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1、成 绩： k 江西科技师范大学毕业设计（论文） 题目（中文）：微波法在肌醇衍生物合成中的应用 （外文）：The microwave method in the application of the inositol derivatives synthesis院（系）： 化学化工学院 专 业 ： 应用化学（含职教师范）一班 学生姓名 ： 刘佳 学 号 ： 20120633 指导教师 ： 柏江 2016年5月17日目录1引言11.1微波化学的定义以及发展史11.1.1微波是什么11.1.2微波化学的定义21.1.3微波法的发展历史21.2微波加热原理21.2.1微波的热效应31.2.2微波的非热效
2、应31.2.3微波诱导催化效应31.3微波法的应用41.3.1在有机合成方面的应用41.3.2在无机合成方面的应用41.3.3在分析化学方面的应用41.4传统方法51.5微波加热相比传统加热方式在肌醇衍生物合成中的优势62 实验部分72.1 仪器设备及药品72.2 肌醇衍生物的合成73结果讨论104展望10参考文献11微波法在肌醇衍生物合成中的应用摘要：微波化学是一门在最近十几年间新兴的交叉学科，在经过一段时间迅速的发展，逐渐渗透到各个领域：包括有机合成如酯化、Diels-Alder、重排等以及无机合成反应、分析化学、环境污染治理等。微波法能促进化学反应，所以对微波法的研究具有深远意义。本文从
3、微波法反应原理，与传统反应方法进行对比方面着手，阐述微波技术具有条件温和，加热速度快，反应能耗低，产品质量高等优势，并借此说明微波法应用具有广泛和优越的前景。关键词：微波化学；微波法；合成；机理；优势1引言微波化学，在十几年前刚刚兴起，就迅速引起了科学研究领域人员的广泛关注。并且，随着其合成技术的不断提高，它已然成为了目前化学研究中最活跃的领域之一。微波，是一种电磁波，波长为11000nm，频率为300300，000MHz。十九世纪末，赫兹通过实验证实了电磁波的存在，在此之后，微波逐渐走进了大众视野。而后，几十年间，因为相较于传统的烹调方式，利用微波进行烹调，花费的时间更少，且耗能更低，因此微
4、波炉也逐渐成为了大多数家庭里的必备电器之一。然而，对于化工原料的加工，微波技术还是一种相对较新的方式。1.1微波化学的定义以及发展史1.1.1微波是什么微波，就是指一种波长在11000nm，频率在300300，000MHz范围内的电磁波。因为其波长相比于长波、中波、短波的波长数值较微小而得名。不同于其他波段，微波具有以下几个重要特点：(1)似光性。因为微波的波长很小，所以，当微波照射到某些物质表面时，将会产生十分明显的反射和折射，就如同光线在大气中的反射和折射，所以说微波具有似光性；(2)穿透性。穿透性就是指：当微波照射在介质物体表面上时，所具有的能够深入到物体内部的一种特性；(3)信息性。即
5、使相对宽带很小，但是，微波的波段信息容量十分巨大，可用的频带也可以很宽，最高可以达到数百甚至上千兆赫；(4)非电离性。因为微波的量子能量不是很大，所以作用时，不会改变物质分子的内部结构或者破坏分子的化学键。因此说，微波和物体之间的作用是非电离的2。1.1.2微波化学的定义微波化学是利用现代微波技术，研究部分物质的相关物理和化学行为，在微波场中的作用的一门科学。是在对其场中的物质的特性、相互作用进行深入研究的基础上，逐步发展起来的。是根据电磁场理论、电磁波理论、介电质物理理论、凝聚态物质理论、等离子体物理理论、物质结构理论和化学原理等一系列理论基础，去开展研究任务的。微波场，既可直接作用在化学体
6、系中，促进或者改变一些相关化学反应，也可以用于诱导产生等离子，达到促进各类反应的目的。前者，就是我们所说的，通常意义上的微波化学，如微波对凝聚态类物质的化学作用主要就属于这一类别；而后者，如微波对气态物质的作用，则是所谓的微波等离子体化学。1.1.3微波法的发展历史在等离子体化学研究方面，微波化学的历史3始于1952年，Broida等，利用同轴谐振腔方法，获得微波诱导等离子体(MIP)，并测定了氕一氘混合气中氘的同位素丰度。在1975年，Mosian等人发明了一种表面波器件。随后，在一年时间内，Beenakker提出了Tmoio谐振腔，获得常压氦微波等离子体。嘉茂睦等人在1981年，成功利用微
