作者：羅軍，蔡春，呂春緒
摘要：從反應(yīng)裝置、合成實(shí)例、反應(yīng)機(jī)理以及發(fā)展趨勢等方而概述了微波技術(shù)近年來在有機(jī)合成中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：微波；有機(jī)合成；反應(yīng)裝置；機(jī)理；綜述

  微波作為一種傳輸介質(zhì)和加熱能源已被廣泛應(yīng)用于各學(xué)科領(lǐng)域。早在1969年，美國科學(xué)家Vanderhoff就利用家用微波爐加熱進(jìn)行了丙烯酸酯、丙烯酸和a-甲基丙烯酸的乳液聚合，意外地發(fā)現(xiàn)與常規(guī)加熱相比，微波加熱會使聚合速度明顯加快，這是微波用于有機(jī)合成化學(xué)的最早記載，但當(dāng)時卻沒引起人們的重視。1986年Gedye及其同事研究了在微波爐中進(jìn)行的酯化反應(yīng)，才使得微波技術(shù)作為一種新技術(shù)在有機(jī)合成中應(yīng)用，這是微波有機(jī)合成化學(xué)開始的標(biāo)志。在后來的短短十幾年時間里已逐漸發(fā)展成了一門新興交義學(xué)科——MORE化學(xué)(M icrow ave-induced Organ is Reactions Enhancement Chemistry)即微波促進(jìn)有機(jī)化學(xué)，也可叫做微波誘導(dǎo)催化有機(jī)反應(yīng)化學(xué)。
  與傳統(tǒng)加熱相比，微波加熱可使反應(yīng)速率大大加快，可以提高幾倍、幾十倍甚至上千倍，同時由于微波為強(qiáng)電磁波，產(chǎn)生的微波等離子體中常可存在熱力學(xué)方法得不到的高能態(tài)原子、分子和離子，因而可使一些熱力學(xué)上不可能發(fā)生的反應(yīng)得以發(fā)生。
  微波有機(jī)合成反應(yīng)裝置也由20世紀(jì)80年代的密封反應(yīng)器發(fā)展到20世紀(jì)90年代的常壓反應(yīng)器和連續(xù)反應(yīng)器，并具有了控溫、自動報(bào)警等功能。微波在有機(jī)合成中的應(yīng)用也不斷擴(kuò)大。

1 微波有機(jī)合成單元反應(yīng)實(shí)例
  到日前為止，微波加快有機(jī)合成反應(yīng)類型眾多，根據(jù)以前的文獻(xiàn)以及相關(guān)書籍可知至少有40種以上。這里將例舉一些在以前的綜述中沒有出現(xiàn)的應(yīng)用例子以及以前已有例舉但由于近來研究文獻(xiàn)較多的具有代表性的典型例子。
1. 1烷基化反應(yīng)
  2000年Chatti及其同事研究了O-烷基化反應(yīng)，在KOH和相轉(zhuǎn)移催化劑作用下，用微波加熱于125℃反應(yīng)5min便可得98%的氣譜產(chǎn)率，而在常規(guī)加熱下，相同條件僅得13%。

  謝筱娟等利用微波合成了具有生物活性的1-烴基苯并三唑，并比較了不同n值和加熱方式的結(jié)果(見表1)。

  苯乙睛的a-C取代用微波技術(shù)可得比常規(guī)方法好得多的結(jié)果。

  李軍等研究了微波法合成鄰異丁烯氧基苯酚的方法。常規(guī)加熱回流3h產(chǎn)率為35%，而用微波加熱90s產(chǎn)率達(dá)68%。

  另外，Vandana，Sagar，Wang等在這方而也作了一定的研究。

1. 2脫保護(hù)反應(yīng)
  保護(hù)羥基的甲氧基苯基甲基醚(M PM)在微波照射下只需幾分鐘便可有效地脫掉，而在相同條件下用常規(guī)加熱12h還反應(yīng)不完全。

