微波合成应用知识

微波合成应用知识

微波在合成化学上的应用代表着这个领域的一个重要突破。它大幅度的改变了化学合成反应的执行和在科学界中人们对它的看法。以下就微波反应的原理，和微波合成在具体实验中的注意事项进行阐述。

1．微波反应原理：

在微波合成中，微波与反应混合物中的分子或离子直接偶合，通过偶极旋转或离子传导这两种方式将能量从微波传导到被加热物质，使得反应体系中能量快速增加。一方面可以使能量更有效的作用于各种反应，使得反应速度更快，反应产率更高，反应更清洁。另一方面微波直接将能量传递给反应物（转化为分子能），所以微波能够驱动某些在传统加热方式下不能发生的反应，为化学转换带来了全新的可能性。

2．什么是单模，多模微波

单模微波：简单的说是只用一种数学模型就可以表示的微波。多模微波：简单的说是需要用多种数学模型才能够表示的微波。单模微波作为一种单一作用到反应物上的能量，可以使我们的反应更加精确，反应容易控制，有很好的反应重现性。多模微波虽然不如单模微波可以精确的定量控制，但他具有较大微波反应腔体的特性也是非常重要的。

3．什么是环型聚焦微波

CEM在DISCOVER系列的微波合成仪器中，采用了基于AFC（AUTO FOCUS COUPLING）环形聚焦自动耦合单模微波技术，一方面确保了单模微波反应得重现性特点，另一方面聚焦微波的设计使微波场能量密度达到900w/l比驻波微波场能力密度大3-4倍，比通常多模微波能量密度大了30多倍。大能量的微波场能量提高了很多反应可能性。

在这里值得注意的是，我们在查以前参考文献的时候，一定要看清楚文献中使用的微波合成仪的类型。然后使用适合的微波功率进行合成。如果文献中没有提到仪器，那么我们在实验的时候就必须从较小的功率还是摸索。（比如以20W的功率开始摸索）

4．微波对于不同物质的作用

不同物质具有不同的微波特性，通常来说：金属反射微波；石英、特氟隆等是吸收微波的能力非常弱，这些物质能被微波穿透；在通常的反应物中，除非极性溶剂吸收微波的能力很弱以外，其余的溶剂、底物、催化剂等都具有不同吸收微波的能力。

溶剂通常可分为极性溶剂和非极性溶剂。极性溶剂因为在分子结构上处于非平衡状态具有偶极距，在微波场的作用下产生来回旋转，分子和分子就容易发生碰撞，分子间的碰撞提高了反应体系的能量。非极性分子就不会出现这种情况。所以极性溶剂通常能很容易吸收微波，非极性溶剂却不容易吸收微波。从这里我们也就可以理解不同极性的溶剂吸收微波的能力也是不一致。

离子溶液在微波场的环境中，阴阳离子也会发生来回迁移，并使得离子发生碰撞，提高反应体系能量。

5．微波反应可改变的条件

微波合成中哪些反应条件的改变可以提高创造出新的化合物的机会呢？

从反应物体系看：我们通常可以改变的是溶剂，底物，催化剂，以及反应体系中各种物质的比例等。

从辅助条件看：搅拌强度，是否预搅拌，气体保护，气体添加等。

从微波反应看：反应的温度，反应的时间，微波的利用率。

6．那些反应

为了安全，有些反应不能做,一般意义上在微波场作用下容易发生爆管的反应是不能做的。（比如：反应是连锁反应；反应物/溶剂带有CN或者N基团；反应物/溶剂闪点低于40度。）有些反应要特别小心（比如：反应是放热反应；反应产生气体）

7．不同溶剂如何选择合适的微波功率

在反应体系中溶剂是非常重要的。通常我们把溶剂的极性强弱作为他们吸收微波能力的考察指标。下面我们列出反应中常用溶剂的微波吸收水平。

上表中虽然我们指出了一些溶剂通常使用的微波功率，但是一定要注意微波功率不仅只是溶剂的事情，在很大程度上和我们反应底物和催化剂吸收微波的能力有关。和反应要达到的温度有关，反应容量有关。所以我们一定要综合看待我们体系所需要的微波功率。

通常我们第一次做反应的时候，我们必须要从最低的功率还是摸索，从20w开始，如果功率不够，逐步提高到35w，50w，80w，100w等。

8．反应温度

在仪器上我们最高可以设置的温度是300℃。但在进行微波合成的时候，反应温度常设定在沸点+10℃、沸点+25℃，沸点+50℃。但通常只做到溶剂沸点+50℃以内，以防止由于温度过高造成反应体系压力过大，造成危险。

