微波合成常見問題釋疑

2021-07-12

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。

set of electromagnetic spectrum diagram or radio waves spectrum or ultraviolet light diagram. eps 10 vector, easy to modify

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：

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。

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。

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°C	3 mins	2 mmol	90%
微波連續流動法	210°C	15 mins	20 mmol	88%

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(%)
1	198	1:40	---
2	188	1:40	---
3	170	5:00	68
4	150	5:00	83
5	130	5:00	53
6	150	10:00	83
7	150	3:00	70
8	150	5:00	73
9	150	5:00	59

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。