绿色有机合成

1、 有 机 合 成 综 述 题 目 绿色有机合成 学 生 姓 名 所 在 学 院 化学化工学院 专业及班级 分 析 化 学 完 成 日 期 2013年12月18日 绿色有机合成摘要：绿色有机合成是指采用无毒、无害的原料，催化剂和溶剂，选择具有高选择性、高转化率，不生产或少生产对环境有害的副产品合成，其目的是通过新的合成方法，开发制备单位产品产污系数最低，资源和能源消耗最少的先进合成方法和技术，从根本上消除或减少环境污染。首先介绍了绿色化学的概念，特点及绿色合成的目标；然后从原料的绿色化、溶剂的绿色化、催化剂的绿色化及合成方法的绿色化等多方面综述了绿色有机合成过程与技术的研究。关键词：绿色，有机合

2、成，原料，溶剂，催化剂，合成方法0.前言有机合成为人类提供了绚丽多彩的染料、丰产优质的肥料和农药、疗效显著的药物、性能优良的材料等多种多样的功能性化学品，但许多有机化学品在生产过程中不断向大气、土壤和水中排放大量有毒有害物质，污染了环境，给人类的健康和社会的持续发展带来了严重的危害。同时企业因治理污染消耗了巨额资金，制约了企业自身的发展，而这种先污染后处理的效果往往又不佳，因此，人们逐渐认识到环境保护的首选策略是在源头上防止污染生成，这就是目前备受重视的绿色化学和原子经济性的主要内涵。化学反应原子经济性的目标是使原料分子中的原子更多或全部转化成最终所希望的产品的原子。绿色化学是从源头上消除污染

3、的一项措施，其内容包括新设计或重新设计化学合成、制造方法和化工产品来消除污染源，是最理想的环境污染防止方法1。随着社会不断进步，如何使化学在创造物质财富的同时保护人类赖以生存的环境，确保人身健康和安全，实现可持续发展已成为无法回避的问题，这也是对化学工作者提出的严峻挑战。为此，化学家在20世纪90年代初，提出了与传统的治理污染完全不同的“绿色化学”的概念，即如何从源头上减少甚至消除污染的产生。因此要求任何一个化学活动，包括化学原料的使用、化学和化工过程以及最终的产品，都应该对人类的健康和环境是友好的。近 20 年来，绿色化学得到了飞速的发展，已成为一个多学科交叉的新的研究领域，是“科技引领可持

4、续发展”的重要内容。其中，符合“绿色化学”基本原理和目标的“绿色有机合成化学”的发展尤为引人关注。最近，Chemical Reviews，Accounts of Chemical Research 等国际著名期刊相继以“绿色化学”为主题出版了专辑。近年来，随着国家对绿色化学的日益重视，我国绿色有机合成化学领域的专家学者在包括不对称催化反应在内的高选择性及原子经济性有机反应、惰性化学键如C-H的活化及反应、均相催化剂的负载化以及绿色介质中的合成反应等研究方面取得了长足的进展，并在某些方面达到了国际领先水平，在清洁的有机合成工艺及技术开发方面也显示了很好的发展势头。常见的化学反应有重排、加成、取代

5、和消除等4种类型，前两者原子经济性好，而后两者则较差。目前有机合成绿色化的研究除了努力探寻新的原子经济反应外，主要还是围绕原料、催化剂、溶剂的绿色化以及化学反应工艺的过程强化等方面进行的。1.原料的绿色化化学原料在很大程度上决定了化学反应类型及其工艺过程的特性。如果原料本身具有毒害性，则会给生产者以及社区环境带来很大的危害性；若选用的原料决定了产物的合成路线长，工艺过程复杂，则往往会产生较严重的环境污染。目前使用的化工原料还主要依赖于不可再生的矿物资源。因此，不使用有毒有害或污染严重的化学品作为原料，开发利用可再生的生物原料就成为有机合成原料绿色化研究的主要内容。光气是一种重要的有机中间体，主

