微波辅助有机合成中_非热效应_的研究方法

进展评述

微波辅助有机合成中“非热效应”的研究方法

陈新秀　徐　盼　夏之宁3

(重庆大学化学化工学院　重庆　400030)

摘　要　微波作为一种新颖的加热方式,极大地提高了有机合成的效率。对于微波促进有机合成反应机理,人们提出了它具有“非热效应”。本文从微波对分子的影响、微波光量子对化学键的影响以及微波对化学

反应的影响3个方面,对“非热效应”存在的理论依据进行了阐述;从理论、实验以及两者相结合的角度,对“非

热效应”的研究方法与技术进行了综述。

关键词　微波　有机合成　非热效应

Methods for N on2therm al Microw ave E ffects in Microw ave Assisted Organic synthesis

Chen X inxiu,Xu Pan,X ia Zhining3

(C ollege of Chemistry and Chemical Engineering,Chongqing University,Chongqing400030)

Abstract　As a new heating technology,the microwave extraordinarily im proves the efficiency in organic synthesis.

The investigations on the mechanism of microwave2accelerated organic synthesis were supposed to be a“non2thermal

effects”.The theoretical foundation of non2thermal effects was studied on the basis of the im pact of microwave on m olecules,

chemical bonds and the chemical reactions.The studying methods and the especial technologies for evidencing the non2

thermal effects in microwave assisted organic synthesis were reviewed.

K eyw ords　M icrowave,Organic synthesis,N on2thermal effects

微波作为一种新型的加热方式已被广泛应用于有机合成等领域。在过去30年,微波辅助合成方法已被应用到几乎所有类型的有机反应。与传统加热方式相比,微波辐射可提高反应的产率或大大缩短反应时间[1,2],有时还表现出和常规加热不同的选择性[3,4]。尽管已有大量有关微波合成的研究报道,但是相比于常规加热方式,微波加速或改变化学反应的原因并不十分清楚。目前认为微波存在3种可能的效应:微波热效应,特殊的微波效应,微波非热效应。微波热效应及其特殊效应,已得到大家的认可[5];而微波“非热效应”的存在与否,至今依然是微波化学领域争论的一个焦点。

微波非热效应是指不能用单纯的热Π动力学效应或者特殊微波效应解释的微波场对化学反应的影响,还有,微波作用使一个处于相同温度等反应条件下的合成产生了不同的效果,也被列为“非热效应”之类。对于一个有机反应微波能否产生“非热效应”,目前尚有较大的分歧[6～12],有的文献用实验证明有“非热效应”;而另外又有文献证明没有“非热效应”。后者认为微波辅助有机合成产生不一样效果的原因是温度控制不准的结果。对此争议采用证明的方法多种,但却不能令众人信服。鉴于对“非热效应”研究方法的归纳总结以及综合评价尚未见报道,本文根据“非热效应”的理论依据,从理论、实验以及两者相结合的角度,对合成领域中“非热效应”的研究方法与技术进行综述。

1　微波“非热效应”的理论依据

111　微波对分子存在影响

科技部国际合作项目(2006DFA43520)和国家自然科学基金项目(20775096)资助

2009201221收稿,2009203209接受

在无微波场作用时,反应体系中分子的整体平均偶极矩为零;但在微波场存在的情况下,不管是极性分子还是非极性分子,它们的平均偶极矩都不等于零,即微波可引起分子的极化现象。这种情况下,微波加热是有别于常规加热的,因为常规加热条件下,没有这种场致偶极矩的变化。

112　微波光量子对化学键存在影响

微波的频率在300MH z～300G H z之间,能够激发分子的转动能级跃迁。微波光量子的能量(10-5 eV,2145G H z)太小,除了加热就不可能破坏任何化学键(共价键能量约5eV,氢键0104～0144eV)[13]。K alhori等[14]在对微波场下小分子的S N2反应的量子化学模型研究发现,溶剂化的分子中存在着受阻旋转形式的振动运动,并认为是微波光量子激励了这种振动模式。微波可引起分子的转动与振动就可能对化学键的断裂作出贡献,影响化学反应的发生。

