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微波化學原理簡述：為化學反應“有序”地賦能
閱讀：116發(fā)布時間：2025-7-9
微波化學的發(fā)展為化學合成提供了一種高效、快速、選擇性高且環(huán)境友好的方法，正在逐漸改變傳統(tǒng)化學合成的面貌。隨著技術(shù)的進步和應用的拓展，微波化學有望在未來的化學研究和工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更大的作用。微波輔助不僅是一種加熱手段，更是一種能夠讓分子有序運動、提高分子動能的革命性方法。
與此同時，微波化學對于綠色化學具有重要的意義，它通過提供一種高效、節(jié)能且環(huán)境友好的加熱方式，大程度的提高原子經(jīng)濟性，即反應物的原子被更有效地轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)物，減少了原料的浪費。有助于實現(xiàn)化學反應的綠色化，是實現(xiàn)化學工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一。
微波化學創(chuàng)始人也是CEM創(chuàng)始人-Michael J. Collins博士和Brittany L. Hayes博士在2002年出版的《Microwave Synthesis》一書，對微波合成行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響。這本書不僅為微波化學領域提供了一個全面的概述，還詳細介紹了微波輻射在有機合成中的應用，推動了微波合成技術(shù)的發(fā)展和普及。Michael J. Collins博士提出：幾乎所有類型的熱驅(qū)動化學反應都可以通過微波加速：加成反應、環(huán)加成反應、取代反應、消除反應、裂解反應等。這為微波化學帶來了廣闊的應用范圍，正在重塑整個合成化學領域。
圖1.分子運動受不同外部電場頻率作用示意圖
微波化學利用微波能量來加速化學反應。微波加熱的核心原理在于：通過偶極極化與離子傳導，使得極性分子（如溶劑、試劑）在交變電場中進行有序的高頻旋轉(zhuǎn)并摩擦產(chǎn)熱。在300到約300,000兆赫(MHz)的頻率范圍內(nèi)，微波光子中的能量（0.037千卡/摩爾）相對于斷裂分子鍵所需的典型能量（80-120千卡/摩爾）非常低，因此在上述頻率范圍下，只有分子的旋轉(zhuǎn)收到影響，微波不會影響有機分子的結(jié)構(gòu)。
阿倫尼烏斯方程是由瑞典化學家斯萬特·奧古斯特·阿倫尼烏斯（Svante August Arrhenius）在1889年提出的。這一方程定量表示了反應速率常數(shù)與溫度的關系，是化學動力學中非常重要的理論基礎。
圖2.阿倫尼烏斯方程簡介
微波加熱同時優(yōu)化阿倫尼烏斯方程中的A（有序碰撞）和T（均一加熱）這兩大參數(shù)，這對于化學反應來說是革命性的，因為傳統(tǒng)常規(guī)加熱方式僅能粗放提升T（且無法保障高加熱效率以及能量密度和熱量傳輸?shù)木恍裕?/span>。因此通常情況下需要1-2個小時的由熱力學驅(qū)動的化學反應在微波加熱的作用下往往只需要幾分鐘，為合成化學提效的同時帶來了更多可能。
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圖3.CEM Discover 2.0 微波合成儀
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