【CEM Discover 2.0】微波化学与非极性反应溶液

自 1980 年代以来，微波加热一直是合成化学家的多功能且强大的工具，推动了纳米材料组装、药物发现、肽合成等^1-4。微波产生热量的两种机制，离子传导和偶极旋转，依赖于离子或分子与微波不断振荡的电场对齐的能力⁵。一般来说，高极化物质最容易经历离子传导和偶极旋转，而低极性物质的加热速度最慢。

极性的常用量度是介电常数（ε'），它衡量化合物储存电荷的能力。虽然有用，但该值有时可能与另一个重要的介电参数相矛盾，即介电损耗常数 （ε''），该参数衡量溶剂将吸收的微波能量耗散到周围环境的能力。在微波加热中，介电损耗常数 （ε''） 是衡量材料有效吸收微波和进行加热的能力的最佳指标。通常，高吸水性材料的 ε 大于 14，而低吸水性溶剂的 ε 小于 1（表1）⁵。

然而，关于微波加热的一个常见误解是，微波只能使采用极性溶剂系统的实验受益。尽管溶剂具有介电特性，但可以利用微波加热的优点；大多数反应涉及极性和/或离子性物质，即使溶剂不能有效吸收，它们也可以直接和瞬时地与微波能量相互作用。

结果

首先，测试了文献中建立的微波辅助 Diels-Alder 反应的实验条件；将马来酰亚胺和 2,3-二甲基-1,3-丁二烯在 110°C 下在水中加热 5 分钟，产率为 94%，与报告的值一致（表2，条目1）。使用具有相同反应条件的甲苯不会影响实验结果；观察到96%的可比产量（表2，条目2）。

在先前条件下加热时，将反应浓度最终稀释至 0.050 mM（马来酰亚胺）导致转化不完荃（表2，条目7）;然而，将反应时间延长 5 分钟可恢复定量转化（表 2，条目 8）。

结论

通过对 Diels-Alder 反应的简单修改和优化，证明了微波加热在使用低极性溶剂的转化中的功效。虽然最初是在中极性溶剂（水）⁶中进行的，但在低极性甲苯中微波加热马来酰亚胺和2,3-二甲基-1,3丁二烯产生了相同的结果。即使稀释了近 40 倍，也能实现产品的定量转化。由于合成转化中典型的极性反应物的微波吸收特性，微波加热在所有类型的合成化学实践中都是一种简单有效的技术，尽管使用中的溶剂具有介电特性。

引用

1. Tierney, J.P.; Lidstrom, P. Microwave Assisted Organic Synthesis, CRC Press: Boca Raton, FL, 2005, p 2.

2. Zhu, Y.-J.; Chen, F. Chem. Rev. 2014, 114, 6462–6555.

3. Larhed, M.; Hallberg, A.Drug Disc.Today 2001, 6, 406–416.

4. Jacob, J. Int. J. of Chem. 2012, 4, 1.

5. Hayes, B. L. Microwave synthesis: chemistry at the speed of light; CEM Publishing: Matthews, NC, 2002, pp 3-5.

6. Leadbeater, N. E.; McGowan, C. C. Clean, Fast Organic Chemistry: Microwave-assisted laboratory experiments; CEM Publishing: Matthews, NC, 2006, pp 60-61.