蔡 玉 鑫

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830021）

微波有機(jī)化學(xué)的應(yīng)用與研究進(jìn)展分析

蔡 玉 鑫

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830021）

隨著科技的進(jìn)步和文明的發(fā)展，當(dāng)代社會(huì)對(duì)化工和化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域提出了“綠色化學(xué)”的概念，要求既要經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也要保護(hù)環(huán)境。隨著微波技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，在化學(xué)反應(yīng)中，尤其是有機(jī)化學(xué)的反應(yīng)中，傳統(tǒng)的加熱手段所帶來的時(shí)間冗長、設(shè)備要求太高、操作過程復(fù)雜、反應(yīng)收率不高等問題，都得到了有效的解決。介紹了微波技術(shù)的原理，并舉例說明了微波技術(shù)在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用與研究進(jìn)展。

微波；有機(jī)化學(xué)；應(yīng)用

早在五六十年前，國外就有相關(guān)科研人員報(bào)道了對(duì)于微波加熱的應(yīng)用過程，人們經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微波可以對(duì)化學(xué)反應(yīng)的速率進(jìn)行有效控制，隨著微波化學(xué)的發(fā)展，時(shí)至今日，微波化學(xué)已經(jīng)在相關(guān)產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，比起傳統(tǒng)加熱手段，微波加熱能夠在同樣的時(shí)間里獲得更高的反應(yīng)收率，或者說，同樣的反應(yīng)收率，微波加熱所需的反應(yīng)時(shí)間更短。微波技術(shù)之所以被譽(yù)為是“綠色化學(xué)”，就是因?yàn)樗哂心茉聪牡?、污染少、產(chǎn)量高等性質(zhì)，所以，微波技術(shù)的發(fā)展前景，極其的開闊。

1 微波的原理

微波技術(shù)可以對(duì)化學(xué)反應(yīng)的方式和速度進(jìn)行改變和控制。微波是通過微波熱效應(yīng)和微波非熱效應(yīng)這兩種方式產(chǎn)生的輻射來對(duì)化學(xué)反應(yīng)的速度進(jìn)行控制的。微波照射在反應(yīng)物上，根據(jù)其特有的物理性質(zhì)，對(duì)反應(yīng)物的分子產(chǎn)生作用，使其運(yùn)動(dòng)的速度加快，從而使得反應(yīng)物分子的動(dòng)力勢(shì)能得到了增加，分子的運(yùn)動(dòng)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(yīng)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(dǎo)致反應(yīng)變快的現(xiàn)象，就是所謂的微波熱效應(yīng)。而一些分子活性異常增加，卻不是因?yàn)闇囟壬咚鶎?dǎo)致的異常現(xiàn)象，則被稱為微波的非熱效應(yīng)[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(shí)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(dòng)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(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)微波照射在諸如玻璃、陶瓷和塑料等材質(zhì)上時(shí)，微波的運(yùn)行，往往是直接穿透而過，幾乎不會(huì)被吸收能量。當(dāng)微波照射在水、動(dòng)植物、食物等上面，微波的能量將會(huì)被材質(zhì)吸收掉，從而引起材質(zhì)的熱量升高。當(dāng)微波照射在金屬材質(zhì)的物品上時(shí)，微波的波動(dòng)會(huì)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(duì)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(dòng)力勢(shì)能，從而使其加快運(yùn)動(dòng)速度，加大分子碰撞頻率，從而產(chǎn)生更劇烈的化學(xué)反應(yīng)。所謂極性分子，就是類似于水（H2O）這類，通過極性鍵結(jié)合的活性分子。當(dāng)微波的粒子以每秒24.5億次的頻率運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，就形成了一個(gè)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的磁場，極性分子在磁場中同樣開始高速運(yùn)動(dòng)，發(fā)生劇烈的碰撞，從而產(chǎn)生熱能，讓物體在極短的時(shí)間里產(chǎn)生極高的溫度[3]。

1.3 微波熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)

1.3.1 微波熱效應(yīng)

