微波技术在有机化合物合成实验中的应用

微波技术在有机化合物合成实验中的应用

微波是指电磁波谱中位于远红外与无线电波之间的电磁辐射（波长为10-3 m～10-1 m)，微波能量对材料有很强的穿透力，能对被照射物质产生深层加热作用。对微波加热促进有机反应的机理，目前较为普遍的看法是极性有机分子接受微波辐射的能量后会发生每秒几十亿次的偶极振动，产生热效应，使分子间的相互碰撞及能量交换次数增加，因而使有机反应速度加快。另外，电磁场对反应分子间行为的直接作用而引起的所谓“非热效应”，也是促进有机反应的重要原因。目前微波辐射己迅速发展成为一项新兴的合成技术。和传统方法相比，新型实验具有反应时间短、产率高和物耗低及污染少等特点，体现了新兴技术的运用和化学实验绿色化的改革目标。

1 微波辐射合成和水解乙酰水杨酸

1.1 实验原理

乙酰水杨酸是人们熟悉的解热镇痛、抗风湿类药物，可由水杨酸和乙酸酐合成得到。乙酰水杨酸的合成涉及水杨酸酚羟基的乙酰化和产品重结晶等操作，通常采用酸催化合成法，它存在着相对反应时间长、乙酸酐用量大和副产物多等缺点。本实验参考有关文献将微波辐射技术用于合成和水解乙酰水杨酸并加以回收利用。

合成反应的原理表示如下：

1.2 实验目的

学习微波合成及有关反应原理和操作技术。

1.3 试剂及仪器

1.3.1 试剂

水杨酸（A．R)、乙酸酐（A．R)、碳酸钠（C．P)、盐酸（C．P)、氢氧化钠（C．P)、95%乙醇（C．P)、2% FeCl

3水溶液、活性炭。

1.3.2 仪器

WP750格兰仕微波炉、电子天平、圆底烧瓶（100 mL)、烧瓶（250 mL)、锥形瓶（100 mL)、移液管（5 mL)、减压抽滤装置、红外光谱仪。

1.4 操作步骤

1.4.1 微波辐射碱催化合成乙酰水杨酸实验

在100 mL干燥的圆底烧瓶中加入2.0 g（0.014 mol)水杨酸和约0.1 g碳酸钠，再用移液管加入2.8 mL（3.0 g，

0.029 mol)乙酸酐，振荡，放入微波炉中，在微波辐射输

出功率495 W（中档)下，微波辐射20~40 s。稍冷，加入20 mL pH=3~4的盐酸水溶液，将混合物继续在冷水中冷却使之结晶完全。减压过滤，用少量冷水洗涤结晶2~3次，抽干，得乙酰水杨酸粗产品。粗产品用乙醇水混合溶剂（1体积95%的乙醇+2体积的水)约16 mL重结晶，干燥得白色晶状乙酰水杨酸2.4 g(收率92%)，熔点135℃~136℃。产品结构还

可用2%FeCl3水溶液检验或用红外光谱仪测试。

1.4.2 微波辐射水解乙酰水杨酸实验

在100 mL锥形瓶中加入2.0 g(0.01 mol)乙酰水杨酸和40 mL 0.3 mol/L NaOH水溶液，在微波辐射输出功率495 W(中档)下，微波辐射40 s。冷却后，滴加6 mol/L HCl至pH=2~3，置于冰水浴中令其充分析晶，减压过滤，水杨酸粗产品用蒸馏水重结晶，活性炭脱色，干燥，得白色针状水杨酸约1.1 g(收率80%)，熔点153℃~156℃。

1.5 结果与讨论

1.5.1 微波辐射碱催化合成法的优点

通过正交实验，确定了微波辐射碱催化合成乙酰水杨酸的较优条件，以较优条件下的微波辐射碱催化合成法与传统酸催化法进行比较，微波辐射碱催化法具有明显的优点：反应时间缩短（40 s，传统酸催化法10 min)，酸酐用量减少，合成收率提高（收率92%，传统酸催化法收率57.5%)。获得较好结果的原因是采用了较好的合成途径和微波辐射技术，碱催化方法可避免副产物(主要是聚水杨酸)的生成，微波辐射技术则大大提高了反应速率。若增大微波辐射功率，则反应时间更短，但从安全角度考虑，仅选择中等功率的微波辐射进行实验。

1.5.2 微波辐射水解法的优点

根据乙酰水杨酸水解反应参数计算可知，在过量碱存在的条件下，在35℃时乙酰水杨酸完全水解需要1 h，在100℃时只需20 s。采用传统加热方式加热，整个水解过程需用

10 min 左右。现在采用微波辐射水解，很好地发挥了微波辐射技术加热速度快和加热均匀的特点。实验结果表明，在输出功率为495 W的条件下，微波辐射仅40 s，即基本完全水解。这一反应可将基础实验中制备的乙酰水杨酸产品回收再利用，避免浪费和污染环境，同时也一样能研究微波合成的技术。

1.5.3 注意事项

(1)合成乙酰水杨酸的原料水杨酸应当是干燥的。乙酸酐应是新开瓶的，如果打开使用过且已放置较长时间，使用时应当重新蒸馏，收集139℃~140℃的馏分。

(2)乙酰水杨酸易受热分解，因此熔点不是很明显，它的分解温度为128℃~135℃，熔点文献值为136℃。测定熔点时，应先将热载体加热至120℃左右，然后再放入样品测定。

(3)不同品牌的家用微波炉所用微波条件略有不同，微波条件的选定以使反应温度达80℃~90℃为原则。使用的微波功率一般选择450~500 W之间，微波辐射时间为20~40 s。此外，微波炉不能长时间空载或近似空载操作，否则可能损坏磁控管。

2 微波辐射合成苯甲酸

2.1 实验原理

2.2 实验目的

了解微波这种特殊形式的能量，它可以大大加速一些化学反应，且具有良好的环境效应。

2.3 仪器与试剂

微波炉，功率在0～600 W，可调；250 mL三角烧瓶；玻璃毛细管；熔点仪；苯甲酰胺（分析纯)0.5 g；氢氧化钠（分析纯)0.2 g；盐酸（分析纯)。

2.4 操作步骤

2.4.1 微波加热

将0.5 g苯甲酰胺和30 mL沸水加入到250 mL三角烧瓶中，再加入120 mL溶有0.2 g NaOH的热溶液(98℃)，插入毛细管。将该烧瓶置于微波炉中，在500 W功率下反应20 min。冷却至室温，过滤，滤液用6 mol/L的盐酸调至酸性后有晶体析出。过滤，洗涤，重结晶，100℃烘干用显微镜熔点测定仪测熔点。计算反应回收率。

2.4.2 电加热对照实验

将电加热(500 W)代替1中微波加热，重复实验。

将1和2的实验结果对比，可说明微波在反应中的优势。

参考文献

［1］ 常慧，杨建男．化学试剂，2000，22(5)：313

［2］ 武汉大学化学分子科学学院实验中心编．综合化学实验．武汉：武汉大学出版社，2003：136—140

［3］ 王秋长，赵鸿喜，张守民，李一峻．基础化学实验．北京：科学出版社，2003：168—169