6、要用于生产聚氨醋的基本原料异氰酸醋和聚碳酸醋。氢氰酸是生产聚合物单体如甲基丙烯酸系列产品、己二睛等重要化工原料。这类剧毒原料在制造和使用中一旦不慎，则会造成不可估量的人身伤亡和环境灾难。如1984年12月3日印度博帕尔市的一家农药厂，因用于生产异氰酸甲醋的光气泄漏，造成32万人中毒，其中2500人死亡的惨痛事件2。因此自20 世纪80 年代以来，探寻光气、氢氰酸等有毒化学品的替代品受到了科学家们的广泛关注。美国Monsanto公司的Riley、Meghee等人仁3,4研究用CO2替光气和胺反应生成异氰酸醋和氨基甲酸酷；Manzer等人成功开发了一氧化碳直接拨基化有机胺生产异氰酸醋的工业化技术5

7、；以碳酸二甲醋取代光气合成氨基甲酸醋工6，意大利Enichem公司开发了以碳酸二苯醋和双酚A合成聚碳酸醋的非光气法新工艺7。关于替代氢氰酸，日本在20世纪70年代就开发了异丁烯或叔丁醇为原料的二步法氧化制备甲基丙烯酸甲醋的绿色原料路线，目前又开发了 “直接甲基化技术”，即异丁烯一步氧化得甲基丙烯醛，再一步氧化醋化得甲基丙烯酸甲醋，该技术使生产成本大幅度下降，与传统工艺有一定的竞争优势川。Monsanto公司从无毒无害的二乙醇胺原料出发，经过催化脱氢，开发了安全生产氨基二乙酸钠的工艺，改变了过去的以氢氰酸、氨和甲醛为原料的二步合成路线8。甲基化反应常用的试剂硫酸二甲醋具有剧毒和致癌，Tundo等

8、人9,10成功地用碳酸二甲酷代替硫酸二甲醋实现了碳、氮、氧原子上的甲基化。而碳酸二甲酩以前也用光气合成，现在也可从CO合成，即所谓的氧化碳化反应11。己二酸是重要的有机化工原料，传统的合成方法是用有毒的苯为原料。Frost和Draths等人12,13研究了用葡萄糖作原料合成己二酸，该工艺不仅不使用有毒的试剂，而且原料为可再生资源，且反应条件比传统方法也温和了得多。利用生物原料代替当前广泛使用的石油等矿物资源，推行可持续发展，是保护环境的一个长远的发展方向。2.溶剂的绿色化2.1 离子液体离子液体是由特定阴、阳离子构成的室温或近于室温下呈液态的物质，其主要特点是：具有良好的热稳定性，不挥发，通过

9、阴阳离子的设计可调节其溶解性，且其酸度可调至超强酸。 加成反应、聚合反应、氧化还原反应、烷基化反应、酰基化反应、酯化反应等许多重要的有机合成反应均可在离子液体介质中进行。 用离子液体作有机反应的介质，可获得更高的选择性和反应速率，同时还具有条件温和、环境友好的特点 14,15。Vincenz等16在离子液体中以钯催化烯丙醇的芳基化Heck反应，可以高选择性地得到芳香族羰基化合物或芳香族共轭醇。Doherty等17在非对称性Diels-Alder反应中采用离子液体作溶剂，获得了比常规的三氯甲烷溶剂更高的对映选择性和反应速率。2.2 超临界流体超临界流体是温度和压力处于临界条件以上的流体，其密度和

10、溶解能力接近液体，粘度和扩散速度接近气体，具有传质速率快，密度、介电常数等物理性质对温度和压力变化敏感等优点。将超临界流体应用于有机反应，可通过调节压力来优化反应的活性和选择性，控制反应相态，实现反应和分离一体化。2.2.1 超临界二氧化碳在超临界二氧化碳中进行的绿色反应主要包括：不对称催化加氢、烯烃环氧化、酯化反应、羰基化反应、Wacker反应和 Suzuki偶合反应等。Pillai等18研究了马来酸酐在超临界二氧化碳中的加氢反应，在 473K、2.1MPa H2、12 MPa CO2条件下，马来酸酐的转化率100%，-丁内酯的选择性80%。Lozano等19研究发现，在超临界二氧化碳中丁基

