為了加速反應(yīng)從而減少整個(gè)進(jìn)程的時(shí)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(shí)，開始時(shí)實(shí)驗(yàn)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(jī)合成時(shí)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(shí)間之內(nèi)達(dá)到回流條件。使用密閉容器時(shí)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(diǎn)的溫度下進(jìn)行?？紤]到縮短的時(shí)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(jì)。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(shí)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(shí)。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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于，能夠在微波腔內(nèi)利用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)。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(gè)來自原加熱方法的改動(dòng)反應(yīng)的下一個(gè)步驟是選擇溶劑?？偟膩碚f，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(shí)，推薦加入強(qiáng)微波吸收的被動(dòng)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(qiáng)吸收溶劑如離子液體這樣的強(qiáng)吸收溶劑。
 
    當(dāng)在密閉容器中利用微波加熱時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)的溶劑，經(jīng)常導(dǎo)致升高溫度時(shí)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?yàn)椴簧婕暗饺軇?，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)?，這些混合物也很容易局部過熱（形成宏觀熱點(diǎn)）。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(gè)嚴(yán)重的問題。

3.溫度和時(shí)間
  
    對于一個(gè)成功的微波介導(dǎo)的反應(yīng)而言，zui為關(guān)鍵的一點(diǎn)是對溫度和時(shí)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(shí)間縮短一半。依靠該經(jīng)驗(yàn)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(gè)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(shí)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(shí)間之間的關(guān)系
 

    對于許多轉(zhuǎn)化反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間事實(shí)上比阿侖尼烏斯方程所預(yù)期的還短很多，可能因?yàn)楫a(chǎn)生了額外的壓力所致，或者因?yàn)楦挥袪幾h的微波效應(yīng)的參與。

     當(dāng)研究一個(gè)沒有普通加熱工藝可供參照的全新反應(yīng)時(shí)，適宜的起點(diǎn)為比所用溶劑的沸點(diǎn)高出大約30℃~40℃。隨著個(gè)人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在操作過程中技能會改善，但是也會隨所實(shí)施化學(xué)反應(yīng)類型的不同而異。開始時(shí)以10min進(jìn)行一個(gè)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?zèng)]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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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?jiǎng)訖C(jī)，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(yùn)行直至底物發(fā)生*轉(zhuǎn)化?？傮w來說，在密閉條件下如果一個(gè)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(shí)間的微波介導(dǎo)反應(yīng)的報(bào)道記錄是一個(gè)銅催化的N-芳基化反應(yīng)，經(jīng)歷了22h。發(fā)表的zui短時(shí)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(gè)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(jì)一個(gè)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(gè)固定時(shí)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?yàn)樵谶@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(gè)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?yàn)閷τ谝粋€(gè)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)磁控管微波輸出功率高達(dá)1500W的同時(shí)，單模反應(yīng)器使用的zui大功率只有300W。這是因?yàn)樵趩文Ｑb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(gè)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(dú)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(xiǎn)。當(dāng)用高輸出功率的微波對低吸收材料照射過長的時(shí)間時(shí)，這主要是與多模儀器相伴的一個(gè)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(qiáng)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?yàn)殡x子液體通常難于從反應(yīng)物混合物中除去，加入被動(dòng)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(jì)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(qiáng)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(xiǎn)，承壓容器配置了幾種安全性部件。它們可能包括一個(gè)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(shí)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(jī)溶劑通常高度易燃，而微波可能會成為系統(tǒng)的點(diǎn)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(jī)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(gè)要點(diǎn)是所用溶劑的熱穩(wěn)定性。一般來說，當(dāng)使用微波加熱時(shí)對熱不穩(wěn)定的化合物能夠因反應(yīng)時(shí)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(shí)，有幾種溶劑和試劑可能會分解，形成危險(xiǎn)的化合物。具有潛在風(fēng)險(xiǎn)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?yàn)橐呀?jīng)知道它們加熱時(shí)會引起爆炸。例如aether，會形成沸點(diǎn)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(shí)，尤其當(dāng)以放大規(guī)模的方法操作時(shí)，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(xiǎn)（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(yùn)行控溫程序時(shí).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(gè)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(jì)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(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃時(shí)，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?？傮w而言，對于設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)這不是一個(gè)安全性難點(diǎn)，因?yàn)榕欧艡C(jī)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)程。利用微波照射來加熱化合物時(shí)面臨的一個(gè)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(diǎn)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(xiǎn)，因?yàn)檫^熱混合物會突然開始沸騰。所以，在有機(jī)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(qiáng)烈地相互作用時(shí)，可能會產(chǎn)生極度熱點(diǎn)，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(xiǎn)，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(jī)溶劑一起使用具有危險(xiǎn)，必須嚴(yán)格避免，因?yàn)檫@些儀器不是為經(jīng)受進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)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)