Wprowadzenie

    Mikrofalowe promieniowanie elektromagnetyczne obejmuje zakres od 1-300 GHz, co odpowiada długości fal o zakresie 30 cm do 1 mm. Od strony dłuższych fal sąsiaduje z falami radiowymi, a od strony wyższej energii z promieniowaniem podczerwonym. Można powiedzieć, że pewnie dlatego mikrofale wykorzystywane są zarówno w radiolokacji jak też do ogrzewania substancji. Jaka jest więc istota dwoistości zachowania mikrofal i obu zastosowań?

     Historia ogrzewania mikrofalowego datuje się od 1947 roku, kiedy to żołnierze amerykańscy, posiadający na wyposażeniu mikrofalowe radary, zauważyli, że można je używać również do ogrzewania żywności i wody. Pierwszy piec mikrofalowy (RADA RANGE) ważył 340 kg i mierzył 1,6 m wysokości. W następnych latach rozwijało się zastosowanie mikrofal zarówno w technice wojskowej (radiolokacja), w przemyśle (osuszanie materiałów, wulkanizacja gumy), a także postępowała miniaturyzacja domowych kuchenek mikrofalowych. Życie w naszej uporządkowanej cywilizacji wymusiło konieczność ustalenia norm co do stosowanych częstości po to, aby zastosowania przemysłowe i domowe nie zakłócały radiolokacji. Dozwolona częstość dla mikrofal stosowanych w urządzeniach grzewczych została ustalona jako 2,45 GHz. I tak dochodzimy do 1987 roku, kiedy to po raz pierwszy opublikowano dobre rezultaty syntez organicznych przy ogrzewaniu reagentów z użyciem kuchenki mikrofalowej, stanowiącej socjalne wyposażenie laboratorium [4,5]. To doniesienie sprawiło, że ćwierć wieku temu zaczęto badać znane i nowe syntezy organiczne w warunkach naświetlania mikrofalami stosowanego zamiast ogrzewania konwencjonalnego. Opisywano procesy, które były bardzo korzystne ze względu na skrócenie czasu reakcji i zwiększenie wydajności produktów. Pionierami byli tu tacy badacze jak  Varma i Abramovith [2,15]. Zaczęły się jednak rozpowszechniać wieści o niebezpieczeństwach wybuchów i pożarów podczas ogrzewania reagentów organicznych w zwykłych kuchenkach mikrofalowych. Spowodowane to było przegrzaniem i zapłonem par związków organicznych. Dla uniknięcia niebezpieczeństwa zalecano krótkie, ale kilkakrotne naświetlanie reagentów mikrofalami w naczyniu otwartym lub stosowanie zamkniętych naczyń teflonowych. Okazało się wkrótce, że te ostatnie też nie zdały egzaminu, bo przy długim ogrzewaniu zniszczeniu ulegały zarówno reagenty jak i sam reaktor z powodu częstych przypadków niekontrolowanego wzrostu temperatury i ciśnienia. Dodatkowo donoszono o niemożliwości odtworzenia syntez przeprowadzanych w zwykłych kuchenkach mikrofalowych, gdzie nie było możliwości pomiaru i kontroli temperatury w naczyniu reakcyjnym.

 

Na czym polega istota szybkiego ogrzewania mikrofalowego ?

      Oddziaływanie promieniowania mikrofalowego z materią zależy od jej budowy. Substancje niepolarne nie pochłaniają mikrofal i nie ogrzewają się, niezależnie od stanu skupienia. Główne składniki atmosfery tlen, azot, ditlenek węgla są przezroczyste dla mikrofal i dzięki temu mogą one być używane w radiolokacji. Również benzen i kwarc pozostają zimne podczas naświetlania mikrofalami. Materiały o budowie polarnej pochłaniają promieniowanie mikrofalowe i ogrzewają się. Istota zjawiska termicznego polega na ruchu rotacyjnym molekuł dipolowych, które ulegają działaniu składowej elektrycznej fali elektromagnetycznej promieniowania mikrofalowego. Ruch molekuł wywołuje ich wzajemne tarcie, którego efektem makroskopowym jest wzrost temperatury. Efekt termiczny jest tym większy im bardziej polarna jest substancja. Wodne roztwory soli ogrzewają się szybciej niż czysty rozpuszczalnik, ponieważ do ruchu dipoli wody dołącza się ruch jonów, które wykonują ruchy wahadłowe z częstością odpowiadającą fali generowanej przez magnetron. Należy tu dodać, że substancje ferromagnetyczne oddziałują także ze składową magnetyczną mikrofal, co dodatkowo przekłada się na efekt termiczny. W reakcjach organicznych używa się rozpuszczalniki, reagenty i katalizatory, które w różny sposób absorbują mikrofale. Rozważa się, że występowanie specyficznych efektów mikrofalowych dla reagentów i katalizatorów może być przyczyną przyspieszenia reakcji i zmiany jej selektywności, chociaż makroskopowa temperatura mieszaniny reakcyjnej wynikająca ze zsumowania wszystkich efektów jest taka sama jak przy konwekcyjnym dostarczeniu energii. Niezależnie jednak od tego co jest przyczyną przyspieszenia reakcji, dla prowadzenia syntez w sposób kontrolowany i powtarzalny konieczny jest pomiar temperatury mieszaniny reakcyjnej spowodowanej naświetlaniem mikrofalowym.  

