21世紀(jì)的有機(jī)合成

綠色合成21世紀(jì)的有機(jī)合成摘要:綠色合成，作為當(dāng)代有機(jī)合成發(fā)展的一個(gè)重要學(xué)科前沿，已成為化學(xué)發(fā)展的一個(gè)方向。從催化劑、綠色溶劑、合成手段、合成方法、計(jì)算機(jī)輔助綠色合成等方面綜述了近年來國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)綠色合成的有效途徑，并對綠色合成的目標(biāo)進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：有機(jī)合成；綠色合成；原子經(jīng)濟(jì)性；環(huán)境經(jīng)濟(jì)性前言自1828年韋勒成功地從氟酸錢合成尿素起，有機(jī)合成學(xué)科經(jīng)歷了一百多年的發(fā)展歷史。在人類文明史上，它對提高人類的生活質(zhì)量做出了巨大貢獻(xiàn)。然而，不可否認(rèn)“傳統(tǒng)”的合成化學(xué)方法以及依其建立起來的“傳統(tǒng)”合成化學(xué)工業(yè)，對整個(gè)人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染和破壞。以往解決問題的主要手段是治理、停產(chǎn)、甚至關(guān)閉。人們?yōu)橹卫憝h(huán)境花費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。20世紀(jì)90年代初，化學(xué)家提出了與傳統(tǒng)的“治理污染”不同的綠色化學(xué)的概念［1］。隨著人類進(jìn)入21世紀(jì)，社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展及其所涉及的生態(tài)環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)等方面的問題愈來愈成為國際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。更為嚴(yán)厲的保護(hù)環(huán)境的法規(guī)不斷出臺(tái),也使得化學(xué)工業(yè)界把注意力集中到如何從源頭上杜絕或減少廢棄物的產(chǎn)生。這對化學(xué)提出了新的要求，尤其是對合成化學(xué)，更是提出了挑戰(zhàn)。環(huán)境經(jīng)濟(jì)性正成為技術(shù)創(chuàng)新的主要推動(dòng)力之一。因此,有機(jī)合成重要的不是合成什么，而在于怎么合成的問題。21世紀(jì)的有機(jī)合成正朝著高選擇性、原子經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境保護(hù)型三大趨勢發(fā)展，即綠色合成方向發(fā)展。1綠色合成的目標(biāo)綠色合成的概念來自綠色化學(xué)(Greenchem-istry),綠色化學(xué)又稱環(huán)境友好化學(xué)(Environmentalbenignchemistry),在其基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的技術(shù)又稱為環(huán)境友好技術(shù)或清潔生產(chǎn)技術(shù)(Cleantech-nology)。潔凈生產(chǎn)技術(shù)的主要內(nèi)容就是把傳統(tǒng)的化學(xué)綠色化，即設(shè)計(jì)環(huán)境友好的化學(xué)反應(yīng)路線，物質(zhì)和能量構(gòu)成封閉循環(huán)的化學(xué)工藝流程以及生產(chǎn)綠色產(chǎn)品，將傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)改造成可持續(xù)發(fā)展的綠色化學(xué)工業(yè)，使化學(xué)反應(yīng)和化工過程從源頭就不產(chǎn)生環(huán)境污染。綠色化學(xué)是更高層次的化學(xué)，是一種新的創(chuàng)造性的思想。它將整體預(yù)防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)地應(yīng)用于化工生產(chǎn)過程、產(chǎn)品和服務(wù)中，以增加生態(tài)效率和減少人類社會(huì)及環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。