微波有机合成

1、1微波有机合成微波有机合成2微波照射微波照射n微波辐射是一种频率范围从微波辐射是一种频率范围从0.3300GHz的电磁波，的电磁波，相应的波长为相应的波长为1cm 1m。n微波炉和所有化学合成使用的商业专用微波反应器，其微波炉和所有化学合成使用的商业专用微波反应器，其工作频率均为工作频率均为2.45GHz(相应波长为相应波长为12.25cm)。辐射类型辐射类型频率频率/MHz/MHz量子能量子能/eV/eV键类型键类型键能键能/eV/eV射线射线射线射线紫外紫外可见光可见光红外光红外光微波微波无线电波无线电波3.03.0101014143.03.0101013131.01.010109 96.

2、06.010108 83.03.010106 6245024501 11.241.2410106 61.241.2410105 54.14.12.52.50.0120.0120.00160.00164.04.01010-9-9C CC CC=CC=CC CO OC=OC=OC CH HO OH H氢键氢键3.613.616.356.353.743.747.717.714.284.284.804.800.04-0.440.04-0.44辐射类型和键能的比较辐射类型和键能的比较3 20 世纪 30 年代，发明产生微波的电子管。开始微波技术仅用于军事雷达； 1947 年，美国发明了第一台加热食品的机

3、器微波炉； 1952 年，微波等离子体用于光谱分析; 60 年代后，用于无机材料的合成，如表面膜（金刚石膜、氮化硼膜等）和纳米粉体材料的合成； 1975 1975 年， MosianMosian 等发明了一种表面波器件; ; 1976 1976 年， BeenakkerBeenakker 提出了TmoioTmoio 谐振腔并获得了常压氦微波等离子体; ;微波化学发展历史微波化学发展历史4 1981 1981 年，嘉茂睦等用微波等离子体增强化学气相沉积法，以CH4 CH4 与 H2 H2 为原料，在钼与硅基上沉积出厚度为 1-2 m 1-2 m 的金刚石膜，此方法现已用于微波电子材料的刻蚀、净化

4、，高分子材料的表面改性与光刻胶的剥蚀等加工过程，并已形成一定产业。 直到 1986 1986 年起，加拿大化学家 GedyeGedye 等发现微波辐射下的 4-4-氰基苯氧离子与氯苄的 SN2 SN2 亲核取代反应可以使反应速率提高1240 1240 倍，并且产率也有不同程度的提高。从此微波有机合成逐渐变得流行起来。微波化学发展历史微波化学发展历史5微波化学发展历史微波化学发展历史迄今为止，研究过并取得效果的有机合成反应有：DielsAlderDielsAlder环加成反应、重排反应、酯化反应、PekinPekin反应、烷基化、氧化、取代、缩合、加成、聚合等，几乎涉及有机反应的各个领域。同时，

5、微波也可以适用于一些无机固相反应中，如陶瓷的烧结、固体快离子导体的制备、超细粉末材料和沸石分子筛的合成等。6微波介电加热（微波介电加热（1）电组分电组分磁组分磁组分C C2.45GHz=12.25cm 电场电场 磁场磁场C 光速光速 波长波长微波中的电场和磁场部分微波中的电场和磁场部分微波增强化学是建立在通过微波介电加热效应来有效地加热物质基础上的。微波增强化学是建立在通过微波介电加热效应来有效地加热物质基础上的。微波介电加热依赖于特定物质（如溶剂或试剂）吸收微波能量并将其转化微波介电加热依赖于特定物质（如溶剂或试剂）吸收微波能量并将其转化 为热的能力为热的能力电磁场中的电场成分对微波与物质的

6、相互作用是重要的。电磁场中的电场成分对微波与物质的相互作用是重要的。7微波介电加热（微波介电加热（1 1）n电场成分与底物的相互作用称为偶极极化机理，能够在微波照射下电场成分与底物的相互作用称为偶极极化机理，能够在微波照射下产生热的物质必须具有偶极矩。产生热的物质必须具有偶极矩。n当收到微波照射时，样品的偶极在所施加的电场作用下进行排列。当收到微波照射时，样品的偶极在所施加的电场作用下进行排列。当施加电场发生震荡时，偶极场试图在交流电场中进行重排，在这当施加电场发生震荡时，偶极场试图在交流电场中进行重排，在这一过程中产生，由于分子间的摩擦和介电损失，能量以热的形式被一过程中产生，由于分子间的摩