    

Kontrolowane wspomaganie mikrofalowe syntez organicznych

    Pierwszy specjalny reaktor mikrofalowy do syntez organicznych: Synthewave 402, został  skonstruowany ok. 1993 roku w firmie Prolabo przy współpracy z chemikami francuskimi takimi jak Loupy i Perraux [18]. Problem kontroli zadanej temperatury reakcji zachodzącej w systemie otwartym rozwiązano dzięki bieżącej regulacji mocy pobieranej przez magnetron poprzez  sprzężenie reaktora z komputerem wyposażonym w software. Mieszanina reakcyjna znajdująca się w kwarcowym, obracanym naczyniu reakcyjnym jest naświetlaniu mikrofalami zogniskowanymi. Pomiar temperatury odbywa się poprzez czujnik IR umieszczony u dołu naczynia reakcyjnego za specjalnym okienkiem pomiarowym. Autorka jest użytkownikiem, od 1998 roku, takiego reaktora, który działa bez zarzutu do dnia dzisiejszego z półroczną przerwą w 2003 roku, spowodowaną zniszczeniem okienka pomiarowego (oranżowe szkiełko o średnicy 12 mm). Ta awaria uniemożliwiła całkowicie funkcjonowanie aparatu z powodu nieadekwatnego odczytywania temperatury i braku możliwości jej kontroli. Trzeba było sprowadzić oryginalne okienko z Francji (poprzez firmę VWR) ze specjalnego szkła, dla którego wyskalowany został zewnętrzny pomiar temperatury.

System Prolabo przejęła w 1999 roku firma CEM, która wytwarza obecnie  kilka typów aparatów do syntez mikrofalowych [7]. Nowoczesne reaktory mikrofalowe są oferowane również przez  firmy Milestone i Biotage [8,9]. Oprócz programowania i kontroli temperatury w systemach otwartych z refluksem, dostępne są reaktory do syntez w układach zamkniętych z kontrolą niskiego lub wysokiego ciśnienia. Interesujące są rozwiązania umożliwiające syntezy równoległe i kombinatoryczne oraz reakcji prowadzonych w systemie przepływowym.

    W ciągu pierwszych dwudziestu lat (1986-2006) opublikowano około 3000 prac dotyczących badania znanych i nowych syntez w warunkach wspomagania mikrofalowego [12] (microwave assisted organis synthesis – MAOS).  W pierwszych dziesięciu latach opisywano eksperymenty z użyciem zwykłej kuchenki mikrofalowej. Następny etap, zapoczątkowany przez firmę Prolabo polegał na wprowadzanie reaktorów z bieżącą kontrolą temperatury naświetlanej mieszaniny reakcyjnej. Takie syntezy stały się wiarygodne i powtarzalne i w pełni bezpieczne. Wspomaganie mikrofalowe stało się obecnie w pełni zaakceptowaną metodologią prowadzenia syntez organicznych przy kontroli jej parametrów (temperatury i ciśnienia). Od 2005 roku  nie są już przyjmowane do publikowania syntezy  wykonane z użyciem zwykłych kuchenek mikrofalowych, a stało się to za przyczyną opublikowania przez  O. Kappe artykułu przeglądowego w Angewandte Chemie [10]. Autor dowodzi, że jedynie „controlled microwave heating” jest godne polecenia dla chemików zajmujących się syntezą organiczną.

