Διεθνές Έτος Χημείας 2011

Η θέρμανση με μικροκύματα για πρώτη φορά χρησιμοποιήθηκε στην οργανική σύνθεση το 1986, από τις ομάδες των Gedye και Giguere-Majetich [1,2]. Σήμερα χρησιμοποιείται ευρύτατα και με μεγάλη επιτυχία γιατί δίνει υψηλές αποδόσεις υπό ηπιότερες και φιλικότερες προς το περιβάλλον συνθήκες, συχνά χωρίς την χρήση διαλυτών, άλλοτε με ανακύκλωση τους, αλλά και με μικρότερη κατανάλωση ενέργειας.

Τέτοιες εφαρμογές μικροκυματικής θέρμανσης περιλαμβάνουν, αντιδράσεις κυκλοπρoσθήκης, τη σύνθεση ραδιοϊσοτόπων, τη χημεία πολυμερών, ετεροκυκλικών ενώσεων και υδρογονανθράκων, την ομογενή και ετερογενή κατάλυση, την ιατρική και συνδυαστική χημεία αλλά και την πράσινη χημεία [3-7].

Η μικροκυματική ακτινοβόληση προκαλεί θέρμανση μέσω κυρίως δύο μηχανισμών, την διπολική πόλωση και την ιοντική μεταγωγή. Παρόλο που τα δίπολα που βρίσκονται στο μίγμα, (π.χ., τα μόρια του πολικού διαλύτη), συμμετέχουν στο αποτέλεσμα της διπολικής πόλωσης, τα φορτισμένα σωματίδια του δείγματος (συνήθως ιόντα) επηρεάζονται από ιοντική μεταγωγή.

Όταν τα δίπολα ή τα ιόντα του μίγματος ακτινοβολούνται σε συχνότητες μικροκυμάτων ευθυγραμμίζονται στο ηλεκτρικό πεδίο που εφαρμόζεται. Όταν το εφαρμοζόμενο πεδίο ταλαντεύεται, το διπολικό ή ιοντικό πεδίο προσπαθεί να ευθυγραμμισθεί με το εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο και κατ' αυτήν την διεργασία, χάνεται ενέργεια, με την μορφή θερμότητας, λόγω μοριακών τριβών και διηλεκτρικών απωλειών.

Η ικανότητα κάποιου συγκεκριμένου υλικού ή διαλύτη να μετατρέψει την μικροκυματική ενέργεια σε θερμότητα, σε δεδομένη συχνότητα και θερμοκρασία, καθορίζεται από την αποκαλούμενη εφαπτομένη απωλειών (tanδ). Γενικά, το μέσο ή ο φορέας της αντίδρασης πρέπει να έχει μεγάλη tanδ στην τυπική λειτουργική συχνότητα του αντιδραστήρα μικροκυματικής σύνθεσης (2,45 GHz), ώστε να υπάρχει καλή απορρόφηση και αποτελεσματική θέρμανση.

Για διαλύτες χαμηλής απορροφητικότητας μπορούν να προστεθούν πολικά πρόσθετα, όπως ιοντικά υγρά ή παθητικά θερμαντικά στοιχεία κατασκευασμένα από υλικά ισχυρής απορρόφησης μικροκυμάτων, έτσι ώστε να αυξηθεί το επίπεδο απορροφητικότητας του μέσου. Επειδή δε τα δοχεία που χρησιμοποιούνται για χημικές αντιδράσεις με μικροκυματική θέρμανση, είναι κατασκευασμένα από υλικά ουσιαστικά διαφανή στα μικροκύματα, όπως το γυαλί ή το Τεφλόν, (με tanδ < 0,01), θερμαίνεται μόνον το μίγμα της αντίδρασης και όχι το δοχείο.

Ενώ τα πρώτα και πρωτοποριακά πειράματα έγιναν σε οικιακούς φούρνους μικροκυμάτων, από το 2001 και μετά η τάση είναι αναμφισβήτητα να χρησιμοποιούνται ειδικά κατασκευασμένοι μικροκυματικοί αντιδραστήρες για ελεγχόμενη μικροκυματική σύνθεση. Ένας τέτοιος αντιδραστήρας τυπικά διαθέτει μαγνητικούς αναδευτήρες και διάταξη άμεσου ελέγχου της θερμοκρασίας του μίγματος, με οπτικές ίνες ή εξωτερικούς υπέρυθρους αισθητήρες, που επιτρέπουν τον άμεσο κατά την διεργασία έλεγχο θερμοκρασίας και πίεσης, με την ρύθμιση της παρεχόμενης μικροκυματικής ισχύος.

