第四章绿色有机合成

1、第第4 4章章 绿色有机合成绿色有机合成4.1 高效化学催化的有机合成高效化学催化的有机合成v 4.1.1 固体酸催化的有机合成固体酸催化的有机合成l 固体超强酸催化剂固体超强酸催化剂l 分子筛催化剂分子筛催化剂l 杂多化合物催化剂杂多化合物催化剂l 高分子酸性催化剂高分子酸性催化剂v 4.1.2 固体碱催化的有机合成固体碱催化的有机合成l 概述概述l 固体碱制备方法固体碱制备方法l 应用应用v 4.1.3 离子液体催化剂离子液体催化剂l 概述概述l 离子液制备方法离子液制备方法l 应用应用Bronsted酸碱理论酸碱理论v 酸碱质子理论（Brnsted-Lowry酸碱质子论，布朗斯特-劳里酸

2、碱理论）是丹麦化学家布朗斯特和英国化学家汤马士马丁劳里于1923年各自独立提出的一种酸碱理论。该理论认为：凡是可以释放质子（氢离子，H+）的分子或离子为酸（布朗斯特酸），凡是能接受氢离子的分子或离子则为碱（布朗斯特碱）。v 按照酸碱质子理论，属于酸的有：HCL、HAC、NH4-、AL(H2O)6、H2PO4-、HPO42-等。属于碱的有：NH3、AL(H2O)5OH2+、CL-、AC-、HPO42-、PO43-等。同时还可以看出，酸和碱是统一在对质子的关系上：酸放出质子后变成了碱，而碱接受质子后就变成了酸。为了表示它们之间的联系，常把酸碱之间的这种关系叫做共轭酸碱对。v 根据酸碱的质子理论，容

3、易放出质子（H+）的物质是强酸，而该物质放出质子后形成的碱就不容易同质子结合，因而是弱的碱。换言之，酸越强，它的共轭碱就越弱；反之，碱越强，它的共轭酸就越弱。Lewis酸碱理论酸碱理论v 布朗斯特酸碱理论概念的核心系于分子或离子间的质子转移，显然无法对不涉及质子转移，但却具有酸碱特征的反应做解释.这一不足在布朗斯特概念提出的同年由美国化学家路易斯提出的另一个更广的酸碱概念所弥补，但后者直到20世纪30年代才开始在化学界产生影响.v 酸碱电子理论（the electronic theory of acid and alkali），也称广义酸碱理论、路易斯（lewis）酸碱理论，是1923年美国物

4、理化学家吉尔伯特牛顿路易斯（Lewis G N）提出的一种酸碱理论，它认为：凡是可以接受外来电子对的分子、基团或离子为酸；凡可以提供电子对的分子、离子或原子团为碱。这种理论包含的酸碱范围很广。v 常见的Lewis酸： 正离子、金属离子：钠离子、烷基正离子、硝基正离子 受电子分子（缺电子化合物）：三氟化硼、三氯化铝、三氧化硫、二氯卡宾v 常见的Lewis碱： 负离子：卤离子、氢氧根离子、烷氧基离子、烯烃、芳香化合物 带有孤电子对的化合物：氨、氰、胺、醇、醚、硫醇、二氧化碳固体超强酸催化剂固体超强酸催化剂固体超强酸：指比固体超强酸：指比100%硫酸的酸强度还高的固体酸。硫酸的酸强度还高的固体酸。

5、H0氢氧化物氢氧化物乙酸盐。乙酸盐。载体：载体：Al2O3、分子筛、活性碳、分子筛、活性碳、MgO、CaO、TiO2等。负载的先驱物：碱金属、碱金属氢氧化物、碳酸等。负载的先驱物：碱金属、碱金属氢氧化物、碳酸盐、硝酸盐、乙酸盐等。盐、硝酸盐、乙酸盐等。固体碱催化有机合成概述固体碱催化有机合成概述水滑石类材料是层状氢氧化物，结构式水滑石类材料是层状氢氧化物，结构式M12+M23+(OH)2(X+1)(A1/mm-)nH2O，M1为为Mg、Zn或或Ni，M2为为Al、Cr或或Fe，Am-为为Cl-、CO32-等。等。固体碱的制备方法固体碱的制备方法固体碱的制备方法：固体碱的制备方法： 浸渍法、共沉