對化工生產(chǎn)過程，要求節(jié)約原材料，合理利用能源，不用對人類有毒、對環(huán)境有害、對生態(tài)系統(tǒng)有不良影響的原料，降低成本，降低消耗，減少廢棄物的排量和毒性；對產(chǎn)品，要求符合綠色產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品與生態(tài)系統(tǒng)相容，對環(huán)境無污染，對人類無害，盡量減少從原材料提煉到產(chǎn)品最終處置的全生命周期的不良影響；對服務(wù),要求將環(huán)境因素納入設(shè)計(jì)和所提供的優(yōu)質(zhì)服務(wù)中去。綠色合成就是要求有機(jī)合成家以綠色化學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)來衡量、審視自己的反應(yīng)路線、原料、產(chǎn)品等，使之符合綠色化學(xué)的要求。2綠色合成的途徑對一個(gè)有機(jī)合成，從原料到產(chǎn)品，要使之綠色化，涉及到諸多方面。首先看是否有更加綠色的原料，能否設(shè)計(jì)更綠色的新產(chǎn)品來代替原來的產(chǎn)品。隨后看反應(yīng)設(shè)計(jì)流程是否合理，是否有更加綠色的流程。從反應(yīng)速度和效率看，還涉及到催化劑、溶劑、反應(yīng)方法、反應(yīng)手段等多方面的綠色化。隨著21世紀(jì)生命科學(xué)與材料科學(xué)的發(fā)展，特別是進(jìn)入基因組時(shí)代，需要有機(jī)合成快速提供各種具有生理或材料功能的有機(jī)分子，而新結(jié)構(gòu)類型分子的獲取往往取決于新的合成方法，后者又往往取決于新的理論和概念。因此，在21世紀(jì)有機(jī)合成要向綠色合成的方向發(fā)展，也需要從概念、方法、結(jié)構(gòu)與功能方面沖破傳統(tǒng)的束縛，進(jìn)行全面的發(fā)展與創(chuàng)新。高效、高選擇性催化劑綠色合成所追求的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高選擇性，高效的化學(xué)反應(yīng)，極少地副產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)“零排放”，繼而達(dá)到“原子經(jīng)濟(jì)性的反應(yīng)”。顯然相對化學(xué)當(dāng)量的反應(yīng)，高選擇性、高效的催化反應(yīng)更符合綠色合成的基本要求。應(yīng)用高效、高選擇性催化劑方法還可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)方法不能進(jìn)行的反應(yīng)，從而大大縮短合成步驟。Hoffmann-LaRoche公司開發(fā)的抗帕金森藥物L(fēng)azabemide提供了一個(gè)顯示催化染基化反應(yīng)威力的極好例子。第一步合成路線采用傳統(tǒng)的多步驟合成，從2-甲基-5-乙基叱噬出發(fā)，歷經(jīng)8步合成，產(chǎn)率只有8%;而用鉗催化染基化反應(yīng)，從2,5-二氯叱噬出發(fā)，僅用一步就合成了Laz-abemide,其原子利用率達(dá)100%且可達(dá)3000t的生產(chǎn)規(guī)模。新型合成手段新的有機(jī)合成方法是通往綠色合成的途徑，近年來，特別是聲、光、電、磁在有機(jī)合成中的廣泛應(yīng)用，對縮短反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)產(chǎn)率，減少能耗與污染方面起到意想不到的效果。光化學(xué)反應(yīng)是有機(jī)化學(xué)的一個(gè)重要分支。應(yīng)用光化學(xué)反應(yīng)合成有機(jī)分子甚至分子鍵的準(zhǔn)確切割也有報(bào)道。最近，法國化學(xué)工作者［11］發(fā)現(xiàn)非偏振光可以使光化學(xué)反應(yīng)非對映選擇性地進(jìn)行，并認(rèn)為它是自然界中生物分子的手征性源泉。Charette等［12］發(fā)現(xiàn)在下面A的碳-碘鍵與二乙基鋅交換反應(yīng)中，在沒有光照的情況下，48h后生成相應(yīng)的鋅試劑B的產(chǎn)率＜10%,而當(dāng)用GE日光燈(275W)作為光源進(jìn)行光照時(shí)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)在3h內(nèi)即以90%勺產(chǎn)率生成Bo潔凈反應(yīng)介質(zhì)選擇與環(huán)境友好的“潔凈”反應(yīng)介質(zhì)是綠色合成的另一種重要途徑。