Επίσης για την παρακουλoύθηση της αντίδρασης είναι δυνατή η επικοινωνία με φασματοσκοπία UV, IR και Raman καθώς και η χρήση ψηφιακών φωτογραφικών μηχανών. Οι χρησιμοποιούμενες συσκευές διακρίνονται στις συσκευές ενός ή πολλαπλών υποδοχέων (monomode or multimode). Tο 90% των δημοσιευθέντων σχετικών πρωτοκόλλων σύνθεσης βασίζονται στην χρήση αντιδραστήρων μικροκυμάτων ενός υποδοχέως με διεργασίες σε σφραγισμένα δοχεία.

Το συνολικό αποτέλεσμα της μικροκυματικής ακτινοβόλησης στην οργανική σύνθεση, είναι συνδυασμός θερμικών και μη θερμικών επιπτώσεων, των πρώτων προερχομένων από τον ρυθμό θέρμανσης, την υπερθέρμανση, τις θερμοπηγές και την εκλεκτική απορρόφηση ακτινοβολίας από πολικές ουσίες, ενώ οι μη θερμικές προέρχονται από το πεδίο δημιουργίας υψηλής πολικότητας και αφορούν την κινητικότητα και διάχυση που μπορούν να αυξήσουν τις πιθανότητες αποτελεσματικών επαφών. Τέτοια αποτελέσματα, συνήθως, δεν είναι δυνατόν να επιτευχθούν με κλασικού τύπου θέρμανση.

Πρέπει να τονισθεί ότι, οι μη θερμικές επιπτώσεις της ακτινοβολίας υψηλής πολικότητας, η λεγόμενη «ειδική μικροκυματική επίπτωση», αποτελεί ακόμη θέμα επιστημονικών αντιπαραθέσεων. Η υποβοηθούμενη με μικροκυματική θέρμανση οργανική σύνθεση, χαρακτηρίζεται από εντυπωσιακές επιταχύνσεις σε πολλές αντιδράσεις, που είναι αποτέλεσμα ενός ρυθμού θέρμανσης που δεν μπορεί να επιτευχθεί με κλασικές μεθόδους.

Οι επιτυγχανόμενες υψηλές αποδόσεις, οι ηπιότερες (περιβαλλοντικές) συνθήκες και οι συντομότεροι χρόνοι της αντίδρασης αποδεικνύονται πολύ χρήσιμα στοιχεία, που επιτρέπουν την ουσιαστική βελτίωση πολλών χημικών διεργασιών. Οι ιδιότητες αυτές της μικροκυματικής θέρμανσης καθιστούν εφικτές ακόμη και αντιδράσεις που ούτε καν θα προχωρούσαν με κλασικές μεθόδους θέρμανσης, ενώ σε αρκετές περιπτώσεις παρατηρείται και αλλαγή της εκλεκτικότητας των αντιδράσεων.

Ιδιαίτερα σημαντική είναι η χρήση της μικροκυματικής θερμανσης και από τη σκοπιά της πράσινης χημείας. Μεταξύ των 12 αρχών της πράσινης χημείας η «επιθυμία της χρήσης ασφαλέστερων διαλυτών» και εκείνη για «σχεδιασμό με στόχο την ενεργειακή αποδοτικότητα» είναι βασικής σημασίας για τους ερευνητές της χημικής σύνθεσης.

Από την άποψη του συνολικού ενεργειακού ισοζυγίου της αντίδρασης η θέρμανση υπό συνθήκες μικροκυματικής ακτινοβόλησης μπορεί να χαρακτηριστεί σαν πράσινη χημεία γιατί όπως προκύπτει από μελέτες για τους περισσότερους χημικούς μετασχηματισμούς, παρατηρείται σημαντικότατη εξοικονόμηση ενέργειας, (μέχρι και 85 φορές), όταν χρησιμοποιούνται τα μικροκύματα ως πηγή ενέργειας σε αντιδράσεις εργαστηριακής κλίμακας.