7、擦和介电损失，能量以热的形式被消耗。消耗。(a)a)偶极极化机理；偶极极化机理； 电磁场中电场的加热机理电磁场中电场的加热机理微波微波8在电磁场的作用下，物质中微观粒子可产生 4 种类型的介电极化:(a) 电子极化 (原子核周围电子的重新排布)、(b) 原子极化 (分子内原子的重新排布)，(c) 取向极化 (分子永久偶极的重新排布) ,(d) 空间电荷极化 (自由电荷的重新排布)。 前两种极化的驰豫时间在10-12 S 至 10-13 s 之间，比微波频率快得多，后两种极化的驰豫时间与微波的频率相近，可以产生微波加热，即可通过微观粒子的这种极化，将微波能转化为热能。微波介电加热（微波介电加热（

8、1 1）9微波介电加热（微波介电加热（2 2）1. 在离子传导过程中，样品中溶解的带电粒子（通常在离子传导过程中，样品中溶解的带电粒子（通常为离子）在微波场的影响下前后震荡，与邻近的分为离子）在微波场的影响下前后震荡，与邻近的分子或原子相互碰撞。碰撞引起搅动或运动，形成热。子或原子相互碰撞。碰撞引起搅动或运动，形成热。2. 就产生热的能力而言，传导原理的效应要远强于偶就产生热的能力而言，传导原理的效应要远强于偶极旋转机理的效应。极旋转机理的效应。(b)(b)离子传导机理离子传导机理电磁场中电场的加热机理电磁场中电场的加热机理10介电性质（介电性质（1）溶溶 剂剂 tantan溶溶 剂剂 tan

9、tan溶溶 剂剂 tantan乙二醇乙二醇 1.350乙醇乙醇 0.941二甲基亚砜二甲基亚砜 0.8252-丙醇丙醇 0.799甲酸甲酸 0.722甲醇甲醇 0.659硝基苯硝基苯 0.5891-丁醇丁醇 0.571 2-丁醇丁醇 0.4771,2-二氯苯二氯苯 0.2801-甲基甲基-2-吡咯烷酮吡咯烷酮 0.275乙酸乙酸 0.174N,N-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺 0.1611,2-二氯乙烷二氯乙烷 0.127水水 0.123氯苯氯苯 0.101氯仿氯仿 0.091乙腈乙腈 0.062乙酸乙酯乙酸乙酯 0.059丙酮丙酮 0.054四氢呋喃四氢呋喃 0.047二氯甲烷二氯甲烷 0.04

10、2甲烷甲烷 0.040己烷己烷 0.020不同溶剂的损耗角正切不同溶剂的损耗角正切(tan)(2.45GHz, 20)(tan)(2.45GHz, 20)tan= / / / 介电损耗，是指电磁波照射的能量转化为热的效率介电损耗，是指电磁波照射的能量转化为热的效率/ / 描述在电场中分子可极化性的介电常数描述在电场中分子可极化性的介电常数 反应介质具有高的反应介质具有高的tantan值才能有效地吸收微波能量，值才能有效地吸收微波能量，从而被快速加热。从而被快速加热。损耗角正切：损耗角正切：11介电性质（介电性质（2 2）有机物有机物15s15s后的温度后的温度/沸点沸点/介电常数介电常数1,4

11、-1,4-二氧己烷二氧己烷三丁基胺三丁基胺丙酸丙酸氯仿氯仿乙酸乙酯乙酸乙酯乙酸乙酸1-1-己醇己醇1-1-戊醇戊醇1-1-丁醇丁醇2-2-丁酮丁酮11111010191924242929383845455151565641411011011561561411416262777711811815815813713711711780802.22.22.42.43.33.34.84.86.06.06.26.213.313.313.913.917.817.818.518.5在微波炉内（在微波炉内（560W560W，敞口容器），敞口容器）加热加热0.5mol0.5mol有机液体的温度上升情况有机液体的温

