微波技术在化学合成中的应用研究

冯寅寅

(皖西卫生职业学院，安徽 六安 237005)

微波属于一类高频率电磁波[1]，是一种相对比较特殊的电磁波段，目前使用的微波技术主要指微波辐射反应通过吸收化学反应中极性分子的微波能，能够使分子进行高速的旋转，从而进行一定的摩擦和膨胀，产生响应的热量。由于加热的速度相对较快，分子之间产生的热量来不及散发就会升高化学反应的问题，提高反应速率，在化学合成中应用微波技术能够实现现代社会发展的节能环保目标，推动化学行业的绿色环保发展，因此对其进行研究具有十分重要的意义。

1 微波技术的原理及应用领域

由于研究的切入点不同，所以对微波技术的原理研究也存在不一样的观点。一些学者认为微波的主要原理为制热和过热作用，其能够加快反应的速度，在这种观点中，有效区分了传统的加热方法与微波技术。[2]使用微波技术进行加热，其本质为材料介点发生了位移，所以电荷极化也是微波的一类原理。在微波当中，电磁场方向转换的频率相对较快但是急性电介质分子的偶极矩转运动却无法适应交变电场的速度，并且极化产生的电流当中，由于其与电场内的相位分量一致，所以会引起材料摩擦产生热量，该类热量被称为内加热。[3-4]在微波技术当中，电场的能量能够进入材料，并对分子产生作用，加快分子的运动，从而达到加热的目的。还有一些学者认为使用微波技术进行加热的原理为非热效应。在该类观点当中，微波辐射能量无法将分子激发，其无法进入到高能量级别当中，并且分子转动的频率与微波频率比较接近，只有改变分子的排列，才能降低活化能，进一步改变其动力学，而且微波场会受到该类因素的影响产生相应的取向效应，使分子的运动不断加强，发生摩擦碰撞，加快了反应的速度。[5]

在1992年的世界微波化学大会当中，微波化学的正式出现后，人们逐渐开始重点研究微波化学领域。[6]在该微波化学大会中还展施了一些研究成果，比如控制微波加热的温度以及微波场中存在的催化反应等。就目前的化学合成业的发展来看，如何将化学产品的研发效率提升，为消费者提供高质量产品的同时也降低产品的生产成本。在受控的条件下使用微波技术进行加热，能够实现缩短反应时间，同时加快测定反应参数的目标，让相关产品的产率和纯度得到了有效提高，让相关产业能够获取更多的经济效益。

2 微波技术的效应研究

微波具有热效应、特殊微波效应和非热微波效应三大效应。[7]热效应指要想提升化学反应的速度，就需要利用热动力学，将极性物质在微波场内进行照射，从而快速将反应的温度提升，让各项化学反应的条件更加简便，进一步将化学反应的时间缩短。化合物在反应的过程中受到微波的作用，会有多种因素影响溶剂的正常反应，可能会出现溶剂沸腾发生整体温度变化的情况，电场分布以及物料流动等都是影响因素，而将沸石加入溶剂当中进行搅拌，能够有效消除溶剂中存在的过热现象。使用微波进行加热的过程中，液体内部之间会进行一定的能量缝补，但是器壁表面的受热情况相对有限，所以需要器壁的温度低于液体温度，使用传统的加热方法进行加热时，一些对温度比较敏感的物质如果在热熔器中停留的时间较长，则可能会出现明显的分解情况，当把反应器表面的高温消除之后，就会改变其自身的催化剂寿命，导致微波加热反应中也产生一定的变化，由此可以知道微波技术与传统加热方式相比具有较大的优势，并且使用微波技术进行加热的过程中，还能有效利用微波具有的独特特点，让反应的化合物能够实现整体、均匀的加热。非热微波效应主要是电场与反应介质之间存在的特殊分子作用产生的效应。[8]在一些极性反应中比较容易看到这类效应，主要是因为在极性反应当中，基态转化为过渡态会增强极性，并且在降低活化能的情况下进一步增强反应的效应。根据相关研究，微波加热的能效小，不能有效激发分子进入到高能级当中，且使用微波加热化学反应的相关实验和检测手段还存在一定的缺陷，在测定动力学数据的过程中，不能保证其精确度。

