有機(jī)合成新技術(shù)PPT.ppt

1、有機(jī)合成新技術(shù),有機(jī)合成新技術(shù)是指在近50年來(lái)發(fā)展起來(lái)的在較廣泛范圍內(nèi)應(yīng)用的合成技術(shù)，如非傳統(tǒng)溶劑（水、離子液體、超臨界流體、兩相介質(zhì)）中的有機(jī)合成、無(wú)溶劑有機(jī)合成、固相有機(jī)合成、外場(chǎng)（微波輻射、超聲波）等作用下的合成等。這些技術(shù)相對(duì)于合成某一產(chǎn)物所用的傳統(tǒng)技術(shù)，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：即提高反應(yīng)效率，節(jié)約能源，提高反應(yīng)的選擇性，減少副反應(yīng)，改善環(huán)境，更具有實(shí)用性，是相應(yīng)的經(jīng)典方法的補(bǔ)充和發(fā)展。,1. 非傳統(tǒng)溶劑中的有機(jī)合成,傳統(tǒng)的有機(jī)合成主要在有機(jī)溶劑中進(jìn)行。近30年來(lái)，有機(jī)合成反應(yīng)擴(kuò)展到了水、離子液體、超臨界流體和兩相介質(zhì)等溶劑體系中，使有機(jī)合成反應(yīng)向綠色化方向發(fā)展。,1.1. 水介質(zhì)中的有機(jī)合成

2、,水是一種廉價(jià)、安全、無(wú)污染的綠色溶劑，而有機(jī)溶劑具有易燃、易爆、易揮發(fā)、容易污染環(huán)境的缺點(diǎn)，因此，水介質(zhì)中的有機(jī)反應(yīng)是一類環(huán)境友好反應(yīng)。 人們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)許多有機(jī)反應(yīng)可以在水中進(jìn)行，但由于絕大部分有機(jī)物在水中溶解度小，而且許多試劑在水中不穩(wěn)定，所以早期科學(xué)家對(duì)水相中的有機(jī)反應(yīng)沒(méi)做進(jìn)一步研究。 20世紀(jì)80年代初，Breslow重新研究了水介質(zhì)中的有機(jī)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在水介質(zhì)中因疏水效應(yīng)可以大大提高反應(yīng)速率。水作介質(zhì)還可調(diào)控反應(yīng)的pH，使用環(huán)糊精和表面活性劑等添加劑可促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。有機(jī)反應(yīng)產(chǎn)物在水中的低溶解度又可減少產(chǎn)物的損失，提高反應(yīng)產(chǎn)率。,（5）縮合反應(yīng),在水/十二烷基硫酸鈉(SDS)體系中，10

3、mol%的二苯基硼酸催化，醛和烯醇三甲基硅醚反應(yīng)，高選擇性地得到順式取代的-羥基酮(80%94%)。,在水介質(zhì)中三乙基芐基氯化銨(TEBA)存在下，芳醛與4-羥基香豆素反應(yīng)合成了雙香豆素類衍生物。找到了一種合成該類化合物快速、方便、高效和潔凈的方法。,1.2. 離子液體作介質(zhì)的有機(jī)合成,離子液體又稱室溫熔融鹽，室溫下不發(fā)生結(jié)晶。早在1914年就首次合成了離子液體-EtNH3NO3。到了20世紀(jì)80年代，Magnuson等研究了EtNH3NO3作為反應(yīng)溶劑的性質(zhì)。其后人們合成了更多的離子液體并考查了它們作為有機(jī)溶劑的替代品在有機(jī)反應(yīng)中的應(yīng)用，開(kāi)拓了綠色合成的新領(lǐng)域。 離子液體基本上可以分為三類：

4、即AlCl3型離子液體，非AlCl3型離子液體和其他特殊的離子液體。由于AlCl3型離子液體的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性差，我們主要介紹非AlCl3型離子液體，特別是含咪唑雜環(huán)和吡啶雜環(huán)的離子液體。,1.2.1離子液體的命名,離子液體的命名，用系統(tǒng)命名法名稱太長(zhǎng)，所以通常用標(biāo)記法。正離子的標(biāo)記：N,N(或1,3)取代的咪唑離子記為R1R3im+，N-乙基-N-甲基咪唑陽(yáng)離子記為emim+，如果咪唑環(huán)的2-位上還有取代基則記為R1R2 R3im+。吡啶環(huán)氮原子上有取代基R記為RPy+，一般季銨鹽離子如二甲基乙基丁基銨記為N1124+。以咪唑和吡啶為基體的離子液體如1-丁基-3-甲基咪唑四氟化硼bmim

