绿色化学-有机合成

1、绿色化学 -有机合成随着世界经济的日益发展，化学应经成为了我们生活的重要的一部分，我们生活的点点滴滴都与化学反应息息相关。其中，有机化学更是化学的非常重要的组成部分，已经涉及到许多的方面其中包括医药，石油化工，食品，服饰等众多方面，而有机合成更是重中之重。就现在世界的发展而言，有机合成已经给我们的世界带来了巨大的物质利益，但是它同样带来的负面的影响也同样的困扰的我们，也已经成为我们不可消灭的问题。因此，有机合成的绿色化将是我们发展有机化学乃至其他化学的最终目标。绿色化学要求我们从原料，过程，结果，即整个反应从开始到结束都要做到绿色化学。从1991年美国化学提出的绿色化学以来到现在，绿色化学已经

2、经历了二十几年的发展，绿色化学也从原来最初始的简单的定义发展成为一个单独的学科，而且涉及到各个行业。绿色化学是指:在制造和应用化学产品时应有效利用(最好可再生)原料,消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。而今天的绿色化学是指能够保护环境的化学技术.它可通过使用自然能源,避免给环境造成负担、避免排放有害物质.利用太阳能为目的的光触媒和氢能源的制造和储藏技术的开发，并考虑节能、节省资源、减少废弃物排放量。绿色化学又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”，绿色化学是近十年才产生和发展起来的，是一个 “新化学婴儿”。它涉及有机合成、催化、生物化学、分析化学等学科,内容广泛。绿色化学的

3、最大特点是在始端就采用预防污染的科学手段，因而过程和终端均为零排放或零污染。世界上很多国家已把“化学的绿色化”作为新世纪化学进展的主要方向之一。其特点是：1充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料；2在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废物向环境排放；3提高原子的利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品消纳，实现“零排放”；4生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好的产品。相比绿色化学而言，有机化学有更长的研究历史。从第一个有机物尿素在1828年被合成出来，从此的就开启了有机化学的时代。有机化学从开始时单纯的合成出新的有机化合物，到现在的全面的发展。但是，有机化学的合成一直都是污染物

4、的污染性，原料毒性大，反应过程产生大量的有毒的物质，而且反应的产率和选择性都比较低，原子的利用率比较低，是一种投入的多收入的少反应。就现在而言，有机合成仍然是存在很多的问题。因此，绿色的有机就成为了一种必要的而且紧急的发展研究。绿色的有机合成就是采用无毒、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。对于绿色的有机合成我们应做到：1要科学合理；2起始原料要廉价、易得、低毒性、低污染；3合成路线最简捷，易于分离，产率较高；4条件适宜，操作简便，能耗低，易于实现。根据绿色的有机合成的特点，我们可以从以下的三个方向来设计我们的有机反应：1）选择性高的有机

5、反应。图 1图 2通过比较图-1和图-2中的有机合成反应而言，反应1中甲基是供电子基团能够活化苯环的临位和对位，使得-Cl在进攻苯环的时候生成两种产量相同的两种产物，因此当我们需要一种特定的产物时，我们选择这样的合成路线，那样我们就不能直接得到我们所需要的目标化合物。相比反应1而言，反应2就有了很高的选择性和产率，我们知到-NO2是一种较强的钝化基团，能够钝化苯环的电子云分布使得苯环发生反应的能力变弱，因此，当-Cl进攻苯环时仅仅得到了一种反应产物即间位的产物。比较两种的合成反应，当我需要一种单取代的产能时，我们可以选择第二种的合成反应。那样我们在提高原料的利用率的同时，也不用分离我们不要的产

6、物。2）原子经济性高的反应。绿色化学的“原子经济性”是指在化学品合成过程中，合成方法和工艺应被设计成能最大限度地利用原料分子的每个原子，使之结合到分子目标中，以实现最低排放甚至零排放。原子经济性最早由美国提出，是针对传统上一般仅用经济性来衡量化学工艺是否可行的做法，明确指出应该用一种新的标准来评估化学工艺过程，即选择性和原子经济性，原子经济性考虑的是在化学反应中究竟有多少原料的原子进入到了产品之中，这一标准既要求尽可能地节约不可再生资源，又要求最大限度地减少废弃物排放。理想的原子经济反应是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不产生副产物或废物，实现废物的“零排放”。“原子经济性”已经成为绿色

