微波合成常見問題釋疑

2021-07-12

關鍵字:微波合成

微波合成常見問題釋疑

1986年,加拿大Laurentian大學的Gedye團隊發表了第一篇微波有機合成論文1,以苯甲酸的酯化反應為例,微波加熱的合成速度幾乎是傳統迴流加熱的100倍,簡直不可思議!這種以微波加熱進行化學合成的技術,被稱為「微波合成」,後來越來越多學者研究微波合成,例如曾任中研院生化所所長的中研院院士王光燦先生,他在1987年發表了第一篇以微波加熱進行蛋白質水解的論文,並獲得美國CEM公司贈送一台微波實驗設備,之後便開始積極研究微波胜肽合成技術。 儘管微波合成能大幅提升反應速率,每次與微波合成系統使用者討論實驗狀況時,他們都會問到:「感覺微波很危險,微波真的不會致癌嗎?用微波不會讓我受傷嗎?」,或是「我不知道微波能用於哪些合成實驗、我不知道怎麼將既有合成實驗轉換為微波合成、我不知道如何操作微波合成系統、可以用家裡的微波爐做實驗嗎?」等,這些被問過無數次的問題,現在就直接跟各位分享!

微波危險嗎?會致癌嗎?

烤箱、電視以及遙控器會用到的「紅外線」,或是人類肉眼可見的「可見光」,其實能量都比微波強,所以你不需要擔心微波會造成危險或致癌。

那為何微波明明能量較低,加熱起來卻比烤箱或瓦斯爐快?因為微波的加熱特性與原理不同於一般加熱,但一般人並不會了解這背後的原因,於是一些不科學的迷思出現了,像是:「微波的能量很強、使用微波爐會對健康有害、直視加熱中的微波爐會傷害眼睛、使用微波爐會致癌」等,答案是「不會」,這裡我要強調,微波不危險,危險的是不遵守實驗室安全規範,以及不閱讀手冊就嘗試以直覺操作設備。

微波能用於哪些合成實驗?

不只有機合成、無機合成、奈米材料合成、聚合物合成、甚至是綠色化學,你可以輕易找到大量的相關應用文獻2,3,微波合成的效率真的相當強大!

傳統迴流加熱與微波合成比較4

以下還有更多例子:

  1. 有機合成實驗中常見的Heck reaction,這是一個使用過渡金屬催化來形成C-C鍵的反應,傳統加熱需要花費20小時才能完成下方的實驗,但微波只需要5分鐘。
  1. 微波合成系統也能執行需注入氫氣的加氫反應(hydrogenation reaction),以下圖為例,微波合成法的轉換率是傳統油浴加熱法的近兩倍(100% vs 55%)5
  1. 連續流動化學(Flow Chemistry)同樣可運用微波合成系統來進行,以Fischer Indole Synthesis為例,微波連續流動合成法不只產率高,產量(scale)也高。
方法溫度時間產量產率
微波合成法210°C3 mins2 mmol90%
微波連續流動法210°C15 mins20 mmol88%
  1. 微波合成法再配合自動手臂進行合成方法最佳化,更能大幅縮短方法開發時間。以藥物合成中常見的Hantzsch dihydropyridine reaction為例,全自動微波合成系統能在一小時內完成9種不同條件的測試。
編號溫度(°C)時間(mm:ss)轉換率(%)
11981:40---
21881:40---
31705:0068
41505:0083
51305:0053
615010:0083
71503:0070
81505:0073
91505:0059

合成實驗的種類實在太多了,如果你不知道微波合成適不適合你的實驗,直接跟微波儀器廠商聯絡吧!

我要怎麼把既有的實驗方法轉移到微波合成上?

有幾個前提:

  • 先用低功率與少量反應物來進行初次測試。
  • 若非必要,別放純金屬,以免產生電弧。
  • 確認反應物可以吸收微波(請參考:微波如何產生熱能?)。
  • 務必事先閱讀手冊或訓練資料,以確保操作方式正確。
  • 請注意反應試劑是否會破壞實驗容器,例如強鹼會腐蝕玻璃。

接下來要依照你原本實驗的操作類型來決定轉移方式:

  • 開放式加熱:

