前言

本文介紹了微波輻射加熱的兩種機制和微波的化學應用。

 

 

微波加熱機制

 

微波輻射主要通過兩種機制觸發加熱，即偶極極化和離子導電。同時反應混合物中的偶極子（例如，極性溶劑分子或試劑）都參與了偶極極化效應，樣品中的帶電粒子（一般為離子）導致離子傳導。

 

 

偶極極化

 

當微波頻率開始輻射時，樣品中的偶極子將在所施加電場的方向上排列。當電場震蕩時，分子偶極子試圖沿著交替的電場線重新調整自己，在這個過程中，通過分子摩擦和介電損耗（介電加熱），能量以熱量的形式散失。

 

 

離子傳導

 

 

在離子傳導過程中，樣品中溶解的帶電粒子（一般為離子）在來回震蕩的微波場影響下，它們會與相鄰的分子或原子碰撞。這些碰撞引起激烈運動，然后產生熱量，這些離子傳導途徑會比偶極子旋轉提供更強的熱量。當離子液體在微波場中加熱時，這些效果會更加明顯。

 

 

微波應用-頻率的選擇

 

 

在微波施加的場的頻率下，其產生的熱量與偶極子本身的能力直接相關。如果偶極子沒有足夠的時間調整（高頻輻射）或快速適應（低頻輻射）所施加的場，則不會產生加熱。

在所有的系統中，2.45 GHz屬于高頻和低頻兩種極端之間，并且給予偶極子足夠的時間在場中排列，但不會使它們精確的跟隨場變化。
 

介電常數

在給定頻率和溫度的條件下，特定材料或溶劑中的mw能量轉熱率是由所謂的損耗因素（tan δ）決定。損耗系數 tan δ=ε〞/ε′，其中ε″是介電損耗，指電磁輻射轉化為熱量的效率，ε′是介電常數，用來說明分子在電場中的極化程度。

 

一般來說，在標準工作頻率（2.45GHz）微波反應中，需要損耗系數比較大的反應介質才能為有效的加熱。

 

總體而言，微波化學中使用的溶劑介質按照損耗系數可被分為三種：

高損耗系數介質（tanδ>0.5）；

中損耗系數介質（0.1<tanδ<0.5）；

低損耗系數介質（tanδ<0.1；）。

 

實驗室使用基本覆蓋整個微波吸收譜的溶劑，從強吸收溶劑（例如離子液體，乙二醇）到中度吸收溶劑（例如水，N-甲基吡咯烷酮，苯甲醇），再到幾乎不吸收溶劑（例如，非極性烷烴和烯烴）。

 

極性添加劑，例如離子液體或者由強微波吸收物質做成的加熱元件，可以被特意用來增加低吸收溶劑的吸收水平。

 

介電特性是溫度的函數

 

 

值得注意的是：大多數溶劑（和一般其他材料）的介電特性都是關于溫度變化的函數。例如，乙醇在室溫下是一個很強的微波吸收溶劑，此時tanδ=0.941，100℃時，tanδ=0.270，200℃時，tanδ=0.080。

其原因是，大多數有機溶劑，例如乙醇，主要由偶極極化機制加熱，然而在2.5GHz時，隨著溫度的升高，溶劑粘度降低導致分子摩擦降低，它吸收微波輻射的能力也降低。與此相反，離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽（[BMIM] [PF 6]）由離子導電機制加熱，因此其吸收微波能力隨著溫度升高而增加[67]。[BMIM] [PF 6]的tanδ值，20℃時，tanδ=0.185，溫度100℃時，tanδ= 1.804，溫度200℃ 時，tanδ=3.592。

 

因此，離子液體在較高溫度下是極端微波吸收劑，這樣通過微波加熱很難精確測量溫度和控制反應。

 

 

磁場組成對微波合成也有重要影響

 

除了微波輻射電場分量對上述材料的影響，當磁性材料受微波輻射時，磁場對其影響也應該考慮在內。在這種情況下，相對應的項是磁導率μ′,磁損耗因子μ″，其中μ″表示在交變磁場的影響下，從松弛到共振過程所產生的磁損耗。

雖然磁場與有機化學/高分子化學不相干，但是磁場組成還是對微波輔助合成有著很重要的影響。