12、度上升情况12介电性质（介电性质（3 3）n微波在传输过程中遇到不同物料时，会产生反射、吸收和穿透现象，微波在传输过程中遇到不同物料时，会产生反射、吸收和穿透现象，这主要取决于物料的介电常数这主要取决于物料的介电常数、介电损耗、介电损耗、比热和形状等；、比热和形状等；n一定厚度以上的导体，如铜、银、铝一定厚度以上的导体，如铜、银、铝 等金属能够反射微波，基本上不吸收；等金属能够反射微波，基本上不吸收；n绝缘体可透过微波，并且它吸收的微波绝缘体可透过微波，并且它吸收的微波 功率很小，如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等；功率很小，如玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯等；n介质具有吸收、穿透和反射微波的性能；介质具有吸

13、收、穿透和反射微波的性能；n介质通常是被加工的物料，他们不同程度介质通常是被加工的物料，他们不同程度 地吸收微能量，这类物料也称为有耗介质。地吸收微能量，这类物料也称为有耗介质。微波微波入射入射反射反射吸收吸收介质介质穿透穿透13微波加热特点微波加热特点n微波加热是物质在电磁场中因本身介质损耗而引起的体积加热，可实现微波加热是物质在电磁场中因本身介质损耗而引起的体积加热，可实现分子水平上的搅拌，加热均匀、温度梯度小，该特性最有利于对温度梯分子水平上的搅拌，加热均匀、温度梯度小，该特性最有利于对温度梯度很敏感的反应，如高分子合成和固化反应的进行；度很敏感的反应，如高分子合成和固化反应的进行；n由

14、于物质吸收微波能的能力取决于自身的介电特性，因此可对混合物料由于物质吸收微波能的能力取决于自身的介电特性，因此可对混合物料中的各个组分进行选择性加热，在某些气固相反应中，同时存在气固界中的各个组分进行选择性加热，在某些气固相反应中，同时存在气固界面反应和气相反应，气相反应有可能使选择性减小，利用微波选择性加面反应和气相反应，气相反应有可能使选择性减小，利用微波选择性加热的特性就可使气相温度不致过高，从而提高反应的选择性；热的特性就可使气相温度不致过高，从而提高反应的选择性；n微波加热无滞后效应，当关闭微波源后，再无微波能量传向物质，利用微波加热无滞后效应，当关闭微波源后，再无微波能量传向物质，

15、利用这一特性可进行对温度控制要求很高的反应；这一特性可进行对温度控制要求很高的反应；n微波加热能量利用效率很高，物质升温非常迅速，运用得当可加快处理微波加热能量利用效率很高，物质升温非常迅速，运用得当可加快处理物料速度，但若控制不好也会造成不利影响。物料速度，但若控制不好也会造成不利影响。14微波效应：热效应（动力学）微波效应：热效应（动力学）n在大多数情况下，观察到的反应速率的提高的原因是单纯的热在大多数情况下，观察到的反应速率的提高的原因是单纯的热/ /动动力学效应，也就是在微波场内照射极性物质时，可以迅速达到很力学效应，也就是在微波场内照射极性物质时，可以迅速达到很高的反应温度的结果。高

16、的反应温度的结果。n中等强度的微波吸收溶剂中等强度的微波吸收溶剂1-甲基甲基-2-吡咯烷酮沸点吡咯烷酮沸点202-204度，度，tan = 0.275，也可以在微波腔内被迅速加热，在大约，也可以在微波腔内被迅速加热，在大约40s的时的时间内被加热至间内被加热至200度。度。温度温度/ / 速率常数，速率常数， 时间时间 /s/s-1 -1 （90%90%的转化率）的转化率）温度温度/ / 速率常数，速率常数， 时间时间 /s/s-1 -1 （90%90%的转化率）的转化率）27 1.5510-7 68d77 4.7610-5 13.4h127 3.4910-3 11.4min177 9.861