5、+BF4-，1-丁基-3-甲基咪唑六氟化磷bmim+PF6-，正-丁基吡啶四氯化鋁n-bPy+AlCl4-。,1.2.1離子液體的結(jié)構(gòu)及其特性,常用的離子液體其結(jié)構(gòu)基本上由雜環(huán)陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)陰離子所構(gòu)成。含雜環(huán)陽(yáng)離子咪唑和吡啶都是具有芳環(huán)性的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。咪唑陽(yáng)離子是咪唑環(huán)上3-位氮原子的孤對(duì)電子與H+或R+結(jié)合所形成的一種特殊季銨鹽，由于有大鍵，正電荷分散在整個(gè)環(huán)上，1,3-位的氮原子變?yōu)榈韧－h(huán)的2,4,5-位的碳原子也可以有取代基。當(dāng)吡啶環(huán)上氮原子的孤對(duì)電子與H+或R+結(jié)合時(shí)，形成吡啶鹽，由于存在大鍵，正電荷被分散到整個(gè)環(huán)上。 離子液體的陰離子主要有：BF4-，PF6-，OTf(CF3SO3-

6、)，NTf2-N(CF3SO2)2-，CP3COO-，CTf3C(CF3SO2)3 -，C3H7COO-，PO43-等。,1.2.3離子液體的制備,1.2.4離子液體在有機(jī)合成中的應(yīng)用,（1）取代反應(yīng),（2）縮合反應(yīng),Pechmann縮合,Knoevenagel 縮合,（3）氧化反應(yīng)和還原反應(yīng),R1: 烴基， 氫 R2: 烴基， 苯基,（4）酯化反應(yīng),（5）重排反應(yīng),（6）Diels-Alder反應(yīng),bmimBF4,P2O5,80C 2h，轉(zhuǎn)化率97.2%，選擇性96.8%,emimAlCl4,1 ： 19,（7）加成反應(yīng),1.3. 超臨界流體中的有機(jī)合成,當(dāng)一物質(zhì)所處的溫度和壓力分別超過(guò)其臨

7、界溫度（Tc）和臨界壓力（pc），并且其密度接近或高于臨界密度（c）時(shí)，即被認(rèn)為是超臨界流體（Supercritical Fluid，SCF）。SCF兼具氣體和液體的特性，在溶解能力方面與液體相似，而其粘度和擴(kuò)散系數(shù)與氣體相似，其密度取決于壓力，并可連續(xù)從氣相值變至液相值。與有機(jī)溶劑相比，超(近)臨界流體(S/NCF)作溶劑可以消除溶劑殘留、有機(jī)廢液及操作煩瑣等諸多不利因素，還具有突變性和可調(diào)性。特別是在臨界點(diǎn)附近，溫度和壓力的微小變化，會(huì)顯著影響S/NCF的密度及與密度相關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)如粘度、介電常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)、溶解度參數(shù)等，因而可以通過(guò)控制體系的溫度和壓力來(lái)控制體系的溶解特性、傳質(zhì)和傳熱

8、特性及反應(yīng)特性，進(jìn)而使反應(yīng)和分離過(guò)程可控。此外，對(duì)于CO2等S/NCF溶劑還可以利用共溶劑來(lái)提高其溶解特性，并借之對(duì)反應(yīng)和分離進(jìn)行控制。,1.3.1. 超臨界水中的有機(jī)合成,P. E. Savage, Organic Chemical Reactions in Supercritical Water, Chem. Rev., 1999, 99 (2): 603622,1.3.2. 超臨界二氧化碳中的有機(jī)合成,R. S. Oakes, A. A. Clifford, C. M. Rayner, The use of supercritical fluids in synthetic organi

9、c chemistry, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 2001, 917-941,（1）Hydrogenation,（2）Hydroformylation,（3）Photochemical and radical reactions,In liquid CO2, a slight increase in conversion of 43 to 44 (4443 = 5.51 at 83 bar, 6.81 at 214 bar). Under supercritical conditions, the same pressure change gave a

10、more pronounced variation (1.4 :1 to 7.0:1).,（4）DielsAlder cycloaddition reactions,The selectivity for 80 increases as pressure (or density) increases at constant temperature. At constant pressure, the selectivity decreases with temperature.,（5）Oxidation reactions,The reaction gave good conversion (

11、93%) and selectivity for 105 (93%) at 40C with an oxygen pressure of 1 bar. Increasing the oxygen pressure to 10 bar, increased both conversion (99.4%) and selectivity (96.6%). The identical reaction in DME solution gave only 46% conversion although addition of HMPA increased this to 92%.,Epoxidatio

12、n of allylic alcohol 110 at 25C gave a poor enantioselectivity (16% ee, 93% yield), however at 0C this was improved to 87% ee, with a quantitative conversion after 72 hours.,（6）Palladium mediated coupling reactions,A superior yield of methyl cinnamate 117 (92%), much more than reported in convention

