冷凝器与炉内的反应系统连结 起来,并配以搅拌、滴加、冷凝分水装置,使之成为真正 的微波常压反应系统。该反应系统与一般的有机合成反应 装置更接近、更安全和方便,更具实用性,可以使绝大多 数常规化学反应在微波条件下进行。 如:反式丁烯二酸与甲醇的酯化反应,微波作用下,回 流 50 min,产率为 82%,而传统方法需 8 h:
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(1) 微波的加热效应
微波的加热效应: 微波具有对物质高效、均匀的加热作用,使化 学反应速度明显提高。 微波加热是将微波的电磁能转化为热能,其转变的过程与物 质中分子等微观粒子的运动有关。在电磁场的作用下,物 质中微观粒子可产生 4 种类型的介电极化: (a) 电子极化 (原子核周围电子的重新排布)、 (b) 原子极化 (分子内原子的重新排布), (c) 取向极化 (分子永久偶极的重新排布) , (d) 空间电荷极化 (自由电荷的重新排布)。 前两种极化的驰豫时间在10~12 S 至 10~13 s 之间,比微 波频率快得多,后两种极化的驰豫时间与微波的频率相 近,可以产生微波加热,即可通过微观粒子的这种极化, 将微波能转化为热能。
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微波加热具有以下特点: (a) 可以实现分子水平上的加热,且温度梯度小; (b) 可以对混合组成进行选择性加热; (c) 加热无滞后效果。 微波的加热效应对化学反应的促进作用来源于两个方面: (a) 微波有极强的传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。 (b) 在密闭容器中压力增大、温度升高也促进反应速度的 加快。
CH3
CH2 O C2H5 + C5H11COOH O O C C5H11 + C2H5OH
LaBr3 MWI
CH3
CH2
MWI 表示微波辐照(microwave irradiation) 值得注意的是,密闭容器中进行的微波合成反应,其反应速度与容 积成反比,容积越小,则温度越高,压力越大,反应速度也就越快, 因此也极易引起容器的爆炸与变形。为了安全,反应器的容积一般不 能太小,且试剂体积与容积之比小于1/6。
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2. 微波反应机理
微波 (Mirowave,Mw) 又称超高频电磁波, 波长: 1 m~10 cm; 频率: 300 MHz~300 GHz; 它位于电磁波谱的红外辐射(光波)和无线电波之间。 微波在 400 MHz~10 GHz 的波段专门用于雷达,其余部分用于电讯 传输。 由于微波的热效应,从而使微波作为一种非通讯的电磁波广泛用 于工业、农业、医疗、科研及家庭等民用加热方面。 国际上规定各种民用微波的频段为 915 MHz±50 MHz(为了防止 民用微波对雷达、无线电通讯、广播、电视的干扰)。 微波对反应体系的作用非常复杂,其机理到目前为止还不是很清 楚。归纳起来,主要有以下几个方面。
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二、微波有机合成装置
实验中微波有机合成一般在家用微波炉或经改装后的微波炉中进 行。反应容器一般采用不吸收微波的玻璃或聚四氟乙烯材料。 无挥发性的反应体系(包括反应物、产物、溶剂和催化剂等)。 可在置于微波炉中的敞口器皿中反应。这种反应技术的缺点是很难 对反应条件加以控制,并且在反应过程中温度高时液体有溢出的可 能。 挥发性不大的反应体系(蒸气压不高),可采用密闭合成反应技 术。将反应物放入聚四氟乙烯容器中,密封后置于微波炉中,开启 微波进行反应。 这一技术的缺点是反应器容易发生爆裂,因而常常 在反应器外面再包上一层抗变形的不吸收微波材料的刚性材料。另 一方面,这一技术的温度控制也比较麻烦。
在沸水下常规进行,不断有 NH3 放出,产率极低,而沸水 浴不变,用微波辐射,氨气逸出很少,按化学反应计量比投 料,产率高达 98% ,这个现象用加热效应无法解释。这表 明了微波辐射非热效应的存在。
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3. 微波对有机化学反应的影响
微波的波长在 0.1~100 cm 之间,能量较低,比分子间的范 德华结合能还小,因而只能激发分子的转动能级,根本不能直 接打开化学键。 微波加快化学反应主要是靠加热反应体系来实现的。但同 时,微波电磁场还可直接作用于反应体系而引起所谓的“非热 效应”,如微波对某些反应有抑制作用,可改变某些反应的机 理。 另外,微波对反应的作用程度不仅与反应类型有关,而且还 与微波本身的强度、频率、调制方式(如波形、连续、脉冲等) 及环境条件有关。
