為了加速反應(yīng)從而減少整個進(jìn)程的時間，經(jīng)常將微波加熱應(yīng)用于傳統(tǒng)的加熱反應(yīng)中。當(dāng)開發(fā)*的新反應(yīng)時，開始時實驗應(yīng)當(dāng)僅以小規(guī)模的方式進(jìn)行，應(yīng)用適度增加的以免溫度超出儀器的操作極限（溫度，壓力）。所以單模反應(yīng)器非常適合于開發(fā)方法和優(yōu)化反應(yīng)。

1.敞口或密閉容器

    使用的微波反應(yīng)器進(jìn)行有機合成時可以在敞口的或密閉的容器條件之間進(jìn)行選擇。同油浴相比。在敞日容器中的快速微波加熱能夠在極短的時間之內(nèi)達(dá)到回流條件。使用密閉容器時除了快速的介電加熱之外，反應(yīng)還可以在高壓的狀態(tài)下。在遠(yuǎn)高于溶液沸點的溫度下進(jìn)行?？紤]到縮短的時間和改善了的產(chǎn)率，更高的反應(yīng)溫度與增加的壓力相結(jié)合取得的結(jié)果給人留下了深刻印象。近來描述的多數(shù)微波過程都是在密閉容器條件下操作的，結(jié)果所有商品化的微波反應(yīng)器主要為那樣的條件而設(shè)計。然而，多模和單模反應(yīng)器也都可以在大氣壓回流條件下使用。對于多數(shù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，密閉容器條件提供了令人滿意的結(jié)果，但有時需要使用敞口容器條件，例如，為了從反應(yīng)混合物中除去易揮發(fā)的副產(chǎn)物時。不過，為了達(dá)到速率的顯著增加（>100倍），使用密閉容器的效果更好。

    在大氣壓下進(jìn)行微波輔助反應(yīng)的一個主要優(yōu)點在于，能夠在微波腔內(nèi)利用標(biāo)準(zhǔn)的實驗室玻璃儀器（圓底燒瓶，回流冷凝管），以較大的規(guī)模進(jìn)行合成。相反的，加壓的反應(yīng)需要特殊容器，規(guī)模超過一升的工藝體積時只能使用平行轉(zhuǎn)子或者流通體系來完成。敞口容器技術(shù)的另一重要方面是安全性，尤其在大規(guī)模時。在大氣壓條件下進(jìn)行的反應(yīng) ,較之在密閉容器中進(jìn)行而言，自然要安全得多。

2. 溶劑的選擇

    任何一個來自原加熱方法的改動反應(yīng)的下一個步驟是選擇溶劑。總的來說，微波介導(dǎo)的反應(yīng)可以使用與傳統(tǒng)工藝相同的溶劑來完成。但是需要注意的是，根據(jù)其介電性質(zhì)，溶劑與微波的作用各不相同。正切值（tanδ）越高,微波能且越能夠更好地轉(zhuǎn)化為熱，微波加熱越有效。低吸收的溶劑（如下表）也可以用微波處理，如果單純使用它們則加熱效果很差；但是當(dāng)反應(yīng)混合物是由不同（極性）的試劑組成，總能夠具有產(chǎn)生有效微波耦合的足夠潛力。曾經(jīng)存在的爭議是如果僅僅使用了少zui極性試劑，低吸收的溶劑可能會成為“熱接收器”，從試劑中吸走熱量，從而保護(hù)了對熱不穩(wěn)定的化合物，并保持了低的反應(yīng)溫度。當(dāng)使用相近的微波透過的反應(yīng)混合物時，推薦加入強微波吸收的被動熱源，例如包裹了Weflon™-外膜的攪拌子，以便在混合物內(nèi)達(dá)到適當(dāng)?shù)臒醾鬏?。這些添加物通過熱對流來加熱反應(yīng)混合物，并且還保護(hù)了微波的硬件儀器部分，免于其吸收過多的微波能zui?？晒┻x擇的還有，向低吸收的溶劑內(nèi)摻入少量如離子液體這樣的強吸收溶劑如離子液體這樣的強吸收溶劑。
 