13、al solvent .,The rate of reaction is faster than in conventional organic solvent.,1.4.1. 相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)原理,PTC的催化反應(yīng)原理,1.4. 兩相介質(zhì)中的有機(jī)合成相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng),相轉(zhuǎn)移催化劑（phase transfer catalyst，簡(jiǎn)稱PTC）是能夠使一些負(fù)離子（還有一些正離子或中性分子）從一相轉(zhuǎn)移到另一相的催化劑。相轉(zhuǎn)移催化劑分三大類： （1）鎓鹽，包括季銨鹽、季磷鹽、季砷鹽和叔硫鹽，其中季銨鹽催化劑具有價(jià)格便宜，毒性小等優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛的應(yīng)用； （2）聚醚，包括冠醚、穴醚和開(kāi)鏈聚醚； （3）

14、高分子支載相轉(zhuǎn)移催化劑。,1.4.2. 相轉(zhuǎn)移催化劑,高分子載體催化劑是一種不溶性的固體催化劑，亦稱為三相催化劑。用于加速水-有機(jī)兩相體系反應(yīng)。該催化劑的高分子部分是有機(jī)硅的聚合體或交聯(lián)聚苯乙烯，功能基大致分為三類：鎓鹽型、冠醚型和共溶劑型。,1.4.3. 相轉(zhuǎn)移催化在有機(jī)合成中的應(yīng)用,(1) 烴基化反應(yīng),NaOH,(2) 消去反應(yīng),(3) 氧化還原反應(yīng),相轉(zhuǎn)移催化用于氧化還原反應(yīng)，能夠加速反應(yīng)進(jìn)行，增加反應(yīng)的選擇性，顯示了一些獨(dú)特的作用。常用的氧化劑和還原劑多為無(wú)機(jī)物，如KMnO4、K2Cr2O7、NaOCl、H2O2、NaBH4等。它們都是水溶性的，在有機(jī)溶劑中的溶解度很小，因此將無(wú)機(jī)氧化

15、(還原)劑的水溶液加入有機(jī)物中進(jìn)行氧化(還原)，結(jié)果一般不理想，有的甚至幾乎沒(méi)有反應(yīng)發(fā)生。在相轉(zhuǎn)移催化下，這些氧化(還原)劑可以借助于催化劑轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中使氧化還原反應(yīng)在溫和條件下進(jìn)行，得到高產(chǎn)率的產(chǎn)物。,NaBH4,(4) 加成和縮合,式中R1=烷基，芳基；R2=R3=H，烷基，芳基；X=Cl, Br, I。,(5) 羰基化反應(yīng),(6) 聚合反應(yīng),2. 無(wú)溶劑有機(jī)合成,無(wú)溶劑有機(jī)合成包括作用物在負(fù)載混合物存在下進(jìn)行的反應(yīng)和作用物不須負(fù)載混合物直接進(jìn)行的反應(yīng)。它們又稱干反應(yīng)。 前者通常以無(wú)機(jī)固體如三氧化二鋁、硅膠等為介質(zhì)，只需把負(fù)載混合物于適當(dāng)溫度下放置，間或振動(dòng)即可，操作十分簡(jiǎn)便。后者把固體

16、作用物（固-液作用物）在瑪瑙乳缽中研磨或在反應(yīng)瓶中加熱即可，操作也很方便。產(chǎn)物均可用溶劑萃取或用柱層析分離，后處理亦很方便。,（1）烷基化反應(yīng),4 5 6,乙酰乙酸乙酯烷基化產(chǎn)物分布,（2）?；磻?yīng),（3）縮合反應(yīng),（4）加成反應(yīng),（5）氧化反應(yīng),酮的Baeyer-Villiger固態(tài)氧化,3. 固相有機(jī)合成及組合化學(xué),所謂固相有機(jī)合成（solid phase organic synthesis）就是把底物或催化劑錨合在某種固相載體上再與其它試劑反應(yīng)，生成的化合物連同載體經(jīng)過(guò)濾、淋洗就可與試劑及副產(chǎn)物分離，這一過(guò)程可以重復(fù)多次以制備具有多個(gè)重復(fù)單元或不同單元的復(fù)雜化合物，最后將最終產(chǎn)物從載體上