7、化学的重要核心内容。理想的原子经济性的反应应该是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不需要附加，或仅仅需要无损耗的促进剂，即催化剂，达到零排放。图 3图 4比较图-3和图-4中两种所代表的反应，我们可以清楚的发现，反应3生成两种不同的产物，反应4中则是生成了单一的产物。如果说我们反应的目标产物时C时，那么当我们选择反应3时，那么原子的利用率就是很低的，因为反应3中有另一种副产物D，所以从原子的经济性考虑，反应3就不符合绿色化学的原则。相比反应3而言，反应4的原子的利用率就是比较高的，因为反应4中的产物就仅仅是C，那么按照原子的利用率计算原则来看，反应4中的原子的利用率就是百分之百。3）选择环

8、境友好型的反应。环境友好型是一个相对比较大的范畴，既包括绿色的反应原料，也包括绿色的反应溶剂，同时也包括绿色的反应催化剂，合成方法和绿色的反应产品。要做到友好的反应，我们应该综合的考虑问题：3.1）从原料的方面出发。图 5图 6例如，图-5和图-6中的反应，其中反应5为传统制备异氰酸酯的反应方法；反应6是Monsanto公司研究的新方法。通过比较两者的反应的原料，我们可以清楚的发现在传统的方法中，反应的原料采用的有剧毒作用的光气作为合成反应的原材料。而新的合成方法，则是选用了相对比较低毒的伯胺，有机碱，醋酸酐和比较环保的原料CO2作为反应的合成原料。尽管相比反应5中的反应过程变得复杂和繁琐，但

9、是反应6则是采用和无毒或是低毒的反应原料，这本身就降低了反应人身伤害。因此，我们可以得到结论，对于反应溶剂，我们应该考虑：1 原料本身的危险性，是否对人和环境有害，是否又发生毒性、意外事故的可能性，是否会破坏生态环境，是否具有其他不友好的性质；2 使用可再生的资源。3.2）选择绿色的溶剂我们知道在有机反应中，几乎所有的反应过程都需要有溶剂的参与，有的反应需要添加额外的溶剂来提高反应中反应物的接触面，有的反应则是以反应物本身为溶剂。因此，在有机反应中，反应所需要的溶剂也是非常重要的。同时，我们也知道，在有机反应中很多的反应的溶剂都是有机溶剂，而有机溶剂大多数都是低沸点，有毒的溶剂，因此我们采用有

10、机溶剂作为反应的溶剂时或多或少都会受到有机溶剂的人身伤害。因此，选择绿色的有机溶剂也是我们绿色化学重要的操作过程。相比有机溶剂而言，我们可以选择水、超临界流体和离子液体作为我们有机反应的反应溶剂，甚至我们也可以以无溶剂的方式进行有机反应。我们知道，水是最环保的液体，没有任何的毒性，不会造成伤害；同时超临界流体，以其独特的性质能够得到平常条件下得不到的反应产物；离子液体，增加了反应中的反应物的活性；而最后的无溶剂，则是相对比较难实现的反应条件，需要较苛刻的反应外部条件，如液体的反应可以气化反应物质使得反应物在气态的时候进行接触反应生成目标产物；固体的反应可以进行纳米化也能更大的使反应进行接触。3

11、.3）选择合适的催化剂提高反应的速率和选择性图 7图 8众所周知，选择合适的催化剂能够大幅度的提高反应的速率，能够降低反应所需的活化能，能够加快反应的进程，减少反应的能量的消耗。如图-7和图-8所示，反应7中的H2O2在较低的温度下是不能够氧化甲苯生成苯甲酸的，只有在较高的温度下反应7才有可能发生，但是我们知道在较高温度的条件下，H2O2的稳定性降低，其本身就能够发生分解，从而使得反应中H2O2的浓度降低，这就更不能使反应继续进行。同时，在这个反应中，产物的选择性和产率本身就很低，所以这样的反应是不科学的反应。相比反应8中的反应，当我们选择合适的催化剂时这个反应就很容易进行，而且在较低的温度下

12、反应就能够发生而且反应的产率和选择性都比较高，能够达到90以上。这是因为，催化剂本身降低了反应的催化能，降低的反应所需的引发条件；同时，催化剂也稳定了中间体，所以反应能够在较低的温度下就能够发生，同时提高了反应的产率和选择性。3.4）选择合适的合成路线。图 9图 10选择合适的合成路线，也是绿色的有机合成的必要部分。合适的合成路线能够优化反应过程，减少反应的步骤，降低原料的消耗，能够节省能源，另外选择合适的合成路线也能够减少有毒和有害的产物或是反应的中间的排放。如图-9和图-10的两种反应，反应9是传统的方法和声环己酮肟，首先，反应中反应原料羟胺硫酸盐的生成很复杂，而且非常消耗原料，每生产1T的己内酰胺就要消耗2.8T的硫酸铵。而反应10是合成的新路线，选择环己酮为原料，则环己酮的转化率99.