無溶劑有機(jī)合成

無溶劑有機(jī)合成第1頁/共31頁2第五講無溶劑有機(jī)合成第2頁/共31頁3

在有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的合成過程中(尤其是固體物質(zhì)參與的反應(yīng))使用有機(jī)溶劑是較為普遍的，這些有機(jī)溶劑會(huì)散失到環(huán)境中造成污染。各國化學(xué)家創(chuàng)造并研究了許多取代傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的綠色化學(xué)方法。如：以水為介質(zhì)、以超臨界流體(如CO2)為溶劑、以室溫離子液體為溶劑等方法，而最徹底的方法是完全不用溶劑的無溶劑有機(jī)合成。第3頁/共31頁4傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的優(yōu)點(diǎn)：1、能很好地溶解有機(jī)反應(yīng)物；2、使反應(yīng)物分子在溶液中均勻分散；3、穩(wěn)定地進(jìn)行能量交換。傳統(tǒng)有機(jī)溶劑的缺點(diǎn)：1、毒性、揮發(fā)性；2、難以回收。第4頁/共31頁5

無溶劑有機(jī)反應(yīng)最初被稱為固態(tài)有機(jī)反應(yīng)，因?yàn)樗芯康膶ο笸ǔＪ堑腿埸c(diǎn)有機(jī)物之間的反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)，除反應(yīng)物外不加溶劑，固體物直接接觸發(fā)生反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，很多固態(tài)下發(fā)生的有機(jī)反應(yīng)，較溶劑中更為有效和更能達(dá)到好的選擇性。因此，90年代初人們明確提出“無溶劑有機(jī)合成”，它既包括經(jīng)典的固—固反應(yīng)，又包括氣—固反應(yīng)和液—固反應(yīng)。一、無溶劑有機(jī)反應(yīng)第5頁/共31頁6

無溶劑反應(yīng)機(jī)理與溶液中的反應(yīng)一樣，反應(yīng)的發(fā)生起源于兩個(gè)反應(yīng)物分子的擴(kuò)散接觸，接著發(fā)生反應(yīng)，生成產(chǎn)物分子。此時(shí)生成的產(chǎn)物分子作為一種雜質(zhì)和缺陷分散在母體反應(yīng)物中，當(dāng)產(chǎn)物分子聚集到一定大小，出現(xiàn)產(chǎn)物的晶核，從而完成成核過程，隨著晶核的長大，出現(xiàn)產(chǎn)物的獨(dú)立晶相。二、無溶劑反應(yīng)的操作方法第6頁/共31頁7無溶劑反應(yīng)主要采用如下方法：(1)室溫下，用研缽粉碎、混合、研磨固體反應(yīng)原料即可反應(yīng)。(2)將固體原料攪拌混合均勻之后或加熱或靜置即可，加熱時(shí)既可采用常規(guī)加熱亦可用微波加熱的方法(3)用球磨機(jī)或高速振動(dòng)粉碎等強(qiáng)力機(jī)械方法以及超聲波的方法。(4)主-客體方法，以反應(yīng)底物為客體，以一定比例的另一種適當(dāng)分子為主體形成包結(jié)化合物，然后再設(shè)法使底物發(fā)生反應(yīng)，這時(shí)反應(yīng)的定位選擇性或光學(xué)選擇性等都會(huì)因主體的作用而有所改變或改善，甚至變成只有一種選擇。第7頁/共31頁8