Η δυνατότητα εκτέλεσης αντιδράσεων με απ' ευθείας αλληλεπίδραση μικροκυματικής ενέργειας επί του μίγματος της αντίδρασης, σε πολύ μικρούς χρόνους, σε αντιδιαστολή προς την έμμεση μεταφορά ενέργειας με την χρήση ελαιόλουτρου ή παρόμοιας συσκευής, επιτρέπει να θεωρηθεί, η πρώτη, ως «πράσινη» διεργασία, όχι μόνον λόγω της μειωμένης κατανάλωσης ενέργειας αλλά και λόγω της οικονομίας χρόνου, δηλαδή της αυξημένης αποτελεσματικότητας της.

Οι διαλύτες είναι, φυσικά, αναπόσπαστα μέρη των χημικών διεργασιών και στο εργαστήριο και στο εργοστάσιο. Η αναπόφευκτη επιλογή συγκεκριμένου διαλύτη, πέρα από τα καθαρά τεχνικά αποτελέσματα, μπορεί να έχει σημαντικές οικονομικές, περιβαλλοντικές αλλά και, κοινωνικές επιπτώσεις. Σε κάποιο βαθμό, η πιεστική ανάγκη ανάπτυξης εναλλακτικών διαλυτών προκύπτει, από την ευαισθησία για τις ανωτέρω επιπτώσεις, ως στρατηγική επιλογή της πράσινης χημείας. Εκτός από τις διεργασίες χωρίς διαλύτη ως εναλλακτικοί διαλύτες προτείνονται υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα, ιοντικά υγρά, υπερφθοριωμένοι διαλύτες, και βέβαια νερό.

Στην μικροκυματική σύνθεση χωρίς διαλύτες τα αντιδραστήρια αντιδρούν «καθαρά», ή με προ-προσρόφηση, επί ανόργανου φορέα στήριξης, ο οποίος είναι, είτε μικροκυματικά διαφανής (οξείδιο πυριτίου, οξείδιο αργιλίου, άργιλος), είτε ισχυρά απορροφητικός (γραφίτης).

Πρόσφατα, παρουσιάζονται μικροκυματικά υποβοηθούμενες αντιδράσεις που χρησιμοποιούν ιοντικά υγρά ως διαλύτες. Τα ιοντικά υγρά αλληλεπιδρούν πολύ αποτελεσματικά με τα μικροκύματα, μέσω ενός μηχανισμού ιοντικής μεταγωγής και θερμαίνονται με ρυθμούς που ξεπερνούν τους 10 οC ανά δευτερόλεπτο, χωρίς κάποια σημαντική αύξηση της πίεσης.

Έτσι, τα προβλήματα ασφαλείας, λόγω υπερβολικής πίεσης των σφραγισμένων δοχείων των αντιδράσεων, ελαχιστοποιούνται. Επίσης έχουν αναφερθεί εφαρμογές μικροκυμάτων σε συνδυασμό με την χρήση φθοριούχων διαλυτών ή φθοριούχων αντιδραστηρίων / κατάλυσης. Το πλεονέκτημα της μικροκυματικής θέρμανσης είναι η ταχεία σύμφυση της οργανικής και της φθοριούχου φάσης και ο σχηματισμός ενός ομογενούς διαλύματος.

Ο πρασινώτερος διαλύτης είναι το νερό και τα τελευταία χρόνια ιδιαίτερο και αυξανόμενο ενδιαφέρον συγκεντρώνει η χρήση του νερού ως διαλύτη σε οργανικές μετατροπές με εφαρμογή της μικροκυματικής ακτινοβολίας [7, 8]. Το νερό ως πολικό μέσο απορροφά τα μικροκύματα θερμαίνεται γρήγορα σε πολύ ψηλές θερμοκρασίες στις οποίες λειτουργεί ως ψευδο-οργανικός διαλύτης.

Δημιουργία Δεσμών C-C μέσω κατάλυσης με μεταβατικά μέταλλα

Μια από τις πιο σημαντικές και περισσότερο μελετημένες ομάδες των αντιδράσεων που υποβοηθούνται με μικροκύματα, είναι οι αντιδράσεις με μεταβατικά μέταλλα ως ομογενείς καταλύτες υπό συνθήκες πράσινης χημείας στο νερό.