微波的熱效應(yīng)是指微波能夠?qū)碛袠O性分子的物質(zhì)進(jìn)行持續(xù)且均勻的加熱，從而促進(jìn)極性分子的活性增高，如果發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則反應(yīng)速度會(huì)得到極大提升。微波是通過粒子的波動(dòng)性帶來的磁能對(duì)極性分子產(chǎn)生了作用，即同性相吸、異性相斥的離子動(dòng)能，這種動(dòng)能加速了分子的運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生更加劇烈的碰撞，把動(dòng)能又轉(zhuǎn)化成了熱能。而微波所具有的穿透性，讓微波能夠?qū)δ繕?biāo)物的分子產(chǎn)生均勻的磁能[4]。

1.3.2 微波非熱效應(yīng)

微波的非熱效應(yīng)是指目標(biāo)物的狀態(tài)發(fā)生反應(yīng)，并不是因?yàn)槲⒉訜岬木壒剩侵T如微波的電磁效應(yīng)等引起的。微波產(chǎn)生的高速磁場，改變了目標(biāo)物分子的布局，從而對(duì)目標(biāo)物的作用產(chǎn)生了改變。非熱效應(yīng)和熱效應(yīng)的區(qū)別在于，非熱效應(yīng)并沒有改變分子的本質(zhì)，而熱效應(yīng)最終目的是為了促進(jìn)分子的化學(xué)反應(yīng)加速。

2 微波有機(jī)化學(xué)的應(yīng)用

2.1 酯化反應(yīng)

在微波的熱效應(yīng)作用下，羥酸發(fā)生酯化反應(yīng)的速度比起傳統(tǒng)加熱方式更迅速，并且反應(yīng)過程中的副反應(yīng)數(shù)量減少了很多，對(duì)生成物的選擇性也更強(qiáng)，同時(shí)相同條件下的反應(yīng)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(dá)到同樣的反應(yīng)收率，傳統(tǒng)加熱可能需要幾小時(shí)甚至幾十小時(shí)，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(yīng)在傳統(tǒng)加熱和微波加熱下的情況對(duì)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(jī)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(shí)也在大量的食品當(dāng)中得到了應(yīng)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(yīng)收率為90%。而微波加熱僅需要5 min，反應(yīng)收率就能達(dá)到了82%以上，反應(yīng)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(jī)合成、人造香精。在工業(yè)上常用作溶劑、有機(jī)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(jìn)行酯化反應(yīng)，加熱至100 ℃持續(xù)200 min，反應(yīng)收率為86%，可是傳統(tǒng)加熱方式，在酯化反應(yīng)中副反應(yīng)較多，而且操作工藝復(fù)雜，硫酸還具有一定危險(xiǎn)性，容易對(duì)設(shè)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(yīng)收率就能達(dá)到92%，反應(yīng)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(yīng)，成本也較為低廉。

表1 酯化反應(yīng)在傳統(tǒng)加熱和微波加熱下的對(duì)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(yīng)收率92%，而進(jìn)行微波加熱只需要1 min，反應(yīng)收率就能達(dá)到96%，反應(yīng)速度提高了300倍。

2.2 烷基化反應(yīng)

醇與鹵代烴的烷基化反應(yīng)，在很早前就使用了微波技術(shù)加熱，利用微波照射等方式，實(shí)現(xiàn)了 O-烷基化、C-烷基化和N-烷基化等反應(yīng)。表2是一些醇與鹵代烴的烷基化反應(yīng)在傳統(tǒng)加熱方式和微波加熱方式下的數(shù)據(jù)對(duì)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(yīng)收率為68%；而在微波加熱下，達(dá)到68%的反應(yīng)收率只需要短短的36 s即可，反應(yīng)速度相當(dāng)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(yīng)收率即可達(dá)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(jí)職稱，碩士學(xué)位，2007年畢業(yè)于新疆大學(xué)研究生院有機(jī)化學(xué)專業(yè)，研究方向：有機(jī)化學(xué)、有機(jī)分析。