作者：羅軍，蔡春，呂春緒
摘要：從反應裝置、合成實例、反應機理以及發展趨勢等方而概述了微波技術近年來在有機合成中的應用。
關鍵詞：微波；有機合成；反應裝置；機理；綜述

  微波作為一種傳輸介質和加熱能源已被廣泛應用于各學科領域。早在1969年，美國科學家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，意外地發現與常規加熱相比，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的最早記載，但當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，才使得微波技術作為一種新技術在有機合成中應用，這是微波有機合成化學開始的標志。在后來的短短十幾年時間里已逐漸發展成了一門新興交義學科——MORE化學(M icrow ave-induced Organ is Reactions Enhancement Chemistry)即微波促進有機化學，也可叫做微波誘導催化有機反應化學。
  與傳統加熱相比，微波加熱可使反應速率大大加快，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，產生的微波等離子體中常可存在熱力學方法得不到的高能態原子、分子和離子，因而可使一些熱力學上不可能發生的反應得以發生。
  微波有機合成反應裝置也由20世紀80年代的密封反應器發展到20世紀90年代的常壓反應器和連續反應器，并具有了控溫、自動報警等功能。微波在有機合成中的應用也不斷擴大。

1 微波有機合成單元反應實例
  到日前為止，微波加快有機合成反應類型眾多，根據以前的文獻以及相關書籍可知至少有40種以上。這里將例舉一些在以前的綜述中沒有出現的應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
  2000年Chatti及其同事研究了O-烷基化反應，在KOH和相轉移催化劑作用下，用微波加熱于125℃反應5min便可得98%的氣譜產率，而在常規加熱下，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值和加熱方式的結果(見表1)。

  苯乙睛的a-C取代用微波技術可得比常規方法好得多的結果。

  李軍等研究了微波法合成鄰異丁烯氧基苯酚的方法。常規加熱回流3h產率為35%，而用微波加熱90s產率達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
  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加熱12h還反應不完全。

  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。苯乙酮縮氨基脲的脫保護，只需在微波爐中于600W下反應lOs便可得90%的產率。
  Gajare及同事卻從轉移基團的思路進行了微波轉移脫保護，常規加熱回流lOh得85%的產率，而微波反應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。

1.3氧化反應
    劉曄等研究了甲苯在微波下的催化氧化，當用MoO3(7%)一V2O5（8%）/TiO2作催化劑時，于微波下250℃反應分別得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的芳酮，而常規加熱要達到相似結果需要數天。用微波技術也可方便地將a-羥基酮氧化為1, 2-二酮或將1，4-二氫吡啶氧化成吡啶，常規氧化劑肖酸也可在微波條件下應用，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成環反應
  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：

此反應在微波爐中只需反應8min便可得88%的產率。此法具有原料易得、無需溶劑、反應速度快、避免使用危險反應條件等優點。
  β-內酰胺的合成在常規條件下反應5h只得65%的產率，用微波法反應150s其產率為80% ,而微波干法只需90s即可得92%。

  Bougrin等研究了1, 3-二雜環化合物的合成，應用了二種不同路線在微波下合成了目標產物，如下而反應式所示。幾種方法合成了各種取代基衍生物，產率都在90%左右。

  Kalita等應用微波技術從4-氧-1-苯并吡喃-3-甲醛亞胺氧化物經1, 3-雙極成環反應合成了色酮衍生物。

還有不少人研究了成環反應。

1.5縮合反應
  Zhang用微波加速了KF-Al2O3催化a，β-不飽合酮的Knoevenagel反應，結果發現，微波的作用可使反應加快360倍-860倍。

  Balalair等還研究了芳酮的Knoevenagel反應，該反應在無溶劑下進行，于微波爐中850W下反應6min得93%的產率。Gedye也發現反應速率可提高25倍。

  烯烴與甲醛的Prins縮合在微波下反應速率提高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，發現微波的應用得到了更高產率的2-硝基醇。Hoel等還研究了Ugi四組分縮合反應。