在傳統(tǒng)的有機(jī)反應(yīng)中，有機(jī)溶劑是最常用的反應(yīng)介質(zhì)，這主要是因?yàn)樗鼈兡芎芎玫厝芙庥袡C(jī)化合物。但有機(jī)溶劑的毒性和難以回收，又使之成為對環(huán)境有害的因素。因此在無溶劑存在下進(jìn)行的有機(jī)固體反應(yīng)以及使用水、超臨界流體、離子液體等作為反應(yīng)介質(zhì)的反應(yīng)，將成為發(fā)展?jié)崈艉铣傻闹匾緩健?1)固態(tài)反應(yīng)固態(tài)化學(xué)反應(yīng)，實(shí)際上是在無溶劑作用的新穎化學(xué)環(huán)境下進(jìn)行的反應(yīng)，有時(shí)可比溶液反應(yīng)更為有效和達(dá)到更好的選擇性。固態(tài)化學(xué)反應(yīng)的研究吸引了無機(jī)、有機(jī)、材料及理論化學(xué)等多學(xué)科的關(guān)注，某些固態(tài)反應(yīng)己獲得工業(yè)應(yīng)用。下式的無溶劑反應(yīng)既可通過研磨在機(jī)械力作用下完成，也可在超聲波或微波促進(jìn)下完成。(2)以水為溶劑的反應(yīng)由于大多數(shù)有機(jī)化合物在水中的溶解性差，而且許多試劑在水中會(huì)分解，因此一般避免用水作為反應(yīng)介質(zhì)。然而水作為反應(yīng)溶劑又有其無可比擬的優(yōu)越性，因?yàn)樗堑厍蛏献匀回S度最高的“溶劑”，非常價(jià)廉，又無毒。此外，水溶劑特性對一些重要有機(jī)轉(zhuǎn)化是十分有益的，有時(shí)可提高反應(yīng)速率和選擇性。1980年Breslow發(fā)現(xiàn)水可作為有益的溶劑：環(huán)戊二烯與甲基乙烯酮的環(huán)加成反應(yīng)，在水中較之以異辛烷為溶劑反應(yīng)快700倍。(3)以超臨界流體為溶劑超臨界(Sc)流體被認(rèn)為是相對于有機(jī)溶劑的一類綠色溶劑，可同時(shí)通過調(diào)節(jié)壓力與溫度來連續(xù)調(diào)節(jié)其物理性質(zhì)。其中ScCO2流體以其臨界壓力和溫度適中、來源廣泛、價(jià)廉無毒等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。最近李國平［24］在采用鋅粉和水作還原劑在ScCO價(jià)質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了對甲基苯甲醛還原反應(yīng)，高選擇率高轉(zhuǎn)化率地獲得甲基苯甲醇。(4)以離子液體為溶劑離子液體是一類獨(dú)特的反應(yīng)介質(zhì)，可用于過渡金屬催化的反應(yīng)，利用其不揮發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，可方便地進(jìn)行產(chǎn)物的蒸儲(chǔ)分離。止匕外，它們具有物理性質(zhì)可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，利用這些特點(diǎn)可在許多場合減少溶劑用量和催化劑，因而被認(rèn)為是一類綠色溶劑。杜邦公司開發(fā)了在離子液體［BMIM］BF4和異丙醇兩相體系中進(jìn)行不對稱催化氫化合成蔡普生的方法［25］,產(chǎn)物的對映體過量可達(dá)到80%催化劑在傾析后可循環(huán)使用，具活性和對映選擇性均不低。我國化學(xué)家顧彥龍等［26］用四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唾離子液體［(EMIN)BF4］為溶劑和催化劑，在三水合乙酸鈉/離子液體體系中高效地實(shí)現(xiàn)了氯葦和乙酸鈉反應(yīng)生成乙酸葦酯香料，其產(chǎn)物純度超過99%在60c下反應(yīng),(EMIN)BF4可與液態(tài)乙酸鈉混溶成單相，催化反應(yīng)完全后冷卻體系溫度至室溫(25C以下)，生成的NaCl則凝固到反應(yīng)器底部，而產(chǎn)物乙酸葦酯不溶于離子液體。通過傾析很容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)物的分離和催化劑的回收。(5)以氟碳相為溶劑由于含氟或全氟的流體如全氟烷姓:、全氟烷基醴、全氟烷基胺等氟相溶劑具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、極性小、密度大以及水活性差和有機(jī)溶劑相溶性差等特點(diǎn)，近年來發(fā)展了氟兩相體系反應(yīng)和可重復(fù)使用的三氟磺酸稀土路易斯酸催化劑以及含氟的離子液體反應(yīng)，為合成有機(jī)化學(xué)品提供清潔技術(shù)，在反應(yīng)過程中隨著反應(yīng)溫度的變化氟相成為均相，而反應(yīng)結(jié)束時(shí)隨著反應(yīng)溫度的變化氟碳相又成為非均相的反應(yīng)體系。