面向化学研究的微波反应器

面向化学研究的微波反应器

微波直接将能量辐射到反应物上，使分子产生高速旋转和碰撞，实现内加热，并使微波作用下的化学反应具有强活化温转化、反应速度快、转化率高和选择性好的特点。从微波化学反应器的发展，分析了它们各自的特点，结合基础化学实验室的实际情况，以家用微波炉为基础设计改装了微波化学反应器。以十一烯酸锌的合成反应和醇的氧化反应为例，验证了微波化学反应的优越性。

微波化学反应器的基本原理

“化学是这样一门艺术，它使容器内的物质通过特定的实验手段一主要是火，使之发生变化，并从哲学或医学的角度来研究其意义”。两百年后的今天，实验手段中的火，已经被其它多种能量形式所取代，如电热，紫外光，激光，超声波，等离子体，高能辐射等，并在工业装置上得到了广泛的应用。1986年，R．Gedye将微波这种能量形式成功地引入到化学反应中。微波是频率范围在300MHz至300GHz之间的电磁波。这个区域内大部分的频率被“国际通讯联盟”划入通讯专用，只有少数的波段可供工业、科学及医学方面使用，其中家用微波炉常用的频率是2450MHz。

微波的加热机制与特点

对于凝聚态物质，微波主要通过两种机制起到加热作用：一种是极化机制，另一种是离子传导机制。通常极化有电子极化、原子极化、偶极极化和界面极化四种类型。物质总的极化程度是这四种极化作用之和，其中偶极极化和界面极化对微波介电加热起了主要作用；而离子传导机制则是介质内所存在的自由移动的离子，在电磁场中产生离子迁移电流，进而产生电流损失(即产生热)。在微波场中，这两种机制通常是共存的，而贡献大小则由介质自身的性质来决定。一般说来，离子化合物离子传导机制占主导，共价化合物则是极化机制占主导，金属则不发生加热机制。

由于微波介电加热具有以上所述的特殊机制，它表现出比常规方式优越得多的加热性能。常规方式加热需要在温度梯度的推动下，经历热源的传导，媒介的对流传热，容器壁的热传导，样品内部的热传导等过程；而微波介电加热则不同，玻璃容器壁对微波是透明的，微波将能量直接辐射到样品分子上，迅速提高反应物温度，并不依赖于温度梯度的推动。

微波辐射条件下化学反应的特点

(1)强活化，温转化；(2)反应速度快；(3)转化率高；(4)选择性高

微波化学反应器的发展

微波化学反应器是微波化学实验研究和工业生产中的核心部分，也是该领域获得专利技术保护最多的部分。影响微波化学反应器设计的主要因素是：(1)待处理产品对微波的响应特性；(2)待处理样品自身的物理特性；(3)实验目的或要求的处理速度。自从微波化学的研究开展以来，微波化学反应器的设计经历了以下几个阶段：家用微波炉；改装的家用微波炉；带有控制装置的微波化学反应器。

应用

近年来，化学家们对各种类型的化学反应在微波条件下进行了研究，如：水热合成，微波诱导催化，微波消解溶样，微波等离子化学反应，微波表面改性，微波硫化，微波热解，微波萃取，环化加成与缩合，脂肪族与芳香族取代，氧化反应，催化加氢，双键加成，脱羧反应以及自由基反应等。还有结合新型绿色化学实验，在改装过的微波化学反应器内，十一烯酸锌(抗菌防霉药物)的合成反应以及选择

性氧化反应。（在微波加热条件下，我们使用苯并咪唑重铬酸盐对醇的氧化反应。对十多种不同的醇的氧化结果可以发现：它只氧化苄基位或烯丙位的醇羟基而不氧化饱和脂肪族的醇羟基，尤其是对氯霉素分子的氧化，更令人信服地证明了这种良好的反应选择性。

结论

微波加热具有内加热的特点，使得微波作用下的化学反应具有强活化温转化、反应速度快、转化率高和选择性好的特点。分析了各种微波化学反应器的特点，

结合基础化学实验室的实际，以家用微波炉为基础设计改装了微波化学反应器，并以十一烯酸锌的合成反应和醇的氧化反应验证了微波化学反应的优越性。