微波有機化學的應用與研究進展分析

蔡 玉 鑫

（新疆輕工職業(yè)技術學院， 新疆 烏魯木齊 830021）

微波有機化學的應用與研究進展分析

蔡 玉 鑫

（新疆輕工職業(yè)技術學院， 新疆 烏魯木齊 830021）

隨著科技的進步和文明的發(fā)展，當代社會對化工和化學相關領域提出了“綠色化學”的概念，要求既要經(jīng)濟發(fā)展，也要保護環(huán)境。隨著微波技術在化學領域中的廣泛應用，在化學反應中，尤其是有機化學的反應中，傳統(tǒng)的加熱手段所帶來的時間冗長、設備要求太高、操作過程復雜、反應收率不高等問題，都得到了有效的解決。介紹了微波技術的原理，并舉例說明了微波技術在有機化學中的應用與研究進展。

微波；有機化學；應用

早在五六十年前，國外就有相關科研人員報道了對于微波加熱的應用過程，人們經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，微波可以對化學反應的速率進行有效控制，隨著微波化學的發(fā)展，時至今日，微波化學已經(jīng)在相關產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應用，比起傳統(tǒng)加熱手段，微波加熱能夠在同樣的時間里獲得更高的反應收率，或者說，同樣的反應收率，微波加熱所需的反應時間更短。微波技術之所以被譽為是“綠色化學”，就是因為它具有能源消耗低、污染少、產(chǎn)量高等性質(zhì)，所以，微波技術的發(fā)展前景，極其的開闊。

1 微波的原理

微波技術可以對化學反應的方式和速度進行改變和控制。微波是通過微波熱效應和微波非熱效應這兩種方式產(chǎn)生的輻射來對化學反應的速度進行控制的。微波照射在反應物上，根據(jù)其特有的物理性質(zhì)，對反應物的分子產(chǎn)生作用，使其運動的速度加快，從而使得反應物分子的動力勢能得到了增加，分子的運動速度加快，那么彼此的碰撞也就更加的頻繁，分子的活性就更高，反應的速度自然就得到了改變。而這一流程，即微波照射--溫度升高--分子加速，從而導致反應變快的現(xiàn)象，就是所謂的微波熱效應。而一些分子活性異常增加，卻不是因為溫度升高所導致的異常現(xiàn)象，則被稱為微波的非熱效應[1]。

1.1 微波的定義

微波是屬于無線電波的范疇，是一種特定頻率的電磁波，它的頻率要求不得超過300 GHz，同時也不能低于0.3 GHz，而它的波長則處于0.1 mm到1 m之間。比起普通的無線電波頻率，微波的頻率要高出很多，所以微波通常也被稱為是超高頻電磁波。微波具有波動性和粒子性的雙重性質(zhì)，即微波能以一種特定的形式傳播，也具有粒子諸如質(zhì)量、電荷等特性。微波在傳播過程中，具有穿透、吸收和反射三種運行狀態(tài)。當微波照射在諸如玻璃、陶瓷和塑料等材質(zhì)上時，微波的運行，往往是直接穿透而過，幾乎不會被吸收能量。當微波照射在水、動植物、食物等上面，微波的能量將會被材質(zhì)吸收掉，從而引起材質(zhì)的熱量升高。當微波照射在金屬材質(zhì)的物品上時，微波的波動會被反射開[2]。

1.2 微波加熱原理

只有物質(zhì)具有極性分子，微波才能產(chǎn)生作用，通過對其照射，讓極性分子吸收微波的能量，從而產(chǎn)生熱量，增加分子的活性，增加其動力勢能，從而使其加快運動速度，加大分子碰撞頻率，從而產(chǎn)生更劇烈的化學反應。所謂極性分子，就是類似于水（H2O）這類，通過極性鍵結合的活性分子。當微波的粒子以每秒24.5億次的頻率運動的時候，就形成了一個高速運轉的磁場，極性分子在磁場中同樣開始高速運動，發(fā)生劇烈的碰撞，從而產(chǎn)生熱能，讓物體在極短的時間里產(chǎn)生極高的溫度[3]。

1.3 微波熱效應和非熱效應

1.3.1 微波熱效應

微波的熱效應是指微波能夠對擁有極性分子的物質(zhì)進行持續(xù)且均勻的加熱，從而促進極性分子的活性增高，如果發(fā)生化學反應，則反應速度會得到極大提升。微波是通過粒子的波動性帶來的磁能對極性分子產(chǎn)生了作用，即同性相吸、異性相斥的離子動能，這種動能加速了分子的運動，從而產(chǎn)生更加劇烈的碰撞，把動能又轉化成了熱能。而微波所具有的穿透性，讓微波能夠對目標物的分子產(chǎn)生均勻的磁能[4]。