  Mitra等用SbCl3作催化劑研究了微波條件下縮氨基脲的脫保護(hù)反應(yīng)。苯乙酮縮氨基脲的脫保護(hù)，只需在微波爐中于600W下反應(yīng)lOs便可得90%的產(chǎn)率。
  Gajare及同事卻從轉(zhuǎn)移基團(tuán)的思路進(jìn)行了微波轉(zhuǎn)移脫保護(hù)，常規(guī)加熱回流lOh得85%的產(chǎn)率，而微波反應(yīng)10min就可得90%。

  Kulkarni等用微波法研究了芳醚用吡啶鹽酸鹽在無溶劑下脫甲基的反應(yīng)。

1.3氧化反應(yīng)
    劉曄等研究了甲苯在微波下的催化氧化，當(dāng)用MoO3(7%)一V2O5（8%）/TiO2作催化劑時，于微波下250℃反應(yīng)分別得41%和14%的苯甲酸和苯甲醛。

  Oussaid在微波輻射下只用了不到30min就用KMnO4-Al2O3將一些芳烴氧化成了相應(yīng)的芳酮，而常規(guī)加熱要達(dá)到相似結(jié)果需要數(shù)天。用微波技術(shù)也可方便地將a-羥基酮氧化為1, 2-二酮或?qū)?，4-二氫吡啶氧化成吡啶，常規(guī)氧化劑肖酸也可在微波條件下應(yīng)用，而芳醛氧化成芳酸在微波下也只需6min-8min , 且無需外加助催化劑。

1. 4成環(huán)反應(yīng)
  β-乙酰氧基-6’氨基-5’-氰基吡啶并(17, 16-b)雄(甾)-5', 16-二烯具有高生物活性，是重要的藥物中間體。它可由如下方法合成：

此反應(yīng)在微波爐中只需反應(yīng)8min便可得88%的產(chǎn)率。此法具有原料易得、無需溶劑、反應(yīng)速度快、避免使用危險(xiǎn)反應(yīng)條件等優(yōu)點(diǎn)。
  β-內(nèi)酰胺的合成在常規(guī)條件下反應(yīng)5h只得65%的產(chǎn)率，用微波法反應(yīng)150s其產(chǎn)率為80% ,而微波干法只需90s即可得92%。

  Bougrin等研究了1, 3-二雜環(huán)化合物的合成，應(yīng)用了二種不同路線在微波下合成了目標(biāo)產(chǎn)物，如下而反應(yīng)式所示。幾種方法合成了各種取代基衍生物，產(chǎn)率都在90%左右。

  Kalita等應(yīng)用微波技術(shù)從4-氧-1-苯并吡喃-3-甲醛亞胺氧化物經(jīng)1, 3-雙極成環(huán)反應(yīng)合成了色酮衍生物。

還有不少人研究了成環(huán)反應(yīng)。

1.5縮合反應(yīng)
  Zhang用微波加速了KF-Al2O3催化a，β-不飽合酮的Knoevenagel反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微波的作用可使反應(yīng)加快360倍-860倍。

  Balalair等還研究了芳酮的Knoevenagel反應(yīng)，該反應(yīng)在無溶劑下進(jìn)行，于微波爐中850W下反應(yīng)6min得93%的產(chǎn)率。Gedye也發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速率可提高25倍。

  烯烴與甲醛的Prins縮合在微波下反應(yīng)速率提高2 倍~26倍。Kumar等研究了芳醛與硝基烷烴在活化二氧化硅表而上的Henry反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)微波的應(yīng)用得到了更高產(chǎn)率的2-硝基醇。Hoel等還研究了Ugi四組分縮合反應(yīng)。

1. 6重排反應(yīng)
  Khadilka和Moghaddam研究了微波Fries重排反應(yīng)。后者還比較了對苯磺酸苯酚酯在微波和常規(guī)加熱兩種條件下的不同結(jié)果:

  甲基對烯丙基苯酚的異構(gòu)化重排在微波下也可加快20倍以上。

1.7 偶合反應(yīng)
  偶氮染料常用重氮化再偶合的二步法制備，但應(yīng)用微波技術(shù)可使反應(yīng)在無溶劑條件下一鍋完成。常規(guī)方法80℃反應(yīng)1h得60%的產(chǎn)率，但在138W微波照射下反應(yīng)2min，產(chǎn)率為100%，而且還具有步驟簡化、污染少等優(yōu)點(diǎn)。