7、波等离子体，增强化学气相沉积法，在钼与硅基上，以CH4与H2为原料，在实验中沉积出金刚石膜，其厚度为12微米。这种方法现在已经广泛应用于微波电子材料的刻蚀、净化，高分子材料的表面改性以及光刻胶的剥蚀等加工过程中，并且已然形成具有一定规模的产业。在凝聚态合成化学研究方面，历史可以追溯到上世纪六十年代。科学家利用电磁辐射脉冲，去进行丙烯酸酯、异丁烯酸和丙烯酸的乳液合成。但当时，这类的研究并未引起人们的高度重视。其应用的真正开端，是在加拿大学者RGedge等人完成“烹饪实验”之后。他们利用微波炉在家进行了包括酯化反应在内的，一系列有机小分子的合成研究。研究发现：微波可以提高其反应速度(最高可达124
8、0倍)，甚至可以使某些反应时间以分、秒来计算。因此，微波法真正的进入了科学领域研究者的视野中。到目前为止，化学家在以下有机合成反应中的研究中，取得了效果：Diels一Alder环加成反应、酯化反应、重排反应、烷基化、氧化、缩合、取代、加成、聚合等。同时，微波也同样适用于一些无机固相反应，如固体快离子导体的制备、沸石分子筛的合成、陶瓷的烧结以及超细粉末材料制备等。近几年间，微波合成的研究成果数量还在飞速增长。可以说，微波化学作为一个新的分支学科，已经小有成就。 1.2微波加热原理微波能被水、橡胶、食品、木材等一些材料吸收，产生一种非常有效的、即时的深层加热作用(内加热)4，因此，与传统加热技术的
9、不同，微波加热技术就是使物体内部的分子相互摩擦，从而达到直接加热的效果，且不改变物质内部分子结构5。这种内加热的原理，是指样品在电磁场的作用下，接受微波辐射时，主要以离子传导和偶极子转动方式产热6。因为其内加热作用，可以使介质在不同的深度下达到同时加热，更快更均匀、无温度梯度、无滞后效应等目的，进而，加热时间大大缩短。而近年来，利用微波加快化学反应时，研究人员又发现了很多有别于传统加热的特殊效应6。这些特殊效应之中，有的不能用温度的变化来解释。而这些难以用温度变化、特殊温度分布来解释的现象，即“微波的非加热效应”7。下面，我们就来谈谈微波的加热效应、诱导催化效应以及非加热效应。1.2.1微波的
10、热效应微波的加热介质一般是基于以下两种机理：离子传导，以及偶极子转动8。微波法的离子传导的产热机理9就是指：一般情况下，这两种不同的机理所产生的加热效应会共存于微波法加热介质的过程之中。介质中的可离解的离子在电磁场中移动的时候，形成电流，介质本身对离子产生阻碍作用，进而产生热效应。与微波的离子传导的热效应的大小相关的因素有：介质本身的离子浓度、迁移率。微波法的偶极子转动传导的产热机理是指：如果介质本身，由较多的一端带正电荷，另一端带负电荷的分子（或者偶极子）组成，介质分子会随外加电场的方向改变，不断的做摆动。而介质因为受到了分子热运动的干扰及阻碍作用，其中会产生一种类似于摩擦的作用，从而使介质
11、内部分子获取能量。介质分子内部能量被提高之后，介质在宏观方面所表现出来的温度，也会随之增高。与微波的偶极子转动传导的热效应的大小有关的因素有：介质的弛豫时间、介质本身的粘度以及温度10。综上所述，微波的热效应，就是通过介质的介电损耗来发热，从而使介质内部的分子，能够在较短的时间内极化。并且，通过加剧介质内部分子的运动和碰撞的方式，增加介质的内部分子的动能。电磁能量通过波的形式，辐射到介质内部。而且，微波法加热介质可以使介质的内外同时被加热，所以可以使介质的内外达到受热均匀的效果。1.2.2微波的非热效应关于微波可以加速化学反应这个说法，目前学术界所持观点存在较大分歧。部分研究人员认为：微波法加
12、速我们的化学反应主要就是靠其热效应达到。但是，这一说法没有办法解释那些在相同温度条件下，微波法加热反应带来的加快反应的结果。因而，支持微波的非热效应的理论的另一部分相关研究人员就认为，微波是利用辐射作用，在化学反应时使反应物中的极性分子产生强烈的振动，使分子高速旋转，产生碰撞。换句话说，微波在提高分子活性的同时，降低了化学反应的活化能和分子键的强度。但是，有其他研究表明：每摩尔频率在1100GHz范围内的微波的光量子的能量，仅仅为到0.440J，而这样的辐射能量无法断裂部分的有机化合物的化学键12。1.2.3微波诱导催化效应在实际应用中，很多有机化合物是不能直接明显地吸收微波的。但是，通过某种