11、乙烯酯与1-丁醇反应生成丁基丁酸酯的选择性99%。与传统有机溶剂相比，催化剂在超临界二氧化碳中的活性更高。2.2.2 超临界水超临界水对有机物及许多气体表现出良好的溶解能力，通过调节温度和压力，超临界水的密度、介电常数、离子积和粘度等物理性质可以连续改变，从而达到控制反应速率，提高选择性的目的。在超临界水中进行的绿色反应包括：烷基化反应、氧化反应、重排反应、水解反应、Cannizzaro 反应、旧塑料的降解油化等20。2.3 水溶剂以水作反应溶剂的疏水效应对一些重要的有机转化是十分有益的，如 Diels-Alder 反应、Passerini反应、羟醛缩合反应、Michael加成反应、Manni

12、ch反应以及铟介入的烯丙基化作用等，可提高反应速率和选择性，因此，以水作为环境友好溶剂越来越成为合成化学的研究热点。Zhang等21对水介质中1，4-苯醌的芳香化反应进行了研究，使用 In(OTf)3（OTf 为三氟甲基磺酸基）催化剂可使两个C-H键通过脱氢而生成新的 C-C 键。 水不仅是溶剂，而且可以促进反应进行。Pirrung等22的研究也发现水溶剂对某些多元反应具有极强的加速效应，而且产品易于分离。由-酮酸经 Ugi 反应生成-内酰胺的反应在甲醇、二氯甲烷等有机溶剂中几乎不能发生，而在水中却可获得65%的产率。2.4 氟两相体系氟两相体系是一种非水液/液两相反应体系，由普通有机溶剂和全

13、氟溶剂两部分组成。 在较低的温度下， 全氟溶剂与大多数普通有机溶剂混溶性很低，分开成两相（氟相和有机相）。 但随着温度的升高，普通有机溶剂在全氟溶剂中的溶解度急剧上升，在某一较高的温度下，某些全氟溶剂能与有机溶剂很好地互溶成单一相，为有机反应提供了良好的均相条件。 反应结束后，一旦降低温度，体系又恢复为两相（含催化剂的氟相和含产物的有机相）。氟两相体系中的绿色化学反应包括22：（1）作为有机反应介质，如 Hosomic-Sakurai 反应、Fridel-Crafts 反应、硝化反应、Swern 氧化反应。（2）催化反应，包括：烯烃的氢甲酰化反应和硼氢化反应、氧化反应、Friedel-Craf

14、ts 反应、Diels-Alder 反应、烯丙位取代反应、Heck 反应、C-C 交叉偶联反应、游离基反应等。2.5 无溶剂无溶剂有机合成是发展绿色合成的重要途径，其中固相反应是避免使用挥发性有机溶剂的一个有效途径。Yadav 23等以 NbCl5为催化剂，由 -二酮/-酮酯和醛在室温无溶剂条件下合成三取代烯烃。反应时间短，条件温和，产物单一。Chen 等 24在无溶剂条件下用 ZnCl2催化亚胺和丙二酸酯反应合成 -氨基酸酯，在室温下反应6min，产率高达90%。3.催化剂的绿色化3.1固体酸催化剂固体酸催化剂主要包括金属氧化物催化剂、金属盐催化剂、分子筛和杂多酸催化剂。 固体酸催化剂具有高

15、活性、高选择性、反应条件温和、产物易于分离、可循环使用等诸多优点，是替代均相质子酸的最佳非均相催化剂。Kamata等25在过氧钨酸盐催化下，用烯丙醇与等计量比的30%过氧化氢水溶液反应合成环氧化合物，产物收率高，且具有很高的立体选择性和对映选择性。Yuan 等26以苯甲醚与苯甲酰氯为原料，分别采用五种 H 型沸石在无溶剂条件下催化合成 4-甲氧基二苯甲酮。 其中H沸石的三维孔道结构和适宜的中强酸中心为反应提供了较强的催化活性，使苯甲酰氯的转化率和 4-甲氧基二苯甲酮的选择性分别可达到99.5%和 91.2%。Zh等27将杂多酸负载在 SBA-15 分子筛上，研究了苯与十二烯的烷基化反应。由于S

