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微波化学的开始——传统加热方法的转变
点击次数:2134 发布时间:2012-08-29

为了加速反应从而减少整个进程的时间,经常将微波加热应用于传统的加热反应中。当开发完全的新反应时,开始时实验应当仅以小规模的方式进行,应用适度增加的以免温度超出仪器的操作极限(温度,压力)。所以单模反应器非常适合于开发方法和优化反应。

1.敞口或密闭容器

    使用专用的微波反应器进行有机合成时可以在敞口的或密闭的容器条件之间进行选择。同油浴相比。在敞日容器中的快速微波加热能够在极短的时间之内达到回流条件。使用密闭容器时除了快速的介电加热之外,反应还可以在高压的状态下。在远高于溶液沸点的温度下进行。考虑到缩短的时间和改善了的产率,更高的反应温度与增加的压力相结合取得的结果给人留下了深刻印象。近来描述的多数微波过程都是在密闭容器条件下操作的,结果所有商品化的微波反应器主要为那样的条件而设计。然而,多模和单模反应器也都可以在大气压回流条件下使用。对于多数转化反应,密闭容器条件提供了令人满意的结果,但有时需要使用敞口容器条件,例如,为了从反应混合物中除去易挥发的副产物时。不过,为了达到速率的显著增加(>100倍),使用密闭容器的效果更好。

    在大气压下进行微波辅助反应的一个主要优点在于,能够在微波腔内利用标准的实验室玻璃仪器(圆底烧瓶,回流冷凝管),以较大的规模进行合成。相反的,加压的反应需要特殊容器,规模超过一升的工艺体积时只能使用平行转子或者流通体系来完成。敞口容器技术的另一重要方面是安全性,尤其在大规模时。在大气压条件下进行的反应 ,较之在密闭容器中进行而言,自然要安全得多。

2. 溶剂的选择

    任何一个来自原加热方法的改动反应的下一个步骤是选择溶剂。总的来说,微波介导的反应可以使用与传统工艺相同的溶剂来完成。但是需要注意的是,根据其介电性质,溶剂与微波的作用各不相同。正切值(tanδ)越高,微波能且越能够更好地转化为热,微波加热越有效。低吸收的溶剂(如下表)也可以用微波处理,如果单纯使用它们则加热效果很差;但是当反应混合物是由不同(极性)的试剂组成,总能够具有产生有效微波耦合的足够潜力。曾经存在的争议是如果仅仅使用了少zui极性试剂,低吸收的溶剂可能会成为“热接收器”,从试剂中吸走热量,从而保护了对热不稳定的化合物,并保持了低的反应温度。当使用相近的微波透过的反应混合物时,推荐加入强微波吸收的被动热源,例如包裹了Weflon™-外膜的搅拌子,以便在混合物内达到适当的热传输。这些添加物通过热对流来加热反应混合物,并且还保护了微波的硬件仪器部分,免于其吸收过多的微波能zui。可供选择的还有,向低吸收的溶剂内掺入少量如离子液体这样的强吸收溶剂如离子液体这样的强吸收溶剂。
 
    当在密闭容器中利用微波加热时,不再需要像传统回流装置中那详为了获得高的反应温度而使用高沸点溶剂。利用现代仪器,在甲醇中就可以容易地在160℃下进行反应,或者在二氯甲烷中在100℃下发生转化。
    使用低沸点的溶剂,经常导致升高温度时出现相当大压力的情况,所以,不要超出所用仪器的操作极限是很关键的。限制性的因素是总体上所用容器的承压稳定性。受到密封/加盖技术的限制,单模反应器中的普通压力容器承受的压力极限为20bar。对于多模仪器,有不同的材料和容器设什可供挑选,使得反应可以在高达100bar下进行。因此,所用试剂的物理性质也可能会影响到对所用仪器的选择。

    也可以在无溶剂的情况下方便地进行微波介导的反应。这些干介质反应的需求不同于那些在溶液中进行的反应,因为不涉及到溶剂,积累的压力相当低,并且在多数例子中这样的反应是在敞口容器条件下完成的。另一方面,即使总的整体温度可能相当低,这些混合物也很容易局部过热(形成宏观热点)。对这样的底物进行搅拌或准确测量温度相当困难,妨碍了对可靠反应条件的研究。所以在这类反应中,试剂的降解或分解是个严重的问题。

3.温度和时间
  
    对于一个成功的微波介导的反应而言,zui为关键的一点是对温度和时间的优化组合。按照阿仑尼乌斯方程式,k=Aezp(一E¬a/RT),可以预测温度每升高10 ℃,反应时间缩短一半。依靠该经验方法,可以将许多传统工艺转变为有效的微波介导过程。举个简单例子,通过将温度从80℃升至160℃,在回流乙醇中反应的时间可以从8h缩短为2min(如下图)。


