无溶剂有机反应的研究

无溶剂有机反应的研究

合成药物为人类提供了丰富多彩的染料、优质肥料和农药、疗效药物、优良材料和各种功能材料。但是,许多有机化学品在生产过程中不断给大气。土壤和水中排放大量的有毒物质,污染了环境,给人类健康和社会的和谐发展带来了危害。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不佳。因此,20世纪90年代初,化学家提出与传统的“治理污染”不同的“绿色化学”概念,在源头上减少甚至消除污染的产生,这就是绿色化学的主要内涵。在传统的有机化合物合成过程中,有机溶剂是最常用的介质,可以使反应物分散到同相中,降低粘度等,但是其毒性和试剂难回收对环境有不利影响。近年来绿色合成应运而生,产生了许多取代传统有机溶剂的绿色化学方法,如以水和二氧化碳作为超临界流体溶剂及以室温离子液体为溶剂的方法,而最彻底的方法还是完全不用溶剂的无溶剂有机反应。无溶剂有机反应最初被称为固态有机反应,主要是通过研磨、光、热、微波以及超声等方法,在不加溶剂或加入微量溶剂并且固体物直接接触的条件下,来进行化学反应。实验结果表明,有机无溶剂反应,具有更高效的反应选择性。因此,90年代初人们明确提出“无溶剂有机合成”,它既包括经典的固—固反应,又包括气-固反应和液-固反应。本文就无溶剂反应的主要类型作-概括性总结。1固体研磨法固态研磨法最早被用于制备混合晶体,从而得到不同光学性质的光学材料1.1机械振荡研磨法反应是一个原子经济性反应,由一分子缺电子烯烃和一分子芳香醛在三级胺(DABCO或DBU)催化下反应(如图1所示)。本反应在溶液中进行,需要7d,而产率仅为70%-87%。若采用机械震荡研磨方法仅需0.5h,间隔反应防止升温过快,而产率高达98%以上,产物为多官能化,在有机反应中十分重要。芳环上连接吸电子基团时产率较好(大于95%),连接给电子基团时产率低(30%左右)1.2机械振荡研磨如今有机小分子催化的不对称合成发展迅速,如脯氨酸催化的不对称Aldol反应,其反应多在高极性的非质子溶剂(如DMSO)中进行。Bolm及其同事采用机械震荡研磨方法将芳香醛和酮混合均匀在催化量(S)-脯氨酸(10%)催化下(如图2所示)高速(250-400rpm)间隔研磨(防止升温过快影响ee值),芳环上连接吸电子基团时可得到高产率(99%)高对映选择性(>99%ee)的反式Aldol产物,而芳环上连接给电子基团时产率较低(60%)对映选择性也较差(60%ee)。机械震荡研磨方法使反应时间大大减少,用时1d即可,而传统方法则需搅拌5-7d此外还有Michael、Wittig、Suzuki、Heck等反应,都比有溶剂状态下大大提高产物产率、缩短反应时间,同时减少副反应的发生。综上所述,无溶剂机械震荡研磨件在许多类型的反应中都展现出了反应速度快.产率高等优势,但同时也有很多缺点,高浓度(对很多反应不适用),没有溶剂帮助散热,可能导致热积聚。因此反应前要先对其热效应进行检测。可见无溶剂机械震荡研磨方法还有很多问题要解决,这对我们来说是挑战,但也是发展机遇。2微波加热反应微波技术是二战期间用于雷达探测而发展起来的一种技术。二战以后,微波作为一种传输介质和加热方式被广泛用于各个学科领域。微波化学作为化学领域中一门新兴的边缘学科,近几年获得蓬勃发展。微波最早用于有机合成是上世纪60年代,美国科学家Vanderhoff利用家用微波炉进行丙烯酸酯、丙烯酸和a-甲基丙烯酸的乳液聚合,发现微波加热使聚合速度明显加快。但由于各种原因并未引起人们的重视。1986年Gedye等在微波中进行的酯化反应是现代微波有机合成化学开始的标志微波照射不同于传统的加热方式,它是直接加热反应的溶剂和反应物,而不是通过反应容器传热;微波照射是更有效的能量利用和加热方式。加热速度比传统的加热方式快很多。很多反应可以在无溶剂条件下进行,产率高、副反应少,还可以避免使用各种昂贵或有毒的试剂、节省时间、节约能源等,符合当今方兴未艾的绿色化学的要求而无溶剂微波反应是将反应物分散担载在氧化铝或蒙脱土上,这些无机载体不吸收微波,可以使负载在其上的有机分子充分吸收微波能量,激活分子从而大大加快反应速度。近年来微波照射法发展十分迅速,如图3所示,2001年以来平均每年发表文章数达到了400篇(1a相当于20世纪的总和)下面以Michael加成反应为例介绍微波照射法的应用。1996年,Boruah等利用α,β-不饱和酮分别与硝基烷烃、丙二酸二乙酯、乙腈和乙酰丙酮反应,在碱性氧化铝做载体、无溶剂条件下,一般家用微波炉中,高产率地得到所要的产物(见图4)Ranu等将微波应用于普通条件下较难反应的环烯酮和取代烯酮的Michael加成,将反应物吸附于中性氧化铝表面,在无溶剂条件下普通家用微波炉中反应4-7min,产率达到65%-90%(见图5)通常采用强碱催化Michael加成的方法,往往同时有自缩合、双加成、重排和聚合等副反应。后来发展起来的相转移催化剂、过渡金属催化剂、氧化铝、SnCl3电子流激发作用光促反应通过一定波长的汞灯或阳光激发下电子流激发稀有气体,气体把能量传递给汞原子将其激发,汞原子由激发态回到基态并放出光子,激发有机分子来促使反应发生4无溶剂操作与反应无溶剂操作常可以简化反应步骤,加快反应速度,提高产率和选择性。因为其转化率高,副产物少,所以后处理也比传统反应较为容易。另外,无溶剂操作还可与超临界二氧化碳萃取等方法相结合,进行后处理,减少有机溶剂使用量。但是无溶剂反应还有一些局限