17、0-2 23.4s227 1.43 1.61s典型一级反应温度和时间关系典型一级反应温度和时间关系注：注：A=4X1010/(mol.s), Ea=100kJ/mol。15微波效应：特殊微波效应微波效应：特殊微波效应 以常规加热法无法达到或重复的在微波场内对化以常规加热法无法达到或重复的在微波场内对化学转化率的促进，但本质上仍属于热效应。学转化率的促进，但本质上仍属于热效应。n微波加热条件下液体沸腾时的温度要高于大气压下该微波加热条件下液体沸腾时的温度要高于大气压下该液体的平衡沸点。许多溶剂的过热温度可以比正常沸液体的平衡沸点。许多溶剂的过热温度可以比正常沸点高出点高出40。所以反应速率可以提

18、高大约。所以反应速率可以提高大约10100倍。倍。n在极性较弱的反应介质中，微波能选择性地加热其中在极性较弱的反应介质中，微波能选择性地加热其中异相的强微波吸收的催化剂或试剂。异相的强微波吸收的催化剂或试剂。16微波反应器（微波反应器（1）n 初级产品初级产品 性能特点性能特点无可靠的温度无可靠的温度/压力的传感技术；压力的传感技术； 无实时温度和压力的监测和显示；无实时温度和压力的监测和显示； 无自动微波功率控制。无自动微波功率控制。 程序设定程序设定简单固定功率简单固定功率/时间模式。时间模式。n 升级型产品升级型产品 性能特点性能特点无可靠的温度无可靠的温度/压力的传感技术；压力的传感技

19、术； 有简单的温度和压力的监测和显示；有简单的温度和压力的监测和显示； 无自动微波功率控制。无自动微波功率控制。 程序设定程序设定简单固定功率简单固定功率/时间模式和压力限定等。时间模式和压力限定等。程序输入系统程序输入系统 固定微波磁控管功率固定微波磁控管功率/时间输出时间输出 化学热反应化学热反应程序输入系统程序输入系统 固定微波磁控管功率固定微波磁控管功率/时间输出时间输出 化学热反应化学热反应 检测和显示系统检测和显示系统17微波反应器（微波反应器（2）检测和显示系统检测和显示系统 主主CPU控制系统控制系统密封化学反应密封化学反应 自动微波磁控管自动微波磁控管热力系统热力系统 功率调

20、节输出功率调节输出18微波操作技术：无溶剂反应微波操作技术：无溶剂反应n反应物被预吸附到基本上微波可透过的（二氧化硅、氧化铝或粘反应物被预吸附到基本上微波可透过的（二氧化硅、氧化铝或粘土）或者强吸收的（石墨）无机载体上，它又可以掺杂催化剂或土）或者强吸收的（石墨）无机载体上，它又可以掺杂催化剂或者试剂。者试剂。CH(OAc)2RR=H, Me, CN, NO2, OAcMW, 30-40SCHOR88% -98%CO2EtEtO2CMW, 370, 1minCO2EtEtO2C中性氧化铝中性氧化铝吸附在石墨上吸附在石墨上92%19微波操作技术：相转移催化微波操作技术：相转移催化CH3COOK

21、+ nC8H17Br CH3COOnC8H17neat, Aliquat 336MW, 160， min98%NNHNN+ PhCH2ClK2CO3, TBABMW, 40SPh89%20微波操作技术：使用溶剂的反应微波操作技术：使用溶剂的反应 敞口和密闭容器条件的对比敞口和密闭容器条件的对比试剂量试剂量/mmol/mmol溶剂体积溶剂体积/ml/ml产率产率/%/%压力压力/bar/bar1 12 24 41 12 24 42 22 22 20.50.5无无无无7676676760609191929290903.63.65.35.37.47.42.02.0微波加热，微波加热，250，1,2-