利用上述方法反應(yīng)之后，再根據(jù)原料及產(chǎn)物的溶解性能，選擇適當(dāng)?shù)娜軇?，將產(chǎn)物從混合物中提取出來或?qū)⑽捶磻?yīng)完原料除去，即可得較純凈產(chǎn)品。所用溶劑為無毒或毒性較低的水、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等。顯然，上述方法中，室溫下的反應(yīng)能耗最少，最為簡單。其次是加熱方法，能耗較高的是機(jī)械方法。第8頁/共31頁9無溶劑有機(jī)反應(yīng)可在固態(tài)、液態(tài)及熔融狀態(tài)下進(jìn)行，也可以超聲波、微波協(xié)助反應(yīng)，或通過機(jī)械能完成。三、無溶劑有機(jī)反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和不足無溶劑固態(tài)有機(jī)合成中由于沒有溶劑的參與，減少了溶劑的揮發(fā)和廢液的排放，也就降低了污染；同時(shí)，熔點(diǎn)在150℃以下的有機(jī)固體原料只需室溫?cái)嚢?、研磨，不需要加熱操作，因此?jié)能、方便；由于不用溶劑降低了生產(chǎn)成本。（一）無溶劑合成的優(yōu)點(diǎn)1）低污染、低能耗、操作簡單：第9頁/共31頁10

無溶劑合成為反應(yīng)提供了與傳統(tǒng)溶液反應(yīng)不同的新的分子環(huán)境，有可能使反應(yīng)的選擇性、轉(zhuǎn)化率得到提高。因?yàn)樵诠腆w狀態(tài)下，固態(tài)分子受到晶格的束縛，分子的構(gòu)象被凍結(jié)，反應(yīng)分子有序排列，可實(shí)現(xiàn)定向反應(yīng)，提高了反應(yīng)的選擇性。生物體內(nèi)的酶催化有序反應(yīng)兼有固液相反應(yīng)的雙重特征。因此，研究固態(tài)有機(jī)反應(yīng)不僅對有機(jī)化學(xué)的發(fā)展有重要的理論和實(shí)際意義，也將為生命科學(xué)的研究提供理論依據(jù)。2)較高的選擇性:第10頁/共31頁11在固體中，反應(yīng)物分子處于受限狀態(tài)，分子構(gòu)象相對固定，而且，可利用形成包結(jié)物、混晶、分子晶體等手段控制反應(yīng)物的分子構(gòu)型，尤其是通過與光學(xué)活性的主體化合物形成包結(jié)物控制反應(yīng)物分子構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)了對映選擇性的固態(tài)不對稱合成。3）控制分子構(gòu)型:無溶劑的固態(tài)或液態(tài)有機(jī)反應(yīng)，由于沒有溶劑分子的介入，反應(yīng)體系的微環(huán)境不同于溶液，造成了反應(yīng)部位的局部高濃度，提高了反應(yīng)效率。同時(shí)沒有溶劑，可使產(chǎn)物的分離提純過程變得較容易進(jìn)行。(4)提高反應(yīng)效率:第11頁/共31頁12特別是對以往使用有機(jī)溶劑較為普遍的固體物質(zhì)參與的反應(yīng)，會(huì)存在如下一些問題。（二）無溶劑有機(jī)合成的不足1）反應(yīng)能否進(jìn)行？并非所有有機(jī)反應(yīng)都能在無溶劑條件下進(jìn)行，因?yàn)楣腆w反應(yīng)物粉末混合時(shí)，異種分子間難以接近到一個(gè)小距離(如<1nm)，碰撞幾率降低；需要進(jìn)一步研究采用什么方法促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。2）散熱問題：有些無溶劑反應(yīng)在固體狀態(tài)下進(jìn)行，反應(yīng)系統(tǒng)無流動(dòng)性，反應(yīng)放出的熱量難以散失，大規(guī)模的生產(chǎn)比較困難。3）分離問題：如果反應(yīng)不是定量完成，仍有分離問題，又有可能使用有機(jī)溶劑。第12頁/共31頁13四、無溶劑有機(jī)合成的反應(yīng)方法及實(shí)例（一）用球磨法反應(yīng)

在圓筒形金屬制反應(yīng)器中加入金屬球和要進(jìn)行反應(yīng)的物質(zhì)，使反應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行研磨以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)。為除去環(huán)境污染物中的有害有機(jī)氯化物，如DDT（雙對氯苯基三氯乙烷(ClC6H4)2CH(CCl3)）、PCB（多氯化聯(lián)(二)苯）、氯苯、二惡英等把污染物與Mg、或Ca、CaO等混合用球磨法研磨6h可脫氯。