3 化学合成中微波技术的应用

3.1 在纳米材料制备中的应用

纳米材料表面活性强，产生聚合反应可能性高，这一特性会导致其实际使用性能受到影响，[9]因此必须对纳米材料性质进行适当改进，尝试通过微波加热技术的方式对纳米材料进行制备与改良，利用微波加热原理以及微波辐射原理改性纳米材料，样品在微波加热充分反应后选用乙醇试剂对其进行清洗，并通过抽干滤过的方式形成改性后的纳米材料，以达到提高其使用性能与性状稳定性的目的。除此以外，还可按照如图1所示，在微波技术的辅助下制备形成聚合物纳米微球材料，在缺乏乳化剂的情况下可以借助于微波技术进行聚合反应，生成高分子乳液。此类乳液有良好的纯净度，适用于微波加热纳米制备。需要特别注意的一点是，对于极性单体结构而言，采用微波加热反应进行制备会呈现出选择性的特点，制备产物也会受到一定程度影响，通过此种方式改善聚合物纳米微球粒径均匀性，从而提高其综合性状。

图1 微波辐射乳液聚合制备聚合物纳米微球示意图

3.2 在高分子化学中的应用

在化学合成反应中微波技术的利用还包括加热高分子，由于传统的加热方式与微波技术存在一定的区别，其在实际使用的过程中会将反应的时间和能耗有效降低，同时将化学反应的速率进一步提升，微波技术在应用过程中，不仅可以应用于高分子合成工作中，同时还可以应用于其他功能高分子材料当中。以壳聚糖高分子材料为例，微波辐射制备流程(见图2)。其主要通过利用一些极性分析的作用实现微波加热，一般情况下并不需要传统的热能量传导过程，所以在短时间内就能高温加热反应中的介质，并且还能让受热的均匀性以及加热的速度得到保证。根据模板法工作原理，使用交联剂与壳聚糖金属离子配合物进行交联反应，在此过程中形成含金属离子模板孔穴的交联壳聚糖，有研究人员以戊二醛为交联剂，Cu2+为模板，在微波辐射作用下制备交联壳聚糖树脂，该类树脂材料在酸性环境下不会发生溶解与软化反应，有良好的重复使用性能，并且对Cu2+比对Co2+以及Ni2+有更好的吸附容量，见式(1)。

图2 微波辐射制备壳聚糖高分子材料示意图

(1)

3.3 在微波烧结中的应用

在化学合成过程中，应用微波烧结技术一方面能够节约能源消耗，缩短整个合成反应耗时，还能够契合环境保护的发展目标。烧结过程中温度适中维持在较低水平，参与反应物料的受热性能基本稳定且均匀，因而可通过此种方式达到改善材料性能的目的，并在烧结反应过程中生成全新微观结构，提高材料性能。以陶瓷为例，通过微波烧结反应制备陶瓷，一来整个反应中对温度的要求不高，二来反应速度快，所制备材料密度有可靠保障(见图3)。

图3 微波烧结炉

3.4 在药物合成中的应用

3.4.1 微波技术与药物化学的关系

当前，为了能够发现更多的能够针对药物治疗的生物靶标的潜在药物，制药公司加大了对高通量生产技术的投资，然而在药物研究的过程中，优化先导化合物和药物化学仍然是一个难题，所以为了能够尽快发现功能化合物，制药公司逐渐认识到化学物质快速合成和筛选技术的重要性。组合化学以及高通量合成领域方面的技术发展，能够推动药物化学的发展，同时还能促进化学物的设计、合成等方面的发展。

在受控的条件下使用微波技术已经称为目前药物化学和药物研制的重要技术，在药物化学和药物研制的过程中应用该类技术，能够将反应的时间有效缩短，同时在短时间内对反应参数进行测定，让目标化学反应得到有效优化。同时微波技术还能发现更多的反应途径，让化学空间得到整体拓展，目前在药物话学生微波技术的影响主要体现在形成先导、发现及优化先导化合物等方面。

