微波化學技術的發展和現狀

        最早在20世紀40年代微波就已經用于加熱食品，從50年代開始微波在化學和相關工業領域已經有了多種多樣的技術應用，尤其是食品處理、微波干燥、高分子工業、分析化學、生物化學、醫學治療等領域。但直到20世紀80年代中期微波才被用于有機合成。

        和所有學科一樣，化學包含了無止境的反復假設和實驗。合成反應的特點是多樣性的應用和要求精確控制反應條件，因此你等待反應完成所花的時間越少，用于思考和創造的時間就越多。微波合成法縮短了反應時間，方便了快速跟蹤和優化反應，加快了“假設-實驗-結果”這一過程，從而加快了研發過程的效率和能力。研究人員使用微波技術時失敗可能消耗了幾分鐘，而一旦成功則贏得很多時間。

一、第一代微波化學技術

        在20世紀80年代中期，微波有機合成只能在傳統的多模家用微波爐中進行。這些家用電器的主要缺點是缺少控制系統，不可能以精確的方式控制反應溫度，并缺少壓力控制和缺少對反應體系的攪拌系統。此外家用微波爐的多模微波場均一性差可能會使重復性出現問題。這些儀器經過改進后仍然存在一些安全隱患，例如沒有防爆裝置、看不見的微波泄漏。 

        多模微波等同于家用微波爐技術，優點是微波功率大，腔體大50-60L，缺點是控制精度低±15-25W，能量分布模式不確定性，因能量密度不均勻25-900W/L，需要不停的轉動。造成多模反應邊界條件，一致性和重復性較差，因此大功率多模微波普遍只用于消解反應。 

        為何多模微波不用于小樣品藥物合成？在多模微波系統中進行小樣品量有機合成的結果通常是微波功率密度低、重復性差，經常可以看到的現象是一些反應器內沒有發生反應，一些反應器內因為微波場不均勻而出現燒焦的現象。因此多模反應文獻其科學性常受到學術質疑，也影響了學術界對微波化學的認識。 

        早期的微波有機合成是在家用微波爐中進行的，而當今的潮流毫無疑問是用專用的儀器進行化學合成，尤其是進行小樣量藥物篩選合成，目前普遍使用單模微波平臺。 

        目前市場上，有多模儀器冒充單模的現象，有宣稱同一臺儀器同時實現多模和單模兩種模式（實際不可能），請注意辨別。 

二、第二代微波化學技術

        在20世紀90年代中期，對于微波輔助有機合成的需求日益增長，刺激了對更加復雜的微波儀器的要求。因此具有駐波單模技術的單模微波儀器應運而生。單模儀器產生單一的、高均勻性高功率密度的駐波能量場，使這些體系與小樣品量能夠有效耦合，通常將最大輸出功率限制在300W。
駐波單模技術特點是單通道單向高密度耦合(圖二，駐波標準波模)。駐波單模為單向發射，受制于微波的波長和反射角限制，其諧振腔硬件體積只能做成30mL，不可改變和擴展。單模能量截面直徑為2.5cm，腔體積30mL只能放入10-15mL容器，大于20mL易失去微波場平衡導致耦合位置排斥，影響單模耦合的一致性。另外，單模精度±3－9W，控制精度隨功率提高迅速降低，因高密度小體積會產生瞬間過強量熱耦合，易損壞反應物造成研究失敗。總之，單模小腔體限制反應擴大、加氣反應、機械攪拌、循環回流、連續流動和低溫反應能力。

圖二 駐波單模儀器示意圖

三、第三代微波化學技術

        2003年美國CEM公司()推出Auto-Tuning 大型環形聚焦單模微波合成系統

圖三 DISCOVER系列產品

四、幾種微波技術的對比

五、CEM公司簡介

        美國CEM公司成立于1971年，是全球最大的和歷史最久的微波化學儀器制造商，C E M在北卡建有全球最大的微波化學研發中心，已獲得11次國際R & D100應用科學大獎，成果顯赫，被稱為微波技術創始者和領導者。
世界上最高端的微波技術，如多模連續微波、可變通道單模微波和目前最新的聚焦單模微波，均由C E M首創，市場上其他大多是模仿或使用CEM淘汰的技術。CEM技術領先同行20年，領導主流微波化學技術而代表市場發展方向。
        CEM擁有世界微波化學研發領域90%的ZL技術（300余項）,在同類產品中技術含量最高，是其他競爭對手難以超越的目標，C E M市場占有率遠遠高于其他產品,目前在全球已擁有近六萬家用戶，銷售總額約占世界同類市場8 0%（A IReport）。
        CEM一直提高和制定微波化學的應用標準，以及儀器電磁和高壓安全標準，最先開發了幾乎所有微波化學新應用如：微波消解、微波萃取、微波合成、微波多肽合成、超低溫化學、微波灰化、微波水分/脂肪/蛋白質快速測試等技術，并最先推薦給全球的化學家們使用。