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微波化学–流动化学正在接管

2021-02-11 15:55:32 4

微波化学在小批量化学和反应优化中占有一席之地,但是20年前微波化学产生的狂热在很大程度上已经消失了-这是有充分理由的。

为什么微波化学在二十多年前开始兴起?    

从表面上看,微波化学是化学家采用的有前途的途径。在小规模的情况下,微波化学能够快速加热和加压反应,通常可将压力提高到20 bar,而且入门很容易–每个人都可以使用厨房微波炉!

微波化学的热效应

使用微波加热反应容器无需油/水浴或容器夹套,并且微波可以在整个容器中均匀加热(前提是容器足够薄)。这避免了由常规加热导致的问题,在常规加热中,反应容器的核心需要更长的时间才能达到目标温度,从而降低了温度梯度。微波化学作用还提供即时加热,并且只需按一下按钮就可以立即去除热源。

与传统的加热方法(例如油浴)相比,微波加热具有某些优势,包括:

· 反应速度加速

· 反应条件温和

· 化学产率更高

· 降低能源消耗

· 不同的反应选择性

· 选择性加热

尽管早期的微波化学论文假设可以加热反应中的特定分子,但人们很快接受了将热能从目标分子重新分配到反应的其余部分的反应如此之快,以至于无法消除任何影响。但是,固相反应显示出更高的传热阻力,从而为通过微波化学选择性加热“热点”提供了诱人的可能性。

相信“非热微波效应”

提出了两种微波效应:“特定的微波效应”和“非热微波效应”。

“ 特定的微波效应 ”是传统加热方法无法轻易模拟的那些效应;例如,消除容器壁效应,或选择性加热特定反应组分。

有人提出了“ 非热微波效应 ”来解释微波化学中的异常现象,并且不要求将微波能转化为热能。

1986年第一份出版物报道了使用微波来“加速”化学反应以来,各种出版物已经讨论了“非热微波效应”的存在和“在所有情况下观察到的效应是否可以通过纯粹的热/动力学来合理化”。微波介电加热引起的快速加热和高反应温度引起的现象(热微波效应),或者某些效应是否与所谓的特定或非热微波效应有关

尽管非热微波效应的存在是有争议的,但在各种出版物中对它们的引用有助于提高微波化学的重要性。

为什么连续流化学系统使微波化学在很大程度上变得多余?

连续流化学出版物的迅速增加与微波化学论文的减少相吻合,这不是偶然的。

微波化学–流动化学正在接管

上图显示了2015年涉及“微波合成”的出版物数量突然下降

扩大规模的能力

微波化学的主要缺点之一是难以扩大规模。实际上,微波只能用于不超过几升的反应堆中,这意味着超出此范围的研究人员将不得不寻找另一种加热容器的方式,因此可能会改变整个装置或反应。已经做出了努力来生产连续流动的微波系统,但是它们很昂贵并且与常规的流动化学加热模块相比没有任何益处。

连续流化学系统可以比作浴室水龙头;打开它,水流可能会塞满一个很小的杯子,但让水流保持运行状态,您就可以装满浴缸。正是这种放大的简便性使连续流化学成为需要考虑扩大其反应的化学家的一种有吸引力的合成技术。

快速加热和冷却

高效的热传递和提供几乎瞬时的热量的能力帮助微波化学获得了普及,但是连续流化学系统也很容易做到这一点。使连续流化学系统与微波化学脱颖而出的还有快速冷却反应的能力。

抱歉告诉您,但是“微波效应”不存在……

奥利弗·卡普(Oliver Kappe)在连续流化学领域是一个着名的人物,但他 最初的许多研究重点是微波化学。2013年,Kappe及其团队发表了一篇论文,强烈驳斥了非热微波效应的存在。

“从我们的角度来看,在该领域进行了十多年的深入研究之后,我们现在必须得出结论,即完全不存在非热微波效应。毫无疑问,将来在有机化学(和其他领域)中将存在更多这些作用的主张。除非这些主张得到独立验证,否则我们将警告科学界不要将这些影响的存在视为理所当然。”

结论:微波化学方法还没有结束,但是在大多数情况下,连续流化学方法可以击败微波化学方法

不能说微波化学已经完全消亡了,它仍然是一种出色的,容易获得的用于实验室批处理化学的技术。 小 规模-但除此以外的其他方面确实存在重大缺陷。

过去专注于微波化学的实验室转而使用连续流化学技术是有原因的。快速加热/冷却和高压反应可轻松实现连续流动,以及流动化学系统的微型化特性使其非常适合实验化学和反应优化。与连续流化学提供的其他好处和简单的自动化相结合,与批量使用微波化学技术相比,化学家通常最好将连续流化学引入他们的实验室。

批量微波化学转化为连续流化学的一个例子

在研究人员应用研究所合成化学(维也纳,奥地利)和化学在杜伦大学(英国达拉谟)部门已经成功地翻译合成通过菲舍尔糖基化甲基糖苷到连续流动化学过程的批量微波处理。[3]

费歇尔糖基化(最早于1890年代开发的糖基化方案)仍然是简单糖苷最有价值的制备方法之一。在2005年,Bornaghi等人。报道了费歇尔糖基化的微波加速,以克服传统的常规加热方法所需的长反应时间。虽然这减少了反应时间,但引入了扩大规模的限制;这种批处理技术向连续流的转化消除了扩大规模的限制,而不会影响其获得的反应时间的改善。在此处阅读开放获取文件。


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