微波的原理及微波有机化学的应用

　　早在五六十年前，国外就有相关科研人员报道了对于微波加热的应用过程，人们经过实验发现，微波可以对化学反应的速率进行有效控制，随着微波化学的发展，时至今日，微波化学已经在相关产业中得到了广泛的应用，比起传统加热手段，微波加热能够在同样的时间里获得更高的反应收率，或者说，同样的反应收率，微波加热所需的反应时间更短。微波技术之所以被誉为是“绿色化学”，就是因为它具有能源消耗低、污染少、产量高等性质，所以，微波技术的发展前景，极其的开阔。

　　1 微波的原理
　　
　　微波技术可以对化学反应的方式和速度进行改变和控制。微波是通过微波热效应和微波非热效应这两种方式产生的辐射来对化学反应的速度进行控制的。微波照射在反应物上，根据其特有的物理性质，对反应物的分子产生作用，使其运动的速度加快，从而使得反应物分子的动力势能得到了增加，分子的运动速度加快，那么彼此的碰撞也就更加的频繁，分子的活性就更高，反应的速度自然就得到了改变。而这一流程，即微波照射--温度升高--分子加速，从而导致反应变快的现象，就是所谓的微波热效应。而一些分子活性异常增加，却不是因为温度升高所导致的异常现象，则被称为微波的非热效应[1]。

　　1.1 微波的定义

　　微波是属于无线电波的范畴，是一种特定频率的电磁波，它的频率要求不得超过 300 GHz，同时也不能低于 0.3 GHz，而它的波长则处于 0.1 mm 到1 m 之间。比起普通的无线电波频率，微波的频率要高出很多，所以微波通常也被称为是超高频电磁波。微波具有波动性和粒子性的双重性质，即微波能以一种特定的形式传播，也具有粒子诸如质量、电荷等特性。微波在传播过程中，具有穿透、吸收和反射三种运行状态。当微波照射在诸如玻璃、陶瓷和塑料等材质上时，微波的运行，往往是直接穿透而过，几乎不会被吸收能量。当微波照射在水、动植物、食物等上面，微波的能量将会被材质吸收掉，从而引起材质的热量升高。当微波照射在金属材质的物品上时，微波的波动会被反射开[2]。

　　1.2 微波加热原理

　　只有物质具有极性分子，微波才能产生作用，通过对其照射，让极性分子吸收微波的能量，从而产生热量，增加分子的活性，增加其动力势能，从而使其加快运动速度，加大分子碰撞频率，从而产生更剧烈的化学反应。所谓极性分子，就是类似于水（H2O）这类，通过极性键结合的活性分子。当微波的粒子以每秒 24.5 亿次的频率运动的时候，就形成了一个高速运转的磁场，极性分子在磁场中同样开始高速运动，发生剧烈的碰撞，从而产生热能，让物体在极短的时间里产生极高的温度[3]。

　　1.3 微波热效应和非热效应

　　1.3.1 微波热效应 微波的热效应是指微波能够对拥有极性分子的物质进行持续且均匀的加热，从而促进极性分子的活性增高，如果发生化学反应，则反应速度会得到极大提升。微波是通过粒子的波动性带来的磁能对极性分子产生了作用，即同性相吸、异性相斥的离子动能，这种动能加速了分子的运动，从而产生更加剧烈的碰撞，把动能又转化成了热能。而微波所具有的穿透性，让微波能够对目标物的分子产生均匀的磁能[4]。

　　1.3.2 微波非热效应 微波的非热效应是指目标物的状态发生反应，并不是因为微波加热的缘故，而是诸如微波的电磁效应等引起的。微波产生的高速磁场，改变了目标物分子的布局，从而对目标物的作用产生了改变。

　　非热效应和热效应的区别在于，非热效应并没有改变分子的本质，而热效应最终目的是为了促进分子的化学反应加速。

　　2 微波有机化学的应用

　　2.1 酯化反应

　　在微波的热效应作用下，羟酸发生酯化反应的速度比起传统加热方式更迅速，并且反应过程中的副反应数量减少了很多，对生成物的选择性也更强，同时相同条件下的反应收率则更高了。微波加热比起传统加热，最显着的地方还是在效率上，同样的条件下，达到同样的反应收率，传统加热可能需要几小时甚至几十小时，而微波加热往往只需要几分钟到数十分钟而已。表 1 是一些酯化反应在传统加热和微波加热下的情况对比。

