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【CEM Discover 2.0】微波化学与非极性反应溶液

 更新时间:2024-05-29 点击量:197

引言


自 1980 年代以来,微波加热一直是合成化学家的多功能且强大的工具,推动了纳米材料组装、药物发现、肽合成等1-4微波产生热量的两种机制,离子传导和偶极旋转,依赖于离子或分子与微波不断振荡的电场对齐的能力5一般来说,高极化物质最容易经历离子传导和偶极旋转,而低极性物质的加热速度最慢。

极性的常用量度是介电常数(ε'),它衡量化合物储存电荷的能力。虽然有用,但该值有时可能与另一个重要的介电参数相矛盾,即介电损耗常数 (ε''),该参数衡量溶剂将吸收的微波能量耗散到周围环境的能力。在微波加热中,介电损耗常数 (ε'') 是衡量材料有效吸收微波和进行加热的能力的最佳指标。通常,高吸水性材料的 ε 大于 14,而低吸水性溶剂的 ε 小于 1(表1)5


然而,关于微波加热的一个常见误解是,微波只能使采用极性溶剂系统的实验受益。尽管溶剂具有介电特性,但可以利用微波加热的优点;大多数反应涉及极性和/或离子性物质,即使溶剂不能有效吸收,它们也可以直接和瞬时地与微波能量相互作用。



为了证明微波加热在使用低极性溶剂的转化中的功效,对甲苯中的 Diels-Alder 反应的简单修改和优化(图1)改编自使用水的既定方案6这种常见的环加成因其产生环状结构和两个新的碳-碳键的能力而受到青睐。


表1. 六种常见溶剂的介电常数和介电损耗常数5

溶剂

介电常数(ε')

介电损耗常数(ε'')

DMSO

45.0

37.125

80.4

9.889

乙 腈

37.5

2.325

DCM

9.1

0.382

甲苯

2.4

0.096

己烷

1.9

0.038


图1. 甲苯中的微波加热 Diels-Alder 反应



材料与方法


试剂

甲苯是从VWR(宾夕法尼亚州Radnor)获得的。马来酰亚胺和2,3-二甲基-1,3-丁二烯购自TCI Chemicals(日本东京)。


程序

装有搅拌棒的 10 mL 容器中装有马来酰亚胺(1.0 当量)、2,3-二甲基-1,3-丁二烯(2.0 当量)和溶剂(2.5 – 4.95 mL)。然后,用聚四氟乙烯衬里的硅盖密封小瓶,并放入 Discover® 2.0 微波腔中。将反应混合物加热到扌旨定温度一段时间。然后,将溶液冷却至室温,并通过薄层色谱法进行分析。粗产率是通过反应混合物的旋转蒸发获得的。



结果


首先,测试了文献中建立的微波辅助 Diels-Alder 反应的实验条件;将马来酰亚胺和 2,3-二甲基-1,3-丁二烯在 110°C 下在水中加热 5 分钟,产率为 94%,与报告的值一致(表2,条目1)。使用具有相同反应条件的甲苯不会影响实验结果;观察到96%的可比产量(表2,条目2)。


由此,进一步研究了甲苯微波加热的功效;研究了一系列反应浓度递减的实验(并进行了优化)。将反应浓度稀释至 0.20mM(马来酰亚胺),原始浓度的十分之一,在 110°C 下 5 分钟后未导致定量转化为产物(表2,条目3)。简单的温度优化至 120 °C,确保了完荃转换和令人满意的产量(表2,条目4)。


在此调整之后,进行实验,其中反应浓度再降低50%,然后在 120°C 下加热 5 分钟;同样,由于反应物浓度低,观察到不完荃转化为产物(表2,条目5)。为了恢复这次的定量转换,实施了温度和时间的增加;将溶液在 130°C 下加热 10 分钟,以 97% 的产率获得所需产物(表2,条目6)。


在先前条件下加热时,将反应浓度最终稀释至 0.050 mM(马来酰亚胺)导致转化不完荃(表2,条目7);然而,将反应时间延长 5 分钟可恢复定量转化(表 2,条目 8)。


结论


通过对 Diels-Alder 反应的简单修改和优化,证明了微波加热在使用低极性溶剂的转化中的功效。虽然最初是在中极性溶剂(水)6中进行的,但在低极性甲苯中微波加热马来酰亚胺和2,3-二甲基-1,3丁二烯产生了相同的结果。即使稀释了近 40 倍,也能实现产品的定量转化。由于合成转化中典型的极性反应物的微波吸收特性,微波加热在所有类型的合成化学实践中都是一种简单有效的技术,尽管使用中的溶剂具有介电特性。


表2:甲苯中浓度递减-Diels-Alder反应的优化

条目

马来酰亚胺(mM)

二烯

(mM)

溶剂

温度(℃)

时间

(分钟)

1

1.95

3.90

110

5

2

1.95

3.90

甲苯

110

5

3

0.20

0.40

甲苯

110

5

4

0.20

0.40

甲苯

120

5

5

0.10

0.20

甲苯

120

5

6

0.10

0.20

甲苯

130

10

7

0.050

0.10

甲苯

130

10

8

0.050

0.10

甲苯

130

15














引用


1. Tierney, J.P.; Lidstrom, P. Microwave Assisted Organic Synthesis, CRC Press: Boca Raton, FL, 2005, p 2.

2. Zhu, Y.-J.; Chen, F. Chem. Rev. 2014, 114, 6462–6555.

3. Larhed, M.; Hallberg, A.Drug Disc.Today 2001, 6, 406–416.

4. Jacob, J. Int. J. of Chem. 2012, 4, 1.

5. Hayes, B. L. Microwave synthesis: chemistry at the speed of light; CEM Publishing: Matthews, NC, 2002, pp 3-5.

6. Leadbeater, N. E.; McGowan, C. C. Clean, Fast Organic Chemistry: Microwave-assisted laboratory experiments; CEM Publishing: Matthews, NC, 2006, pp 60-61.