22、二氯苯二氯苯(DCB)溶液或无溶剂反应。溶液或无溶剂反应。敞口容器敞口容器喹诺酮产率受密闭或敞口容器微波加热的影响喹诺酮产率受密闭或敞口容器微波加热的影响NHPhCH(CO2Et)DCB or neatMW, 250， minNOPhOHN-EtOH PhCH(CO2Et)2-EtOHEtOHNCOPhOCO2EtOPh21微波操作技术：使用溶剂的反应微波操作技术：使用溶剂的反应 水作溶剂（水作溶剂（1）流体流体普通水普通水(T150)(P0.4MPa)亚临界水亚临界水(T=150350)(P0.4 20MPa)超临界水超临界水(T374)(P22.1MPa)温度温度/ 压力压力/bar密度密

23、度/(g/cm3)介电常数介电常数/pKw251178.514250500.827.111.24002500.175.919.4在不同条件下水的性质在不同条件下水的性质亚临界水的介电常数值与典型的有机溶剂比如丙亚临界水的介电常数值与典型的有机溶剂比如丙酮在室温下的值相类似能够溶解许多有机物质。酮在室温下的值相类似能够溶解许多有机物质。22微波操作技术：使用溶剂的反应微波操作技术：使用溶剂的反应 水作溶剂（水作溶剂（2）HNNH2MeMeO+MW, 222， minH2ONHMeMe67%OOMeOMeONMeMen+ R-NH-NH2MW, 220， minH2O, 2.6 equiv, Ac

24、OHOnNNRHMW, 200， minH2O(cat. AuBr3)MeO23微波操作技术：使用溶剂的反应微波操作技术：使用溶剂的反应 离子液体离子液体XMW, 180-220， minPdCl2, P(O-tolyl)3HO+OBuObmimPF6, Et3NMeNCOOEtCOOEtOEtOEtMW, 70， minbmimPF6, cat. AcOHMeNCOOEtCOOEtOEtOOMeOMW, 150， minTEA-HCOOH, 10%Pd/CbmimPF6, Et3NOMeOOBuO+ 通过离子传导机理，离子液体与微波高效地相互作用，轻而易举地以超过通过离子传导机理，离子液体与

25、微波高效地相互作用，轻而易举地以超过10/s10/s的速度快速加热，而没有任何明显的压强产生。因此，最大程度地减少了的速度快速加热，而没有任何明显的压强产生。因此，最大程度地减少了由加热密闭容器带来的过压安全问题。由加热密闭容器带来的过压安全问题。24微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -过渡金属催化的碳过渡金属催化的碳- -碳键形碳键形成成24个例子个例子45%95%BrMW, 180，1 minPd(OAc)2, P(O-tolyl)3TEA, MeCNOHO+XNCX=HX=F+XNCCOOHX=H, 82%X=F, 55%X+R1(HO)2BR2MW, 150-175， minPd(O

26、Ac)2, TBAB, Na2CO3H2OR1R2X=Cl, Br, IHeckHeck反应，即钯催化的乙烯基取代反应，反应，即钯催化的乙烯基取代反应，通常以烯烃和有机卤化物或准卤化物作原料。通常以烯烃和有机卤化物或准卤化物作原料。SuzukiSuzuki反应反应钯催化的芳基卤与硼酸的交叉偶联反应。钯催化的芳基卤与硼酸的交叉偶联反应。25微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -重排反应重排反应26微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -重排反应重排反应Baker-Venkataraman酯的分子内重排酯的分子内重排27微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -周环反应周环反应吲哚嗪啶吲哚嗪啶28微波辅

27、助有机合成微波辅助有机合成- -周环反应周环反应29微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -烷基化反应烷基化反应30微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -烷基化反应烷基化反应31微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -含有一个杂原子的五元杂含有一个杂原子的五元杂环合成环合成Fischer 吲哚类合成法吲哚类合成法Rap 苯并呋喃合成法苯并呋喃合成法R1OOR2CO2MeNCO2MeR2R1R3MW, 180， minR3NH2, AcOH82%P Paal-knorr反应反应32微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -含有二个杂原子的五元杂含有二个杂原子的五元杂环合成环合成R1R2OOMW, x1m