Suzuki交叉偶合也可在微波下進(jìn)行。

1. 8  Mannich反應(yīng)
  Mannich反應(yīng)是合成炸藥、醫(yī)藥、農(nóng)藥和天然產(chǎn)品中間體的重要方法。Mojtahedi等對此反應(yīng)進(jìn)行了研究，現(xiàn)僅舉其中一例：

此反應(yīng)為干反應(yīng)，在微波條件下只需90s便可得到常規(guī)加熱5h才可得到的收率。

1. 9含硫物的合成
  Filip研究了二苯基胺衍生物的微波硫化，以高得率得到酚噻嗪：

  硫酚可用粘上附載硝酸銨在微波下進(jìn)行氧化偶合得到連二硫化物，此法由于無金屬元素參與而屬綠色化學(xué)。反應(yīng)只需30s便可完成，常規(guī)加熱需3h。

1. 10立體選擇性合成
Bremberg等研究了在微波條件下C-C，C-N和C-S鍵的立體選擇性偶合，發(fā)現(xiàn)微波條件下得率更高，立體選擇性也大大提高，反應(yīng)時間大大縮短，催化劑用量減少，也不需要惰性氣體保護(hù)。如反應(yīng)：

  豬胰脂肪酶(Porcine pancreatic lipase，簡稱PPL)在微波活化下了可加快反應(yīng)速率4倍~6倍，使對映體選擇性提高3倍~9倍。

1. 11  Heck反應(yīng)
  分子間Heck反應(yīng)在有機(jī)合成中十分重要，反應(yīng)可選擇性地在缺電子的烯烴或富電子的烯醇醚的β-位發(fā)生。微波反應(yīng)在帶解壓帽的Pyrex管中進(jìn)行。結(jié)果及比較見表2。

1. 12硝化反應(yīng)
  日本的繁猛等首先將微波技術(shù)應(yīng)用于硝化反應(yīng)中，對甲苯、異丙苯、特丁苯進(jìn)行了硝化反應(yīng)(伴隨著氧化反應(yīng)發(fā)生)，得相應(yīng)的硝基苯甲酸。異丙苯的硝化氧化結(jié)果見表3。
  Kwon等也對苯酚乙酸酯、乙酰苯胺和鹵代苯等進(jìn)行了微波硝化。

1. 13金屬有機(jī)化合物合成
  Kidwai研究了1, 4-茶醌用氯化芳汞(II)鹽在C2位置的汞化，反應(yīng)在微波下只需2min-4min便可得到比常規(guī)加熱12h-13h還高的得率。
  發(fā)光材料三-1,10一菲咯琳釕配位鹽通常是在水浴中反應(yīng)，時間為20h-25h，但如用微波進(jìn)行加熱，則只需5min。

1. 14水解反應(yīng)
  Bendale研究了睛水解制酰胺的反應(yīng)，以Na0H-PEG-400為催化劑在微波條件下可很快以高產(chǎn)率完成反應(yīng)。

1.15磷葉立德的合成
  偶氮Witting試劑的合成通常需在氮?dú)獗Ｗo(hù)下很長時間才能完成，而且操作復(fù)雜，產(chǎn)率低，但運(yùn)用微波加熱后在140W下只需3min，產(chǎn)率便達(dá)94%。

1. 16其它反應(yīng)
  近年來，微波技術(shù)在催化加氫、基團(tuán)保護(hù)、酰胺化、同位素交換、消除反應(yīng)、Diels- Alder反應(yīng)、開環(huán)反應(yīng)、聚合反應(yīng)、制睛反應(yīng)以及烯烴加成反應(yīng)等有機(jī)合成領(lǐng)域中都有應(yīng)用，并取得了令人滿意的效果。