3.4.2 微波技术在药物合成中的实际应用

目前在药物合成领域中微波技术的应用相对比较广泛，由于微波技术具有较为明显的加热催化效果，因此微波药物的化学合成已经成为具有特色的化学药物分支领域。随着科学技术的不断发展，人们对微波药物的研究也更加深入。比如邻苯二甲酰亚胺己过氧酸，见式(2)是一种漂白剂，该类漂白剂的实用性相对较强，一半常用于卫生保健和消毒方面的工作中，使用常规的制备方法，其反应的时间通常为5 h，而使用微波技术进行催化，并在制备过程中加入少量水，只需要5 min就有超过60%的产率。[10]而且使用微波技术生产具有较短半衰期的放射性药物也有较短的反应时间和较高的产率，由此微波技术在药物合成领域当中已经得到了很大的发展。

(2)

工业领域多以浓硫酸为催化剂，由环乙醇与乙酸直接制备合成乙酸环已酯，但由于浓硫酸参与反应过程，对设备有非常严重的腐蚀作用，废液产量大，导致后续处理难度高。有研究人员使用水合硫酸铁为催化剂，以环乙醇以及乙酸为原料，通过微波辐射工艺合成乙酸环已酯，探索得到最佳的反应条件为：微波辐射时间0.5 h，功率640.0 W，带水剂环己烷用量6.0 ml，催化剂用量1.0 g，上述条件下酯化率可达到最佳状态，91.6%。[11]将微波辐射工艺与其他乙酸环已酯合成工艺进行对比，结果(见表1)，结合表1可见，应用微波技术显著提高了酯化率，大大缩短了合成反应耗时。

表1 微波辐射工艺与其他合成工艺酯化率、合成耗时对比表

3.5 在有机化学合成反应中的应用

传统加热方法与微波技术中的辐射加热存在一定的差别，微波辐射加热主要是将静态的分子转变成能够进行高速运转的分子，分子之间相互摩擦、碰撞之后产生热量，该类热量被称为内加热，加热的速度相对较快；而传统加热方法加热得到的热量为外加热，加热的速度相对较慢。[11]

3.5.1 在有溶剂时进行的有机合成反应中的应用

对于有溶剂参与的有机合成反应而言，借助于微波加热技术进行反应时若整个反应过程耗时较短，则提示参与加热反应的溶剂以水、醇为主，这些溶剂与微波有良好的耦合关系，从而达到加速合成反应的目的。若参与反应溶剂为乙醚、石油醚等非极性溶剂，则无法与微波技术产生良好的耦合关系，从而无法达到有效的反应结果，因此多数情况下需要通过加入盐类物质的方式促进反应加热速度的提高。

3.5.2 在没有溶剂时进行有机合成反应中的应用

当进行的有机合成反应中没有溶剂，应用微波技术能够让固体迅速吸收微波辐射，短期内升温至理想状态，考虑有机合成反应的特殊性，可以通过固体或化学反应物混合的方式，以此为基础进行微波化学反应，考虑到存在一些物质对微波能量传导作用的影响较轻，因此附着于无机载体表面的有机物能够对微波能量进行最大限度的吸收，通过吸收微波能量的方式促进有机物活化，进而提高参与反应的速率，进一步提高整个有机反应的速率。在研究微波技术的过程中，发现使用微波辐射将酚羟基的保护基去掉之后能够让化学反应的速率加快，但是如果采用传统的加热方法要想达到使用微波技术的效果，耗费的时间较长，所以在化学合成中应用微波技术，能够有效推动化工行业的长远发展。

4 结语

在现代社会中微波技术一类新兴的科学技术，将其应用在化学合成反应中能够产生具有高能态的原子、离子等，这是一般的热力学方法无法达到的效果。使用微波技术能达到传统加热方法不能发生的反应，有效加快化学合成反应的速率，同时也将物质的转化率提高，并且在化学合成中应用微波技术还能将化学反应的时间有效缩短，实现节约资源和保护环境的社会发展目标，推动我国化工行业的发展，所以必须要在化学合成反应中合理应用该类技术，让其产生巨大的经济效益，也推动我国社会经济的可持续发展。