6、淀法、水热处理法、离子交换法等浸渍法、共沉淀法、水热处理法、离子交换法等。1、水滑石类无机固体碱的制备、水滑石类无机固体碱的制备共沉淀法制备：共沉淀法制备： 在含有金属盐的溶液中加入沉淀剂，生成难溶的金属在含有金属盐的溶液中加入沉淀剂，生成难溶的金属水合氢氧化物或凝胶，并在沉淀条件下进行晶化，然后过水合氢氧化物或凝胶，并在沉淀条件下进行晶化，然后过滤、洗涤、干燥，即得滤、洗涤、干燥，即得LDHs。2、负载型无机固体碱的制备、负载型无机固体碱的制备固体碱的制备方法固体碱的制备方法A、共沉淀法制备、共沉淀法制备Mg(Al)O固体碱载体：固体碱载体： 将硝酸镁和硝酸铝的水溶液滴入含碳酸钠和将硝酸镁和

7、硝酸铝的水溶液滴入含碳酸钠和NaOH水溶液水溶液的三口瓶中，搅拌反应，的三口瓶中，搅拌反应，60保持保持1h，冷却，过滤洗涤后将，冷却，过滤洗涤后将产品产品100 下烘下烘16h，450 下焙烧下焙烧12h，破碎取，破碎取1230目颗粒。目颗粒。例如：负载磺化酞菁钴（例如：负载磺化酞菁钴（CoPcS）无机固体碱的制备）无机固体碱的制备B、混合法制备、混合法制备MgO/Al2O3固体碱载体：固体碱载体： 将粉末状将粉末状MgO和和Al2O3研磨均匀，加入适量水后压成条状，研磨均匀，加入适量水后压成条状，在在100 下烘下烘8h，200 下焙烧下焙烧8h，破碎取，破碎取1230目颗粒。目颗粒。C、

8、活性组分、活性组分CoPcS的负载：的负载： 采用浸渍法。将一定量的采用浸渍法。将一定量的CoPcS溶解在无水甲醇中，浸渍溶解在无水甲醇中，浸渍Mg(Al)O或或MgO/Al2O3固体碱载体固体碱载体24h，真空下脱甲醇，即得：，真空下脱甲醇，即得：Mg(Al)O-CoPcS或或MgO/Al2O3-CoPcS固体碱催化剂。固体碱催化剂。OHOHCH3OHCH3H3C+CH3OHH2O+MO+FeO固体碱的应用固体碱的应用1、烷基化反应、烷基化反应2、脱氢反应、脱氢反应+CH2CH3CH=CH2H2Fe-Cr-KFe-Ce-MoFe-Mg-K1 1、什么是离子液体？、什么是离子液体？离子液体离子

9、液体离子液体由有机阳离子与无机阴离子构成，在室温下呈现液离子液体由有机阳离子与无机阴离子构成，在室温下呈现液态的盐类物质。态的盐类物质。NNR2R1R3R5R4NR1R6R5R4R3R2NR1R4R3R2+PR1R4R3R2+典型阳离子典型阳离子咪唑阳离子咪唑阳离子吡啶阳离子吡啶阳离子季磷盐阳离子季磷盐阳离子季铵盐阳离子季铵盐阳离子典型阴离子典型阴离子AlCl4-CF3COO-CF3SO3-BF4-PF6- (CF3SO2)2N-第一阶段离子液体第二阶段离子液体 2 2、离子液体的性能特点、离子液体的性能特点离子液体离子液体低熔点低熔点蒸汽压几乎为零蒸汽压几乎为零液程宽：液程宽：200 密度、

