微波有机合成

0 2020-05-27

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自从1986年起，有人第一次在一台简单的家用微波炉中做了一次化学合成反应，从此微波有机合成（MAOS）就在现代化学合成的发展中逐渐变得流行起来。在过去的10年中，微波催化已经成功地用于加速和改进一些著名的有机合成反应。很多具有多种模式或单一模式的特殊设备或技术应运而生，来满足化学家们对精细反应的控制。准确的温度测量、压力感应以及软件支持的实验控制是复杂的微波反应器的主要优点。但是由于容器的体积所限，尤其是在使用单一模式的设备时，微波条件下的合成目前主要应用于小计量的反应优化以及工艺的发展。随着对微波催化研究投入的增加，这种创新的技术在有价值的化合物的大计量合成方面的应用也越来越多。因此，Anton Paar公司开发出了Synthos 3000来增强微波催化技术在克级有机合成方面的能力。这种新型微波平台可以一次制备数百克有机合成的产品。对于小计量合成已经优化好的合成路线来说，产量可以达到1摩尔。不必改变参数，仅仅调整原料的用量就可以得到所需要的产品。微波场的高度均一性使得反应器中任何地方的条件都几乎相同，因此可重复性非常好。直接可测量性使大计量反应可以根据小计量反应优化好的参数来进行。无需根据生产过程重新进行优化调整。同时，当Synthos 3000从单一模式转换到多重模式时，也可以实现调整工序的操作。按比例增加原则按比例增加微波条件合成的计量可以通过两种不同途径完成，批次合成或流量技术。由于目前流行的效率较高的单一模式反应器在型号上有所限制，导致大剂量的合成只能一步一步的进行，而流量系统就是应用于这类设备的。10ml反应器带有的流量相应线圈最大可以达到20ml/min的流量。这使得累计生产的产品能够达到几克。为了改变这种技术的效率，应用于静止流量的更大体积的容器已经被开发出来。通过CEM Voyager的80ml反应系统使得合成若干克目标化合物成为可能。与流量贯穿线圈相比，静止流量反应器还可以应用于泥浆及不同物质的混合物。通过使用较大的反应容器（对于常压下的反应可以达到2L）或平行转子，多种模式设备可以单批合成较多的化合物。用于密闭反应的大于300ml的大型容器目前会受到温度、压力等条件的限制，因此在沿用小剂量反应的工艺条件时效率会有损耗。最多能达到80个位置的平行转子是一种比较合理的解决办法，但是准备一大堆的容器是一件非常辛苦的工作。
Emrys Advancer是一个例外，这套设备是专门设计用来按比例扩大反应的。这种反应器包含一个300ml的容器，可以与Biotage单一模式设备一起使用来按比例放大反应。Synthos 3000平台提供了两个带有8个或16个100ml反应容器的转子，在很宽的温度和压力的范围内反应的量可以达到1L。由于微波场的均一性，可以在一次运行中采用不同的基材，将用于小剂量反应的设备用于放大后的反应。尽管设备是被设计用来完成大剂量反应的，最小到6ml的容器也可以配套使用。安全性能在高温条件下的化学反应有可能发生一些不可预测的自发的副反应，这是对操作人员安全的威胁，尤其是当反应放大时更是如此。在微波场中进行化学反应显然也有类似的风险，同时人们必须知道在大剂量反应中很多不可预测的危险也都加大了。为了将不可预见的副反应发生的可能性以及热损耗降低到最小，制定一个实验过程的严格计划就显得十分重要，如果反应在小剂量情况下也没有试过的话就更是如此。如果使用的化学试剂是叠氮化物，硝基化合物或者溶剂为乙醚等有爆炸性的物品时，应该避免在微波条件下进行反应。
除了通过复杂的反应控制来避免压力的增加外，逐步对过高压力的排放控制才是实现最终安全的关键。Synthos 3000包括一个带有电子和机械互锁的冲击保护安全阀门，可以在压力释放之后自动打开反应器。为了避免反应器发生爆炸，密封盖带有一个金属的安全圆板用来释放过量的压力。软件控制的压力增长速率以及温度上限能够保证设备不受损坏。最后，转子设计成笼子的形状同时带有保护的盖子防止从外侧渗漏。小结MAOS的生产能力现在已经稳定地增长到克级合成的水平，已经离微波工业化生产（千克级别）越来越近了。大剂量的基本反应以及极端反应条件的研究可以由新型Synthos 3000的标准转子系统来完成。由于微波反应的应用有可能发展到摩尔级合成的领域，这种现代技术受到的关注已经不仅仅局限于学术界和研发，很多的工厂也开始采用这种方法来进行某些有用的药物的大剂量合成。更多信息，欢迎访问：http://www.anton-paar.com/

责任编辑：展源

审　　核：何发

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