　　2.1.1 苯甲酸甲酯 苯甲酸甲酯，又名安息香酸甲酯，在工业上用于有机合成中间体、溶剂、香料。因其具有浓郁的冬青油和尤南迦油香气，常用于配制香水香精和人造精油，同时也在大量的食品当中得到了应用。苯甲酸甲酯的传统加热生产方式，是将苯甲酸与甲醇混合，缓缓加入浓硫酸，加热至约 70 ℃回流 240min，反应收率为 90%。而微波加热仅需要 5 min，反应收率就能达到了 82%以上，反应速率是传统加热的 85 倍[5]。

　　2.1.2 己酸乙酯 己酸乙酯，用于有机合成、人造香精。在工业上常用作溶剂、有机合成中间体和香料。具有曲香、菠萝香型的香气，用于配制食用、烟草香精以及用于曲酒调香。目前生产正己酸乙酯，需要己酸与乙醇在硫酸环境下进行酯化反应，加热至 100 ℃持续200 min，反应收率为 86%，可是传统加热方式，在酯化反应中副反应较多，而且操作工艺复杂，硫酸还具有一定危险性，容易对设备造成腐蚀损害，成本往往居高不下。而使用微波加热方式，仅需要 4min，反应收率就能达到 92%，反应速度提高了 50倍，而且微波加热的操作环境友好，没有那么多副反应，成本也较为低廉。【1】

　　
　　2.1.3 纤维素酯 纤维素酯，用作涂料和炸药原料，塑料制品、胶片和合成纤维原料，热塑性塑料制品。传统加热 304min，反应收率 92%，而进行微波加热只需要 1 min，反应收率就能达到 96%，反应速度提高了 300 倍。

　　2.2 烷基化反应

　　醇与卤代烃的烷基化反应，在很早前就使用了微波技术加热，利用微波照射等方式，实现了 O-烷基化、C-烷基化和 N-烷基化等反应。表 2 是一些醇与卤代烃的烷基化反应在传统加热方式和微波加热方式下的数据对比。

　　4-氰基酚钠是农药中间体，生成“杀螟腈”、“苯腈磷”、“溴苯腈”、“羟敌草腈”、“白菌清”等苯氰基农药。 生成 4-氰基酚钠，传统加热方式下，需要苄氯（即氯化苄）在甲醇中回流 12 h，反应收率为 68％；而在微波加热下，达到 68%的反应收率只需要短短的36 s 即可，反应速度相当于提升了 1 200 倍，而在同样的环境下加热 4 min，4-氰基酚钠的反应收率即可达到 94%，使原材料得到了充分的利用[6]。【2】

　　
　　3 结束语

　　综上所述，微波技术在有机化学中得到了广泛的应用，拥有着极其广阔的发展前景，相比其传统的加热手段，微波技术所拥有的能源消耗低、污染少、产量高等性质，优越性和先进性十分明显。但是微波化学在实际运用中，同样面临着一些问题，比如微波技术究竟如何能够更好地运用到更多的工业生产中去，而这，将需要更多的学者和研究人员更深入地挖掘。

　　参考文献：

　　［1］ 刘慧君,樊月琴,冯峰,等.微波辅助合成 2,4-二硝基咪唑[J].含能材料,2010,18(1):1-3．
　　［2］ 刘明,彭惺蓉,刘接卿,等.微波催化在有机化学中的应用研究[C].第十五届全国微波能应用学术会议论文集.2011:199-209．
　　［3］李心忠,林棋,吾满江·艾力,等.2-取代-4(3H)-喹唑啉酮在 Br(o)nsted酸 性 功 能 化 离 子 液 体 中 的 微 波 合 成 [J]. 有 机 化学,2010,30(3):452-455．
　　［4］ 袁艳琴,郭圣荣,莫建军,等.无催化剂微波促进下 C—O,C—N 和 C—S 交叉偶联反应研究[J].有机化学,2012(4):732-741.
　　［5］严胜骄,林军.微波辅助 1,4-迈克尔加成合成香豆素 3-,4-并六元杂环衍生物[J].有机化学,2010,30(3):465-468．
　　［6］ 李小六,王玮,李锐,等.微波促进立体选择性高效合成糖基α,β-不饱和酯类化合物[J].有机化学,2012,31(8):1519-1525．