微波促进有机化学反应应用研究

PAGEPAGE5微波促进有机化学反应应用研究柴兰琴微波技术的应用已有很长的历史，早在第二次世界大战期间，德国就设计出了一种固定频率的微波装置作为雷达的一部分。70年代在医学、生物领域的灭菌、诊断、组织固定、免疫化学等方面得到应用。随着微波技术的发展，其在分析样品的制备、器皿的干燥、食品加工方面也得到广泛的应用。但直到1986年，加拿大的Gedye及其合作者[1]研究了在微波炉中进行的酯化反应，才使得微波作为一种新技术在有机合成中应用，这是微波有机合成化学开始的标志。微波辐射下的有机合成反应，自1986年至今短短十余年时间，由于能提高反应速率数倍甚至数千倍，具有操作简便，副产物少，产率高，易纯化及环境友好等优点，给有机合成带来了一次飞跃，发展成为一个很引人注目的新领域—MORE化学(Microwave-inducedOrganicReactionsEnhancementChemistry)即微波促进有机化学，也可以叫做微波诱导催化有机反应化学。微波有机合成反应装置也由20世纪80年代的密封反应器发展到20世纪90年代的常压反应器和连续反应器，并具有了控温、自动报警等功能。微波在有机合成中的应用也日趋广泛。1微波促进有机化学反应原理微波在电磁波谱中介于红外和无线电波之间，波长在1cm～1m(频率30GHz～300MHz)的区域内。而用于加热技术的微波波长一般固定在12.2cm(2.45GHz)或33.3cm(900MHz)。商业生产的微波炉一般采用12.2cm作为固定波长。微波作为电磁能量的一种，遇到极性分子时会引起分子的剧烈振荡而产生分子热。实际上这是能量转换，即将微波能转换成热能。概括起来讲，物质分子偶极振动同微波振动具有相似的频率，在快速振动的微波磁场中，分子的偶极振动尽力同磁场振动相匹配，而分子的振动又往往滞后于磁场，物质分子吸收电磁能以每秒数十亿次的高速振动而产生热能。因此，微波对物质的加热是从物质分子出发的，又称为“内加热”。物质同微波的耦合能力，除取决于微波的功率外，主要取决于物质本身的性质。一种物质在特定频率和温度下，将电磁能转化为热能的能力可以用该物质的损耗因子δ(dissipationfactor)来衡量，符合方程式tanδ=ε″/ε′。其中tanδ为介质损耗因子角正切；ε″是物质的介电损耗(dielectricloss)，表示物质将电磁能转换为热能的效率；ε′是物质的介电常数(dielectricconstant)，表示物质被极化的能力，即也是反应物质阻止微波穿透的能力。一般来说，物质的ε′值愈大，对微波的耦合作用愈强，极性分子同微波有较强的耦合作用，非极性分子同微波产生弱耦合作用或不产生耦合作用。可见微波加热是电场能量深入到物料内部，直接作用于物质分子使之运动而发热，这种内加热与传统加热法不同，后者是由热传导和热对流来实现，称为外加热。内加热具有加热速度快，只需外加热法的1/10-1/100的时间即可完成，具有反应灵敏，无惰性和滞后效应，受热体系温度均匀，热效率高等特点[2]。2微波在有机合成中的应用到目前为止，微波加快有机合成反应类型众多，根据以前的文献以及相关书籍可知至少有40种以上。这里将例举一些在以前的综述中没有出现的应用例子及以前虽有例举但由于近来研究较多的具有代表性的典型例子。2.1烷基化反应酚盐与卤代烃形成酚醚的反应是微波最早应用的有机反应之一。例如，4-氰基酚钠与苄氯在通常条件下反应12小时，产率仅为72%；而在微波作用下反应4min，产率就可达93%，反应速度提高约240倍[3]。活泼亚甲基化合物的C-烃化反应是形成C-C键的重要反应。最近报道，在微波辐射下，活泼亚甲基化合物亦能迅速发生C-烃化反应。例如在碱性试剂及相转移催化剂存在下，乙酰乙酸乙酯与卤代烃用微波辐3-4min，即可完成反应[4]。苯硫基乙酸乙酯也可发生类似的反应[5]。