28、inDMFDMAR1R2OONMeMeMW, x1minR3NHNH2.HClEtOH, TEAR2NONR1R3NNH2R1NCR2-CHO+Sc(OTf)3MeOH(EtOH)MW, 180， minNNHNR1R233微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -含有一个杂原子的六元杂含有一个杂原子的六元杂环合成环合成MW, 170， minEtO2CMeDMSOEtO2CNMeH2N+R1R2OR2R1R1=H, Et, PhR2=alkyl, arylHantzsch吡啶类合成法吡啶类合成法R1R2OMeOMeONMeMe+rt/MW, 100-1705- minneatR1R2ONMeMe

29、R3CNpiperidineneat/2-propanolMW, 100, 5minNHOR3R2R15 5个例子个例子（24%-94%24%-94%）1616个例子个例子（27%-85%27%-85%）Bohlmann-Rahtz吡啶合成吡啶合成34微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -含有一个杂原子的六元杂含有一个杂原子的六元杂环合成环合成Friedlander 喹啉类合成法喹啉类合成法MW, reflux， minNC=XNH2R2R1OOR3MeAcOHNR2R1OR3MeNR1, R2=H, OCH2CH2-PiperidineX=O, N-TolR3=CN, CONH2,CH2NH

30、COMe+NH2R1R2R3O+Sc(OTf)3, MeCNMW, 140-150， minNHR1R3R2R3R1=alkyl, arylR2=alkyl, R3=alkyl, arylNHOOO2SRCH2(COOEt)2MW, 180，1 minNCOOHO2SRKOH, EtOH/H2OR=NEt2, 4-MePiperidine35%-38%9个例子个例子57%-91%44个例子个例子35%-98%35微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -N-酰基化反应酰基化反应36微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -亲核取代反应亲核取代反应NCONaClCH2+NCOCH2传统方法：传统方法：1

31、2h，72%MWI： 4min，93%传统方法：传统方法：200220，4h，72%MWI： 40s，95%37微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -氧化反应氧化反应38微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -缩合反应缩合反应39微波辅助有机合成微波辅助有机合成- -酯化反应酯化反应40微波干法有机反应微波干法有机反应n微波干法有机反应就是无溶剂条件下的微波反应，一般以无机材料作为催微波干法有机反应就是无溶剂条件下的微波反应，一般以无机材料作为催化剂化剂/ /助催化剂或作为载体；助催化剂或作为载体；n无机载体可以分为两种：微波非活性（弱活性）和微波活性载体；无机载体可以分为两种：微波非活性（弱活

32、性）和微波活性载体；n将反应物浸渍在氧化铝、硅胶、粘土、硅藻土或高岭石等多孔无机载体上将反应物浸渍在氧化铝、硅胶、粘土、硅藻土或高岭石等多孔无机载体上进行的微波反应；进行的微波反应；n无机固体载体与微波只有弱偶合作用，而固体介质表面上所吸附的有机反无机固体载体与微波只有弱偶合作用，而固体介质表面上所吸附的有机反应物能充分吸收微波能量，活化后使反应速率大大提高；应物能充分吸收微波能量，活化后使反应速率大大提高；n微波干法有机反应具有安全、高效、操作方便、产物纯化容易、装置简单微波干法有机反应具有安全、高效、操作方便、产物纯化容易、装置简单等优点等优点 , ,避免了大量有机溶剂的使用，对解决环境污

33、染具有现实意义；避免了大量有机溶剂的使用，对解决环境污染具有现实意义；n反应大多是在载体上进行，限制了参加反应的反应物的用量，制约了适用反应大多是在载体上进行，限制了参加反应的反应物的用量，制约了适用的范围的范围。41微波干法有机反应微波干法有机反应周环反应周环反应传统方法：传统方法：135，5min，无产物，无产物传统方法：丙酸，传统方法：丙酸，12.5h，68%42微波干法有机反应微波干法有机反应烷基化反应烷基化反应43微波干法有机反应微波干法有机反应缩合反应缩合反应44微波辅助固相有机合成微波辅助固相有机合成高分子高分子载体载体隔离基隔离基连接体连接体分子支架分子支架固相有机合成固相有机合成(SPOS)(S