113　微波对化学反应存在影响

分子之间的化学反应须经过有效碰撞才能发生。有效碰撞的条件一是反应物分子有足够的能量,二是反应物分子有合适的取向。微波对化学反应的影响一方面表现在对分子能量的影响,微波能不仅可以以振动能的形式存储于分子中[15],还会转化为分子间势能[16],引起分子能量的提高。另一方面微,微波场下偶极分子定向排列,促进反应分子相对于其共同质心的运动。微波对分子能量及分子取向的影响,大大提高了有效碰撞频率,从而加快反应速度。

此外,微波还会影响化学反应体系的平衡状态。对典型的Schlǒgl形式的自催化复杂化学反应(达到稳态)进行的研究表明,没有微波辐射作用时,体系将长期处于稳态,而1mWΠcm2的弱微波辐射就可改变系统的状态[17,18],即弱微波作用可以对化学反应系统的平衡产生影响。

2　“非热效应”研究的仪器装置

早期的微波辅助有机合成反应是在家用微波炉中进行的,存在反应温度、微波功率不可控等缺点,因而在家用微波炉上进行“非热效应”研究缺乏足够的说服力。20世纪90年代中期,微波辅助有机合成的日益增长促进了专用微波合成仪的发展。专用微波合成仪具有温度测量装置、功率控制单元和内置的磁力或机械搅拌装置等,实现了实时温度控制、功率控制以及对反应混合物有效的搅拌等,促进了微波“非热效应”的研究。

绝大多数的“非热效应”研究都是在固定微波频率(2145G H z)下进行的,因而忽略了微波频率对反应的影响。分子的转动、振动都能在微波波段发生,不同频率的微波辐射对分子能量的影响是不同的,那么是否存在一个引起分子达到最佳能量状态的频率呢?从微波频率角度来考察“非热效应”是一种很好的方法,然而受到民用微波频率的限制,目前的研究还较少。为此,出现了设计可变微波频率的微波化学反应器的报道,其核心部件为产生特殊频率的微波发生器,此外还配备了微波功率调节器、红外或光纤测温传感器等。采用可变频率的微波发生装置(微波激光治疗仪)[19],张志斌等[20]考察了434MH z、1G H z微波对二苯硫脲反应的影响,结果表明微波频率不同对反应影响较大,即反应对微波频率具有一定的选择性。在其它条件相同的情况下,H orikoshi等[21]对比了518G H z、2145G H z以及常规油浴下离子液体[bmin]BF

4的合成,产率分别为87%、28%、21%,进一步表明,微波频率会对反应产生影响。至于频率对化学反应的影响机制有待进一步深入研究。

另一类特殊的反应装置是具有同步冷却功能的微波化学反应器。现阶段常见的具有同步冷却功能的微波反应装置是美国CE M公司推出的Discover Benchmate和Discover C oolmate。前者配备了可供选择的红外测温及光纤温度传感器,保证反应温度的快速、准确测定,它以压缩空气为冷却介质,通过进气阀调整气体流量,有效地控制反应温度;后者带有原位光纤温控探头,能方便、准确地测定体系的温度,它还装备了带夹套的低温反应容器,化学反应在夹套内层进行,夹套外层循环着不吸收微波的冷却介质,不断循环的冷却介质维持反应器整体处于低温状态,最低可达-80℃。同步冷却装置的发展为“非热效应”的研究提供了有力的手段。首先,它在改变微波辐射功率的同时可以保持相同的反应温度,为考察微波功率对反应的影响提供了途径。目前的文献报道[11,22]表明,只要温度相同,微波辐射功率不会对反

应结果产生影响。其次,它还将微波条件下的反应温度降至室温以下,实现了低温条件下的反应,更好地减小了微波热效应的影响,详细的例子见本文413节。

3　基于物理化学方法的“非热效应”研究

由Arrhenius定律k=A exp(-E

aΠR T),反应的速率常数k和指前因子A、活化能E a以及反应的温度T有直接的关系。微波加速了反应,也就是对温度、指前因子和活化能3者中的一个或多个有影响。微波辐射提高反应温度是热效应的体现,对指前因子和活化能的影响应是“非热效应”。因此,去除温度的影响或保证微波与常规反应下有相同的温度,通过比较微波条件下和常规条件下反应的动力学,可以获得微波对指前因子和活化能的影响,从而证明“非热效应”的存在。