利用微波辐射和相转移催化结合的方法，实现了O-烃化、C-烃化、N-烃化等反应。乙酸盐和卤代烷的反应，随着卤代烷中烷基的链增长而反应难以进行，因长链卤代烷是弱亲电试剂。但当它被吸附在硅胶或Al2O3上，用氯化季铵盐(Alquat)催化，微波辐射，可使乙酸钾顺利进行O-烷基化，产率可达98%[6]。最近，利用微波加热进行Williamson反应已有报道[7]，其中Majdoub等[8]利用季铵盐(aliquat)及KOH作为催化剂，2-呋喃甲醇同二溴十二烷反应生成高产率的双醚。产物后处理容易，不污染环境。利用微波催化烃基化反应，可用来合成α-氨基酸[9]，其特点是快速，只需1~2min，不需溶剂，且产率较高。2.2缩合反应活泼亚甲基化合物与羰基化合物的缩合反应是应用范围甚广的有机合成反应。在微波辐射下，产率大幅度提高。例如，在氟化钾催化下，胡椒醛与α-氰基甲基苯基砜吸附在氧化铝上进行缩合反应，只生成极少量的缩合产物；但在微波作用下，极短的时间就可得到高产率的缩合产物[10]。水杨醛与丙二酸酯的闭环缩合反应同样可在微波作用下进行，高产率地生成苯并哌喃-2-酮衍生物[11]。茉莉醛是一种具有浓烈香味的人工香料，它通过下列反应制得：但是，在反应过程中，存在着严重的副反应—庚醛的自身缩合：此外，反应中还存在着苯甲醛的Cannizzaro反应，若用微波技术，不仅可提高茉莉醛的产率，简化处理步骤，而且反应更具选择性。反应时间由原来的72h缩短到1min，而产率可达82%[12]。2.3合成杂环化合物微波技术通常用于含氮杂环化合物的合成。例如，Fischer反应是合成吲哚的有效方法，但在通常条件下加热反应，吲哚产率甚低，而在微波辐射下，用蒙脱土(montmorillonite)KSF作载体，只需5min即以72%~90%的产率生成吲哚[13]。1,4-二氢吡啶和二氧化锰吸附在膨润土上用微波辐射10min，即可氧化成吡啶衍生物，产率75%~100%，并且得到了两种产物，而用传统方法只能得到前一种产物[14]。2.4偶合反应偶氮染料常用重氮化再偶合的二步法制备，但应用微波技术可使反应在无溶剂条件下“一锅煮”完成。常规方法80℃反应1h得60%的产率，但在138W微波照射下反应2min，产率为100%，而且还具有步骤简化、污染少等优点[15]2.5其它反应近年来，微波技术在催化加氢、消除反应、重排反应、基团保护、酰胺化、同位素交换、聚合反应、金属有机、烯烃加成、Diels-Alder反应以及其它成环反应等[16-17]有机合成领域中都有应用，并已取得很大的进展。3展望溶剂介质中的反应，往往受到有机溶剂的挥发、易燃等因素的限制。虽然人们设计出许多性能优良的反应装置，但安全性仍然是困扰液相反应的一个问题。微波干法有机反应是以无机固体物为介质、无溶剂的有机反应，正好缓解了这个难题。这些无机物对微波低吸收或不吸收，如Al2O3、SiO2、蒙脱土、含碱金属氟化物的氧化铝、膨润土等。它们不阻碍微波能量的传导，使吸附在这些载体表面的有机反应物吸收微波能后被活化，从而大大提高反应效率。这种在干环境中微波活化的有机反应不会产生高压爆炸的危险，可在敞口容器中进行。同时干反应避免了大量有机溶剂的使用，对解决环境污染具有现实意义。因此，干法有机反应成为微波促进有机化学反应研究的热点。微波在有机合成中的应用发展极为迅速。到目前为止，微波技术主要用于优化一些已知的反应。但微波的特点是能在极短的时间内迅速加热反应底物，这种内加热方式完全有可能使一些在常规回流条件下不能被活化而无法进行或难以进行的反应得以发生。这就为微波促进有机化学研究展示了广阔的前景。近年来，微波技术在高分子化学、生物化学、金属有机化学、医药卫生及环保等方面都做出了卓越贡献。例如，在聚合物的合成、固化和交联方面，微波已有成功地应用，利用微波辐射技术合成或改性的高聚物，除了可以显著缩短反应时间外，某些性能还优越于传统加热方法得到的产物。