第13頁/共31頁14又如烯胺類物質(zhì)1與物質(zhì)2，用球磨法反應(yīng)3h，再加熱到80°C、5min，150°C、5min，系統(tǒng)經(jīng)一系列反應(yīng)得產(chǎn)物3：第14頁/共31頁15是比球磨法更強(qiáng)的機(jī)械作用方法，在密封的不銹鋼制反應(yīng)器中加入不銹鋼球，反應(yīng)器以3500rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使加入的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。（二）用高速振動(dòng)粉碎法反應(yīng)如C60的(2+2)加成生成二聚體C120

的反應(yīng)，是將C60

與KCN或KOAc、K2CO3

及微量的Li或Na、K等堿金屬一起進(jìn)行高速振動(dòng)粉碎條件下的反應(yīng)，無機(jī)物是作觸媒的，反應(yīng)30min達(dá)到平衡，二聚體含量為30%。第15頁/共31頁16以離子液體(BMIM)AlCl4

為催化劑((BMIM：1-丁基-3-甲基咪唑陽離子)，進(jìn)行醇或酚的四氫吡喃化反應(yīng)，四氫吡喃化是多步有機(jī)合成中最常用的保護(hù)與去保護(hù)方法。（三）用離子液體催化反應(yīng)當(dāng)ROH為環(huán)已醇時(shí)，在25℃反應(yīng)5min，轉(zhuǎn)化率達(dá)100%。共研究了9種醇或酚的反應(yīng)，其中8種轉(zhuǎn)化率達(dá)100%，離子液體可用乙醚萃取并循環(huán)使用。第16頁/共31頁17使用有光學(xué)活性的主體進(jìn)行固相不對稱還原反應(yīng)。光學(xué)活性的7或8作為主體與酮9(客體)的包接化合物結(jié)晶粉末，與硼烷乙二胺(2BH3?NH2CH2CH2NH2)的配合物粉末混合，反應(yīng)可得到光學(xué)活性的醇R-(+)-10，反應(yīng)的收率及光學(xué)活性見表1。（四）應(yīng)用主體-客體包接化合物的方法1、不對稱還原反應(yīng)第17頁/共31頁18第18頁/共31頁19對環(huán)狀的酮分子11與主體8a以1:1的包接化合物粉末，用NaBH4還原，混合兩種粉末，放置3d，使之反應(yīng)，得到100ee%光學(xué)純的(R,R)-(-)-12分子，收率54%～55%。反應(yīng)物11分子左下角的O原子與主體8形成氫鍵故未還原。第19頁/共31頁202、不對稱合成中的Wittig反應(yīng)以分子8b或8c為主體與酮形成的包接化合物結(jié)晶粉末，與Wittig試劑14的粉末反應(yīng)，不對稱構(gòu)型選擇性很高，見下列反應(yīng)式：第20頁/共31頁21以吡啶酮18為客體，化合物19為主體形成的1:1包接化合物，經(jīng)光照吡啶酮18發(fā)生分子內(nèi)環(huán)加成反應(yīng)，得到光學(xué)純度為100%的內(nèi)酰胺20。（五）光化反應(yīng)第21頁/共31頁221、二苯乙二酮(21)與2倍量的KOH用研缽混合研磨，在80℃反應(yīng)12min后，混合物用稀酸洗凈，得酸22，產(chǎn)率90%。苯環(huán)上有吸電子基時(shí)反應(yīng)加快，有供電子基時(shí)反應(yīng)變慢。（六）用研缽研磨反應(yīng)第22頁/共31頁232、醛酮縮合反應(yīng)當(dāng)23中Ar為p-MeC6H4

