【CEM Discover 2.0】微波化学与非极性反应溶液
时间：2024-05-29 阅读：727
引言
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。
为了证明微波加热在使用低极性溶剂的转化中的功效，对甲苯中的 Diels-Alder 反应的简单修改和优化（图1）改编自使用水的既定方案6。这种常见的环加成因其产生环状结构和两个新的碳-碳键的能力而受到青睐。
表1. 六种常见溶剂的介电常数和介电损耗常数5
溶剂 | 介电常数（ε'） | 介电损耗常数（ε''） |
DMSO | 45.0 | 37.125 |
水 | 80.4 | 9.889 |
乙 腈 | 37.5 | 2.325 |
DCM | 9.1 | 0.382 |
甲苯 | 2.4 | 0.096 |
己烷 | 1.9 | 0.038 |
图1. 甲苯中的微波加热 Diels-Alder 反应
材料与方法
试剂
甲苯是从VWR（宾夕法尼亚州Radnor）获得的。马来酰亚胺和2,3-二甲基-1,3-丁二烯购自TCI Chemicals（日本东京）。
程序
装有搅拌棒的 10 mL 容器中装有马来酰亚胺（1.0 当量）、2,3-二甲基-1,3-丁二烯（2.0 当量）和溶剂（2.5 – 4.95 mL）。然后，用聚四氟乙烯衬里的硅盖密封小瓶，并放入 Discover® 2.0 微波腔中。将反应混合物加热到扌旨定温度一段时间。然后，将溶液冷却至室温，并通过薄层色谱法进行分析。粗产率是通过反应混合物的旋转蒸发获得的。
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）。
由此，进一步研究了甲苯微波加热的功效；研究了一系列反应浓度递减的实验（并进行了优化）。将反应浓度稀释至 0.20mM（马来酰亚胺），原始浓度的十分之一，在 110°C 下 5 分钟后未导致定量转化为产物（表2，条目3）。简单的温度优化至 120 °C，确保了完荃转换和令人满意的产量（表2，条目4）。
在此调整之后，进行实验，其中反应浓度再降低50%，然后在 120°C 下加热 5 分钟；同样，由于反应物浓度低，观察到不完荃转化为产物（表2，条目5）。为了恢复这次的定量转换，实施了温度和时间的增加;将溶液在 130°C 下加热 10 分钟，以 97% 的产率获得所需产物（表2，条目6）。
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。
表2：甲苯中浓度递减-Diels-Alder反应的优化
条目 | 马来酰亚胺（mM） | 二烯 （mM） | 溶剂 | 温度（℃） | 时间 （分钟） |
1 | 1.95 | 3.90 | 水 | 110 | 5 |
2 | 1.95 | 3.90 | 甲苯 | 110 | 5 |
3 | 0.20 | 0.40 | 甲苯 | 110 | 5 |
4 | 0.20 | 0.40 | 甲苯 | 120 | 5 |
5 | 0.10 | 0.20 | 甲苯 | 120 | 5 |
6 | 0.10 | 0.20 | 甲苯 | 130 | 10 |
7 | 0.050 | 0.10 | 甲苯 | 130 | 10 |
8 | 0.050 | 0.10 | 甲苯 | 130 | 15 |
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.