13、对微波有强烈吸收作用的“敏化剂”，可以达到将微波传给这些物质的目的，进而诱发化学反应的发生11。 这些“敏化剂”可以是：铁磁性金属及其化合物、活性炭等等。微波诱导催化技术(MIOP)的原理如下：微波首先作用于包含某种“敏化剂”的固体催化剂，或者其载体， 在其表面点位与微波能之间的强烈相互作用下，微波能转变为热能，某些表面点位，很快被选择性地加热至较高的温度(1400 )，形成“热点”。所以，反应中，即使反应物不能直接利用微波加热，也可以令它们与“热点”接触，从而被诱导发生化学催化反应。为了进一步达到降低反应能耗并且缩短微波辐照时间的目的，微波诱导催化技术在相关化学研究中一直受到更多的关注。1.
14、3微波法的应用1.3.1在有机合成方面的应用微波法由于其特殊热传导方式，以及诱导催化效应等优点，被广泛应用于有机药物化学合成领域。微波法因缩短反应时间、不需添加溶剂的特点可以较大程度降低产业生产中将会面临的成本等问题。目前, 微波技术已广泛用于酯化反应、醚合成反应、杂环化合物的合成等方面。成丽等13，进行实验，以无水碳酸钾、香兰醛、硫酸二甲酯为原料，通过传统法及两种微波方法综合实验进行对比，得出两种微波法均具有耗时短、操作简单、产率高的结论。吕维忠等14在反应中以苯甲酸和邻苯二胺为原料，多聚磷酸(PPA)作为催化剂，利用微波辐射技术，在280 W 的功率下反应7 min后，合成出了高产率的2-
15、苯基苯并咪唑，该物质在农医药以及材料等多方面都具有及其重要的应用。1.3.2在无机合成方面的应用过去，无机合成在化学研究中大都采用传统传导加热方式。利用油浴、加热套、电炉等内部热源进行加热。这种方式具有及其明显的局限性：反应慢、效果不明显等。这种加热方式，一般需要热量对流以及各种材料及物质之间的热传导。反应容器的温度通常比反应混合物的温度高。但是如果在试验中利用微波辐射技术进行加热，就可以在其内部，同时、均匀的升高整体温度。目前为止，微波技术在无机合成中的研究成果也比较广泛。如Wang Rui等15 通过，对比不同合成方法得出结论：在试验中以磷酸和氢氧化钛为反应原料,利用微波技术，在400 W
16、的功率下，5 min后便得到了分散好、粒径小、形貌规则、结晶度高的单一相焦磷酸钛。 1.3.3在分析化学方面的应用微波技术在分析化学中有微波波谱分析、微波溶样、微波等离子体光谱分析等应用。例如，在预处理分析样品时，往往耗时较长，而分析方法和手段的准备与样品制备之间存在明显的“时差”，因而稍显违和。而微波溶样技术由于具备高效、低温、易控制等独特优点，广泛应用于处理各类样品。如徐伏秋等16通过对比传统加热方式和微波辐射技术，进行硅酸盐矿石样品的烧失量的测定，结果显示，微波法的实验组，不仅具有较高精准度，同时大大缩短测定时间，测定效率提高，并且做到节能反应。1.4传统方法路线1 （a）2,2-二甲氧
17、基丙烷，对甲苯磺酸，N,N-二甲基甲酰胺（b）苯甲酰氯，吡啶；（c）甲醇钠，甲醇；（d）0.4M氢氧化钠，甲醇，二氯乙烷，水；（e）苯甲酰氯，吡啶肌醇磷酸酯类化合物可在细胞内信息传导中作为第二信使而被广泛关注，科学家也一直在探索肌醇磷酸酯在生命系统中的作用及功能。在该类化合物的合成过程中，稳定的肌醇衍生物的制备是合成肌醇磷酸盐及其他化合物（如：环己烯四酸以及类糖物质）的关键步骤。本文将阐述两种中间产物：()-1,2:5,6-二氧-亚异丙基-myo-肌醇（化合物5）和()-1,2:4,5-二氧-亚异丙基-myo-肌醇（化合物6）。当酸催化剂存在的情况下，丙酮(或其缩酮衍生物)与肌醇反应，生成化合