311　微波对指前因子的影响

指前因子A的物理意义为单位时间、单位体积内一对分子发生碰撞的次数,决定于反应界面上原子的振动频率。微波对指前因子的影响多体现在无机材料的合成上,如Cross[23]发现对于碳化钡的合成,其指前因子增加了313倍。

312　微波对活化能的影响

根据现代反应速率理论和T olman对活化能的解释,活化能为过渡态的平均摩尔能量与反应物全部分子平均摩尔能量之差。如果微波的存在会稳定过渡态,降低反应活化能,微波就具有了“非热效应”。

Sivalingam[24]对在微波辐射下ε2己内酯的聚合反应的历程研究发现,在反应过程中,反应温度随着反应时间变化,因此建立了与温度、时间相关的速率常数模型,算得热聚合、热辅助催化聚合、微波辅助催化聚合反应的活化能分别为2413、1314、517kcalΠm ol,表明微波通过降低活化能促进了聚合反应的进行。

微波可同时改变反应的活化能与指前因子[25]。在C O

2与环氧化物反应制备环状碳酸酯的反应中, C O2大大过量,可视其浓度为一定值,将该反应体系视为准一级反应。从实验数据绘得的动力学曲线看,准一级假设是很合理的。在微波条件下,E

=4612k JΠm ol,A=2175×10-3s-1;而常规条件下,则是

a

E a=6312k JΠm ol,A=5143×10-3s-1。显然,微波同时降低了反应的活化能和指前因子,而且微波对活化能的降低作用大于对指前因子的作用,从而导致了反应速率的提高。在甲基丙烯酸甲酯的聚合反应[26]及富勒醇合成反应[27]中,也得到相似的结论。

313　其它动力学参数

除了活化能与指前因子,表征化学反应动力学特征的还有反应级数与反应速率常数。若微波对反应体系只产生热效应,那么微波辐射下的反应级数应与常规加热时一致,反应速率常数随温度的变化应满足Arrhenius规律。若微波下的反应级数与反应速率常数不满足上述假设,则应属于“非热效应”的范畴。

实验发现[28],在微波作用下回流的3,42二氯甲苯中42氯苯甲醛(PC AD)经卤素交换氟化制备氟代苯甲醛的反应的ln[C(PC AD)]～t曲线发生较大的改变,具备二级反应的特征;还有,42氯硝基苯(PC NB)的氟化反应,常规加热回流条件下,反应的动力学曲线ln[C(PC NB)]～t为一直线;而微波加热回流下则呈曲线关系,将其作为假二级反应处理,其1ΠC～t曲线满足线性关系[29],这些都表明微波辐射下,反应由一级反应变为了二级反应。微波辅助的ε2己内酯的开环聚合反应的反应速率常数在180℃突然上升,然而随着反应温度的升高,速率常数的增加并不符合Arrhenius规律,这也是存在“非热效应”的又一证明[30]。

4　考察微波“非热效应”的专门技术

411　同等升温速率比较技术

从20世纪90年代初,人们利用在相同温度条件下由微波加热与传统加热所进行的有机反应有着显著不同的产率这一点来证明“非热效应”的存在[31～33]。然而,相同的起始温度和最终温度并不能保证

相同的升温过程(温升曲线),因此,这些研究并不能排除热效应的干扰。只有采用相同作用对象,通过微波加热与传统加热两种方式,在相同的时间内,以相同的升温速率加热到相同的温度,得到不同的结果,才可认为存在“非热效应”。为此,Chatti等[34]采用带有红外以及光纤测温器的单模微波反应器(Prolabo,Synthewave402),在无溶剂条件下考察了新型聚(醚2酯)的合成。通过调节微波功率、油浴的升温速率,达到相同的升温速率的目的。在保证了相同的温度、压力、反应时间甚至相似的温升曲线的前提下,不仅观察到反应产率的提高,而且也观察到反应选择性的改变。

