Der Einsatz von Mikrowellenstrahlung zum Energieeintrag für chemische Reaktionen hat sich in den letzten Jahren besonders in der organischen, pharmazeutischen und Polymerchemie zu einer wichtigen Synthesetechnik etabliert. Die Hauptvorteile des Einsatzes von Mikrowellengeräten gegenüber traditionellen Heizquellen sind größere Reaktionsgeschwindigkeiten, höhere Ausbeuten und reinere Produkte. Da moderne Mikrowellenreaktoren sowohl für Druckreaktionen als auch für Reaktionen unter Normaldruck eingesetzt werden können, bieten sie dem Synthetiker eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Durchführung verschiedenster mikrowellenunterstützter Synthesen.

Mikrowellen werden seit 1955 im Handel angeboten und fanden erste Anwendungen in der Erwärmung von Speisen. Mitte der 80er Jahre wurden sie erstmals als effiziente Heizmethode in der organischen Synthesechemie verwendet. Einen großen Beitrag zur Reproduzierbarkeit der Experimente lieferte die Entwicklung spezieller Mikrowellenöfen für die Anwendung im Labor. Solche Reaktoren werden derzeit von vier Herstellern angeboten: Anton Paar [1], Biotage [2], CEM [3] und Milestone [4]. Wichtige Anforderungen an Labormikrowellenöfen sind die genaue Messung von Druck und Temperatur, eine kontinuierliche Leistungskontrolle, ein homogenes Mikrowellenfeld, Vorrichtungen zur magnetischen oder mechanischen Rührung, Kühlvorrichtungen, explosionssichere Reaktionskammern sowie die computergestützte Methodenprogrammierung. Je nach Verwendungszweck der jeweiligen Geräte sind diese Kriterien mehr oder weniger stark ausgeprägt. Der Labormikrowellenofen von CEM bietet als einziges Gerät die Möglichkeit, sowohl unter Druck als auch drucklos im offenen System zu arbeiten.

Material und Methode

Das Mono-Mode-Mikrowellengerät von CEM erlaubt sowohl Synthesen in geschlossenen Druckbehältern als auch Reaktionen in offenen Glasgeräten unter Rückfluss bei Atmosphärendruck. Eingestrahlte Leistung, Temperatur und Rührgeschwindigkeit können dabei variiert werden. Die Temperaturmessung erfolgt entweder indirekt durch einen Infrarot-Sensor an der Außenwand des Reaktionsgefäßes oder innerhalb des Reaktionsgemisches mit einer genauer arbeitenden Fiberglas-Optik.

Manuelle Temperaturkontrolle wird durch eine externe Druckluftkühlung möglich. Dies eröffnet dem Synthetiker beim Arbeiten mit temperaturempfindlichen Molekülen (z. B. Proteinen) auch die Möglichkeit, „cool reactions" durchzuführen. Die Energie der Mikrowellenstrahlung wird dabei direkt in die Reaktanden eingebracht, der Großteil der Energie wird jedoch durch simultanes Kühlen aufgebraucht. Druckreaktionen können in geschlossenen 10 ml und 35 ml Druckbehältern durchgeführt werden. Außerdem stehen verschiedene Autosampler für bis zu 96 Proben zur Verfügung, so dass vorprogrammierte Methoden automatisch abgearbeitet werden können. Es kann bei einem Druck von bis zu 20 bar gearbeitet werden. Dies eröffnet dem Synthetiker Zugang zu Reaktionen, die sonst nur relativ aufwendig in speziellen Druckkesseln (Autoklaven) durchgeführt werden können.

Die Reaktionsführung unter Normaldruck bietet die Möglichkeit, den gleichen experimentellen Aufbau wie bei der traditionellen organischen Synthese zu verwenden. Dabei können Rundkolben mit einem Volumen von bis zu 100 ml sowie Standard-Glasgeräte wie Rückflusskühler, Tropftrichter oder Wasserabscheider eingesetzt werden. Die Reaktionsaufbauten sind dadurch leicht im Ölbad zu reproduzieren und machen einen direkten Vergleich beider Heizmethoden möglich. Die Reaktionstemperatur ist begrenzt durch den Siedepunkt des verwendeten Lösemittels. Allerdings ist es, ebenso wie bei Reaktionen in Druckbehältern, möglich, lösemittelfreie Synthesen durchzuführen.

Die einfache Bedienung, die Möglichkeit einer bequemen Reaktionsführung sowie der Hygienevorteil machen die Mikrowelle als Heizquelle für chemische Reaktionen zu einer effizienten Alternative zum Ölbad. Die folgenden Beispiele sollen zeigen, welche Möglichkeiten sich im Bereich der organischen und pharmazeutischen Chemie durch den Einsatz von Mikrowellenstrahlung ergeben.

Synthesen

Eine Vielzahl chemischer Reaktionen kann durch Mikrowellenbestrahlung in wesentlich kürzeren Reaktionszeiten und oft auch mit höheren Ausbeuten als unter traditioneller Reaktionsführung durchgeführt werden.[5-10] Der Synthetiker gewinnt dadurch Zeit, um Reaktionen zu optimieren, bessere Prozesse zu entwickeln und neue Theorien zu testen. Die Beschleunigung chemischer Reaktionen beruht auf der Fähigkeit polarer und ionischer Moleküle, Mikrowellenstrahlung zu absorbieren und durch Molekülbewegungen in Wärme umzuwandeln. Der Reaktion kann so in kürzester Zeit die nötige Aktivierungsenergie zugeführt werden, was sich oft in einer deutlichen Reaktionsbeschleunigung im Vergleich mit konventionellen Heizmethoden widerspiegelt. Das Anwendungsspektrum mikrowellenunterstützter Synthesen reicht von organischen Reaktionen in Lösung (z. B. Bildung von Estern und Ethern), über metallorganische Reaktionen, Oxidationen und Reduktionen bis hin zu Monomersynthesen und Polymerisationen.