    當(dāng)在密閉容器中利用微波加熱時，不再需要像傳統(tǒng)回流裝置中那詳為了獲得高的反應(yīng)溫度而使用高沸點溶劑。利用現(xiàn)代儀器，在甲醇中就可以容易地在160℃下進(jìn)行反應(yīng)，或者在二氯甲烷中在100℃下發(fā)生轉(zhuǎn)化。
    使用低沸點的溶劑，經(jīng)常導(dǎo)致升高溫度時出現(xiàn)相當(dāng)大壓力的情況，所以，不要超出所用儀器的操作極限是很關(guān)鍵的。限制性的因素是總體上所用容器的承壓穩(wěn)定性。受到密封/加蓋技術(shù)的限制，單模反應(yīng)器中的普通壓力容器承受的壓力極限為20bar。對于多模儀器,有不同的材料和容器設(shè)什可供挑選,使得反應(yīng)可以在高達(dá)100bar下進(jìn)行。因此，所用試劑的物理性質(zhì)也可能會影響到對所用儀器的選擇。

    也可以在無溶劑的情況下方便地進(jìn)行微波介導(dǎo)的反應(yīng)。這些干介質(zhì)反應(yīng)的需求不同于那些在溶液中進(jìn)行的反應(yīng)，因為不涉及到溶劑，積累的壓力相當(dāng)?shù)?，并且在多?shù)例子中這樣的反應(yīng)是在敞口容器條件下完成的。另一方面，即使總的整體溫度可能相當(dāng)?shù)停@些混合物也很容易局部過熱（形成宏觀熱點）。對這樣的底物進(jìn)行攪拌或準(zhǔn)確測量溫度相當(dāng)困難，妨礙了對可靠反應(yīng)條件的研究。所以在這類反應(yīng)中，試劑的降解或分解是個嚴(yán)重的問題。

3.溫度和時間
  
    對于一個成功的微波介導(dǎo)的反應(yīng)而言，zui為關(guān)鍵的一點是對溫度和時間的優(yōu)化組合。按照阿侖尼烏斯方程式，k=Aezp（一E¬a/RT）,可以預(yù)測溫度每升高10 ℃，反應(yīng)時間縮短一半。依靠該經(jīng)驗方法，可以將許多傳統(tǒng)工藝轉(zhuǎn)變?yōu)橛行У奈⒉ń閷?dǎo)過程。舉個簡單例子，通過將溫度從80℃升至160℃，在回流乙醇中反應(yīng)的時間可以從8h縮短為2min（如下圖）。

 
化學(xué)反應(yīng)中溫度和反應(yīng)時間之間的關(guān)系
 

    對于許多轉(zhuǎn)化反應(yīng)，反應(yīng)時間事實上比阿侖尼烏斯方程所預(yù)期的還短很多，可能因為產(chǎn)生了額外的壓力所致，或者因為富有爭議的微波效應(yīng)的參與。

     當(dāng)研究一個沒有普通加熱工藝可供參照的全新反應(yīng)時，適宜的起點為比所用溶劑的沸點高出大約30℃~40℃。隨著個人的實踐經(jīng)驗，在操作過程中技能會改善，但是也會隨所實施化學(xué)反應(yīng)類型的不同而異。開始時以10min進(jìn)行一個反應(yīng)，通常對其進(jìn)程能夠形成良好的總體看法。對反應(yīng)混合物跟蹤之后，根據(jù)獲得的結(jié)果，也許會判斷需要進(jìn)一步修飾該工藝:

    ①沒有反應(yīng)：溫度太低或者反應(yīng)體系不合適;提高溫度或改變?nèi)軇?br />    ②轉(zhuǎn)化不*:延長反應(yīng)時間和或升高溫度。
    ③底物分解：溫度太高；降低溫度。
    ④反應(yīng)*:縮短時間到反應(yīng)剛好*，zui大程度地加快速率。