在这里要强调,研究“非热效应”的有效方案应是在无溶剂条件下的情况,因为此时微波效应不会受到溶剂效应的掩盖或限制[5],Diaz2Oritz等[45]在极性过渡态理论研究时就采用了无溶剂技术,取得了很好的效果。

412　低功率微波辐射技术

微波热效应常常会掩盖和干扰“非热效应”,这是目前研究微波非热效应的最大困难。利用不产生加热作用的低功率微波进行反应所得到的作用效果可以认为与温度没有关系,是“非热效应”的表现。

利用特殊的低功率微波发生装置(微波激光治疗仪)[19],进行“非热效应”研究是一种比较理想的方法。在与常规技术一样的水浴加热回流下,张志斌等在紧靠烧瓶外壁对反应体系施以低频率(1G H z)、低功率(50mWΠcm2)微波连续辐照,进行了苯酚与丙酮醛合成双酚A的反应[35]、苯胺与二硫化碳的缩合反应[20]和苯甲酸与甲醇的酯化反应[36]。与常规回流方法相比,1G H z,50mWΠcm2微波可使反应速度提高5～10倍以上,产率也有相应提高,他们认为这可能是与分子间氢键及分子的缔合作用有关,微波对这几类反应存在“非热效应”。例如,在下面示出的苯甲酸的酯化反应中,反应物苯甲酸、甲醇均系极性分子,可通过分子间氢键形成分子聚集体。在微波作用下,分子间氢键高度扭曲,降低了分子的缔合强度,进而增加反应物的活性,导致反应速度明显加快。

413　微波辐射2同步冷却技术

目前很大一部分工作是通过在保证其它条件一致的情况下,比较常规加热和微波加热所得实验结果是否一致,来验证微波“非热效应”。然而在采用微波加热时常常会碰到这样一个问题,当微波辐射一段时间后,必须降低功率或停止微波辐射才能保证反应温度的一致。因此微波辐射的实际时间很短,由微波与常规加热作用时间不一致所得到的实验结果来解释微波效应是不合理的。或者从另一角度看,“非热效应”是微波自身引起的,在更多的微波辐射下,就更可能体现出此效应[37]。因此有了同步冷却技术的出现,反应容器在接受微波辐射的同时,从其外部通压缩空气或硅油等其它冷却介质进行冷却。这一方法既能连续地带走热量而防止过热,又能对反应体系进行同步冷却,延长微波辐射时间并维持与常规加热相同的反应温度。

苯乙炔与溴代丁二酰亚胺(NBS)反应生成溴代苯乙炔[38],在同样的反应时间内,室温无微波辐射条件下产率为14%;微波辐射下157℃反应,产率仅为15%;但在同步冷却微波辐射下18℃反应,产率提高到62%。此外,还有一些相关的研究报道[39～42]表明,微波辐射2同步冷却技术的应用不同程度地提高了产物的产率,减少了副产物的生成。对这些现象,仅用热效应是无法解释的。

微波不仅提高了糖基化产物的产率,而且也促进了之前认为不可能进行的反应的发生。在没有微波辐射下的控温反应仅得到副产物;Shimizu等[43]在微波辐射下同时采用冷却技术,得到了目标化合物。这个结果仅仅用温度的不均匀性[11](“局部温升”、“热点”等)来解释缺乏充分的说服力。他们认为糖基受体可能以类似于胶束的“簇”的形式存在,由于反应的活性位点羟基隐藏在“簇”里,常规条件下,羟基不会被含氧碳　离子进攻,而在微波辐射条件下,微波能够破坏“簇”,释放出羟基从而促进了反应的进行。

5　以极性过渡态理论研究“非热效应”的方法

对于在微波辐射与常规加热反应下观察到不同的结果(特别是发现选择性发生了改变),人们提出相应的理论,再用模拟计算的方法来证明理论的正确性,又将其指导新的实验。这种方法在极性过渡态理论中得到了很好的体现,是研究“非热效应”的又一行之有效的方法。

