6綠色有機(jī)合成課件

2023/7/201綠色化學(xué)

6.綠色有機(jī)合成百色學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)系主講：歐陽輝祥2023/7/202Contents原子的經(jīng)濟(jì)性1綠色原料2溶劑的革命3綠色催化劑4優(yōu)新合成路線5組合化學(xué)62023/7/2036.1原子的經(jīng)濟(jì)性6.1.1原子經(jīng)濟(jì)性的概念原子經(jīng)濟(jì)性的概念是1991年美國著名有機(jī)化學(xué)家Trost提出的，他以原子利用率衡量反應(yīng)的原子經(jīng)濟(jì)性：原子利用率=（預(yù)期產(chǎn)物的分子量／反應(yīng)物質(zhì)的原子量總和）×100%

原子利用率越高，反應(yīng)產(chǎn)生的廢棄物越少，對環(huán)境造成的污染也越少。2023/7/204

A+B=C+D

主產(chǎn)物副產(chǎn)物

反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物D往往是廢物，因此可成為環(huán)境的污染源。

綠色有機(jī)合成應(yīng)該是原子經(jīng)濟(jì)性的，即原料的原子100%轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，不產(chǎn)生廢棄物。如Diels-Alder反應(yīng)就是一個原子經(jīng)濟(jì)性的反應(yīng):

原子利用率=[82／(28+54)]×100%=100%2023/7/205在Witting反應(yīng)中

原子利用率=[14／356]×100%=3.93%2023/7/2066.2綠色原料6.2.1用碳酸二甲酯代替硫酸二甲酯

硫酸二甲酯(CH3)2SO4，是一種常用的甲基化試劑，但有劇毒且具有致癌性。目前，在甲基化反應(yīng)中，可用非毒性的碳酸二甲酯代替硫酸二甲酯。2023/7/2076.2.2用CO、CO2代替光氣光氣(學(xué)名：二氯化碳酰,有干草味

)是一種劇毒的氣體，曾在軍事上用作化學(xué)武器。但它是合成碳酸二甲酯、異氰酸酯、氨基甲酸酯等重要工業(yè)原料的試劑。2023/7/208碳酸二甲酯的合成2023/7/209氨基甲酸酯的合成

氨基甲酸酯是毒性較低的農(nóng)藥，也是重要的中間體，傳統(tǒng)工藝以胺和光氣合成。Riley,McGhee等用CO2和胺反應(yīng)直接生成異氰酸酯和氨基甲酸酯。2023/7/20106.2.3用安全的原料代替氫氰酸

氫氰酸（HCN）沸點(diǎn)為25.7℃，在室溫下是液體或氣體，劇毒，空氣中最高容許濃度為0.3毫克/立方米,當(dāng)濃度達(dá)到300毫克/立方米時,可使人立即死亡。以氫氰酸為原料的合成中,有機(jī)玻璃的單體-甲基丙烯酸甲酯和晴綸的單體-丙烯晴傳統(tǒng)的合成方法要以氫氰酸為原料。反應(yīng)以氫氰酸為原料，經(jīng)三個步驟得甲基丙烯酸甲酯，第二步反應(yīng)的副產(chǎn)物也是氫氰酸，因此是環(huán)境不友好的。2023/7/2011美國殼牌公司用丙炔-鈀催化甲氧碳基化合成甲基丙烯酸甲酯。新合成路線避免使用氫氰酸和濃硫酸，且原子利用率達(dá)到100%，是環(huán)境友好的。

2023/7/20126.2.4CO2為原料合成甲醇、乙醇

不少化學(xué)家致力于CO2的利用，探索以CO2為原料催化合成甲醇、乙醇的方法：

CO2加氫時，上述三個反應(yīng)同時進(jìn)行。但在相同條件下，以釕和鎳為催化劑，生成較高產(chǎn)率的甲烷；而以鉑和鈀為催化劑，生成較高產(chǎn)率的甲醇。2023/7/20136.2.5以生物質(zhì)為原料的有機(jī)合成

今天，95%以上的有機(jī)化學(xué)品來自石油，但是，地球上的煤和石油是有限的和不可再生的。因此，如何利用生物質(zhì)為原料生產(chǎn)人類需要的化學(xué)品就成為綠色有機(jī)合成的戰(zhàn)略任務(wù)。

很久以前，人類就懂得用淀粉發(fā)酵制酒，這是最古老的以生物質(zhì)為原料的合成。地球上最多的生物質(zhì)是木質(zhì)纖維素，如農(nóng)作物的稻桿、麥桿、高粱桿、玉米桿等，單中國每年就有15億噸，其中除少量用于造紙外，大部分都燒掉，既污染環(huán)境又造成浪費(fèi)。