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化学系使用的微波仪
封闭型反应瓶
空气冷却装置
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2. 微波常压合成反应技术
1991年,Bose 等人开始进行微波常压反应技术的尝试。他们选择较高 沸点的溶剂 (高于反应温度 20~30℃) 来控制所需的温度条件,成功地在 微波炉内进行了阿司匹林中间产物的合成。(为了改变密闭条件下温度 压力难以控制的缺陷,使反应在安全条件下进行) 上述反应体系是敞开的,反应物和溶剂极易挥发至微波炉内,一旦碰 到火星甚至爆炸。 英国牛津大学的 Baghurst 等人采用带“冷指”的反应器,即用一个较大 的玻璃杯作反应器,其上盖一个放有干冰的表面皿。由于干冰是非极性 物质,能让微波自由通过而不吸收热量,因此在短时间内不会升华,可 以有效地将上升的溶剂蒸汽冷凝下来。Baghurst 等人用该法合成了铑和 铱的二烯烃化合物 和三明治型的 [Fe(η一arene)2]+ 阳离子化合物。 MC13XH2O + C8Hl2 [M(C8Hl2)C1]2+
NC ONa + Cl CH2 NaOH NC O CH2
该反应用传统方法在甲醇中回流 12 h,产率为 65%,而微波加热 35 s 就得到相同的产率,比传统方法快 1240 倍,微波加热 4 min, 17 产率可达 93%。
羧酸与醚一般较难酯化,而在微波辐射下用弱 Lewis 酸催化。2 min 内产率可达到 61%~84%。(由于产生高温高压,微波的密闭合成反 应还能使本不能或极难进行的反应变得较易进行)。
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过热现象: 由于微波加热的直接性和高效率,往往会产生过热现象,例 如:在 0.1 MPa 压力下,绝大多数溶剂可过热 10~30℃,而在 较高压力下甚至可过热 100℃。因此在微波加热时,必须考虑 过热问题,防止暴沸和液体溢出。 反应速率的提高: 由于微波具有对物质高效、均匀的加热作用,而大多数化 学反应速率与温度又存在阿累尼斯关系 (即指数关系),从而 微波辐照可极大地提高反应速率。 大量的实验结果表明,微波作用下的有机反应的速率较传 统加热方法有数、数十倍甚至上千倍的增加,特别是可使一 些在通常条件下不易进行的反应能迅速进行。
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微波加热原理: 在液体中电介质分子的偶极子转向极化(取向极化)的 弛豫时间在 10-12 ~10-19s 之间,这一时间与微波交变电场振 动一周的时间相当。因此,当微波辐照溶液时,溶液中的极 性分子受微波作用会吸收微波能量,同时这些吸收了能量的 极性分子在与周围其他分子的碰撞中把能量传递给其他分 子,从而是液体温度升高。因液体中每一个极性分子都同时 吸收和传递微波能量,所以升温速率快,且液体里外温度均 匀。
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微波诱导催化反应操作的基本过程: 将高强度短脉冲微波辐射聚集到含有某种 “敏化剂” 的固 体催化剂床表面上,由于固体表面点位 (一般为金属) 与微波 能的相互作用,微波能将被转换成热,从而使某些表面点位 选择性地被快速加热到很高温度 (一般极易超过 1400℃)。 虽然反应器中的任何有机试剂未被加热,但它们与受激发 的表面点位接触时即可发生化学反应,通过适当控制微波脉 冲的辐射时间即可控制催化剂表面的温度,从而达到控制反 应进程并减少副反应发生的目的。
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• 1975 年, Mosian 等发明了一种表面波器件; • 1976 年, Beenakker 提出了Tmoio 谐振腔并获得了常压氦微波 等离子体; • 1981 年,嘉茂睦等用微波等离子体增强化学气相沉积法,以 CH4 与 H2 为原料,在钼与硅基上沉积出厚度为 1-2 m 的金刚 石膜,此方法现已用于微波电子材料的刻蚀、净化,高分子 材料的表面改性与光刻胶的剥蚀等加工过程,并已形成一定产 业。 • 直到 1986 年起,加拿大化学家 Gedye 等发现微波辐射下的 4氰基苯氧离子与氯苄的 SN2 亲核取代反应可以使反应速率提高 1240 倍,并且产率也有不同程度的提高。从此微波有机合成 逐渐变得流行起来。