16、BA-15分子筛的高比表面积及中孔性能，使得SBA-15分子筛表现出比HY沸石更高的催化性能及稳定性。3.2固体碱催化剂固体碱催化剂具有无腐蚀性、选择性高、催化活性高、产物易分离、可在高温甚至气相反应中使用等优点。Furuta等28以无定形氧化锆为载体负载TiO2、K2O 作为催化剂在固定床反应器中进行大豆油酯交换反应，转化率达95%以上。王慧等29用共沉淀法经高温焙烧制备了CaO摩尔分数从10%至50%的CaO-ZrO2系列催化剂，并将其应用于碳酸丙烯酯和甲醇酯交换合成碳酸二甲酯过程。由于ZrO2表面同时具有酸、碱位以及氧化-还原性质，因此可作为优良的新型载体，具有较大的发展潜力。3.3金属

17、催化剂金属催化剂主要包括：金属Pd催化剂、有机金属配合物催化剂、金属/氧化物催化剂等。 在三氟甲苯存在下，利用氧分子选择性氧化醇生成相应的羰基化合物的反应中，Pillai等30使用浸渍法制得的含量为1% 的Pd/MgO 非均相催化剂，可将不同活性的醇有效氧化，反应条件温和。Wan等31以有机硅作为硅源进行自组装，获得了有机基团均匀镶嵌于孔壁的介孔有机-无机杂化SiO2载体，以此负载金属Pd，能进一步提高水介质中Ullmann反应的催化活性和联苯的收率，达到均相催化剂的水平。3.4酶催化剂酶一直被认为是一种快速、专一的生物催化剂，许多具有高立体选择性的酶已广泛应用于多种有机化合物的合成中。Jia

18、ng 等32研究发现，L-色氨酸对于在水介质中进行的醇醛缩合反应具有很高的催化活性，产物收率为 94%，ee值为96%。Zheng等33利用B.sub-tilis ZJB-063腈水解酶催化芳基脂肪腈及其衍生物水解，当对位取代基为Cl 和NO2基团时，水解活性很高。4.合成方法的绿色化4.1物理方法促进化学反应光、电、热等是引发和促进有机反应的重要手段，是绿色有机合成的方向之一。 在微波辐射条件下进行有机合成反应，可显著提高反应速率、产品收率及纯度。 近年来，微波促进技术已成功地用于Diels-Alder 反应 、Micheal 加成反应及杂环化合物的合成等许多重要的有机反应。Timothy

19、等34分别用微波加热和传统加热以 2-氟-3-甲氧基-1,3-丁二烯与二烯烃为原料进行 Diels-Alder 成环反应，实验结果表明：微波功率 100W，反应5-25 min，产率达79%-90%； 而传统加热时反应0.5-3 h，产率仅为25%-60%。Hossein等35采用微波辐射技术，以苯酚或萘的衍生物与有机酸为原料，邻酰化合成邻-芳烃基酮。反应时间短（2-3 min），产率高（90%-95%），选择性高且条件温和。此外，利用超声波的空化作用，也可提高许多化学反应的反应速度、反应选择性和催化剂的分散性，同时还能降低能耗，减少废物排放。如Grignard 试剂和，-不饱和二氧戊环的反应

20、在超声化学条件下，产率达100%，而常规搅拌反应产率仅为5%。4.2 串联反应许多复杂分子的合成经常需要多步完成，涉及繁琐的分离和提纯。从经济和环保角度看，有必要减少步骤，最大化地避免中间体的分离与提纯，这种策略体现在“原位”的一锅合成法中，就是通常所说的串联反应。 目前，串联反应已成功应用于不对称合成以及杂环化合物的合成中，特别是对于具有光学活性的天然产物和复杂分子，串联反应充分显示了较一般方法的优越性。例如：3,5-二烷基苯乙酮是合成具有潜在抗增殖活性的类维生素 A 酸的重要中间体，可由 1,3-二硝基烷烃和共轭烯二酮一锅法合成，该法产物单一、无烷基异构现象36。双环 2.2.2 辛烯二酮

21、是重要的有机合成中间体，Mulle等37报道了在氯仿中，双环2.2.2辛烯二酮的“一锅”合成法。 该反应首先是酪氨酸酶催化苯酚羟基化生成邻苯二酚，然后邻苯二酚在酪氨酸酶的作用下进一步被氧化成邻位苯醌，接着苯醌与烯烃化合物发生 Diels-Alder 反应得到最终产物。4.3 多组分反应多组分反应也是一类高效的绿色有机合成方法。这类反应涉及至少3种不同的原料，每步反应都是下一步反应所必需的，而且原料分子的主体部分都融进最终产物中。多组分反应目前已成功用于含氮、氧的杂环化合物及链状化合物的合成以及不对称合成。Cozzi和Rivalta38将亚胺的Reformatsky反应改进为三组分的对映选择性反