我们也必须留意，某些溶剂在微波场的作用下会产生分解的情况。比如在微波作用下，DMSO在120℃保持30min就可能出现分解，DMF在150℃保持30min就可能出现分解。

当然，在各个条件安全的情况下，比如溶剂不会分解，如果反应体系压力并不高（小于150psi）的情况下，我们还是可以适当提高反应温度的。

9．反应时间

反应时间是另一个非常重要可以调节的合成条件。通常微波反应的保持时间在5min—30min。但这里我们还是要强调的是，不是所有反应延长时间后就能达到更高的转化率。反应时间延长也可能会造成副反应增加，也可能造成反应体系吸收微波能量过度出现分解的情况。

10．反应压力

仪器最高可以达到的反应压力是300psi（psi：磅/平方英寸），相当于20多个大气压。在通常的反应程序中，我们将反应控制压力设置为150psi。如果反应压力达到150psi，这时我们再通过手动方式实时控制，逐步增加压力控制限值，以保证反应的安全可靠。

如果反应压力过大，在一般情况下，系统会自动通过反应瓶顶部的盖子排出一部分气体来确保整个反应体系的安全。但如果发生排气，实验后一定要清洁压控等相关的部件。防止

有机溶剂对仪器造成腐蚀。

11．反应功率

仪器可以设置的最高功率是300W，但由于使用的是环形聚焦微波技术，微波利用率是非常高的。所以通常10ml反应中，微波功率都控制在150w以内。如果微波功率很大，但是体系的温度却升高很慢，原因可能是你反应体系都是非极性的，在这种情况下，微波在反应腔内的聚集造成能量的累积，能量累积过大，最后可能会造成反应体系中某些物质的分解，造成爆管。

在这种情况下，我们可以在反应体系中加入一些极性溶剂，或者加入一些催化剂。使得反应更加顺利安全。

在这里再次强调，第一次做未知反应的时候，我们必须要从最低的功率还是摸索，从20w 开始，如果功率不够，逐步提高到35w，50w，80w，100w。

12．反应瓶的安装注意事项。

在10ml反应瓶中，我们最佳的加入量是2ml-5ml，在特殊情况下，比如反应温度和压力都不高的时候，反应量最少不能低于0.2ml，最多不能超过7ml.。

在35ml反应瓶中，最佳加入量是10ml-20ml，在特殊情况下，比如反应温度和压力都不高的时候，反应量最少不能低于2ml，最多不能超过25ml.。

在反应瓶的装配上，我们特别要注意，不要让我们的底物和催化剂挂在瓶壁。如果有样品挂在瓶壁，要用吸管吸取溶剂将样品冲下去。样品挂在瓶壁上，一方面会使反应效果减小，另一方面会使局部吸收微波产生热量，使反应瓶局部受热造成损坏。

反应瓶上的记号标注，我们应该用细的记号笔将标注写在反应瓶的上部侧面，不要把记号写得太花太大，不要将记号写在盖子的顶部。

为了提高反应瓶盖的利用率，我们在关闭和打开反应瓶盖的时候，一定不要太鲁莽。关闭瓶盖的时候，轻轻地从侧面斜盖下去。打开瓶盖是最好使用专用开瓶器，将瓶盖放置在手心轻轻打开。

13．冷却

在微波合成实验中，我们通常需要配备低噪音的空压机。这样在微波反应结束后，可以进行快速降温。一般来说，可以把降温时间从20min缩短到2min。这样可以减少由于降温过慢而造成的一些副产物的产生。当然在没有条件的情况下，我们也可以使用气瓶进行冷却。

14．微波功率最大化POWERMAX

在微波合成中，微波场能量越强，分子就越活跃了。一方面反应体系的能量提高了，另一方面反应物分子间碰撞的机会也增加了。但是由于某些极性反应体系吸收微波的特性太强，用很少的微波就提高了反应体系的温度。为了进一步提高微波能量，提高分子间碰撞的机会。我们采用了同步冷却的方式，一边加微波，一边将反应产生的热量带走，这样就可以实现微波功率的最大化。（另外一种降低反应体系极性的措施是加入某些非极性溶剂。）

15．固相反应的注意事项。

固相反应一般是几种固体混合在一起，直接在微波场的进行反应。当然有些时候在固相反应中也会添加一些溶剂来辅助反应的顺利进行。通常使用fixed power 方法模式。

在目标反应温度下会出现融解的，可以用standard的方法进行设置。

16．反应程序的编制技巧。