如丙烯酸类树脂在微波辐射下3-8min就可以固化出物理性质优于传统方法的树脂固化物，临床已应用。微波促进有机化学反应的低能耗、快速高效、高产率和优异的选择性等已经显示出它的巨大优越性。同时也应当看到微波技术在有机化学反应中面临的挑战，微波技术加快有机化学反应的真正原理是什么，微波技术在有机化学领域中有无其它作用，如何将微波技术应用植入到实际工业生产中去，以及微波反应器的开发特别是大型微波装置的研制与完善等等问题，都需要诸多学者不断地探索，这也是本世纪微波化学工作者要研究的热点和重点。我们可以预测，微波在未来的化学各分支学科及化工、医药等领域有着广阔的应用前景。参考文献：[1]GedyeR,SmithF,WestawayK,AliH,etal.Theusesofmicrowaveovensforrapidorganicsynthesis[J].TetrahedronLett,1986,27(3):279-282[2]张华莲，胡希明，赖声礼.微波对化学反应作用的动力学原理研究[J].华南理工大学学报,1997,25(9):46-50[3]金钦汉，戴树珊，黄卡玛.微波化学[M].北京:科学出版社，1999[4]周勇.微波辐射相转移催化合成乙酸异戊酯[J].化学试剂,2001,23(2):113-114[5]陈新容，洪品杰，戴树珊.尼泊金酯类的微波合成[J].化学通报,1993,14(5):38-39[6]BramG,LoupyA,MajdoubM.Inorganicsolidsindrymedia:anefficientwayfordevelopingmicrowaveirradiationactivatedorganicreactions[J].SynthCommun,1990,20(1):125[7]WangJX,ZhangML,XingZL,etal.Synthesisof8-quinolinylethersundermicrowaveirradiation[J].SynthCommun,1998,28(13):2407-2413[8]MajdoubM,LoupyA,PetitA,etal.Synthesisof2Alkylcyclohexanonesusingsolventfreeconditionsandmicrowavetechnology[J].TetrahedronLett,1996,52(6):617-627[9]邓润华，宓爱巧，蒋耀忠.微波快速烷基化合成α-氨基酸[J].应用化学,1993,10(5):108[10]王忠义,史海健,史好新.微波炉加热法合成3-芳基-1,2,4-三唑啉-5-硫酮[J].有机化学,1997,17(3):271-273[11]黄志真,吴露玲,黄宪.微波作用下4-烃基-2-喹啉酮的简便合成法[J].化学试剂,1999,21(6):369-370[12]李耀先，刘在群.微波常压合成缩醛(酮)[J].吉林大学自然科学学报,1996,12(3):72-74[13]VilleminD,LabiadB,OubilalY.Applicationofmicrowaveheatingtechniquesfordryorganicreactions[J].Chem[14]沙耀武，韩涛.微波促进的有机反应[J].精细石油化工,2001,18(2):54-56[15]JinJin,WenZhong,LongJiang,etal.One-potdiazocouplingreactionundermicrowaveirradiationintheabsenceofsolvent[J].SynthConmmun,2000,30(5):832[16]BanikBK,BarakatKJ,WagleDR,etal.Microwave-