       Metodologia prowadzenia syntez organicznych w warunkach naświetlania  mikrofalami polega na wykorzystaniu specyficznego pochłaniania energii nie tylko przez rózne typy materii, ale także przez jej składniki. Określenie, że za pomocą mikrofal dostarczana jest energia bezpośrednio do polarnych reagentów, oznacza pominięcie absorpcji przez ściany naczynia wykonanego zazwyczaj z kwarcu bądź z teflonu. Molekuły polarnych reagentów i rozpuszczalnika pochłaniają energię mikrofalową w sposób zróżnicowany. Zamienia się ona w energię kinetyczną rotacji dipoli i ruchu wahadłowego jonów. Tarcie molekuł uzewnętrznia się makroskopowo jako efekt wzrostu uśrednionej temperatury mieszaniny reakcyjnej. Polarność rozpuszczalnika ma bardzo ważne znaczenie. Rozpuszczalnik polarny uczestniczy w pochłanianiu mikrofal, co skutkuje w szybszym wzroście temperatury mieszaniny reakcyjnej. Rozpuszczalnik niepolarny jest dla mikrofal przezroczysty i ogrzewanie mieszaniny reakcyjnej wynika jedynie z absorpcji polarnych reagentów i jest tym szybsze im większe jest ich stężenie. Technika ogrzewania mikrofalowego umożliwia prowadzenie reakcji w zamkniętych naczyniach reakcyjnych, co daje możliwość uzyskiwania stanów przegrzanych rozpuszczalnika. Daje to często efekt wzrostu szybkości reakcji i wydajności syntezy ze względu na wyższą temperaturę niż można uzyskać przy ogrzewaniu konwencjonalnym pod chłodnicą zwrotną.  

    Szybkie ogrzewanie, przyspieszone reakcje, brak rozpuszczalników to atrybuty Zielonej Chemii, których osiągnięcie umożliwiła tendencja do minimalizacji objętości mieszaniny reakcyjnej przy wprowadzeniu metodologii kontrolowanego wspomagania mikrofalowego syntez. Ich warunki były opracowywane często dla układów bezrozpuszczalnikowych lub w dużych stężeniach w systemach zamkniętych, co daje możliwość podwyższenia temperatury wraz ze wzrostem ciśnienia, a więc i szybkości reakcji z wysokimi wymaganiami energetycznymi [22].

    W literaturze opisano setki zmodyfikowanych warunków syntez organicznych przy stosowaniu wspomagania mikrofalowego zamiast ogrzewania konwencjonalnego. Z praktycznego punktu widzenia należy powiedzieć, że metodologii prowadzenia reakcji w warunkach mikrofalowych trzeba się nauczyć, podobnie jak każdej innej techniki laboratoryjnej. Należy zdawać sobie sprawę z tego, że najlepsze efekty osiąga się tu dla reakcji z wysokimi wymaganiami energetycznymi, ale pod warunkiem, że substraty i produkty są trwałe w środowisku reakcji i są dostatecznie polarne aby pochłaniać promieniowanie mikrofalowe. Nietrwałe związki organiczne ulegają szybkiemu rozkładowi przy naświetlaniu mikrofalami, a niepolarne nie będą pochłaniały mikrofal.

 

Przykład z badań własnych

      Poniżej przedstawię przykład z badań własnych, które polegały na opracowaniu warunków dla metodologii kontrolowanego wspomagania mikrofalowego syntezy układów 2-(pirydyn-2-ylo)indolowych w reakcji Fischera z 2-acetylopirydyny przekształconej do fenylohydrazonu lub p-metoksyfenylohydrazonu [17], jako reakcji modelowej kluczowego etapu syntezy totalnej semperwiryny i jej analogów [16]. W naszej metodzie środowisko reakcji stanowi 0,16 M roztwór chlorku cynku w bezwodnym glikolu trietylenowym (TEG). Naświetlaniu mikrofalami poddawana jest mieszanina reakcyjna w stosunku 1 ml medium reakcyjnego + 1,6 milimola (0,34 g lub 0,36 g) półproduktu fenylohydrazonowego (Schemat 1).