 
化学反应中温度和反应时间之间的关系
 

    对于许多转化反应,反应时间事实上比阿仑尼乌斯方程所预期的还短很多,可能因为产生了额外的压力所致,或者因为富有争议的微波效应的参与。

     当研究一个没有普通加热工艺可供参照的全新反应时,适宜的起点为比所用溶剂的沸点高出大约30℃~40℃。随着个人的实践经验,在操作过程中技能会改善,但是也会随所实施化学反应类型的不同而异。开始时以10min进行一个反应,通常对其进程能够形成良好的总体看法。对反应混合物跟踪之后,根据获得的结果,也许会判断需要进一步修饰该工艺:

    ①没有反应:温度太低或者反应体系不合适;提高温度或改变溶剂。
    ②转化不完全:延长反应时间和或升高温度。
    ③底物分解:温度太高;降低温度。
    ④反应完全:缩短时间到反应刚好完全,zui大程度地加快速率。

    通常,单模反应器仪器温度的极限是250℃,而多模仪器的设置至少在某段限定的时间内。可以高到300℃。这可能使得利用密团容器在高温和高压下开发全新的反应得以实现,不过操作者必须意识到,随着温度的升高,有些类型容器的压力极限会下降。尤其是当使用PTFE和PFA容器时,它们可能会在高温/高压条件下严重变形。对于这些高温反应,应当使用玻璃或石英容器。

    对于反应时间的优化没有特别的建议。既然加速反应是使用微波照射的主要动机,就应当期望反应在几分钟之内达到完全。另一方面,反应应当一直运行直至底物发生完全转化。总体来说,在密闭条件下如果一个微波反应在60min之内还没有进行完全,就需要对反应条件作进一步复查(溶剂,催化剂,极性比例)。zui长时间的微波介导反应的报道记录是一个铜催化的N-芳基化反应,经历了22h。发表的zui短时间的微波反应则仅需6s的微波脉冲就达到完全(超快的羰基化反应)

4.微波仪器的软件

    所有商品化的工业微波反应器都带有软件包,它通常允许编制一个控制温度或功率的程序。使用控温程序,系统一般通过应用zui大的微波输出功率,尝试尽快达到设定的温度。为了控制放热的或高反应性的过程,可以编制专用的加热梯度程序,例如在2min内到达120℃,或者设计一个明确的步进式反应过程(如下图)。两种不同方式,都提供了对反应温度的很好控制。
 
 


在密闭容器条件加热30ml水样品的温度曲线

    另一方面,可以在某个固定时间段内用恒定的微波功率照射样品,例如10W下10min。由于对到达的温度或压力不可控,必须小心以免超出系统的操作极限,只有对那些非常熟悉并且没有严格限制的反应才使用这类程序,或者在敞口(回流)条件下使用。因为在这类方法中,受控的只是施加的能量而非产生的温度,因此使用控温程序的反应控制的质量通常更好。

    有些软件包额外提供控制压力方法的开发,它将产生的压力作为一个限制因素。通过调整压力限制来调节微波功率,而对产生的猛度没有影响。因为对于一个成功的合成反应来说,反应温度是zui关键的参数,为了研究反应的操作极限,推荐使用温度程序。一旦已知zui高温度和zui大压力,微波输出功率的不同可以成为优化反应结果的进一步方法。

    所以,在优化反应的实验中使用哪种策略,很大程度上取决于所用仪器的类型,在多模反应器使用的强磁控管微波输出功率高达1500W的同时,单模反应器使用的zui大功率只有300W。这是因为在单模装置中微波场密度高,而需要加热的样品的体积较小。原则上,可以将优化的工艺从单模转用到多模仪器上,并且将规模放大100倍而效率不会受损。

局限性与安全方面

    总体而言,大多数能够在加热条件下进行的反应都能够经微波照射得到加速完成。微波加热的效率高度依赖于反应混合物的介电性质。大多数结果显示速率的增加和产率的改善可以用简单的热效应加以解释。但是,由于两个主要的原因,有些反应可能不适合在徽波反应器中进行:

    (1)低吸收混合物  如果反应混合物,包括其中所含的单独试剂,没有足够的极性与微波进行有效的耦合,则存在对仪器或其部件产生损害的危险。当用高输出功率的微波对低吸收材料照射过长的时间时,这主要是与多模仪器相伴的一个问题。导入的微波能量必须以某种方式被吸收,如果它没有被试剂所接受,容器的感应器或者其他附件无意中就会被加热。为了避免出现这样的情况,应当向混合物中加人强微波吸收的物质。离子液体是一些可被接纳的添加物,能够与微波相互作用,即使非常少量的这类物质也能提高样品的介电损耗,并且额外作为反应介质或催化剂。因为离子液体通常难于从反应物混合物中除去,加入被动加热的成分例如Weflon™一涂层的搅捧子或者碳化硅芯片会更加方便。