10、酸度、黏度、密度、酸度、黏度、溶解性等性能的可溶解性等性能的可设计性设计性宽电化学窗口宽电化学窗口高热稳定性高热稳定性良好的溶解能力良好的溶解能力R2XNNR1R2X-离子液体离子液体 3 3、离子液体的制备方法（、离子液体的制备方法（举例说明举例说明）季铵化反应季铵化反应NNR1通过阴离子交换，可获得功能各异的离子液体PF6-X-疏水性、低热稳定性疏水性、低热稳定性阴离子交换阴离子交换BF4-(CF3SO2)2N-良好溶解性，高电导率良好溶解性，高电导率高电导率、更低熔点高电导率、更低熔点2211( %)1*1MXRCOOMwSSS闻立新，常州大学硕士论文，闻立新，常州大学硕士论文，2011

11、吴建一，屠晓华等，中国发明专利，吴建一，屠晓华等，中国发明专利， 2010吴建一，屠晓华等，化学研究与应用，吴建一，屠晓华等，化学研究与应用，2010溶解度法溶解度法离子液体离子液体 4 4、离子液体的应用、离子液体的应用催化、催化、有机合成、电化学、纳米技术、功能材料、分离工程、清洁有机合成、电化学、纳米技术、功能材料、分离工程、清洁能源、生命科学等能源、生命科学等离子液体作为离子液体作为催化反应介质催化反应介质提高催化活性提高催化活性提高选择性提高选择性酶催化酶催化提高催化提高催化剂稳定性剂稳定性离子液体两离子液体两相系统相系统产品分离更产品分离更加便捷加便捷 离子液体替代可离子液体替代可

12、挥发性有机溶剂挥发性有机溶剂催化反应更加清洁催化反应更加清洁离子液体离子液体 4 4、离子液体的应用（举例、离子液体的应用（举例1 1） ORCO2OOOR+( 1atm )Ionic liquids,rt-2.4 V vs. Ag/AgClIL+ substrateBMImBF4中的固碳反应中的固碳反应Chem. Commun. 2002, By Y Deng et al反应在室温及大气压进行反应在室温及大气压进行无其他支持电解质及协同催化剂无其他支持电解质及协同催化剂离子液体离子液体 4 4、离子液体的应用（举例、离子液体的应用（举例2 2）+H2O2Ionic Liquid-Cataly

13、stH2O-H2O2OHAqueous phase H2O-H2O2IL + cat + benzeneCatILbenzeneH2O2phenolH2O-phenolILcatalyst离子液体离子液体/水两相系统示意图水两相系统示意图phenolreusedAt 50 for 6.0 h , C6H6/H2O2 =1, Green Chem, 2003, by Y. Deng et al.接近接近100%的高选择性的高选择性离子液体离子液体/水两相系统可回收利用水两相系统可回收利用离子液在有机合成中的应用离子液在有机合成中的应用离子液体即可作溶剂，也具有催化功能，可以应用在烷基化、离子液体

14、即可作溶剂，也具有催化功能，可以应用在烷基化、酰化、氧化、还原、异构化、酯化和羰基化等反应中。酰化、氧化、还原、异构化、酯化和羰基化等反应中。OHClClO2NOCH(CH3)2ClClO2NBrIonic liquidONaClClO2NNaOH离子液制备方法离子液制备方法1、一步合成法、一步合成法2、两步合成法、两步合成法包括酸碱中和和季铵化法，具有操作经济简便，产品包括酸碱中和和季铵化法，具有操作经济简便，产品易纯化，无副产物的优点。易纯化，无副产物的优点。先通过季铵化制得目标阳离子的卤盐先通过季铵化制得目标阳离子的卤盐(阳离子阳离子X)，再用目标，再用目标阴离子阴离子Y-置换出置换出X

15、-，得目标离子液体，得目标离子液体(阳离子阳离子Y)。4.2 生物催化的有机合成生物催化的有机合成v4.2.1 概述概述v4.2.2 酶催化的基本原理酶催化的基本原理l 锁钥学说锁钥学说l 诱导契合学说诱导契合学说l 酶的催化机理酶的催化机理v4.2.3 生物催化剂的主要种类生物催化剂的主要种类v4.2.4 生物催化反应的典型工艺生物催化反应的典型工艺v 有机合成发展方向之一：有机合成发展方向之一：高选择性、高专一性。生物催高选择性、高专一性。生物催化具有此特点。化具有此特点。v 酶催化有机合成优点：酶催化有机合成优点：l 酶是非常高效的催化剂。酶是非常高效的催化剂。l 酶是环境友好的。酶是环