1.3.2 微波非熱效應

微波的非熱效應是指目標物的狀態(tài)發(fā)生反應，并不是因為微波加熱的緣故，而是諸如微波的電磁效應等引起的。微波產(chǎn)生的高速磁場，改變了目標物分子的布局，從而對目標物的作用產(chǎn)生了改變。非熱效應和熱效應的區(qū)別在于，非熱效應并沒有改變分子的本質(zhì)，而熱效應最終目的是為了促進分子的化學反應加速。

2 微波有機化學的應用

2.1 酯化反應

在微波的熱效應作用下，羥酸發(fā)生酯化反應的速度比起傳統(tǒng)加熱方式更迅速，并且反應過程中的副反應數(shù)量減少了很多，對生成物的選擇性也更強，同時相同條件下的反應收率則更高了。微波加熱比起傳統(tǒng)加熱，最顯著的地方還是在效率上，同樣的條件下，達到同樣的反應收率，傳統(tǒng)加熱可能需要幾小時甚至幾十小時，而微波加熱往往只需要幾分鐘到數(shù)十分鐘而已。表1是一些酯化反應在傳統(tǒng)加熱和微波加熱下的情況對比。

2.1.1 苯甲酸甲酯

苯甲酸甲酯，又名安息香酸甲酯，在工業(yè)上用于有機合成中間體、溶劑、香料。因其具有濃郁的冬青油和尤南迦油香氣，常用于配制香水香精和人造精油，同時也在大量的食品當中得到了應用。苯甲酸甲酯的傳統(tǒng)加熱生產(chǎn)方式，是將苯甲酸與甲醇混合，緩緩加入濃硫酸，加熱至約 70 ℃回流 240 min，反應收率為90%。而微波加熱僅需要5 min，反應收率就能達到了82%以上，反應速率是傳統(tǒng)加熱的85倍[5]。

2.1.2 己酸乙酯

己酸乙酯，用于有機合成、人造香精。在工業(yè)上常用作溶劑、有機合成中間體和香料。具有曲香、菠蘿香型的香氣，用于配制食用、煙草香精以及用于曲酒調(diào)香。目前生產(chǎn)正己酸乙酯，需要己酸與乙醇在硫酸環(huán)境下進行酯化反應，加熱至100 ℃持續(xù)200 min，反應收率為86%，可是傳統(tǒng)加熱方式，在酯化反應中副反應較多，而且操作工藝復雜，硫酸還具有一定危險性，容易對設備造成腐蝕損害，成本往往居高不下。而使用微波加熱方式，僅需要 4 min，反應收率就能達到92%，反應速度提高了50倍，而且微波加熱的操作環(huán)境友好，沒有那么多副反應，成本也較為低廉。

表1 酯化反應在傳統(tǒng)加熱和微波加熱下的對比Table 1 Comparison of the esterification reaction under conventional heating and microwave heating

2.1.3 纖維素酯

纖維素酯，用作涂料和炸藥原料，塑料制品、膠片和合成纖維原料，熱塑性塑料制品。傳統(tǒng)加熱304 min，反應收率92%，而進行微波加熱只需要1 min，反應收率就能達到96%，反應速度提高了300倍。

2.2 烷基化反應

醇與鹵代烴的烷基化反應，在很早前就使用了微波技術加熱，利用微波照射等方式，實現(xiàn)了 O-烷基化、C-烷基化和N-烷基化等反應。表2是一些醇與鹵代烴的烷基化反應在傳統(tǒng)加熱方式和微波加熱方式下的數(shù)據(jù)對比。

4-氰基酚鈉是農(nóng)藥中間體，生成“殺螟腈”、“苯腈磷”、“溴苯腈”、“羥敵草腈”、“白菌清”等苯氰基農(nóng)藥。

生成 4-氰基酚鈉，傳統(tǒng)加熱方式下，需要芐氯（即氯化芐）在甲醇中回流12 h，反應收率為68%；而在微波加熱下，達到68%的反應收率只需要短短的36 s即可，反應速度相當于提升了1 200倍，而在同樣的環(huán)境下加熱4 min，4-氰基酚鈉的反應收率即可達到94%，使原材料得到了充分的利用[6]。

Research Progress and Application of the Microwave Technology in Organic Chemistry

CAI Yu-xin
（Xinjiang Vocational College of Light Industry, Xinjiang Urumqi 830021，China）

With the development of science and technology, the contemporary society puts forward the concept of "green chemistry" in chemistry and chemical related fields, which not only demands economic development, but also demands to protect the environment. With wide application of the microwave technology in the field of chemistry, especially organic chemistry, the problems of traditional heating methods have been solved, such as long heating time, high requirement for equipments, complex operation process, and low reaction yield and so on. In this paper, the principle of microwave technology was introduced, and research progress and application of the microwave technology in organic chemistry were discussed.

Microwave; Organic chemistry; Application

TQ 028

A

1671-0460（2014）12-2688-02

2014-06-19

蔡玉鑫（1979-），女，山東文登人，中級職稱，碩士學位，2007年畢業(yè)于新疆大學研究生院有機化學專業(yè)，研究方向：有機化學、有機分析。