    现代微波仪器配置了特殊的安全性部件以保护磁控管不受损害。特别设计的反射系统防止了微波被反射到磁控管上,或者两道温度测量,如果输出功率不能有效地转变,就通过迅速关闭磁控管以避免过热

    (2)高吸收混合物的过载  另一方面,极性太强的混合物可被过快地加热升温乃至超过仪器或者容器的安全极限(压力定额,温度限制),导致对仪器的损伤。如果容器过载了太多的体积或太浓的混合物就可能出现这种情况。采用更加稀释的混合物以及缓慢升温的程序则能够避免上述同题。

    为了减少容器失败的危险,承压容器配置了几种安全性部件。它们可能包括一个有效的自排放系统,它可以通过迅速打开一再关闭步骤来释放意外的过大压力,或者采用安全圆盘,当到达其压力限额时它就会破裂。有些单模反应器的小瓶(0.2~20mL)由其所用盖子的压力极限(20bar)来保护,它们明显低于小瓶本身的操作极限(40~50bar)。

    但是,对于任何排放行为,排气系统必须能够立即开始疏散溶剂的蒸气。尤其在大规模的合成中,形成易燃混合物是非常危急的。有机溶剂通常高度易燃,而微波可能会成为系统的点火源,引起严重的爆炸。所以对所用的微波仪器需要进行恰当的保护,以便将其对操作者的潜在危害减低到zui少。所有多模炉都带有电子溶剂感应器,它能够测量空腔内气体中有机溶剂的浓度。如果到达了临界极限,磁控管就会关闭并且排放出溶剂燕气。

    另一个要点是所用溶剂的热稳定性。一般来说,当使用微波加热时对热不稳定的化合物能够因反应时间短而受益,但是另一方面与传统加热相比所施加的反应温度经常要高一些。所以,当暴露于高温时,有几种溶剂和试剂可能会分解,形成危险的化合物。具有潜在风险的化合物包括那些含有硝基或叠氮基的化合物以及醚类,因为已经知道它们加热时会引起爆炸。例如aether,会形成沸点非常低的爆炸性过氧化物,它不能用在微波辅助的反应中。

    当在微波场中进行放热反应时,尤其当以放大规模的方法操作时,一定要采取预防措施。由于微波迅速的能量转移,任何不受控制的放热反应都具有潜在的危险(热失控)。对于仪器的安全性测量而言,温度和压力的上升可能会极其迅猛,从而引起容器破裂。

    当运行控温程序时.为了准确地跟踪温度,容器的zui小充满体积十分关键。在从容器底部进行1R温度测量的悄况下,对于单模仪器而言(CEM Discover系列),只需要很少量的反应混合物(大约50μL_)就足以获得的温度反馈。浸入式的温度探针则根据容器的总体积,需要某个确定的zui小体积来进行准确测量。为了获得可靠并且能够重现的结果,必须保证温度探针与反应混合物进行广泛的接触,即使混合物处于搅拌下。

     对于会导致气态组分产生的反应必须加以警惕,例如那些设计甲酸铵的反应,它被用作氢转移试剂,能够附加释放出大量氨气和二氧化碳。当制定一个实验计划时,为了不要使累积的压力超过操作极限,必须考虑将要产生的气体的体积。总体而言,对于设计良好的系统这不是一个安全性难点,因为排放机制能够释放过大的压力,保护仪器不受伤害,但是它必然妨碍实验的进程。利用微波照射来加热化合物时面临的一个常见现象叫做过热,即溶剂被加热到远远高干其沸点温度。在有些策略中探讨了这种效应,但是它也可能很危险,因为过热混合物会突然开始沸腾。所以,在有机合成中总会推荐进行搅拌,不过所用搅拌子的尺寸很重要。如果金属核心是发射波长(λ=12.25cm)的四分之一长,它会起到天线的作用,引起火花故电损坏搅拌子,甚至会导致容器爆炸。

    在微波辅助的反应中使用金属或金属化合物也会对反应容器带来伤害。当金属与微波强烈地相互作用时,可能会产生极度热点,它会因熔化过程的侵袭而可能削弱容器表面。这会破坏容器的稳定性,可能引起反应容器的剧烈毁坏。如果使用的催化剂能够产生金属单质沉淀(例如钯或者铜),为了避免在反应容器的内表面沉积金属薄膜,建议进行搅拌。

    操作化学品和加压的容器总是承担着一定的风险,但是商品化的微波反应器所带有的安全部件和的反应控制,能够保护使用者免子发生事故,也许比任何传统的热源的保护性都好。将家用微波炉与可燃的有机溶剂一起使用具有危险,必须严格避免,因为这些仪器不是为经受进行化学反应时所产生的那些条件而设什的。


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