    通常，單模反應(yīng)器儀器溫度的極限是250℃，而多模儀器的設(shè)置至少在某段限定的時間內(nèi)?？梢愿叩?00℃。這可能使得利用密團(tuán)容器在高溫和高壓下開發(fā)全新的反應(yīng)得以實現(xiàn)，不過操作者必須意識到，隨著溫度的升高，有些類型容器的壓力極限會下降。尤其是當(dāng)使用PTFE和PFA容器時，它們可能會在高溫/高壓條件下嚴(yán)重變形。對于這些高溫反應(yīng)，應(yīng)當(dāng)使用玻璃或石英容器。

    對于反應(yīng)時間的優(yōu)化沒有特別的建議。既然加速反應(yīng)是使用微波照射的主要動機，就應(yīng)當(dāng)期望反應(yīng)在幾分鐘之內(nèi)達(dá)到*。另一方面，反應(yīng)應(yīng)當(dāng)一直運行直至底物發(fā)生*轉(zhuǎn)化。總體來說，在密閉條件下如果一個微波反應(yīng)在60min之內(nèi)還沒有進(jìn)行*，就需要對反應(yīng)條件作進(jìn)一步復(fù)查（溶劑，催化劑，極性比例）。zui長時間的微波介導(dǎo)反應(yīng)的報道記錄是一個銅催化的N-芳基化反應(yīng)，經(jīng)歷了22h。發(fā)表的zui短時間的微波反應(yīng)則僅需6s的微波脈沖就達(dá)到*（超快的羰基化反應(yīng)）

4.微波儀器的軟件

    所有商品化的工業(yè)微波反應(yīng)器都帶有軟件包，它通常允許編制一個控制溫度或功率的程序。使用控溫程序，系統(tǒng)一般通過應(yīng)用zui大的微波輸出功率，嘗試盡快達(dá)到設(shè)定的溫度。為了控制放熱的或高反應(yīng)性的過程，可以編制的加熱梯度程序，例如在2min內(nèi)到達(dá)120℃，或者設(shè)計一個明確的步進(jìn)式反應(yīng)過程（如下圖）。兩種不同方式，都提供了對反應(yīng)溫度的很好控制。
 
 

在密閉容器條件加熱30ml水樣品的溫度曲線

    另一方面，可以在某個固定時間段內(nèi)用恒定的微波功率照射樣品，例如10W下10min。由于對到達(dá)的溫度或壓力不可控，必須小心以免超出系統(tǒng)的操作極限，只有對那些非常熟悉并且沒有嚴(yán)格限制的反應(yīng)才使用這類程序，或者在敞口（回流）條件下使用。因為在這類方法中，受控的只是施加的能量而非產(chǎn)生的溫度，因此使用控溫程序的反應(yīng)控制的質(zhì)量通常更好。

    有些軟件包額外提供控制壓力方法的開發(fā)，它將產(chǎn)生的壓力作為一個限制因素。通過調(diào)整壓力限制來調(diào)節(jié)微波功率，而對產(chǎn)生的猛度沒有影響。因為對于一個成功的合成反應(yīng)來說，反應(yīng)溫度是zui關(guān)鍵的參數(shù)，為了研究反應(yīng)的操作極限，推薦使用溫度程序。一旦已知zui高溫度和zui大壓力，微波輸出功率的不同可以成為優(yōu)化反應(yīng)結(jié)果的進(jìn)一步方法。

    所以，在優(yōu)化反應(yīng)的實驗中使用哪種策略，很大程度上取決于所用儀器的類型，在多模反應(yīng)器使用的強磁控管微波輸出功率高達(dá)1500W的同時，單模反應(yīng)器使用的zui大功率只有300W。這是因為在單模裝置中微波場密度高，而需要加熱的樣品的體積較小。原則上，可以將優(yōu)化的工藝從單模轉(zhuǎn)用到多模儀器上，并且將規(guī)模放大100倍而效率不會受損。