2 微波誘導(dǎo)催化機(jī)理
  微波對物質(zhì)的作用很復(fù)雜，作為加熱能源，它是靠介質(zhì)的偶極子轉(zhuǎn)向極化和界而極化在微波場中的介電耗損而引起的體內(nèi)加熱。通俗地說，是極性介質(zhì)在微波場作用下隨其高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相當(dāng)于“分子攪拌”的運(yùn)動，從而被均勻快速地加熱，此即“內(nèi)加熱”。
  “內(nèi)加熱”只是微波對物質(zhì)的表而作用，但它引起反應(yīng)速率的提高就要涉及到微波加速化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理問題了。
  有不少人支持“熱效應(yīng)”說。他們認(rèn)為，微波引起速率加快是由于微波加熱引起溶劑過熱以及由高溫而產(chǎn)生的壓力引起的；也可能是由于在某些物質(zhì)(如催化劑)上形成比周圍溫度更高的“熱點(diǎn)”，造成速率加快。從本質(zhì)上解釋是微波能量只有約幾個J.mol-1，因此不能引起分子能級的躍遷，所以微波只會使物質(zhì)內(nèi)能增加，并不會造成反應(yīng)動力學(xué)的不同。
  另一種觀點(diǎn)是認(rèn)為微波加熱還具有特殊效應(yīng)，或者說是“非熱效應(yīng)”。他們的解釋總結(jié)起來大概有以下幾點(diǎn)：
(1)微波的存在會活化反應(yīng)物分子，使反應(yīng)的誘導(dǎo)期縮短；
(2)微波場的存在會對分子運(yùn)動造成取向效應(yīng)，使反應(yīng)物分子在連心線上分運(yùn)動相對加強(qiáng)，造成有效碰撞頻率增加，反應(yīng)速率加快。微波量子物理學(xué)告訴我們，微波可引起分子轉(zhuǎn)動進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，從而活化分子，使反應(yīng)更容易進(jìn)行；
(3)黃卡瑪?shù)萀66」認(rèn)為是電磁場的作用使反應(yīng)的指前因子和反應(yīng)活化能同時增加，從Arrhenius公式可知，這二者的增加是相互矛盾的，如指前因子增加的作用大于活化能增加的作用，微波就會加快反應(yīng)進(jìn)行;反之則減緩反應(yīng)。這已從該論文中KI與H2O2的反應(yīng)結(jié)果中得到證明。從反應(yīng)的In（1/△t）-1/T關(guān)系曲線可以看出，常規(guī)加熱能很好地符合Arrhenius公式，但在微波條件下，明顯為非線性關(guān)系，即此時已不再符合Arrhenius公式了，這一結(jié)果有力地證明了“非熱效應(yīng)”的存在。
(4)微波加速有機(jī)反應(yīng)與其對催化劑的作用有很大關(guān)系。催化劑在微波場中被加熱速度比周圍介質(zhì)更快，造成溫度更高，在表而形成“熱點(diǎn)”從而得到活化造成反應(yīng)速率和選擇性的提高。
  總的來說，微波加快有機(jī)反應(yīng)的解釋有多種，“熱效應(yīng)”和“非熱效應(yīng)”兩種觀點(diǎn)都有不少證據(jù)支持，到日前為止，仍沒有一個統(tǒng)一的理論。

3 發(fā)展趨勢
  微波反應(yīng)裝置和反應(yīng)器到日前為止都還不是非常完善，比如說如何解決固體和高粘度液體的加料和流動問題，以及如何使反應(yīng)器提供更詳細(xì)和更準(zhǔn)確的溫度梯度信息和準(zhǔn)確控制反應(yīng)溫度等問題都還需進(jìn)行深入研究。
  微波作用于反應(yīng)的本質(zhì)原理問題作為基礎(chǔ)研究將仍是微波化學(xué)工作者研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。可以預(yù)計(jì)，在未來的一段時間內(nèi)，這方而的研究將更加廣泛地開展。
  現(xiàn)在微波在化學(xué)中的應(yīng)用非常廣泛，幾乎覆蓋了化學(xué)的所有領(lǐng)域，但不可否認(rèn)的是這些研究除了如酯化反應(yīng)等極少數(shù)反應(yīng)外，絕大多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，如何將微波技術(shù)應(yīng)用植入到實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中去，或者說是將微波化學(xué)反應(yīng)量擴(kuò)大的問題已經(jīng)是一個十分重要和必要的課題。