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(3) 微波的非热效应 人们在实验中发现微波对化学反应的影响不仅与微波和化 学反应有关,还与环境条件有关,微波不仅可以加快化学反 应,在一定条件下也可以抑制反应的进行。微波还可诱导一 些加热条件下不出现的选择性反应的发生。如有人利用微波 合成磷酸锌:
3ZnSO4 + 2H3PO4 + 3(NH3)2CO + 7H2O = Zn(PO4)2·4H2O + 3(NH4)2SO4 + 3CO2
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微波合成技术可以分为以下三个方面:
1. 微波密闭合成反应技术
微波密闭合成反应:将装有反应物的密闭反应器置于微波源中, 启动微波,反应结束后冷却至室温再纯化。 密闭体系中进行的微波有机合成反应实际上是高温高压 (最高 可达 250℃,8 MPa)下进行的反应,它可以使反应以极大的速度 在短时内进行,反应速度比传统的加热方法快几百倍甚至上千倍。 其中最典型的是 4一氰基苯氧离子与氯苄的 SN2 亲核取代反应:
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介质在微波场中的平均升温速率与微波频率(υ)、电场强 度(E)的平方和介质的有效损耗(εe")成正比,与介质密度 (ρ)和恒压热容(cp)成反比,即:
T-T0 t
5.66×10-11εe"vE2 = ρcp
t 为微波辐照时间;T0 和 T 分别为液体辐照前后的温度。 介质的有效损耗与液体的介电常数成正比,如极性较大的乙 醇、丙醇、乙酸等具有较大的介电常数,50 ml 液体经微波辐 照 1 min 后即可沸腾,而非极性的 CCl4 和碳氢化合物等的介 电常数很小,则几乎不吸收微波。 要想获得高热效应,必须使用极性溶剂,如水、醇、酸等。
第四章 微波辐照有机合成 Chapter 4 Microwave Irradiation Organic Synthesis
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一、概述
微波化学 (Microwave Chemistry,简称MC) 是近几十年刚 刚兴起的一门新交叉学科,经过短短几十年的发展,微波化 学已经渗透到有机合成、无机合成、分析化学、非均相催化、 采油、炼油、冶金、环境污染治理等众多化学研究领域。 随着微波合成技术的不断提高,微波化学已成为目前化学 领域最活跃的领域之一。由于微波作用机理的特殊性,微波 化学对很多化学领域,特别是有机合成领域带来了冲击。
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(2) 微波诱导催化反应 许多有机化合物不直接明显地吸收微波,但可以利用某 种强烈吸收微波的 “敏化剂” 把微波能传递给这些物质而诱 发化学反应。如果选用这种 “敏化剂” 做催化剂或催化剂载 体,就可以在微波照射下实现某些催化反应,这就是微波 诱导催化反应。
微波诱导催化反应与加热效应的不同: 微波诱导催化反应是通过催化剂或其载体发挥诱导作用 的,即消耗掉的微波能用在诱导催化反应的发生上。
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1. 微波化学的定义及发展历史
微波化学是根据电磁场理论和电磁波理论、介电质物理理 论、凝聚态物质理论、等离子体物理理论、物质结构理论和 化学原理,利用现代微波技术来研究物质在微波场作用下的 物理和化学行为的一门科学。 • 20 世纪 30 年代,发明产生微波的电子管。开始微波技术仅用 于军事雷达; • 1947 年,美国发明了第一台加热食品的机器——微波炉; • 1952 年,微波等离子体用于光谱分析; • 60 年代后,用于无机材料的合成,如表面膜(金刚石膜、氮 化硼膜等)和纳米粉体材料的合成;
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• 近几十年来,微波辐照有机合成技术发展很快,已取得了 一大批成果。 迄今为止,研究过并取得效果的有机合成反应有: Diels—Alder环加成反应、重排反应、酯化反应、Pekin反应、 烷基化、氧化、取代、缩合、加成、聚合等,几乎涉及有机 反应的各个领域。同时,微波也可以适用于一些无机固相反 应中,如陶瓷的烧结、固体快离子导体的制备、超细粉末材 料和沸石分子筛的合成等。
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