微波加速rDA反应，究竟是怎么原理？

提起微波（microwave，MW），大家最先想到的应该是微波炉，热一下饭菜甚至煮个面都非常方便（安全提示：不要用微波炉热鸡蛋，不要问我是怎么知道的~~~）。微波这种波长短而频率高的电磁波其实本身并不会产热，而是通过介质（如食物）中极性分子与微波电磁场的相互作用来加热，即，在微波作用下极性分子极化并随着电磁场极性变化而交变取向，产生高频往复运动导致分子之间的高频摩擦，从而将电磁能转化为热能。近年来，不少化学家将该作用应用于有机化学合成，这样不仅可以避免传统加热（conventional heating，CH）过程中热源和反应容器之间的热传导，还能实现快速均匀加热。然而，目前有关微波加热加速反应的机理研究仍不十分清楚，还需进一步研究来明确。

微波炉中爆炸的鸡蛋。图片来源于网络

2014年，美国西弗吉尼亚大学的Gregory B. Dudley教授课题组曾提出微波辐射可以诱导特定反应组分的选择性加热，从而得到传统加热方法无法实现的加速过程（J. Org. Chem., 2014, 79, 7425-7436; J. Org. Chem, 2014, 79, 7437-7450），这是因为在微波辐射下，极性较大的分子更容易加热，从而造成加热的效率不同。最近，他们通过设计不同极性的反应物，探究了高温下蒽与富马酸衍生物的逆狄尔斯-阿尔德反应（retro-Diels-Alder, rDA），并以此研究微波加速反应的相关机理。与传统加热方法相比，微波加热可显著地提高反应的速率常数，特别是分子极性较大的反应物。另外，改变反应物分子的浓度和反应溶剂的黏度也会影响微波加热条件下的反应速率常数，而对传统加热方法则没有影响，这些结果为有机反应中微波的选择性加热提供了充足的证据。相关工作发表在Chemical Communications 期刊上。

Gregory Dudley（前排中）教授课题组。图片来源：West Virginia University

在本工作中涉及的逆狄尔斯-阿尔德反应如下图所示。选择这个反应作为模型的原因在于反应物1的极性理论上要比产物2和3的极性都大，这有利于微波选择性地加热反应物1。同时，富马酸衍生物易于合成和改性，有利于调节其在非极性溶剂中的溶解度。另外，作者以弱极性的十三烷作为反应溶剂，这样不仅可以促进反应物在溶液中的聚集，而且有利于微波对这些微小区域内反应物的快速加热。

逆狄尔斯-阿尔德反应（Z为羧酸、酰胺、酯等）。图片来源：Chem. Commun.

在200 ℃的反应温度下，反应物1分解为非极性蒽2和烯烃产物3。与传统加热方法相比，用微波辐射加热时反应速率显著地提高。特别是当底物为4时，一级反应速率常数增加将近32%（0.94x10^-2vs. 0.71x10^-2 min^-1，下图）。如下图3所示，在相同的温度下，两种加热方法具有截然不同的一级反应速率常数，这可能是因为微波加热条件下可以选择性地加热某些极性分子，宏观检测到的温度并不是实际上的反应温度。如果由反应速率常数（0.94x10^-2min^-1）倒推反应温度，作者发现微波加热条件下的实际反应温度应该是204 ℃。

底物4的逆狄尔斯-阿尔德反应机理与一级反应速率常数。图片来源：Chem. Commun.

随后，作者探究了表面活性剂、反应物浓度和溶剂黏度对微波加热过程的影响。如图4所示，当向反应中添加Span-60后，微波加热过程的反应速率会有轻微的变化（1.07x10^-2 min^-1vs 0.94x10^-2 min^-1），而传统加热过程则没有任何变化；当反应物浓度降低（0.065 M→0.020 M）时，微波加热过程的反应速率会有所增加（0.94→1.0x10^-2 min^-1），而传统加热过程中的反应速率则保持不变（0.72x10^-2 min^-1）；当使用粘度更大的溶剂（十七烷）进行反应时，微波加热过程的反应速率会显著地提高（0.74→1.21x10^-2 min^-1，提高66%），而传统加热过程中的反应速率则几乎不变。这些结果都说明了微波选择性加热过程的存在。

表面活性剂、反应物浓度和溶剂黏度对微波加热和传统加热过程的影响。图片来源：Chem. Commun.

最后，作者探究了不同逆狄尔斯-阿尔德反应底物在微波加热和传统加热条件下的转化率。在标准条件下反应3 h，二甲基酯6在微波加热和传统加热下的转化率（60％ vs 51％）增加幅度与二酰胺4（81％ vs 72％）一样，而二苄基酯7的增加幅度则更大（48％ vs 31％）。

不同逆狄尔斯-阿尔德反应底物的转化率。图片来源：Chem. Commun.

总结

微波加热与传统加热方法的不同之处在于前者主要是与极性分子作用产热，由于分子的极性不同，产热能力不同，从而为微波选择性加热提供了条件。作者通过对比分析影响传统加热和微波加热反应速率的因素（如反应物浓度、溶剂黏度和反应物极性等），证明了微波选择性加热的存在，为设计新型的微波辐射加速反应和反应装置提供了理论性指导。由此也可以看到影响微波加热反应过程的因素有很多，因此还需要进一步详细的研究。