微波技术应用于有机合成实验的探讨

马祥梅，王 斌

（安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南232001）

环境问题是目前人类面临的严峻挑战之一，环境保护是保证经济长期稳定和实现可持续增长的前提条件。化学实验的绿色化教学理念，既能培养学生绿色化学的意识，又能减少对环境的污染。高校承担着人才培养、社会服务等多重任务，更有责任和义务为保护环境起示范带头作用，做化学化工行业“责任关怀”理念的先行者。而现阶段，高校基础有机合成实验教学不仅存在反应时间长、原料消耗大和产率低等问题，同时学生严格按教材中内容和步骤进行操作的传统教学模式，实验枯燥乏味，不利于开发学生创造性及思维能力，因而改革传统实验教学模式、教学方法已迫在眉睫。

微波是频率范围在300 MHz～300 GHz 之间的电磁波。微波加热与传统加热在很多有机合成中具有不同的反应速率，能够合成常规加热难以生成的物质，甚至许多在低温条件下不能进行的化学反应，在相同温度的微波辐照下却可进行，同时兼具操作简单、反应时间短等诸多优点，被广泛应用于温和条件下提高化学反应速率和产率[1]。例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）常用水解、醇解等化学解聚法回收，但水解和甲醇醇解需在高压下进行，乙二醇醇解虽可在常压下进行，但是反应需8～10 h，且解聚不完全；而在催化剂氧化锌以及乙二醇/碳酸氢钠复合解聚剂的共同作用下，微波加热即可实现其常压下的快速解聚[2]。又如许多高校实验教材里基于Perkin 反应制备肉桂酸的实验，常规回流加热反应需要1～1.5 h，产率只有75%左右，而杨彩玲等采用碳酸钾/碳酸钠混合催化剂，280 W 微波辐照8 min，肉桂酸产率高达91.3%[3]。李琼等以无水碳酸钾为催化剂，130 W功率微波辐照6 min，肉桂酸产率就达到94.3%[4]。

由于微波量子的能量在10-2～10-5eV 范围内，远远小于一般化学键的键能（例如：C-C 键的键能为3.82 eV），从能量的角度不足以断裂化学键，无法通过自身的能量转换而引发反应的发生。微波辐射对于化学反应的影响因素和微观机理，目前难以作出系统的解释，有效可行的方法是通过量子化学的模拟计算，从分子、原子和电子等微观粒子层面对其进行讨论。量子物理学观点认为，微波辐照使物质分子吸收能量受到一定程度的激发，产生诸如电子自旋共振和分子转动、振动等微观效应，使分子的化学活性增加，有利于反应的发生。热效应支持者认为，微波辐照有助于化学反应发生的机理是微波选择性加热极性物质，引起反应体系迅速升温，从而使反应速度有较大幅度提高；非热效应支持者认为，微波对极性物质的选择性加热，可降低指前因子和活化能。微波在化学反应中所产生的这些特殊现象，尤其是否存在非热效应是学术界争论的焦点之一。如将微波技术引入到化学实验中，引导学生利用网络数据库资源查阅相关文献，分析文献研究工作的优缺点、创新点，同时根据实验室现有条件自行设计实验方案，掌握微波反应器的操作方法，可大大激发学生的实验兴趣，再通过实验过程中利用常规加热和微波辐照加热分别进行操作，结合微波辐照时间、微波功率等因素对产率的影响等单因素探索性实验，分析微波合成原理，可使学生的科学思维能力、创新意识和逻辑思维能力得到一定程度的提高。鉴于微波技术在实验教学中的诸多优点，本文从以下几方面总结了其在高校有机合成实验中的应用。

1 酰化反应

以水杨酸和乙酸酐为原料，在硫酸催化下通过酰化反应制备阿司匹林是高校有机化学实验教材中的一个经典反应，但此方法副反应多，产品品质不好，产率也只有60%左右[5]。郝红英等研究了微波辐射碳酸氢钠催化制备乙酰水杨酸，获知水杨酸和乙酸酐摩尔比1∶2，400 W 功率微波辐射80 s，阿司匹林的产率高达76%。若采用羟乙基磺酸钠作催化剂，原料比相同条件下微波辐射2 min，产率更是高达79%[6]。安从俊等在70 ℃用450 W 微波辐射酸醇摩尔比为1∶3 的反应体系15 min，磷酸催化下产率则可达93%以上。而在相同条件下常规加热反应30 min，产品收率只有73%[7]。微波辐照同样对胺类的酰化反应影响显著，600 W 微波辐射100 ℃的苯胺/冰醋酸（摩尔比1∶2.5）反应体系15 min，乙酰苯胺的收率从常规加热反应的55%提升到70%左右。通过测定, 所得化合物的性能与用常规方法所得产物一致[8]。由此可见，微波辐照同时提高了酰化反应的效率和产率。

2 成醚反应

作为重要的工业原料，混醚通常利用Williamson 法长时间回流制备，能量消耗大且产率低。大量实验证明，微波辐射可明显提高醚类合成反应的速率，如对硝基氯苯和对硝基苯酚在无水碳酸钠催化下合成4,4- 二硝基二苯醚，当产物收率相近时，微波辐射可使反应时间缩短近4 倍；再如4- 氰基酚盐和苄氯成醚，常规加热回流12 h 只能完成65%的反应，而560 W 的微波作用35 s即能产生同样效果，其反应速率加快了1 000 倍以上[9]；又如1- 溴丁烷与硫化钠（摩尔比1∶1.5）在乙醇溶剂中加热制备二丁基硫醚，回流数小时产率一般为64%～76%，而同样条件下195 W 的微波辐射0.5 h 产率就可达73%～78%[10]。

3 酯化反应

酯化反应是典型的可逆反应，为了使平衡有利于向生成酯的方向移动，不仅需要较长的回流反应时间，而且还须明显增大反应物醇或酸的浓度，开发和推广新的酯化工艺是提高产率、节约资源的有效措施。栗云天等研究了微波合成水杨酸异丙酯的工艺,并与常规加热方法进行对比，发现在相同条件并且达到相同转化率的前提下，微波反应比常规反应所得产品的杂质含量低很多，反应速率也得到快速提高，若使用硫（磷）混酸作为催化剂,微波反应速度比常规反应增大近10 倍左右。即使是空间位阻较大的2,4,6- 三甲基苯甲酸与异丙醇的成酯反应，在微波辐照下，仅需1 h 转化率就能达到56%，而常规加热回流反应超过24 h，转化率仍低于3%[11]。

4 成酸反应

苯甲酸用途广泛，可用于抗菌防腐、树脂涂料的性能改进以及作为相关药品生产的润滑剂等，其传统的合成方法是由高锰酸钾氧化甲苯制得，但该方法反应时间较长，产率较低（20%～30%），同时反应体系易发生暴沸现象，安全隐患难以避免，存在废酸废碱等后处理复杂，环境污染严重等缺点，因而安全、绿色的苯甲酸合成方法具有重要的现实意义。马晨晨等探讨了微波辐射法合成苯甲酸，结果表明，摩尔比2∶3 的苯甲醛和氢氧化钠在二水合氯化铜催化下，640 W 微波辐射10 min，苯甲酸的收率可达82.3%。与传统的合成方法相比，具有条件温和、反应时间短和环境友好等优点[12]。

基于以上诸多研究者多年的探索，说明在高校化学实验教学中设置有关微波技术的实验项目是十分必要且可行的，可以将绿色化学理念与实验教学很好地结合起来，进一步推动绿色化学的发展。