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微波辐射合成实验简介:有机化学实验中的微波加速反应机制

【摘要】:微波辐射合成实验简介最初用于烤制食品的微波技术,在短短的半个世纪后被广泛应用于有机化学合成中。关于微波加速有机反应的原因,学术界有“热效应”和“非热效应”两种不同观点。微波对化学反应的加速主要归结为对极性有机物的选择加热,即微波的致热效应。微波除了具有热效应外,还存在一种不是由温度引起的非热效应,微波作用改变了反应动力学,降低了反应活化能,从而加速了反应的进程。

微波辐射合成实验简介

最初用于烤制食品的微波技术,在短短的半个世纪后被广泛应用于有机化学合成中。微波技术不仅加速了有机化学反应的进展,而且正逐步形成了一个崭新的学科——微波化学。

微波(Microwave,MW)对化学反应的促进作用和加速作用是十分明显的,但迄今为止,这方面的研究还主要停留在试验事实的积累方面,对于反应机理的研究还进行的很少也不深入,以致对微波加速或改善化学反应的机理还无法作出一个统一的令人信服的解释。关于微波加速有机反应的原因,学术界有“热效应”和“非热效应”两种不同观点。持“热效应”观点的人认为,虽然微波是一种内加热,具有加热速度快、加热均匀、无温度梯度、无滞后效应等特点,但微波应用于化学反应仅仅是一种加热方式,和传统的加热方式是一样的。对特定的反应而言,在反应物、催化剂、产物不变的情况下,该反应的动力学不变,与加热方式无关。他们认为微波用于化学反应的频率2450MHz属于非电离辐射,在与分子的化学键发生共振时不可能引起化学键的断裂,也不能使分子激发到更高的转动或振动能级。微波对化学反应的加速主要归结为对极性有机物的选择加热,即微波的致热效应。持“非热效应”观点的人认为,微波对化学反应的作用是非常复杂的,一方面是反应分子吸收了微波能量,提高了分子运动速率,致使分子运动杂乱无章,导致熵的增加;另一方面微波对极性分子的作用,迫使其按照电磁场作用方式运动,每秒变化2.45×109次,导致了熵的减小,因此微波对化学反应的作用机理是不能仅用微波致热效应来描述的。微波除了具有热效应外,还存在一种不是由温度引起的非热效应,微波作用改变了反应动力学,降低了反应活化能,从而加速了反应的进程。(www.chuimin.cn)

为使化学反应能在安全可靠的条件下进行,人们就对微波炉加以改造,即在家用微波炉的顶部打孔,插入玻璃管同反应器连接,再接上冷凝管。为了防止微波泄漏,一般在打孔处连接金属管进行保护。在这种微波炉装置中,有机溶剂可以安全回流,可以连接搅拌、分水和滴加装置,还可以采用特氟隆(Teflon)输入管进行惰性气体保护反应,使常压下的化学反应安全、便捷、适应面宽,成为目前使用最多的微波化学反应器类型。