2023/7/2014如果能把它們轉(zhuǎn)化成化學(xué)品，可制取2～3億噸乙醇、8000萬噸糠醛和3億噸木質(zhì)素，創(chuàng)造數(shù)百億元的價值，既保護(hù)環(huán)境又造福社會。1999年，美國的Biofine公司獲得美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎之小企業(yè)獎。他們的獲獎項(xiàng)目是把廢纖維轉(zhuǎn)化成乙酰丙酸。

反應(yīng)的原料可以是造紙廢物、城市固體垃圾、不可循環(huán)使用的廢紙、廢木材和農(nóng)業(yè)殘留物，用稀硫酸在200～220℃處理15分鐘，產(chǎn)率可達(dá)70%～90%，同時可得有價值的副產(chǎn)品甲酸和糠醛。

視頻-3石油的替代品——生物質(zhì)能源.flv視頻-4生物質(zhì)能——發(fā)電.flv2023/7/2015

6.3溶劑的革命有機(jī)溶劑由于揮發(fā)性大、毒性大而成為有機(jī)合成工業(yè)的主要污染源，環(huán)境友好的有機(jī)合成應(yīng)該盡量不用或少用有機(jī)溶劑。

美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎的獎項(xiàng)之一就是改進(jìn)溶劑和反應(yīng)條件獎。2023/7/20166.3.1超臨界CO2作溶劑超臨界流體是指處于超臨界溫度及壓力下的流體，它介于氣態(tài)和液態(tài)之間，密度接近于液體而粘度與擴(kuò)散系數(shù)接近于氣體，因而在萃取、分離、重結(jié)晶及合成反應(yīng)中表現(xiàn)出特有的優(yōu)越性。超臨界CO2尤以臨界溫度及壓力適中、無腐蝕不燃燒、廉價無毒而得到廣泛應(yīng)用。2023/7/2017表6.3.1超臨界萃取的應(yīng)用應(yīng)用范圍

應(yīng)用類別

醫(yī)藥工業(yè)

中草藥有效成分的提取、分離，藥品原料的濃縮、精制

食品工業(yè)

啤酒花、動植物油、咖啡因、植物色素的提取

化妝品、香料工業(yè)

天然香料、合成香料的分離和精制，化妝品原料的萃取

2023/7/2018超臨界CO2在有機(jī)物萃取中的應(yīng)用超臨界CO2萃取與傳統(tǒng)萃取工藝比較，具有萃取時間短、萃取費(fèi)用少、萃取更徹底、可進(jìn)行熱敏感樣品及痕量組分萃取等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于不穩(wěn)定天然產(chǎn)物和生物活性物質(zhì)的提取、分離，生產(chǎn)出近于完美的綠色產(chǎn)品。2023/7/2019

超臨界CO2用作有機(jī)合成的溶劑非對稱烯烴加氫時得到一對旋光對映異構(gòu)體，而合成的目標(biāo)只是其中一個。臨床上，旋光性藥物往往一種對映體有效，另一種無效甚至有毒。所以，合成出消旋的藥物不但原子利用率低，而且由于對映體的物理、化學(xué)性質(zhì)非常接近，其分離、提純非常困難。由此，旋光選擇性在制藥工業(yè)中顯得特別重要。

Burk小組以超臨界CO2

作溶劑，提高不對稱氫化的選擇性。

對映體過量百分?jǐn)?shù)2023/7/2020表6.3.2以超臨界CO2

作介質(zhì)的聚合反應(yīng)

反應(yīng)方式

反應(yīng)體系

相對分子質(zhì)量

溶液聚合

均聚

FOA

共聚

FOA+MMAFOA+St2.7×105

分散聚合

共聚

MMA2.7×105

沉淀聚合

自由基型丙烯酸

離子型異丁烯

1.5×105

乳液聚合

丙烯酰胺

7.1×106

2023/7/20216.3.2以水作溶劑有機(jī)化合物多數(shù)極性較低，水溶性很小，

所以，多數(shù)有機(jī)合成反應(yīng)都在有機(jī)溶劑中進(jìn)

行。然而，水是最廉價、無毒、環(huán)境友好的。因此，水相反應(yīng)成為綠色有機(jī)合成的一個熱點(diǎn)，而且研究結(jié)果表明，用水作溶劑在某些反應(yīng)中，比有機(jī)相中反應(yīng)可得到更高的產(chǎn)率或立體選擇性。