17、解脫下來(lái)。 固相合成所用的載體，一般是由1%2%的二乙烯基苯和苯乙烯共聚生成的低交聯(lián)聚苯乙烯樹(shù)脂，在樹(shù)脂的苯環(huán)上引入氯甲基、氨基、羥基等以便與底物結(jié)合。,3.1. 固相有機(jī)合成,（1）多肽固相合成,液相合成,固相合成,（2）固相一般有機(jī)合成,高分子支載保護(hù)基,高分子支載反應(yīng)物,2,R = n-Bu, i-Bu, i-Pr, Bn, p-MeOBn, Ph, et al. 總收率60%90%,3.2. 組合合成法,組合化學(xué)（Combinatorial Chemistry）就是基于一系列合成砌塊（building block），可能發(fā)生不同的組合方式，從而可快速合成數(shù)目巨大的化學(xué)實(shí)體，構(gòu)建化合物庫(kù)

18、。配合高通量篩選（high throughput screening，HTS），在同一時(shí)間內(nèi)合成數(shù)目眾多、用于性能評(píng)價(jià)的群集分子，如肽類、寡核苷酸和非聚合型的有機(jī)化學(xué)分子。,組合合成速度的實(shí)現(xiàn)在于摒棄了許多在合成中被固守的規(guī)則，即把所有化合物和中間體完全純化與表征的規(guī)則，取而代之的是使用可靠的化學(xué)反應(yīng)以及簡(jiǎn)單而有效的純化方法。在傳統(tǒng)的化學(xué)中，化合物被單獨(dú)制備，在組合化學(xué)中，起始原料范圍內(nèi)所有產(chǎn)物都有制備的潛在機(jī)會(huì)。傳統(tǒng)化學(xué)與組合化學(xué)對(duì)比可以用下圖表示：,4. 外場(chǎng)作用下的有機(jī)合成 4.1. 微波輻射有機(jī)合成,微波的頻率大致在300 MHz - 300 GHz，即波長(zhǎng)在100 cm至1 mm 范

19、圍內(nèi)的電磁波，它位于電磁波譜的紅外輻射（光波）和無(wú)線電波之間，因而只能激發(fā)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷。 微波應(yīng)用于合成化學(xué)始于1986年Gedye等對(duì)微波爐內(nèi)酯化、水解、氧化和親核取代反應(yīng)以及Giguere等對(duì)微波爐內(nèi)蒽和馬來(lái)酸二甲酯的Diels-Alder環(huán)加成反應(yīng)的研究。短短二十幾年時(shí)間，微波促進(jìn)反應(yīng)的研究已發(fā)展成為一個(gè)引人注目的全新領(lǐng)域MORE化學(xué)（Microwave-Induced Organic Reaction Enhancement Chemistry）。 微波作用下的反應(yīng)速度比傳統(tǒng)的加熱方法快數(shù)倍甚至上千倍，具有操作方便、產(chǎn)率高及產(chǎn)品易純化等優(yōu)點(diǎn)，因此微波有機(jī)合成幾乎涉及所有類型的有機(jī)

20、化學(xué)反應(yīng)。目前，微波有機(jī)合成化學(xué)的研究主要集中在三方面：第一，微波有機(jī)合成反應(yīng)技術(shù)的進(jìn)一步完善和新技術(shù)的建立；第二，微波在有機(jī)合成中的應(yīng)用及反應(yīng)規(guī)律；第三，微波化學(xué)理論的系統(tǒng)研究。,4.1.1. 微波促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,關(guān)于微波能加速有機(jī)反應(yīng)的原因，目前學(xué)術(shù)界有兩種不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)： 一種觀點(diǎn)認(rèn)為，雖然微波是一種內(nèi)加熱，具有加熱速度快、加熱均勻、無(wú)速度梯度、無(wú)滯后效應(yīng)等特點(diǎn)，但微波應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)僅僅是一種加熱方式，與傳統(tǒng)的加熱方式一樣，對(duì)某個(gè)特定的反應(yīng)而言，在反應(yīng)物、催化劑、產(chǎn)物不變的情況下，該反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不變，與加熱方式無(wú)關(guān)。他們認(rèn)為，微波用于化學(xué)反應(yīng)的頻率245 MHz屬于非電離輻射，在與分子的化學(xué)鍵發(fā)生共振 時(shí)不可能引起化學(xué)鍵斷裂，也不能使分子激發(fā)到更高的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)能級(jí)，微波對(duì)化學(xué)反應(yīng)的加速主要?dú)w結(jié)為對(duì)極性有機(jī)物的選擇性加熱，即微波的致熱效應(yīng)。,另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，微波對(duì)化學(xué)反應(yīng)的作用是非常復(fù)雜的，一方面是反應(yīng)物分子吸收了微波能量，提高了分子運(yùn)動(dòng)速度，致使分子運(yùn)動(dòng)雜亂無(wú)章，導(dǎo)致熵增加；另一方面微波對(duì)極性分子的作用，迫使其按照電磁場(chǎng)作用方式運(yùn)動(dòng)，每秒變化2.45109次，導(dǎo)致了熵的減小，因此微