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

  甲基對烯丙基苯酚的異構化重排在微波下也可加快20倍以上。

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

Suzuki交叉偶合也可在微波下進行。

1. 8  Mannich反應
  Mannich反應是合成炸藥、醫藥、農藥和天然產品中間體的重要方法。Mojtahedi等對此反應進行了研究，現僅舉其中一例：

此反應為干反應，在微波條件下只需90s便可得到常規加熱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。反應只需30s便可完成，常規加熱需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，發現微波條件下得率更高，立體選擇性也大大提高，反應時間大大縮短，催化劑用量減少，也不需要惰性氣體保護。如反應：

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

1. 11  Heck反應
  分子間Heck反應在有機合成中十分重要，反應可選擇性地在缺電子的烯烴或富電子的烯醇醚的β-位發生。微波反應在帶解壓帽的Pyrex管中進行。結果及比較見表2。

1. 12硝化反應
  日本的繁猛等首先將微波技術應用于硝化反應中，對甲苯、異丙苯、特丁苯進行了硝化反應(伴隨著氧化反應發生)，得相應的硝基苯甲酸。異丙苯的硝化氧化結果見表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，反應在微波下只需2min-4min便可得到比常規加熱12h-13h還高的得率。
  發光材料三-1,10一菲咯琳釕配位鹽通常是在水浴中反應，時間為20h-25h，但如用微波進行加熱，則只需5min。

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

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，而且操作復雜，產率低，但運用微波加熱后在140W下只需3min，產率便達94%。

1. 16其它反應
  近年來，微波技術在催化加氫、基團保護、酰胺化、同位素交換、消除反應、Diels- Alder反應、開環反應、聚合反應、制睛反應以及烯烴加成反應等有機合成領域中都有應用，并取得了令人滿意的效果。

2 微波誘導催化機理
  微波對物質的作用很復雜，作為加熱能源，它是靠介質的偶極子轉向極化和界而極化在微波場中的介電耗損而引起的體內加熱。通俗地說，是極性介質在微波場作用下隨其高速旋轉而產生相當于“分子攪拌”的運動，從而被均勻快速地加熱，此即“內加熱”。
  “內加熱”只是微波對物質的表而作用，但它引起反應速率的提高就要涉及到微波加速化學反應的機理問題了。
  有不少人支持“熱效應”說。他們認為，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生的壓力引起的；也可能是由于在某些物質(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內能增加，并不會造成反應動力學的不同。
  另一種觀點是認為微波加熱還具有特殊效應，或者說是“非熱效應”。他們的解釋總結起來大概有以下幾點：
(1)微波的存在會活化反應物分子，使反應的誘導期縮短；
(2)微波場的存在會對分子運動造成取向效應，使反應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，反應速率加快。微波量子物理學告訴我們，微波可引起分子轉動進入亞穩態，從而活化分子，使反應更容易進行；
(3)黃卡瑪等L66」認為是電磁場的作用使反應的指前因子和反應活化能同時增加，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，微波就會加快反應進行;反之則減緩反應。這已從該論文中KI與H2O2的反應結果中得到證明。從反應的In（1/△t）-1/T關系曲線可以看出，常規加熱能很好地符合Arrhenius公式，但在微波條件下，明顯為非線性關系，即此時已不再符合Arrhenius公式了，這一結果有力地證明了“非熱效應”的存在。
(4)微波加速有機反應與其對催化劑的作用有很大關系。催化劑在微波場中被加熱速度比周圍介質更快，造成溫度更高，在表而形成“熱點”從而得到活化造成反應速率和選擇性的提高。
  總的來說，微波加快有機反應的解釋有多種，“熱效應”和“非熱效應”兩種觀點都有不少證據支持，到日前為止，仍沒有一個統一的理論。

3 發展趨勢
  微波反應裝置和反應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，以及如何使反應器提供更詳細和更準確的溫度梯度信息和準確控制反應溫度等問題都還需進行深入研究。
  微波作用于反應的本質原理問題作為基礎研究將仍是微波化學工作者研究的熱點和重點。可以預計，在未來的一段時間內，這方而的研究將更加廣泛地開展。
  現在微波在化學中的應用非常廣泛，幾乎覆蓋了化學的所有領域，但不可否認的是這些研究除了如酯化反應等極少數反應外，絕大多數還處于實驗室研究階段，如何將微波技術應用植入到實際工業生產中去，或者說是將微波化學反應量擴大的問題已經是一個十分重要和必要的課題。