第四章綠色有機合成

1、第第4 4章章 綠色有機合成綠色有機合成4.1 高效化學催化的有機合成高效化學催化的有機合成v 4.1.1 固體酸催化的有機合成固體酸催化的有機合成l 固體超強酸催化劑固體超強酸催化劑l 分子篩催化劑分子篩催化劑l 雜多化合物催化劑雜多化合物催化劑l 高分子酸性催化劑高分子酸性催化劑v 4.1.2 固體堿催化的有機合成固體堿催化的有機合成l 概述概述l 固體堿制備方法固體堿制備方法l 應用應用v 4.1.3 離子液體催化劑離子液體催化劑l 概述概述l 離子液制備方法離子液制備方法l 應用應用Bronsted酸堿理論酸堿理論v 酸堿質子理論（Brnsted-Lowry酸堿質子論，布朗斯特-勞里酸

2、堿理論）是丹麥化學家布朗斯特和英國化學家湯馬士馬丁勞里于1923年各自獨立提出的一種酸堿理論。該理論認為：凡是可以釋放質子（氫離子，H+）的分子或離子為酸（布朗斯特酸），凡是能接受氫離子的分子或離子則為堿（布朗斯特堿）。v 按照酸堿質子理論，屬于酸的有：HCL、HAC、NH4-、AL(H2O)6、H2PO4-、HPO42-等。屬于堿的有：NH3、AL(H2O)5OH2+、CL-、AC-、HPO42-、PO43-等。同時還可以看出，酸和堿是統一在對質子的關系上：酸放出質子后變成了堿，而堿接受質子后就變成了酸。為了表示它們之間的聯系，常把酸堿之間的這種關系叫做共軛酸堿對。v 根據酸堿的質子理論，容

3、易放出質子（H+）的物質是強酸，而該物質放出質子后形成的堿就不容易同質子結合，因而是弱的堿。換言之，酸越強，它的共軛堿就越弱；反之，堿越強，它的共軛酸就越弱。Lewis酸堿理論酸堿理論v 布朗斯特酸堿理論概念的核心系于分子或離子間的質子轉移，顯然無法對不涉及質子轉移，但卻具有酸堿特征的反應做解釋.這一不足在布朗斯特概念提出的同年由美國化學家路易斯提出的另一個更廣的酸堿概念所彌補，但后者直到20世紀30年代才開始在化學界產生影響.v 酸堿電子理論（the electronic theory of acid and alkali），也稱廣義酸堿理論、路易斯（lewis）酸堿理論，是1923年美國物

4、理化學家吉爾伯特牛頓路易斯（Lewis G N）提出的一種酸堿理論，它認為：凡是可以接受外來電子對的分子、基團或離子為酸；凡可以提供電子對的分子、離子或原子團為堿。這種理論包含的酸堿范圍很廣。v 常見的Lewis酸： 正離子、金屬離子：鈉離子、烷基正離子、硝基正離子 受電子分子（缺電子化合物）：三氟化硼、三氯化鋁、三氧化硫、二氯卡賓v 常見的Lewis堿： 負離子：鹵離子、氫氧根離子、烷氧基離子、烯烴、芳香化合物 帶有孤電子對的化合物：氨、氰、胺、醇、醚、硫醇、二氧化碳固體超強酸催化劑固體超強酸催化劑固體超強酸：指比固體超強酸：指比100%硫酸的酸強度還高的固體酸。硫酸的酸強度還高的固體酸。

5、H0氫氧化物氫氧化物乙酸鹽。乙酸鹽。載體：載體：Al2O3、分子篩、活性碳、分子篩、活性碳、MgO、CaO、TiO2等。負載的先驅物：堿金屬、堿金屬氫氧化物、碳酸等。負載的先驅物：堿金屬、堿金屬氫氧化物、碳酸鹽、硝酸鹽、乙酸鹽等。鹽、硝酸鹽、乙酸鹽等。固體堿催化有機合成概述固體堿催化有機合成概述水滑石類材料是層狀氫氧化物，結構式水滑石類材料是層狀氫氧化物，結構式M12+M23+(OH)2(X+1)(A1/mm-)nH2O，M1為為Mg、Zn或或Ni，M2為為Al、Cr或或Fe，Am-為為Cl-、CO32-等。等。固體堿的制備方法固體堿的制備方法固體堿的制備方法：固體堿的制備方法： 浸漬法、共沉

6、淀法、水熱處理法、離子交換法等浸漬法、共沉淀法、水熱處理法、離子交換法等。1、水滑石類無機固體堿的制備、水滑石類無機固體堿的制備共沉淀法制備：共沉淀法制備： 在含有金屬鹽的溶液中加入沉淀劑，生成難溶的金屬在含有金屬鹽的溶液中加入沉淀劑，生成難溶的金屬水合氫氧化物或凝膠，并在沉淀條件下進行晶化，然后過水合氫氧化物或凝膠，并在沉淀條件下進行晶化，然后過濾、洗滌、干燥，即得濾、洗滌、干燥，即得LDHs。2、負載型無機固體堿的制備、負載型無機固體堿的制備固體堿的制備方法固體堿的制備方法A、共沉淀法制備、共沉淀法制備Mg(Al)O固體堿載體：固體堿載體： 將硝酸鎂和硝酸鋁的水溶液滴入含碳酸鈉和將硝酸鎂和