原本只用加熱板/加熱包、玻璃瓶與冷凝管等裝置進行實驗,這類實驗方式稱為「開放式加熱」,要轉移到微波合成系統十分簡單好上手,請把冷凝管與燒瓶裝設到微波合成系統中,然後放入反應物與攪拌子,開始你的初次微波合成實驗吧! 若初次測試的效果不夠滿意,或與傳統結果差異不大,你不妨試試下一種實驗方式:密閉式加熱。

  • 密閉式加熱:

原本就需要將試劑溫度加熱到常壓沸點以上的實驗,這類實驗稱為「密閉式加熱」,加熱中反應試劑會製造高壓,讓試劑溫度可以突破常壓沸點,常用於無機材料合成的水熱反應就是最好的例子,這類實驗須將水加熱到200°C以上。 跟開放式加熱相比,由於密閉式加熱可將反應物加熱到更高溫度,所以反應速率會更快(每多10°C,反應速率增加一倍)。 在初次進行密閉式微波加熱時,往往不知如何將「既有的傳統加熱法」轉換為「密閉式微波加熱法」,這時你可以善用「微波方法轉換器」這個軟體工具,它能協助你更快完成方法轉換與開發,下圖為使用範例,操作非常簡單!

  • 參考既有微波合成文獻:

你需要從既有文獻中找出關鍵參數,像是文獻中使用的微波設備廠牌、反應物廠牌/體積/克數、加熱模式、功率、時間、溫度、壓力、反應容器材質等,再參考自己實驗室的微波合成系統操作手冊,挑選適當的控制模式進行測試,以CEM Discover 2.0微波合成系統為例,不管你需要的是恆溫、恆壓或是以特定功率進行加熱的實驗,Standard Control模式都可以滿足你的需求。

微波合成系統有哪些常見的類型?

微波合成系統大致上分為兩種:多模式微波合成系統(一批次進行多個樣品)與單模式微波合成系統(一批次進行單一樣品)。 多模式微波合成系統外觀像是更大更有力的家用微波爐,但配備了適合實驗的功能,像是多種安全裝置與感應器,一次可以放進數十支反應瓶做高溫高壓實驗,也可以放入較大的圓底燒瓶跟冷凝管做常壓實驗,將實驗放大到公斤級產量。

單模式微波合成系統的外觀則跟家用微波爐完全不同,純粹為了微波合成研究而生,此類系統使用到的聚焦技術可以提升微波能量的密度,所以加熱效率更好,合成速度會比多模型的微波合成系統要快上數倍,亦提供更好的實驗再現性。

家用微波爐也可以作微波合成實驗嗎?

理論上家用微波爐確實可以用來做微波合成實驗,但需要更多的人為即時監控以及嘗試錯誤,因為家用微波爐缺少了溫度/壓力控制能力、無法安裝冷凝管、無法用攪拌子來攪拌反應物、爐體材質與設計不會考慮對化學試劑的耐受性、沒有模組化配件來進行特殊實驗。 當你需要進行高溫高壓實驗,由於家用微波爐缺乏溫度與壓力的控制能力,一旦反應容器無法承受高溫與高壓而破裂,便可能爆開甚至傷到實驗人員(可參考下圖)。 家用微波爐的另一個問題則是實驗再現性不好,專門的微波實驗設備能提供較佳的微波均勻度,因此實驗再現性也會比較好。

微波合成系統有沒有缺點?

微波合成技術具有可以大幅提升反應速率的優點,高效率往往會伴隨著高成本,這是不爭的事實,以高鐵與台鐵為例,高鐵票價約為台鐵的兩倍,速度也約為兩倍,所以是用兩倍的價格換取兩倍的效率,多數人能夠接受這樣的效益,所以高鐵乘客數逐年增加7。那微波合成系統呢?其合成效率是傳統加熱板/加熱包的數十倍以上,但價格同樣是數十倍以上,所以價格正是微波合成系統的缺點,而且是唯一缺點。到底是追求效率重要,還是顧及成本重要,請自行考量評估。

結論

別再對微波有所誤解了,微波的能量很低,甚至低於紅外線與可見光,因此使用微波不需要擔心受傷,只要你了解它的加熱特性與原理,配合正確的操作方式與實驗設備,你會對它的合成效率感到十分驚奇。

如果需要更多專業的建議與協助,歡迎直接聯絡科安企業股份有限公司,我們一起討論實驗上遇到的難題,看看我們能夠帶給你什麼幫助。 聯絡電話:(02)2728-2767 或 來信與我們聯繫。

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