2023/7/20222000年，T.A.Bryson報道以甲酸鈉為還原劑，在250～350℃，約1300Psi，以水為溶劑，不需要其他共溶劑或催化劑，可把醛和一些酮還原成醇。2023/7/2023又如醛在酮存在下，用四丁基銨氰硼化氫在酸性HMPA或NaBH(S′Bu)3中，可極好地還原，但副產(chǎn)物對環(huán)境有害。而以水為溶劑，用3摩爾量的甲酸鈉還原醛和酮,反應(yīng)結(jié)束后，只需把有機(jī)物與水分離，蒸餾可得產(chǎn)物。2023/7/20246.3.3固相合成水相反應(yīng)避免了有機(jī)溶劑對環(huán)境的污染，但在工業(yè)生產(chǎn)中，廢水若處理不當(dāng)仍會產(chǎn)生環(huán)境問題。

固相反應(yīng)則是在無溶劑的條件下反應(yīng)，能在源頭上阻止污染物。目前研究成功的固相反應(yīng)，顯示了節(jié)省能源、無爆燃性等優(yōu)點(diǎn)，且產(chǎn)率高、工藝過程簡單，某些反應(yīng)還具有立體選擇性。

固相反應(yīng)包括雜環(huán)脫氫、烯烴環(huán)氧化臭氧化、醇氧化、硫醚氧化、酚氧化等；固相還原包括醌、酯、醛和環(huán)氧丙烷還原成醇，烯炔還原成烷，硝基、疊氮化合物還原成胺等都相當(dāng)成功。2023/7/2025

β-萘酚在FeCl3的作用下，偶聯(lián)成2，2-二羥基-1，1-聯(lián)萘。偶聯(lián)反應(yīng)反應(yīng)在液相進(jìn)行，收率低又伴隨副產(chǎn)物醌的生成；但采用固相反應(yīng)，以FeCl3·6H2O為氧化劑，在50℃反應(yīng)2小時，再經(jīng)稀HCl洗滌，便可得到產(chǎn)物，產(chǎn)率為95%。2023/7/2026長期以來，由于思想的束縛，人們一直認(rèn)為固體間的化學(xué)反應(yīng)必須在溶劑相中進(jìn)行，直到環(huán)境的惡化給地球帶來的災(zāi)難到了如此嚴(yán)重的地步，才反過來尋求環(huán)境友好的合成方法。今天，固相合成方法便成為有機(jī)合成的一個焦點(diǎn)，在組合化學(xué)中，為篩選高效的醫(yī)藥、農(nóng)藥、催化劑等作出巨大的貢獻(xiàn)。2023/7/20276.4綠色催化劑近年來，一些價廉易得、無污染、無腐蝕性的固體支持劑如沸石、分子篩、硅膠、石墨、樹脂等廣泛用作有機(jī)合成的催化劑，電催化、酶催化等也在有機(jī)合成中發(fā)揮越來越大的作用。2023/7/2028分子篩是一種多功能的催化劑，它可作為酸性催化劑，對反應(yīng)原料和產(chǎn)物也有篩分作用。最初的分子篩是天然沸石，即Si和Al組成的晶體化合物；目前，分子篩還可以是雜原子分子篩，可以由P,B,Ti等和Si或Al組成，已廣泛用于石油化工和精細(xì)化工生產(chǎn)中。分子篩催化劑2023/7/2029鈦硅分子篩催化劑以及化學(xué)修飾的無機(jī)介孔材料，由于具有良好的熱穩(wěn)定性而成為新研究熱點(diǎn)。

如環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)，傳統(tǒng)工藝為：反應(yīng)不僅以有毒的氯氣為原料，而且還伴生大量的氯化鈣廢水。鈦硅分子篩催化劑2023/7/2030以鈦硅分子篩為催化劑，丙烯與H2O2可經(jīng)一步反應(yīng)生成環(huán)氧丙烷由于生成的副產(chǎn)物是水，因此不會污染環(huán)境。2023/7/2031在醫(yī)藥工業(yè)生產(chǎn)中，合成旋光純的產(chǎn)品是化學(xué)家們苦苦追求的目標(biāo)。手性催化劑的作用是使反應(yīng)朝目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，直接合成旋光純的化合物，或目標(biāo)產(chǎn)物占絕對優(yōu)勢。手性催化2023/7/2032Monsate公司合成手性耐普生達(dá)第一步為電催化氧化，第二步為酸催化脫水，第三步手性催化得98.5%旋光純度的S-耐普生達(dá)。2023/7/20336.5.1更新合成路線

