微波反應儀在實驗教學中的應用

古險峰 李咪咪 陳紀安

【摘要】本實驗以研究生創新實驗為背景，并以培養學生創新能力為目的，結合有機化學實驗的特點，設計利用微波反應儀脫除甲酸酯的反應。以3-乙酰基-2，4-二甲基-5-乙氧羰基吡咯原料，在強堿條件下，經微波加熱反應合成目標產物。其最佳合成條件為：3-乙酰基-2，4-二甲基-5-乙氧羰基吡咯與氫氧化鉀當量比為1：1.5，反應溫度為160°C，反應時間為0.5 h。產率90%以上。實驗結果表明，采用微波加熱進行反應的效率遠遠高于傳統加熱進行反應的效率， 因此，微波反應儀是有機化學相關專業研究生在從事科研實驗過程中必不可少的有利研究工具。

【關鍵詞】微波反應 有機合成 高溫反應

【中圖分類號】TP391.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）11-0191-01

1.實驗目的

1.1了解微波反應的基本原理。

1.2了解微波反應與傳統反應的差異。

1.3熟悉和掌握微波反應儀的操作方法。

2.實驗原理

微波是指頻率為300MHz～300KMHz的電磁波（波長在1m～1mm之間的電磁波）。物質分子偶極振動同微波振動具有相似的頻率，在快速振動的微波磁場中，分子偶極的振動會盡力同磁場的振動相匹配，而分子偶極的振動又滯后于磁場，因此物質分子吸收電磁能以每秒數十億次的高速振動而產生熱能。有機物多為極性和非極性化合物，極性分子會有偶極作用，當微波遇到極性分子時會引起分子的劇烈振蕩而產生分子熱；而非極性分子由于極性介質分子的存在而產生誘導和色散偶極，也會在微波這種高頻交變的電場作用下，產生振動而產生分子熱。

傳統的加熱方式是通過輻射， 傳導對流等方式由表及里對物質進行加熱， 加熱過程相對比較緩慢。而微波加熱是通過物質分子的振動而產生分子熱，不僅加熱效率高，而且體系受熱均勻。因此是目前有機合成中理想的加熱方式。

在有機合成中，脫甲酸酯的反應是重要的減碳反應， 但通常該類反應在強堿的作用下高溫加熱數天才能發生， 而往往最終產率也不是很理想。采用微波技術來進行該類反應， 不僅可以大大縮短反應時間， 而且可以大大提高反應產率。本實驗是以3-乙酰基-2，4-二甲基-5-乙氧羰基吡咯和氫氧化鉀為原料， 加熱160°C進行反應， 反應方程式如下圖所示：

3.實驗部分

3.1儀器與試劑

儀器： Brucker 400M型核磁共振儀（CDCl3 為氘代試劑，TMS 為內標）；微波反應儀。

試劑： 3-乙酰基-2，4-二甲基-5-乙氧羰基吡咯， 氫氧化鉀，乙二醇

3.2化合物合成

3.2.1傳統加熱反應步驟：

將3-乙酰基-2，4-二甲基-5-乙氧羰基吡咯和氫氧化鉀置于25mL圓底燒瓶中，加入10mL乙二醇邊攪拌邊加熱至160°C反應， TLC監測反應進程。待反應結束，冷卻至室溫，將反應物溶于二氯甲烷中并加飽和食鹽水洗三次，有機相用無水硫酸鈉干燥后過濾，濾液用旋轉蒸發儀除去溶劑得粗產品。

3.2.2微波加熱反應步驟：

將轉子， 3-乙酰基-2，4-二甲基-5-乙氧羰基吡咯和氫氧化鉀置于微波管中，加入少量乙二醇（沒過固體即可），封好微波管，在160°C下進行微波反應0.5小時。停止反應，冷卻至室溫，將反應物溶于二氯甲烷中并加飽和食鹽水洗三次，有機相用無水硫酸鈉干燥后過濾，旋干溶劑得粗產品。

4.結果與討論

實驗分兩次進行， 一次采用傳統加熱反應步驟， 反應4小時， 用TLC監測反應進程， 并與原料和產物的標準品進行對照， 發現反應基本沒有產物生成， 反應體系內主要為原料。另一次采用微波加熱反應步驟， 反應0.5小時， 用TLC監測反應進程，并與原料和產物的標準品進行對照， 發現反應體系內原料幾乎全部轉化為產物。通過對比實驗， 同學們可以深切體會到微波加熱反應的效率遠遠高于傳統加熱反應。

5.結語

通過兩次對比實驗， 一次采用傳統加熱方法， 另一次采用微波反應儀進行加熱， 對3-乙酰基-2，4-二甲基-5-乙氧羰基吡咯進行甲酸酯的脫除， 實驗結果顯示， 采用微波加熱方法進行反應的效率和產率明顯高于傳統加熱方法。通過該實驗， 同學們體會到微波技術的高效便捷，同時能夠熟悉和掌握微波反應儀的操作方法， 以便用于今后的課題研究當中。

參考文獻：

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作者簡介：

古險峰，復旦大學藥學院藥物化學教研室，副教授。