微波化學（Microwave Chemistry）

微波化學（Microwave Chemistry）
國立臺灣師範大學化學系博士班三年級梁家榮

許多人都有用過微波爐加熱食物，在短時間內就可以達到加熱食物的目的，操作起來也相當的方便。在微波加熱的條件下，物質中若帶有水、醇類等極性分子，也可以將相同的原理應用在有機實驗中，就稱作微波化學（microwave chemistry）。

一般在實驗室中的加熱方式，不外乎用水浴、油浴、沙浴以及加熱包等方式加熱，這些都是從反應容器的外部開始進行的表面加熱。若是在較大的反應體積條件下，往往會產生加熱不均勻的情況，造成部分過度加熱使得反應物分解，又有部分加熱溫度不足結果反應不完全，使得產率下降。[i]

 圖一、微波加熱（左）與傳統方式加熱（右）示意圖

1986 年，加拿大的化學家 Prof. Gedye 第一次將微波反應，應用在有機化學的合成上。[ii] 以傳統的有機實驗加熱方式和微波加熱的方式對照，將苯甲酸與甲醇在可耐高壓的反應瓶中進行簡單的酯化反應。

以微波加熱的方式，可以加熱到近 $$134^\circ C$$ 僅僅需要 $$5$$ 分鐘就完成反應，產率 $$76\%$$。而一般傳統的方式，則是受限於甲醇的沸點，僅加熱至 $$65^\circ C$$，$$8$$ 小時後反應結束，產率為 $$74\%$$。由此可見，雖然產率相去不遠，但是反應完成的時間則相差了將近 $$100$$ 倍之多。至此之後，數以千計以微波方式促進有機化學反應的研究，開始不斷的被報導出來。[iii]

利用微波加熱的方式，可以吸收能量並激發轉動能量（rotational energy）。而吸收能量的分子，又會增加與周圍極性分子間的碰撞。令溶液溫度快速上升，並且可以是在相當均勻並且迅速的條件下完成反應。微波是電磁波的一種，其能量強度並不足以使一般的碳-碳鍵斷鍵，因此可以利用這種屬於非熱效應的方式加速反應，進行傳統反應條件下所無法完成的反應。

從阿瑞尼斯方程式（Arrhenius equation） 我們可以得知，影響反應速率的因素。微波對反應速率的影響除了可能是增加阿瑞尼斯常數 A 之外，較多證據顯示是降低反應活化能使反應加速進行。

目前市售的微波加熱器可以控制的條件因素更多，例如：1. 反應槽的大小，一般有 $$0.2~mL$$ 到 $$50~mL$$ 的尺寸。2. 預攪拌時間，可以使反應物與反映試劑在微波加熱之前能夠充分攪拌均勻。3. 加熱溫度，由於微波加熱已經可以比一般加熱的方式更有效率，所以通常加熱溫度會以電腦控制在 $$200^\circ C$$ 以下（以不超過溶劑在一大氣壓下的沸點 $$50^\circ C$$ 較為安全），持續以恆溫的溫度反應。4. 反應時間，適度控制反應時間可以避免起始物反應完全後，再繼續反應生成其他副產物或使產物分解。

此外使用上還要考慮到安全性的問題，微波加熱反應大多是在密閉的條件下進行反應，過去常常發生因為加熱而使得壓力過大產生爆炸，而現今的反應瓶都可以做到耐高溫壓的條件，相較於過去已經安全許多。但是還是要避免進行部分反應會在微波加熱過程中，產生大量氣體或進行自由基鏈鎖反應（free radical chain reaction）的化學。

參考文獻：

[i] de la Hoz, A.; Diaz-Ortiz, A.; Moreno, A. Chem. Soc. Rev. 2005, 34, 164.

[ii] Gedye, R.; Smith, F.; Westaway, K.; Ali, H.; Baldisera, L.; Laberge, L.; Rousell, R. Tetrahedron Lett. 1986, 27, 279.

[iii] Lidstrom, p.; Tierney, J.; wathey, B.; Westman, J. Tetrahedron 2001, 57, 9225.