1999年，美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎把“更新合成路線獎”授予Lilly研究實(shí)驗(yàn)室，獎勵他們設(shè)計(jì)出更有效的、更少廢棄物的合成方法制備抗痙攣藥LY300164。6.5優(yōu)新合成路線2023/7/2034LY300164新舊合成路線對比舊合成路線:需要使用大量有機(jī)溶劑、產(chǎn)生含鉻污染物，并經(jīng)過一個效率低的還原過程。新合成路線:（每生產(chǎn)100公斤計(jì)算）可避免3.4萬升有機(jī)溶劑的使用；可避免300公斤含鉻污染物的產(chǎn)生；使原來的6個中間體減少為3個；減少工作人員對有害化學(xué)品的接觸，降低成本；產(chǎn)率從16%提高到55%。2023/7/20356.2綠色工藝的設(shè)計(jì)三廢的處理過程不應(yīng)產(chǎn)生新的污染，這樣才能實(shí)現(xiàn)減少或消除污染。更有實(shí)際意義的是綠色工藝的設(shè)計(jì)。化學(xué)工作者正是在探索污染物的防治、轉(zhuǎn)化、處理及綜合利用的途徑，積極改革舊工藝，探尋無污染或低排放的“綠色”新工藝中發(fā)揮著重要作用。例如有機(jī)化學(xué)家在有機(jī)合成工業(yè)中，提出對合成途徑原子利用率和E－因子的分析和估價，以此綜合考慮對原料的選取、能量的耗損、以及廢料的環(huán)境商值EQ等，探索新的合成工藝①。2023/7/2036E－因子定義為每生產(chǎn)1kg期望產(chǎn)品的同時產(chǎn)生的廢物的量，即E-因子=廢料質(zhì)量/產(chǎn)品質(zhì)量。表5-3列出了不同生產(chǎn)部門生產(chǎn)中環(huán)境所能接受的E-因子的大小。2023/7/2037從表中可看到，精細(xì)化工（如染料）和制藥工業(yè)的E－因子較大，主要廢料是在純化產(chǎn)品的反應(yīng)過程中產(chǎn)生的無機(jī)鹽。一般步驟多廢料就多。因此，減少合成步驟、無機(jī)鹽的形成，即開發(fā)無鹽生產(chǎn)工藝，可減少廢料向環(huán)境的排放。2023/7/2038環(huán)境商值EQ是綜合考慮廢物的排放量和廢物在環(huán)境中的毒性行為，用以評價各種合成方法相對于環(huán)境的好壞。

環(huán)境商EQ=E×Q

式中E即為E－因子，Q為根據(jù)廢物在環(huán)境中的行為給出的對環(huán)境不友好度例如，無害的NaCl和(NH4)2SO4若Q定為1，則有害重金屬離子的鹽類基于其毒性大小，其Q為100～1000。環(huán)境商值愈大，廢物對環(huán)境的污染愈嚴(yán)重，因此EQ值的大小是化學(xué)工程師衡量或選擇合理生產(chǎn)工藝的重要因素。2023/7/2039要降低EQ值，意味著要減少生產(chǎn)工藝過程中廢物的排放量，就是要提高合成工藝中的原子利用率。原子利用率定義為：為此，要選擇合適的途徑，提高原子利用率。除理論產(chǎn)率外，還需考慮和比較不同途徑的原子利用率，這是有關(guān)生產(chǎn)過程對環(huán)境產(chǎn)生的潛在影響的又一評價標(biāo)準(zhǔn)。2023/7/2040環(huán)氧乙烷（C2H4O）生產(chǎn)中，經(jīng)典工藝和新工藝（一步催化反應(yīng)）不同原子利用率的比較。總反應(yīng)原子利用率=44/173=25%經(jīng)典工藝2023/7/2041現(xiàn)代石油化學(xué)工藝原子利用率=100%2023/7/2042組合化學(xué)(CombinatorialChemistry)是近10年發(fā)展起來的新興化學(xué)前沿。1988年Furk等首先提出組合化的概念，1991年在一次專門會議上才正式使用這一名詞。1994年，美國化學(xué)文摘（CA）設(shè)立組合化學(xué)主題。1995年專業(yè)性期刊“MolecularDiversity(分子多樣性)”應(yīng)運(yùn)而生，1996年其影響因子高達(dá)6.000(同年,J.Am.Chem.Soc.為5.948,J.Org.Chem.為3.722)。6.6組合化學(xué)2023/7/2043目前，美國及歐洲一些國家相繼成立組合化學(xué)公司，專門進(jìn)行定向靶標(biāo)的組合化合物庫的合成，已取得一定的成果。據(jù)1998年不完全統(tǒng)計(jì)，與組合化學(xué)有關(guān)的專利發(fā)明已有174項(xiàng)；1997年市場總營業(yè)額為2.76億美元。2023/7/2044組合化學(xué)是一門將化學(xué)合成、組合理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及機(jī)器人結(jié)合為一體的技術(shù)。它根據(jù)