和24中Ar’為Ph時(shí)，與NaOH在室溫下用研缽混合研磨5min，最初的液狀物變?yōu)榈S色固體，加水過濾得26(對甲基查耳酮)，收率97%。文獻(xiàn)共研究了7個(gè)具體的反應(yīng)，多數(shù)情況無溶劑比在50%乙醇水溶液中反應(yīng)收率要高。第23頁/共31頁24文獻(xiàn)報(bào)道用蒙脫土K-10擔(dān)載的Fe(NO3)3為氧化劑，使伯醇、仲醇氧化為醛和酮的反應(yīng)。用超聲波照射，反應(yīng)時(shí)間15～

60s醛或酮的產(chǎn)率達(dá)87%～

96%。文獻(xiàn)報(bào)道用Al2O3

擔(dān)載的醋酸鉀KAc與1-溴辛烷反應(yīng)，用超聲波照射，反應(yīng)時(shí)間2min，醋酸酯的產(chǎn)率達(dá)99%。（七）用超聲波照射反應(yīng)第24頁/共31頁25蒙脫土K-10為試劑級納米蒙脫土,系蒙皂石粘土（包括鈣基、鈉基、鈉-鈣基、鎂基蒙粘土）經(jīng)剝片分散、提純改型、超細(xì)分級、特殊有機(jī)復(fù)合而成，平均晶片厚度小于25nm，蒙脫石含量大于95%。具有良好的分散性能，可以廣泛應(yīng)用高分子材料行業(yè)作為納米聚合物高分子材料的添加劑，提高抗沖擊、抗疲勞、尺寸穩(wěn)定性及氣體阻隔性能等，從而起到增強(qiáng)聚合物綜合物理性能的作用，同時(shí)改善物料加工性能。

蒙脫土K-10，比表面積240m2/g

用途：固體路易斯酸(SolidLewisacid)催化劑，催化醚化/酯化反應(yīng)。第25頁/共31頁26文獻(xiàn)報(bào)道用醇27之粉末，在干燥器中與HCl氣體接觸反應(yīng)5h，得烯28，產(chǎn)率達(dá)99-100%。（八）在干燥器中反應(yīng)第26頁/共31頁27

在室溫下放置3h，產(chǎn)物31的產(chǎn)率為25%。顯然室溫下靜置能耗最少，最為簡易；其次是加熱靜置或加熱攪拌；相比之下其它機(jī)械方法能耗較高，或儀器多、操作較復(fù)雜。如2-甲基環(huán)己酮(29)與甲基乙烯基甲酮(30)在無溶劑條件下發(fā)生Robinson縮環(huán)反應(yīng)如下（九）加熱靜置或室溫下靜置反應(yīng)第27頁/共31頁28五、無溶劑有機(jī)合成反應(yīng)的類型一些較為典型的反應(yīng)類型(不再一一寫出具體的反應(yīng)實(shí)例)（一）熱反應(yīng)(1)氧化反應(yīng)：如Baeyer-Villiger氧化反應(yīng)(2)還原反應(yīng)：如用NaBH4使酮還原為醇(3)Cannizzaro歧化反應(yīng)：如將醛歧化為醇和酸(4)加成反應(yīng)：如鹵素和鹵化氫加成，Michael加成(5)消去反應(yīng)：如醇消去變?yōu)橄┑?8頁/共31頁29(6)C-C偶合反應(yīng)：[2+2][4+2][6+2]環(huán)加成反應(yīng)，包括Diels-Alder加成；醛酮縮合反應(yīng)；Dieckmann縮合反應(yīng)；Grignard，Reformasky；Wittig反應(yīng)；葉立德反應(yīng)；Claisen反應(yīng)；Robinson縮環(huán)反應(yīng)；Pinacol偶合反應(yīng)；酚之間的偶合反應(yīng)；炔化合物的氧化偶合反應(yīng)；C60

的加成與偶合反應(yīng)。(7)取代反應(yīng)：氨解，水解，酯交換，醚化。(8)聚合反應(yīng)。(9)重排與異構(gòu)：Pinacol重排，如二苯乙二酮轉(zhuǎn)位