局限性與安全方面

    總體而言，大多數(shù)能夠在加熱條件下進(jìn)行的反應(yīng)都能夠經(jīng)微波照射得到加速完成。微波加熱的效率高度依賴于反應(yīng)混合物的介電性質(zhì)。大多數(shù)結(jié)果顯示速率的增加和產(chǎn)率的改善可以用簡單的熱效應(yīng)加以解釋。但是，由于兩個主要的原因，有些反應(yīng)可能不適合在徽波反應(yīng)器中進(jìn)行:

    （1）低吸收混合物  如果反應(yīng)混合物，包括其中所含的單獨試劑，沒有足夠的極性與微波進(jìn)行有效的耦合，則存在對儀器或其部件產(chǎn)生損害的危險。當(dāng)用高輸出功率的微波對低吸收材料照射過長的時間時，這主要是與多模儀器相伴的一個問題。導(dǎo)入的微波能量必須以某種方式被吸收，如果它沒有被試劑所接受，容器的感應(yīng)器或者其他附件無意中就會被加熱。為了避免出現(xiàn)這樣的情況，應(yīng)當(dāng)向混合物中加人強微波吸收的物質(zhì)。離子液體是一些可被接納的添加物，能夠與微波相互作用，即使非常少量的這類物質(zhì)也能提高樣品的介電損耗，并且額外作為反應(yīng)介質(zhì)或催化劑。因為離子液體通常難于從反應(yīng)物混合物中除去，加入被動加熱的成分例如Weflon™一涂層的攪捧子或者碳化硅芯片會更加方便。

    現(xiàn)代微波儀器配置了特殊的安全性部件以保護(hù)磁控管不受損害。特別設(shè)計的反射系統(tǒng)防止了微波被反射到磁控管上，或者兩道溫度測量，如果輸出功率不能有效地轉(zhuǎn)變，就通過迅速關(guān)閉磁控管以避免過熱

    （2）高吸收混合物的過載  另一方面，極性太強的混合物可被過快地加熱升溫乃至超過儀器或者容器的安全極限（壓力定額，溫度限制），導(dǎo)致對儀器的損傷。如果容器過載了太多的體積或太濃的混合物就可能出現(xiàn)這種情況。采用更加稀釋的混合物以及緩慢升溫的程序則能夠避免上述同題。

    為了減少容器失敗的危險，承壓容器配置了幾種安全性部件。它們可能包括一個有效的自排放系統(tǒng)，它可以通過迅速打開一再關(guān)閉步驟來釋放意外的過大壓力，或者采用安全圓盤，當(dāng)?shù)竭_(dá)其壓力限額時它就會破裂。有些單模反應(yīng)器的小瓶（0.2~20mL）由其所用蓋子的壓力極限（20bar）來保護(hù),它們明顯低于小瓶本身的操作極限（40~50bar）。

    但是，對于任何排放行為，排氣系統(tǒng)必須能夠立即開始疏散溶劑的蒸氣。尤其在大規(guī)模的合成中，形成易燃混合物是非常危急的。有機溶劑通常高度易燃，而微波可能會成為系統(tǒng)的點火源，引起嚴(yán)重的爆炸。所以對所用的微波儀器需要進(jìn)行恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，以便將其對操作者的潛在危害減低到zui少。所有多模爐都帶有電子溶劑感應(yīng)器，它能夠測量空腔內(nèi)氣體中有機溶劑的濃度。如果到達(dá)了臨界極限，磁控管就會關(guān)閉并且排放出溶劑燕氣。

    另一個要點是所用溶劑的熱穩(wěn)定性。一般來說，當(dāng)使用微波加熱時對熱不穩(wěn)定的化合物能夠因反應(yīng)時間短而受益，但是另一方面與傳統(tǒng)加熱相比所施加的反應(yīng)溫度經(jīng)常要高一些。所以，當(dāng)暴露于高溫時，有幾種溶劑和試劑可能會分解，形成危險的化合物。具有潛在風(fēng)險的化合物包括那些含有硝基或疊氮基的化合物以及醚類，因為已經(jīng)知道它們加熱時會引起爆炸。例如aether，會形成沸點非常低的爆炸性過氧化物，它不能用在微波輔助的反應(yīng)中。