在C

70与N2甲基甲亚氮叶立德的环加成反应中,微波改变了反应的选择性,由此产生了极性过渡态理论,即在包含有至少一个极性过渡态存在的非同步竞争性反应中,生成更大的极性过渡态的反应能更加有效地为微波所作用。用PM3半经验哈密顿函数模拟了该环加成反应,并计算了不同反应路径下,从基态到过渡态偶极矩的变化,计算结果表明,微波下的占有优势的反应路径其基态到过渡态偶极矩的变化大于常规下的变化[44]。Díaz2Oritz将其用于亚硝基脯氨酸酯的合成[45],在微波辅助下得到了新的异构体c。

1,42苯并二氮　222酮与烷基取代的氯乙胺的反应[46],也有类似的发现。对一个反应体系,能够生成极性更大过渡态的反应路径在微波下占有优势,由此引起了反应产率的提高或是选择性的改变,从实验与理论相结合的角度证明了“非热效应”。

6　结语

目前对有机合成中“非热效应”的研究大部分以实验为基础,由此得到的关于“非热效应”机理的解

释有:微波改变了指前因子、活化能等动力学参数;从实验角度出发对非热效应的解释;极性过渡态理论。其中,从实验出发对“非热效应”的解释大多停留在推测的基础上,有待进一步的深入研究。在无机合成领域,微波可增强扩散过程、增加烧结速率、改变烧结体性能等,从而体现出“非热效应”。

研究微波“非热效应”关键之处在于要消除热效应的影响或保证微波和常规下有相同的热效应。在准确测温的基础上,同步冷却技术应该在“非热效应”的研究上具有广阔的前景,无溶剂反应也应引起关注。微波的“非热效应”是否存在,目前在微波有机合成领域仍然是争论的焦点,特别是对于微波场下的温度测量问题准确性的争论。因此,发展微波场下的温度测量的新方法与技术,对于微波“非热效应”的研究显得尤为迫切。

参考文献

[1]　D V K uznets ov,V A Raev,GL K uranov et .Chem.,2005,41(12):1719～1749.

[2]　M Panunzio,Z N X ia,X J Mu et al.Synthesis(S tuttgart),2008,11:1753～1756.

[3]　A Díaz2Ortiz,A De la H oz,A M .Chem.,2004,8(10):903～918.

[4]　许家喜.化学进展,2007,19(5):700～712.

[5]　C O K appe.Angew.Chem.Int.Ed.,2004,43:6250～6284.

[6]　L Perreux,A Loupy.T etrahedron,2001,57:9199～9223.

[7]　N K uhnert.Angew.Chem.Int.Ed.,2002,41(11):1863～1866.

[8]　C R S trauss.Angew Chem.Int.Ed.,2002,41(19):358923590.

[9]　A De la H oz,A Díaz2Ortiz,A M oreno.Chem.S oc.Rev.Int.Ed.,2005,34:164～178.

[10]　M A Herrero,J M K remsner,C O K .Chem.,2008,73(1):36～47.

[11]　T Razzaq,J M K remsner,C O K .Chem.,2008,73(16):6321～6329.

[12]　M H osseini,N S tiasni,V Barbieri et .Chem.,2007,72(4):1417～1424.

[13]　M Nüchter,B Ondruschka,W Bonrath et al.G reen Chem.,2004,6:128～141.

[14]　S K alhori,B M inaev,S S tone2E lander et al.J.Phys.Chem.A,2002,106(37):8516～8524.

[15]　S A G alema.Chem.S oc.Rev.,1997,26:233～238.

[16]　黄卡玛,贾国柱,杨晓庆.物理化学学报,2008,24:1～9.

[17]　A K Vidybida.J.Theor.Biol.,1991,152(2):159～164.

[18]　A K Vidybida.Physics of the Alive,1995,3(1):38～39.

[19]　彦鼎.CN:1185980A.1996.

[20]　张志斌,周兰香.扬州大学学报(自然科学版),2000,3(4):14～16.

[21]　S H orikoshi,T Hamamura,M K ajitani et .Process Res.Dev.,2008,12(6):1089～1093.