 

Schemat 1. Reakcja syntezy 2-heteroaryloindoli z fenylohydrazonów w środowisku roztworu 0.16M chlorku cynku w bezwodnym glikolu trietylenowym (TEG)

 

W warunkach klasycznych taką syntezę wykonuje się w nadmiarze stopionego chlorku cynku pokrytego metylonaftalenem lub w środowisku kwasu polifosforowego. Oba sposoby generują odpady, a więc nie są zgodne z ideą Zielonej Chemii. Naświetlanie mikrofalami reagentów w pierwszym wypadku spowodowałoby zapalenie się mieszaniny reakcyjnej z powodu silnego pochłaniania energii przez bardzo polarny chlorek cynku. W drugim wypadku również można spodziewać się szybkiego i niekontrolowanego wzrostu temperatury, co będzie prowadzić do degradacji reagentów. Nasza metoda polega na tosowaniu katalitycznych ilości chlorku cynku w TEG jako proekologicznym rozpuszczalniku. Duże stężenie  sprawia, że podczas kontrolowanego naświetlania następuje szybki wzrost temperatury mieszaniny reakcyjnej i zoptymalizowany czas reakcji wynosi 7 minut dla reakcji Fischera fenylohydrazonu trudnej energetycznie (a:  R=H) oraz 5 min dla reakcji łatwej z p-metoksyfenylohydrazonem (b: R=OMe). Bardzo interesująco przedstawia się porównanie wykresu zmian temperatury (niebieska gruba linia) i zmian pobieranej mocy (czerwiona gruba linia) dla obu syntez pokazane na rys 1.

 

Rys. 1. Wykresy temperatury mierzonej dla mieszaniny reakcyjnej za pomocą zewnętrznego czujnika IR  (linia niebieska) i mocy pobieranej przez magnetron reaktora (linia czerwona) – w sprzężeniu zwrotnym przez software: a) reakcja do 2-(pirydyn-2-ylo)indoly, b) do do 5-metoksy- 2-(pirydyn-2-ylo)indoly, c) Przy naświetlaniu czystego TEG i 0,16 M roztworu ZnCl₂ w TEG

 

Dla syntezy z wysokimi wymaganiami energetycznymi czas osiągnięcia zaprogramowanej temperatury 180 ºC jest znacznie dłuższy mimo wykorzystania pełnej mocy magnetronu (rys. 1a). Synteza pochodnej metoksylowej zachodzi znacznie łatwiej, dlatego zaprogramowany jest pobór niepełnej mocy naświetlania, a mimo to wzrost temperatury jest szybki i zauważyć można egzotermiczny efekt syntezy po osiągnięciu temperatury 100 ºC przez mieszaninę reakcyjną (rys. 1b). Na rys. 1c pokazane jest w jaki sposób przedstawia się profil wzrostu temperatury dla czystego TEG i dla medium reakcyjnego: 0,16 M roztworu chlorku cynku w TEG.

 

Podsumowanie i perspektywy

      Synteza organiczna w warunkach naświetlania mikrofalami jest obecnie w pełni zaakceptowaną metodologią. Szeroko zakrojone badania wielu zespołów chemików, wśród których C. O Kappe z Austrii wybija się w ostatnich dziesięciu latach na pierwsze miejsce [11], pozwoliły na urealnienie oczekiwań co do tej techniki. Stosuje się ją wielokierunkowo w nowoczesnej chemii do syntezy farmaceutyków [25], w tym związków heterocyklicznych [26]. W warunkach kontrolowanego naświetlania mikrofalowego prowadzi się syntezy na fazie stałej [23], syntezy w systemie przepływowym [6, 27], reakcje typu ‘click chemistry” [28] oraz transformacje różnego typu molekuł w cieczach jonowych [3,21].  Badane są możliwości zastosowania metodologii wspomagania mikrofalowego do syntezy nanomateriałow [1,14,19,29] i do kontrolowanego przerobu biomasy [13,20,24]. Wszystko wskazuje na to, że ten sposób dostarczenia energii jest efektywny i daje możliwości powiązania z istniejącymi i nowymi technikami laboratoryjnymi.

 

 

Literatura:

1. Baghbanzadeh, M., Carbone, L., Cozzoli, P.D., Kappe, C.O., Microwave-assisted synthesis of colloidal inorganic nanocrystals. Angewandte Chemie – International Edition 2011, 50, 1312-11359
2. Církva, V., Relich, S. Microwave photochemistry applications in organic synthesis. Mini-Reviews in Organic Chemistry 2011, 8, 282-293
3. De Lima, P.G., Microwave in ionic liquid synthesis. Revista Virtual de Quimica 2011,  3, 325-338
4. Gedye R., Smith F., Westaway K. et all, The use of microwave movens for rapie organic synthesis. Tetrahedron Lett. 1986, 27, 279-282
5. Giguere R.J. Bray T.L. Duncan S.M. Majetish G. Application of commercjal microwave ovens to organic synthesis. Tetrahedron Lett. 1986, 27, 4945-4958