    當(dāng)在微波場中進(jìn)行放熱反應(yīng)時，尤其當(dāng)以放大規(guī)模的方法操作時，一定要采取預(yù)防措施。由于微波迅速的能量轉(zhuǎn)移，任何不受控制的放熱反應(yīng)都具有潛在的危險（熱失控）。對于儀器的安全性測量而言，溫度和壓力的上升可能會極其迅猛，從而引起容器破裂。

    當(dāng)運行控溫程序時.為了準(zhǔn)確地跟蹤溫度，容器的zui小充滿體積十分關(guān)鍵。在從容器底部進(jìn)行1R溫度測量的悄況下，對于單模儀器而言（CEM Discover系列），只需要很少量的反應(yīng)混合物（大約50μL_）就足以獲得的溫度反饋。浸入式的溫度探針則根據(jù)容器的總體積，需要某個確定的zui小體積來進(jìn)行準(zhǔn)確測量。為了獲得可靠并且能夠重現(xiàn)的結(jié)果，必須保證溫度探針與反應(yīng)混合物進(jìn)行廣泛的接觸，即使混合物處于攪拌下。

     對于會導(dǎo)致氣態(tài)組分產(chǎn)生的反應(yīng)必須加以警惕，例如那些設(shè)計甲酸銨的反應(yīng)，它被用作氫轉(zhuǎn)移試劑，能夠附加釋放出大量氨氣和二氧化碳。當(dāng)制定一個實驗計劃時，為了不要使累積的壓力超過操作極限，必須考慮將要產(chǎn)生的氣體的體積。總體而言，對于設(shè)計良好的系統(tǒng)這不是一個安全性難點，因為排放機制能夠釋放過大的壓力，保護(hù)儀器不受傷害，但是它必然妨礙實驗的進(jìn)程。利用微波照射來加熱化合物時面臨的一個常見現(xiàn)象叫做過熱，即溶劑被加熱到遠(yuǎn)遠(yuǎn)高干其沸點溫度。在有些策略中探討了這種效應(yīng)，但是它也可能很危險，因為過熱混合物會突然開始沸騰。所以，在有機合成中總會推薦進(jìn)行攪拌，不過所用攪拌子的尺寸很重要。如果金屬核心是發(fā)射波長（λ=12.25cm）的四分之一長，它會起到天線的作用，引起火花故電損壞攪拌子，甚至?xí)?dǎo)致容器爆炸。

    在微波輔助的反應(yīng)中使用金屬或金屬化合物也會對反應(yīng)容器帶來傷害。當(dāng)金屬與微波強烈地相互作用時，可能會產(chǎn)生極度熱點，它會因熔化過程的侵襲而可能削弱容器表面。這會破壞容器的穩(wěn)定性，可能引起反應(yīng)容器的劇烈毀壞。如果使用的催化劑能夠產(chǎn)生金屬單質(zhì)沉淀（例如鈀或者銅），為了避免在反應(yīng)容器的內(nèi)表面沉積金屬薄膜，建議進(jìn)行攪拌。

    操作化學(xué)品和加壓的容器總是承擔(dān)著一定的風(fēng)險，但是商品化的微波反應(yīng)器所帶有的安全部件和的反應(yīng)控制，能夠保護(hù)使用者免子發(fā)生事故，也許比任何傳統(tǒng)的熱源的保護(hù)性都好。將家用微波爐與可燃的有機溶劑一起使用具有危險，必須嚴(yán)格避免，因為這些儀器不是為經(jīng)受進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時所產(chǎn)生的那些條件而設(shè)什的。

美國 CEM 環(huán)形聚焦單模微波合成系統(tǒng)