16、境友好的。l 酶作用条件非常温和。酶作用条件非常温和。l 酶可以彼此相容。酶可以彼此相容。l 酶催化作用的底物和环境较广。酶催化作用的底物和环境较广。l 酶的适用范围广。酶的适用范围广。l 酶具有高度选择性。酶具有高度选择性。生物催化有机合成概述生物催化有机合成概述锁钥学说锁钥学说Fischer E在在1894年提出：年提出：酶与底物之间结构上有严格互补关系，像锁和钥那样酶与底物之间结构上有严格互补关系，像锁和钥那样机械相互作用，底物结构有微小变化，酶不能起作用。机械相互作用，底物结构有微小变化，酶不能起作用。缺陷：酶的结构是刚性的，与实际不符。缺陷：酶的结构是刚性的，与实际不符。诱导契合学说

17、诱导契合学说Koshland在在1958年提出：年提出：保留底物与酶的互补概念，但认为酶具有精细和柔软结构，保留底物与酶的互补概念，但认为酶具有精细和柔软结构，与底物是动态契合。与底物是动态契合。酶的催化机理酶的催化机理酶与其他催化剂一样，仅可通过降低活化能提高反应速率。酶与其他催化剂一样，仅可通过降低活化能提高反应速率。生物催化剂的主要种类生物催化剂的主要种类生物催化反应的典型工艺生物催化反应的典型工艺酶法生产酶法生产L-氨基酸氨基酸氨基酰化酶拆分底物酰基氨基酸生成氨基酰化酶拆分底物酰基氨基酸生成L-氨基酸。氨基酸。4.3 氟两相系统的有机合成氟两相系统的有机合成v 4.3.1 氟两相系统的

18、反应原理氟两相系统的反应原理v 全氟溶剂（全氟溶剂（perfluorous solvent）：）：l 碳原子上的氢原子全部被氟原子取代的烷烃、醚和胺。碳原子上的氢原子全部被氟原子取代的烷烃、醚和胺。v 全氟溶剂特点：全氟溶剂特点：l 密度大于普通有机溶剂。密度大于普通有机溶剂。l 无色、无毒，热稳定性好，是新兴绿色溶剂。无色、无毒，热稳定性好，是新兴绿色溶剂。l 是气体的极好溶剂，能溶解大量的是气体的极好溶剂，能溶解大量的H2、O2、N2、CO2等。等。l 对普通有机溶剂和有机化合物溶解性很差。对普通有机溶剂和有机化合物溶解性很差。氟两相系统反应原理氟两相系统反应原理氟两相系统（氟两相系统（f

19、luorous biphase system，FBS）：）： 一种非水液一种非水液-液两相反应系统，即普通有机溶剂液两相反应系统，即普通有机溶剂+全氟溶剂。全氟溶剂。4.3.2 氟两相系统的应用实例氟两相系统的应用实例OO+SCC(SO2C8F17)33全氟甲基环己烷35，8h1、Friedel-Crafts反应反应2、Diels-Alder反应反应BuOMeOMeBuOPhOPhCl+ZnCl2回流40htt全氟 2-丁基四氢呋喃,全氟三乙基胺4.4 相转移催化的有机合成相转移催化的有机合成v 4.4.1 概述概述v 相转移催化相转移催化(phase transfer catalysis,P