Οι αντιδράσεις στις οποίες χρησιμοποιούνται μεταβατικά μέταλλα ως καταλύτες και οι οποίες σχηματίζουν δεσμούς άνθρακα–άνθρακα και άνθρακα–ετεροατόμου, τυπικά χρειάζονται ώρες ή ημέρες για να ολοκληρωθούν με παραδοσιακή θέρμανση, υπό συνθήκες επαναρροής, ενώ συχνά απαιτούν και αδρανή ατμόσφαιρα.

Η χρήση μετάλλων ως καταλυτών, σε συνδυασμό με τα μικροκύματα, μπορεί να έχει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των συμβατικών μεθόδων θέρμανσης, καθόσον η ανεστραμμένη θερμοκρασιακή κατανομή υπό συνθήκες μικροκυμάτων (αύξηση της θερμοκρασίας στο περιεχόμενο και όχι στα τοιχώματα του δοχείου) οδηγεί και σε αυξημένη ζωή του καταλύτη.

Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα αυτού του τύπου αντιδράσεων, που μάλιστα γίνονται σε νερό, είναι αντιδράσεις Heck, Suzuki, Sonogashira, Stille.

Αντιδράσεις ελευθέρων ριζών

Οι αναφορές στον τομέα της μικροκυματικά υποβοηθούμενης χημείας ελευθέρων ριζών είναι σχετικά λίγες. Υπάρχει όμως μια συνεχώς αυξανόμενη τάση και η αποδοχή της εν δυνάμει ωφέλειας της χημείας των ριζών από την μικροκυματική θέρμανση φαίνεται να αυξάνεται στην κοινότητα της συνθετικής οργανικής χημείας.

Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα αντιδράσεων ελευθέρων ριζών που επιτυγχάνονται με επίδραση μικροκυμάτων είναι διαμοριακές και ενδομοριακές αντιδράσεις ριζών που προκύπτουν από ομολυτική διάσπαση ΤΕΜΡΟ παραγώγων καθώς και κυκλοποιήσεις ριζών με την χρήση ισοκυανιδίων.

Η χρήση της μικροκυματικής θέρμανσης μειώνει τον χρόνο της αντίδρασης και αυξάνει τις αποδόσεις.

Αντιδράσεις Κυκλοπροσθήκης

Οι αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης ήταν μεταξύ των πρώτων μετασχηματισμών που μελετήθηκαν με την χρήση θέρμανσης μέσω μικροκυμάτων. Υπάρχουν αρκετά άρθρα και κεφάλαια βιβλίων με σχετικά παραδειγμάτα.

Οι συμβατικές αντιδράσεις κυκλοπροσθήκης απαιτούν, σε πολλές περιπτώσεις, την χρήση σκληρών συνθηκών, όπως οι υψηλές θερμοκρασίες και οι μεγάλοι χρόνοι αντιδράσεων, ενώ μπορούν να εκτελεσθούν με μεγάλη επιτυχία με την βοήθεια μικροκυματικής θέρμανσης.

Τυπικά παραδείγματα της κατηγορίας αυτών των αντιδράσεων αποτελούν οι αντίδρασεις Diels–Alder που επιτυγχάνονται χωρίς την προσθήκη διαλύτη με μικροκυματική διηλεκτρική θέρμανση για σύντομο σχετικά χρονικό διάστημα.

Σύνθεση ετεροκυκλικών ενώσεων

Στην κατηγορία αυτών των αντιδράσεων με εφαρμογή της μικροκυματικής ακτινοβολίας σημαντική είναι και η ελληνική παρουσία με την σύνθεση βενζοδιαζεπινων [9] και κουμαρινικών παραγώγων [10].

Αντιδράσεις σε στερεά φάση

Η Οργανική Σύνθεση Στερεάς Φάσης (ΟΣΣΦ) παρουσιάζει κάποια πλεονεκτήματα σε σύγκριση με κλασικά πρωτόκολλα σε διάλυμα. Οι αντιδράσεις μπορούν να επιταχυνθούν και να οδηγηθούν σε ολοκλήρωση με την χρήση μεγάλης περίσσειας αντιδραστηρίων, καθόσον αυτά μπορούν να απομακρυνθούν με διήθηση και ακολούθως πλύση του στερεού φορέα στήριξης. Επιπροσθέτως, η ΟΣΣΦ μπορεί εύκολα να αυτοματοποιηθεί, με κατάλληλη χρήση της ρομποτικής, και να εφαρμοσθεί σε στρατηγικές «διαίρεσης-και-μίξης», χρήσιμες για την σύνθεση μεγάλων συνδυαστικών βιβλιοθηκών.