從而使催化劑和反應(yīng)產(chǎn)物分別存在于氟相和有機(jī)層中，達(dá)到反應(yīng)產(chǎn)物易于分離和催化劑的回收利用，如在以下反應(yīng)中［27］氟碳相催化劑溶液幾乎不損失，可多次循環(huán)使用。高效合成方法簡化反應(yīng)步驟，減少污染排廢，開發(fā)新的合成工藝也不失為一種途徑。對于那些從傳統(tǒng)的觀念看，設(shè)計(jì)和效益都合理的工藝路線，也要從綠色化學(xué)的原理給以重新審視。設(shè)計(jì)高效多步合成反應(yīng)，使反應(yīng)高質(zhì)有序、高效地進(jìn)行，像一瓶多步串聯(lián)反應(yīng)、多反應(yīng)中心多向反應(yīng)、一瓶多組分反應(yīng)等］無需分離中間體，不產(chǎn)生相應(yīng)的廢棄物，可免去各步后處理和分離帶來的消耗和污染，無疑是潔凈技術(shù)的重要組成部分。如金屬催化的審級反應(yīng)。其他途徑近年來提出的合成與分子構(gòu)件概念應(yīng)用于合成化學(xué)領(lǐng)域，極大地豐富了綠色合成的思路，利用分子組裝可以高效率地合成目標(biāo)分子。通過這種分子構(gòu)件策略,Officer等［30］建立了取代各異的葉咻星形多聚體的快捷合成方法。計(jì)算機(jī)輔助綠色化學(xué)設(shè)計(jì)與模擬［31,32］應(yīng)用到綠色合成無疑是一種有效手段。在化學(xué)化工領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)廣泛用于構(gòu)成分析、結(jié)構(gòu)剖析、反應(yīng)性預(yù)測、故障診斷及控制等許多方面。將計(jì)算機(jī)應(yīng)用到尋找符合綠色化學(xué)原則的最佳反應(yīng)路線、化工過程最優(yōu)化、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面無疑會(huì)推動(dòng)綠色合成的更快發(fā)展。反應(yīng)原料的綠色化和發(fā)展可替代綠色產(chǎn)品亦是綠色合成應(yīng)注意的兩個(gè)方面。迄今為止，在化工生產(chǎn)中仍使用光氣、氫氟酸等劇毒物質(zhì)為原料。目前，這些劇毒原料替代品的開發(fā)研究已取得進(jìn)展。Monsamto公司的無毒無害的二乙醇胺為原料出發(fā)生產(chǎn)氨基二乙酸鈉的工藝，改變了過去的氨、甲醛、氫氟酸為原料的二步合成法［33］。綠色產(chǎn)品如美國杜邦公司開發(fā)的1,1,2,2-四氟乙烷為綠色制冷劑。在農(nóng)藥方面，最近DowAgroscienceLLC由于發(fā)展高效低毒的殺蟲劑而被授予1999年美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)類的設(shè)計(jì)安全化學(xué)品獎(jiǎng)。3結(jié)束語隨著綠色化學(xué)作為有機(jī)合成學(xué)科前沿方向的逐步形成[35],在短時(shí)間內(nèi)，通向綠色合成的各種途徑正隱約可見，但化學(xué)工作者的種種努力只是初步。目前開發(fā)的綠色合成反應(yīng)只占有機(jī)合成中的非常少的一部分。在一條合成路線上，綠色可能只是局部的，距綠色合成還有相當(dāng)差距。綠色合成的真正發(fā)展需要對傳統(tǒng)的、常規(guī)的合成化學(xué)方面進(jìn)行全面的從觀念上、理論上和合成技術(shù)上的發(fā)展和創(chuàng)新。它要求我們在設(shè)計(jì)和完成合成時(shí)，除了考慮縮短反應(yīng)時(shí)間、創(chuàng)造價(jià)值、提高效率和原子經(jīng)濟(jì)性外，還必須加上環(huán)保的因素，從總體經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度去實(shí)施考慮問題。此外,綠色合成除了化學(xué)方法，生物方法也未嘗不是一個(gè)好方法。自然界的貶紫嫣紅、五彩斑斕不外乎空氣、水、陽光、土壤在生物的作用下合成的。21世紀(jì)，隨著生物技術(shù)的進(jìn)步，人類對生物合成機(jī)理的研究，真有一天,人類能“種瓜得瓜，種豆得豆”，就可以做到“質(zhì)本潔來還潔去”。我們完全有理由相信，21世紀(jì)的綠色合成