[22]　N E Leadbeater,S J Pillsbury,E Shanahan et al.T etrahedron,2005,61:3565～3585.

[23]　J G P Binner,N A Hassine,T E Cross.J.M ater.Sci.,1995,30:5389～5393.

[24]　G S ivalingam N Agarwal,G M adras.J.Appl.P olym.Sci.,2004,91:1450～1456.

[25]　F Ono,K Qiao,D T om ida et al.J.M ol.Catal.A:Chem.,2007,263:223～226.

[26]　J Jovanovic,B Adnadjevic.J.Appl.P olym.Sci.,2007,104:1775～1782.

[27]　B Adnadevic,M G ig ov,M S indjic et al.Chem.Eng.J.,2008,140:570～577.

[28]　梁政勇,吕春绪,李斌栋.化学通报,2006,70(11):836～837.

[29]　Z YLiang,C X Lü,J Luo et al.J.Fluorine Chem.,2007,128:608～611.

[30]　H Li,L Q Liao,L J Liu.M acrom ol.Rapid C ommun.,2007,28:411～416.

[31]　R N G edye,F Sm ith,K W estaway et al.T etrahedron Lett.,1986,27(3):279～282.

[32]　D M P M ing os,D R Baghurst.Chem.S oc.Rev.,1991,20:1～47.

[33]　A K Bose,M S M anhas,M G host et .Chem.,1991,56(25):3968～6970.

[34]　S Chatti,M Bortolussi,D Bogdal et al.Eur.P olym.J.,2006,42:410～424.

[35]　张志斌,张明.福建化工,1998,4:27～28.

[36]　Z B Zhang,L X Zhou,M Zhang et al.Synth.C ommun.,2001,31(16):2435～2439.

[37]　B L Hayes.Aldrichim.Acta,2004,37(2):66～76.

[38]　S H orikoshi,N Ohm ori,M K ajitani et al.J.Photochem.Photobiol.,A:Chem.,2007,189:374～379.

[39]　I R Baxendale,C M G riffiths2Jones,S V Ley et al.Chem.Eur.J.,2006,12:4407～4416.

[40]　B K S ingh,V P M ehta,V S Parmar et .Biom ol.Chem.,2007,5:2962～2965.

[41]　B K S ingh,P Appukkuttan,S Claerhout et .Lett.,2006,8(9):1863～1866.

[42]　P Appukkuttan ,M Husain ,R K G upta et al.Synlett ,2006,10:1491～1496.

[43]　H Shim izu ,Y Y oshimura ,H Hinou et al.T etrahedron ,2008,64:10091～10096.

[44]　F Langa ,P De la Cruz ,A De la H oz et .Chem.,2000,65(8):2499～2507.

[45]　A D íaz 2Ortiz ,A De la H oz ,M A Herrero et al.M ol.Diversity ,2003,7:175～180.

[46]　J K M ishra ,J S Rao ,G N Sastry et al.T etrahedron Lett.,2006,47:3357～

3360.

陈新秀

1984年8月生于福建三明

2007年毕业于重庆大学本科现系重庆大学化学化工学院化学系硕士

生

从事微波辅助的有机合成化学研究

Email :sssugar @163.

com 夏之宁1961年8月生于重庆1995年获丹麦哥本哈根大学博士学位现系重庆大学教授(博士生导师)从事分析化学和药物化学研究Email :chem -lab -cqu @

(上接第673页)

Synthesis

of 52ethyl 232hydroxy 242methyl 22(5H )2

furanone T ian H ongyu ,Zhang Hao ,Sun

Baoguo ,X iao Y ang

Huaxue T ongbao ,2009,72

(8),

758The titled com pound was synthesized through the G rignard reaction ,condensation ,hydrolysis and decarboxylation started from diethyl oxalate.The overall yield was about 36%.Study on

the [2+2]cycloaddition of pyrazol 2

chalcones Liu Jingui ,Wang G uohui ,Dang Shan

Huaxue T ongbao ,2009,72

(8),

762The titled com pounds were synthesized by [2+2]cycloaddition from 42formyl 2

pyrazole and substituted acetophenones

at present of K OH.