6.   Gjuraj, E., Kongoli, R., Shore, G., Combination of flow reactors with microwave-assisted synthesis: Smart engineering concept for steering synthetic chemistry on the „fast Lane”. Chemical and Biochemical Engineering Quarterly 2012, 26, 285-307
7. http://www.cem.com/microwave-synthesis.html
8. http://www.milestonesrl.com/analytical/Products-Microwave-Synthesis/
9. http://www.biotage.com/
10. Kappe  C.O., Controlled Microwave Heating in Modern Organic Synthesis. Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 6250-6284
11. Kappe, C.O., How to measure reaction temperature in microwave-heated transformations. Chemical Society Reviews 2013, 42,4 977-4990
12. Kappe C.O., Stadler A. (Eds), Microwaves in Organic and Medicinal Chemistry,  Wiley-VCH, Weinheim, 2005.Larhed M., Olofsson K. (Eds.), Microwave Methods in Organic Synthesis, Topics in Current Chemistry 266, Springer 2006.
13.   Kim, J., Mun, S.C., Ko, H.-U., Kim, K.-B., Khondoker, M.A.H., Zhai, L. Review of microwave assisted manufacturing technologies. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing 2012, 13, 2263-2272
14. Klinowski, J., Almeida Paz, F.A., Silva, P., Ocha, J., Microwave-assisted synthesis of metal-organic frameworks. Dalton Transactions, 2011,  40, 321-330
15.  Lidström P., Tierny J.P. (Eds.) Microwave Assisted Organic Synthesis, Blackwell  2005. 
16. Lipińska, T.M., Total synthesis of new indolo[2,3-a]quinolizine alkaloids sempervirine type, potential pharmaceuticals. Tetrahedron 2006, 62, 5736-5747
17. Lipińska, T.M., A new approach to difficult Fischer synthesis: The use of zinc chloride catalyst in triethylene glycol under controlled microwave irradiation. Czarnocki, S.J. Organic Letters 2006, 8, 367-370
18. Loupy A. (Ed.), Microwaves in Organic Synthesis, 2nd Edition, Wiley-VCH 2006
19. Luan, J., Wang, S., Hu, Z., Zhang, L., Synthesis techniques, properties and applications of polymer nanocomposites. Current Organic Synthesis  2012, 9, 114-136
20. Lupa, C.J., Wylie, S.R., Shaw, A., Al-Shamma’A, A., J. Sweetman, A., Herbert, B.M.J. Experimental analysis of biomass pyrolysis using microwave-induced plasma  Fuel Processing Technology 2012, 97, 79-84
21. Martínez-Palou, R , Microwave-assisted synthesis using ionic liquids. Molecular Diversity 2010, 14, 3-25
22. Moseley, J.D., Kappe, C.O., A critical assessment of the greenness and energy efficiency of microwave-assisted organic synthesis. Green Chemistry, 2011,  13, 794-806
23. Pedersen, S.L., Tofteng, A.P., Malik, L., Jensen, K.J., Microwave heating in solid-phase peptide synthesis. Chemical Society Reviews 2012, 41, 1826-1844
24. Rackemann, D.W., Doherty, W.O. The conversion of lignocellulosics to levulinic acid, Biofuels, Bioproducts  and Biorefining 2011, 5, 198-214
25. Solanki, H.K., Prajapati, V.D., Jani, G.K., Microwave technology-A potential tool in pharmaceutical science, , International Journal of PharmTech Research 2010, 2, 1754-1761
26. Van der Eycken E., Kappe C.O. (Eds.), Microwave-Assisted Synthesis of Heterocycles. Topics in Heterocyclic Chemistry Series, XIV, Springer, Berlin-Heidelberg-New York 2006
27. Wegner, J., Ceylan, S., Kirschning, A., Flow chemistry – A key enabling technology for (multistep) organic synthesis   Advanced Synthesis and Catalysis, 2012, 354, pp. 17-57
28. Xiong, X., Cai, L., Tang, Z., Microwave-assisted click chemistry, Chinese Journal of Organic Chemistry 2012, 32, 1410-1428
29. Zhu, T., Row, K.H., Preparation and applications of hybrid organic-inorganic monoliths: A review Journal of Separation Science 2012, 35, 1294-1302

 

*Prof. nzw. dr hab. inż. Teodozja Marianna Lipińska, Katedra Chemii Organicznej i Stosowanej – Instytut Chemii Wydział Nauk Ścisłych, Uniwersytet Przyrodniczo-Humanistyczny w Siedlcach