Η ΟΣΣΦ παρουσιάζει και κάποια μειονεκτήματα, ως αποτέλεσμα της ενδογενούς φύσης των ετερογενών συνθηκών των αντιδράσεων. Η μη-γραμμική κινητική συμπεριφορά, οι αργές αντιδράσεις, τα προβλήματα επιδιαλύτωσης και η αποδόμηση του φορέα του πολυμερούς, λόγω των μεγάλων χρόνων αντιδράσεων, είναι κάποια από τα προβλήματα που τυπικά εμφανίζονται στην ΟΣΣΦ.

Έτσι, μια τεχνική, όπως η μικροκυματικά υποβοηθούμενη σύνθεση, η οποία είναι σε θέση να λύσει κάποια από αυτά τα προβλήματα, παρουσιάζει σημαντικό ενδιαφέρον. Στην μικροκυματικά υποβοηθούμενη ΟΣΣΦ ως φορέας στήριξης χρησιμοποιούνται κυρίως σταυροειδώς συνδεδεμένες μακρο-πορώδεις ή μικρο-πορώδεις ρητίνες πολυστυρενίων, οι οποίες είναι ανθεκτικές στη μικροκυματική ακτινοβόληση ακόμη και σε θερμοκρασίες πάνω από τους 200 οC, για μικρά χρονικά διαστήματα.

Τα μικροκύματα στην ΟΣΣΦ, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη σύνδεση είτε την απόσπαση υλικού από τη ρητίνη αλλά και την διεξαγωγή αντιδράσεων με κατάλληλα στηριζόμενα αντιδραστήρια

Σύνθεση φυσικών προϊόντων

Σημαντικές εφαρμογές βρίσκει η χρήση των μικροκυμάτων και στη στοχευμένη σύνθεση φυσικών προϊόντων.

Υπάρχουν πολλά παραδείγματα ολικών συνθέσεων, όπου κάποιο από τα στάδια της ακολουθίας των αντιδράσεων επιτυγχάνεται χάρις στη χρήση μικροκυματικής ακτινοβολίας με εντυπωσιακότερο παράδειγμα την ολική σύνθεση της (-)-στεφακιδίνης Α, ενός δευτερογενούς μεταβολίτη που απομονώθηκε από τον θαλάσσιο οργανισμό Aspergillus ochraceus και εμφανίζει αντικαρκινικές ιδιότητες.

Απο τα 17 συνολικά στάδια της ολικής σύνθεσης στα 6 γίνεται χρήση μικροκυμάτων.

Αντιδράσεις με ένζυμα

Η χρήση της μικροκυματικής ακτινοβόλησης έχει ερευνηθεί με κάποια επιτυχία και στις ενζυμικές αντιδράσεις.

Για παράδειγμα ο κινητικός διαχωρισμός αντιπόδων δευτεροταγών αλκοολών με καταλύτη την λιπάση Novozyme 435 είναι αποτελεσματικότερος με τη χρήση μικροκυματικής ακτινοβολίας.

Η θέρμανση με μικροκύματα έχει αναδειχθεί σε μια από τις πιο χρήσιμες και αποτελεσματικές τεχνικές στον τομέα της οργανικής σύνθεσης.

΄Ενα μειονέκτημα που περιορίζει την χρήση της είναι το σχετικά υψηλό κόστος και η τεχνολογία των χρησιμοποιούμενων συσκευών.

Αν και οι τιμές τους έχουν μειωθεί δραματικά τα τελευταία χρόνια εν τούτοις είναι αποτρεπτικές για τη χρήση τους στην ίδια έκταση με τα απλά θερμαντικά σώματα.

Με μείωση των τιμών και βελτίωση των προσφερόμενων συσκευών MW αναμένονται επαναστατικά αποτελέσματα στους ήδη αναδυόμενους νέους τομείς εφαρμογών όπως η βιολογία, η επιστήμη υλικών, η νανοτεχνολογία, η επιστήμη πολυμερών.