22、应，为-氨基酸合成提供了新的方法。Chang 等39最近研究了在CuCl催化下，TsN3、端炔和吡咯的三组分反应。反应在室温条件下就能进行，操作简单、产物容易纯化，同时催化剂对环境友好，收率达82%。5 绿色有机化学的期望与发展5.1 绿色农业农业的发展是我们国家发展的基础和前提，提高农作物的产量和农产品的质量是我们正待解决的重大问题，当前我国生产的大多数农药都属于高毒类物质，这不仅影响农作物的生长还严重污染环境，因此生产高效低毒农药成为现代农业发展的趋势，同时为了适应生态农业的发展，生产一种既可以被微生物分解又具有高肥性生态肥料是绿色有机化学发展的另一个重要方向40。5.2 绿色工业为实现资

23、源、环境、经济、社会的协调发展，绿色化学应在发展煤洁净技术，开发廉价的生物资源和能源方面加大研究力度。例如利用洁净的核聚变能源和太阳辐射能 41用以降低工业生产的污染也是今后可以重视的一个方向。此外，绿色化学在造纸业，纺织业，染料业等方面也有待进一步突破。它将对环境保护和人类健康都产生重大的影响，绿色化学为化学的发展注入新的活力，而在今后的化学发展中必将大有作为。此外，绿色化学在造纸业，纺织业，染料业等方面也有待进一步突破。它将对环境保护和人类健康都产生重大的影响，绿色化学为化学的发展注入新的活力，而在今后的化学发展中必将大有作为。5.3加强化学反应基础理论研究实验性的化学难以充分把握化学变化

24、的本质，激光技术和计算机技术的发展及飞秒化学的开创，为在分子水平上直接观察化学反应、更准确地揭示现象与本质间的联系、建立更可靠的反应动力学提供了可能。量子化学和结构化学的进一步研究和发展，将会更精确地描述物质分子结构与功能特性间的关系。所有这些将构成绿色有机合成健康发展的理论基础。5.4利用高新技术用现代材料技术、膜技术、分离技术、超临界技术等为有机合成提供绿色原料、绿色催化剂和绿色溶剂以及高效的过程藕合技术。5.5 开发可再生资源依赖矿物资源难以持续发展。利用现代生物技术开发利用可再生资源是绿色化学永恒的发展方向。6 结语随着工业的不断发展，化工产品在给人带来越来越多便利的同时，化学物质对环

25、境和人类健康造成的影响也越来越大，以至许多化学物质的危害性逐步引起人们的重视，而绿色化学正是在这样的情况下逐渐发展起来，并日益体现出自身的价值。绿色化学又称为环境无害化学，环境友好化学，即利用制定的一套原则来减少或消除在设计生产和应用产品过程中产生或使用有毒的物质，它并不是试图通过安全的程序来防止暴露出有毒物质以消除危险，而是通过无危险或危险性小的物质来替代高危险物质，从而寻求减少危险的一种方法。另一方面，绿色化学在保证生产出的物质不污染环境的同时还要保证其在生产过程中能够充分地利用原料。在环境压力日益严重的今天，化学工业的可持续发展必须更多地依赖于化学在绿色化方面取得的进展，绿色化学是发展生

26、态经济和工业的关键，也是21世纪实现可持续发展的重要组成部分。绿色化学是化学学科发展的必然选择是知识经济时代化学工业发展的必然趋势 绿色有机合成的研究正围绕着反应原料溶剂催化剂的绿色 化而展开而包括基因工程 细胞工程酶工程和微生物工程在内的生物技术微波技术超声波技术以及膜技术等新兴技术也将大大促进绿色有机合成的发展。参考文献1 Trost B. M., Science, 1991, 254: 1471-1477.2 闵恩泽，吴巍，绿色化学与化工，北京：化学工业出版社，2000。3 McGhee W. D., Pan Y., Riley D. P., J. Chem. Soc. Chem. Co

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