作者：羅軍，蔡春，呂春緒
摘要：從反應(yīng)裝置、合成實例、反應(yīng)機理以及發(fā)展趨勢等方而概述了微波技術(shù)近年來在有機合成中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：微波；有機合成；反應(yīng)裝置；機理；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)在有機合成中應(yīng)用，這是微波有機合成化學(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)即微波促進有機化學(xué)，也可叫做微波誘導(dǎo)催化有機反應(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、自動報警等功能。微波在有機合成中的應(yīng)用也不斷擴大。

1 微波有機合成單元反應(yīng)實例
  到日前為止，微波加快有機合成反應(yīng)類型眾多，根據(jù)以前的文獻以及相關(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68%。

  另外，Vandana，Sagar，Wang等在這方而也作了一定的研究。

1. 2脫保護反應(yīng)
  保護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反應(yīng)。苯乙酮縮氨基脲的脫保護，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)移基團的思路進行了微波轉(zhuǎn)移脫保護，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、避免使用危險反應(yīng)條件等優(yōu)點。
  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。

Suzuki交叉偶合也可在微波下進行。

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。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行了微波硝化。

1. 13金屬有機化合物合成
  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氣保護下很長時間才能完成，而且操作復(fù)雜，產(chǎn)率低，但運用微波加熱后在140W下只需3min，產(chǎn)率便達94%。

1. 16其它反應(yīng)
  近年來，微波技術(shù)在催化加氫、基團保護、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”，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：
(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動造成取向效應(yīng)，使反應(yīng)物分子在連心線上分運動相對加強，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)動進入亞穩(wěn)態(tài)，從而活化分子，使反應(yīng)更容易進行；
(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”從而得到活化造成反應(yīng)速率和選擇性的提高。
  總的來說，微波加快有機反應(yīng)的解釋有多種，“熱效應(yīng)”和“非熱效應(yīng)”兩種觀點都有不少證據(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)工作者研究的熱點和重點。可以預(yù)計，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)還處于實驗室研究階段，如何將微波技術(shù)應(yīng)用植入到實際工業(yè)生產(chǎn)中去，或者說是將微波化學(xué)反應(yīng)量擴大的問題已經(jīng)是一個十分重要和必要的課題。