20、TC)l 利用特定的催化剂促使或加速分别处于互不相溶的两种利用特定的催化剂促使或加速分别处于互不相溶的两种溶剂中的物质发生反应的过程。溶剂中的物质发生反应的过程。v 相转移催化优点：相转移催化优点：l 反应速率快，时间短反应速率快，时间短l 副反应少，产物选择性高副反应少，产物选择性高l 反应条件温和，能耗低反应条件温和，能耗低l 溶剂价格便宜，无毒易回收，或直接以反应物为溶剂溶剂价格便宜，无毒易回收，或直接以反应物为溶剂l 相转移催化剂价廉易得相转移催化剂价廉易得l 工艺简单，产品纯度高工艺简单，产品纯度高4.4.2 相转移催化反应原理相转移催化反应原理常用相转移催化剂：季铵盐、冠醚常用相转

21、移催化剂：季铵盐、冠醚PTC提供亲脂性阳离子，使反应物的阴离子从水相迁移至提供亲脂性阳离子，使反应物的阴离子从水相迁移至有机相反应，生成产物。有机相反应，生成产物。4.4.3 相转移催化反应的应用相转移催化反应的应用1、医药合成、医药合成2、农药合成、农药合成亚甲基烷基化的氨基酸制备，亚甲基烷基化的氨基酸制备，PTC：(C4H9)4N+SO42-4.5 组合化学合成组合化学合成v 4.5.1 概述概述v 组合化学组合化学(combichem)：l 是一门将化学合成、计算机辅助分子设计，以及自动合成、是一门将化学合成、计算机辅助分子设计，以及自动合成、高通量筛选评价技术融为一体的科学。高通量筛选

22、评价技术融为一体的科学。l 将不同结构的模块以键合方式系统地、反复地进行连接，形将不同结构的模块以键合方式系统地、反复地进行连接，形成大批相关化合物（化学库），通过对其进行快速性能筛选，成大批相关化合物（化学库），通过对其进行快速性能筛选，找出具有最佳目标性能化合物的结构。找出具有最佳目标性能化合物的结构。v 组合化学特点：组合化学特点：l 通过少数几步反应得到数以万计的化合物分子，大大加快新通过少数几步反应得到数以万计的化合物分子，大大加快新化合物合成速度，解决筛选和合成的矛盾。化合物合成速度，解决筛选和合成的矛盾。4.5.2 组合化学合成原理组合化学合成原理传统化学合成模式：传统化学合成模

23、式：组合化学合成模式：组合化学合成模式：组合化学不再以单个化合物为目标逐个合成，而是选择一系列结构、反应组合化学不再以单个化合物为目标逐个合成，而是选择一系列结构、反应性能接近的构建模块与另一构建模块进行反应，得到所有组合的化合物。性能接近的构建模块与另一构建模块进行反应，得到所有组合的化合物。nn个化合物4.5.3 组合化学的应用组合化学的应用1、新药研发领域：、新药研发领域：2、无机功能材料合成领域：、无机功能材料合成领域：磁阻材料合成、超导材料合成、多相催化领域催化剂制备等。磁阻材料合成、超导材料合成、多相催化领域催化剂制备等。4.6 有机电化学合成有机电化学合成v 4.6.1 概述概述

24、v 有机电化学合成研究对象有机电化学合成研究对象l 各类电化学反应在电极各类电化学反应在电极/溶液界面上的热力学与动力学溶液界面上的热力学与动力学性质。性质。v 有机电化学合成主要研究内容有机电化学合成主要研究内容l 电极过程动力学电极过程动力学l 电极材料电极材料l 离子交换膜离子交换膜l 电化学反应器电化学反应器4.6.1 概述概述v 有机电化学合成优点有机电化学合成优点l洁净洁净l条件温和条件温和l副产物少副产物少l节能节能l易控易控l规模效应小规模效应小v 主要应用领域主要应用领域l-氨基酸、二茂铁、乙醛酸、环氧化合物等有机化合物的合成。氨基酸、二茂铁、乙醛酸、环氧化合物等有机化合物的合成。l新能源、特殊高分子材料等。新能源、特殊高分子材料等。l农药、医药、环境污染处理等。农药、医药、环境污染处理等。4.6.2 有机电化学合成原理有机电化学合成原理v 有机电化学合成必须具备的条件有机电化学合成必须具备的条件l 持续稳定的直流电源持续稳定的直流电源l 满足满足“电子转移电子转移”的电