18、物5、6和()-1,2:5,6-二氧-亚异丙基肌醇以及一些其他同分异构体。化合物5和6的分离需要用到柱层析法，而这可能并不适放量生产。由Gigg等人改进了反应路线对混合物进行原位苯甲酰化，由于其高度结晶的性质，极大程度地促进了化合物3（3,6-氧-二苯甲酰基-1,2:4,5-二氧-亚异丙基-myo-肌醇）的分离（产率26%）。但是,与化合物3的情况不同，进一步过滤纯化得到化合物4（3,4,5,6-氧-四苯甲酰基-1,2-二氧-亚异丙基-myo-肌醇）的收率只有13%。为了简化化合物2（3,4-氧-二苯甲酰基-1,2:5,6-二氧-亚异丙基-myo-肌醇）的提纯过程，Sonya等人对Gigg等人
19、的实验步骤进行优化。将肌醇溶于N,N-二甲基甲酰胺中，加入2,2-二甲氧基丙烷和对甲苯丙磺酸，升温至120搅拌3小时。然后降温至0加入苯甲酰氯化物和吡啶使其进一步苯甲酰化。经过化合物2的过滤作用，再用液质法测定化合物2与化合物 4的产量比。结果显示第一步中多加入的2,2-二甲氧基丙烷（16M）并不能有效地降低副产物四苯甲酰化化合物4的产率。相同地，对反应化合物予以额外的分子筛过滤也没有降低四醇化合物的产量。由于上述实验路线仍存在问题，Sonya等人又选用了另一条反应路线：将所有的()-1,2-O-亚异丙基-myo-肌醇从产物中分离出来。在120下，搅拌3小时后，通过真空蒸馏来浓缩反应混合物，所
20、得混合物用乙酸乙酯柱层析，洗脱掉大部分的()-1,2-O-亚异丙基-myo-肌醇。二醇经过苯甲酰化，分离得到化合物3，产率26%。而滤液的质谱分析结果显示化合物2中的化合物4的含量仅占不到4%。然后，滤液中加入过量的水搅拌得到粗产物，粗产物经丙酮重结晶得到纯的化合物2，产率22%。之前报道，在-78.5下，化合物2,3在氢氧化钠的甲醇溶液中温和水解。因为温度过低及大量气体的产生，并且反应时间较长，所以通常用过量的有机溶剂进行萃取，以得到更多的产物。为简化过程，在甲醇钠的甲醇溶液中，脱掉化合物2,3的苯甲酰基，用乙酸乙酯正己烷柱层析洗掉副产物苯甲酸甲酯，得到化合物5,6。最后，化合物3在特定条件
21、下水解生成()-6-氧-苯甲酰基-1,2:4,5-二氧-亚异丙基-myo-肌醇（化合物7）。将氢氧化钠溶于二氯甲烷甲醇中，水解化合物3得到主产物化合物7，其中混有少量化合物6。通过气质联用测定化合物3，7，8，6的量（保留时间分别是 26.59、22.03、21.55和15.88 min）。通过改变筛选溶剂、催化剂、反应次数和温度，找出了合成化合物7的最佳反应条件。用柱层析法来提纯反应混合物中的化合物7。这里需要注意的是，化合物6选择性苯甲酰化的主产物是()-6-氧-苯甲酰基-1,2:4,5-二氧-亚异丙基-myo-肌醇（化合物8）。因此，化合物7必须通过化合物3去保护过程来制备。1.5微波加
22、热相比传统加热方式在肌醇衍生物合成中的优势传统的加热方法，只能通过物质表面的热传导、热转移、热辐射的方式将能量转移到原料上。而微波，是通过电磁场内原子的相互作用，直接作用于原料内部。在热转移方面, 传统加热的能量是因为存在热梯度而被转移。而微波是根据电磁能量的传输以及能量转换达到加热的目的。也就是说，由于其优越的能量转移方式，微波法加热在材料加工方面具有很多潜在的优势。比如，微波能穿够透材料达到储蓄能量、热量的目的，从而在材料的各个部位产生热量。再比如，能量不再完全依赖于表面热的扩散而转移，在厚度较大的材料上也可以实现快速且均匀得加热。在合成导热系数较低的聚合物以及一些陶瓷材料的时候，处理时间
23、可以明显被缩短。而在传统加热方法中，加热速率的选择，是以减少陡峭温度梯度的目的为主。产品的处理时间和产品质量之间存在周期这样一个平衡点，所以，时间往往只能控制在很慢的加热速率上。因此，如果可以利用微波能在材料的各个部位传递能量，就可以缩短处理时间, 提高产品质量。除了体积热之外，微波技术在分子水平上的能量转移同样具有不少的优点。作为选择原料的加热设备，分子结构会对微波的效果产生影响。材料绝缘性不同时，微波会选择高透过率的材料。这种选择性具有很多优势：如在传统陶瓷工艺或高分子材料方面，传统加热浪费太多时间以及能量。而如果选择微波法，可以同时加热样品的内外部分。除此之外，在微波的作用下，多元物质可
24、能更容易结合。因此，由于微波法具有的选择性，其也可能在加工加热不同分子结构对的材料时，选择反应物的热能。从而实现一些过去不能实现的化学反应，达到合成新的原料的目的。2 实验部分2.1 仪器设备及药品 实验仪器设备：分析天平，微波合成反应器（安东帕 Monowave 300），锥形瓶，胶头滴管，微波管，注射器，样品管，毛细管等。实验药品：myo-肌醇（Alfa Aesar），2,2-二甲氧基丙烷（Alfa Aesar），对甲苯磺酸（阿拉丁）。2.2 肌醇衍生物的合成称取1g myo-肌醇，20mg对甲苯磺酸置于30mL微波反应管中，然后量取3mL 2,2-二甲氧基丙烷，4mL DMF，加入上述体
25、系中。图1 丙叉保护的肌醇衍生物的合成设计如下实验时间温度10min20min30min120A2A3130B1B2B3140C1C2C3150D1D2D3表1 设计反应温度时间表A3A2A1图二 120下微波反应图B3B2B1图三 130下微波反应图C3C1C2图四 140下微波反应图D2D3D1图五 150下微波反应图图六 TLC检测结果3结果讨论本文通过设计从120至150，在每个温度下分别反应10min，20min，30min，共计12组实验。从TLC检测结果中可以得知，在150下，反应30min后，就可以很大程度减少化合物9的生成，主要产物为化合物5和化合物6。这与传统的加热方式下完
26、成的反应相比，反应速度更快，且降低了副产物9的生成。在该步反应中，与传统加热相比，有明显的优势。而在实际反应中，若要达到D3的反应结果，需要加热反应16h。4展望由于微波反应可以给予反应体系更高的压力以及温度，所以，可以将传统的长时间的加热反应的反应时间缩短。由于反应时间较短，所以可以得到较少的副产物。后期可以再寻找其他类似常规反应，进行微波实验，以达到更好效果。参考文献1 丁保华.微波技术在材料合成中的应用J.科技资讯,2008(14):7-8.2 李莉.微波在合成中的应用A.有色冶金设计与研究,2007(2):20.3 金钦汉.微波化学M.北京:科学出版社,1999:2.4 Mingos
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31、ethod in the application of theinositol derivatives synthesisAbstract: Microwave chemistry - is a emerging interdisciplinary which is developing rapidly in the recent decade.It has gradually penetrated into all fields, including organic synthesis such as esterification, Diels Alder, rearrangement an
32、d inorganic synthesis, analytical chemistry, environmental pollution control, etc. For microwave method can promote the chemical reaction, the study of microwave method has far-reaching significance. This paper compared the traditional reaction method with microwave synthesis reaction principle to i
33、llustrate the advantages of microwave method such as the mild conditions , fast heating and low energy consumption, high product quality.The application shows that the microwave method has a broad prospect and superior.Key words: Microwave chemistry;Microwave method;synthetic;the mechanism;advantage.