7、硝酸鋁的水溶液滴入含碳酸鈉和NaOH水溶液水溶液的三口瓶中，攪拌反應，的三口瓶中，攪拌反應，60保持保持1h，冷卻，過濾洗滌后將，冷卻，過濾洗滌后將產品產品100 下烘下烘16h，450 下焙燒下焙燒12h，破碎取，破碎取1230目顆粒。目顆粒。例如：負載磺化酞菁鈷（例如：負載磺化酞菁鈷（CoPcS）無機固體堿的制備）無機固體堿的制備B、混合法制備、混合法制備MgO/Al2O3固體堿載體：固體堿載體： 將粉末狀將粉末狀MgO和和Al2O3研磨均勻，加入適量水后壓成條狀，研磨均勻，加入適量水后壓成條狀，在在100 下烘下烘8h，200 下焙燒下焙燒8h，破碎取，破碎取1230目顆粒。目顆粒。C、

8、活性組分、活性組分CoPcS的負載：的負載： 采用浸漬法。將一定量的采用浸漬法。將一定量的CoPcS溶解在無水甲醇中，浸漬溶解在無水甲醇中，浸漬Mg(Al)O或或MgO/Al2O3固體堿載體固體堿載體24h，真空下脫甲醇，即得：，真空下脫甲醇，即得：Mg(Al)O-CoPcS或或MgO/Al2O3-CoPcS固體堿催化劑。固體堿催化劑。OHOHCH3OHCH3H3C+CH3OHH2O+MO+FeO固體堿的應用固體堿的應用1、烷基化反應、烷基化反應2、脫氫反應、脫氫反應+CH2CH3CH=CH2H2Fe-Cr-KFe-Ce-MoFe-Mg-K1 1、什么是離子液體？、什么是離子液體？離子液體離子

9、液體離子液體由有機陽離子與無機陰離子構成，在室溫下呈現液離子液體由有機陽離子與無機陰離子構成，在室溫下呈現液態(tài)的鹽類物質。態(tài)的鹽類物質。NNR2R1R3R5R4NR1R6R5R4R3R2NR1R4R3R2+PR1R4R3R2+典型陽離子典型陽離子咪唑陽離子咪唑陽離子吡啶陽離子吡啶陽離子季磷鹽陽離子季磷鹽陽離子季銨鹽陽離子季銨鹽陽離子典型陰離子典型陰離子AlCl4-CF3COO-CF3SO3-BF4-PF6- (CF3SO2)2N-第一階段離子液體第二階段離子液體 2 2、離子液體的性能特點、離子液體的性能特點離子液體離子液體低熔點低熔點蒸汽壓幾乎為零蒸汽壓幾乎為零液程寬：液程寬：200 密度、

10、酸度、黏度、密度、酸度、黏度、溶解性等性能的可溶解性等性能的可設計性設計性寬電化學窗口寬電化學窗口高熱穩(wěn)定性高熱穩(wěn)定性良好的溶解能力良好的溶解能力R2XNNR1R2X-離子液體離子液體 3 3、離子液體的制備方法（、離子液體的制備方法（舉例說明舉例說明）季銨化反應季銨化反應NNR1通過陰離子交換，可獲得功能各異的離子液體PF6-X-疏水性、低熱穩(wěn)定性疏水性、低熱穩(wěn)定性陰離子交換陰離子交換BF4-(CF3SO2)2N-良好溶解性，高電導率良好溶解性，高電導率高電導率、更低熔點高電導率、更低熔點2211( %)1*1MXRCOOMwSSS聞立新，常州大學碩士論文，聞立新，常州大學碩士論文，2011

11、吳建一，屠曉華等，中國發(fā)明專利，吳建一，屠曉華等，中國發(fā)明專利， 2010吳建一，屠曉華等，化學研究與應用，吳建一，屠曉華等，化學研究與應用，2010溶解度法溶解度法離子液體離子液體 4 4、離子液體的應用、離子液體的應用催化、催化、有機合成、電化學、納米技術、功能材料、分離工程、清潔有機合成、電化學、納米技術、功能材料、分離工程、清潔能源、生命科學等能源、生命科學等離子液體作為離子液體作為催化反應介質催化反應介質提高催化活性提高催化活性提高選擇性提高選擇性酶催化酶催化提高催化提高催化劑穩(wěn)定性劑穩(wěn)定性離子液體兩離子液體兩相系統相系統產品分離更產品分離更加便捷加便捷 離子液體替代可離子液體替代可

12、揮發(fā)性有機溶劑揮發(fā)性有機溶劑催化反應更加清潔催化反應更加清潔離子液體離子液體 4 4、離子液體的應用（舉例、離子液體的應用（舉例1 1） ORCO2OOOR+( 1atm )Ionic liquids,rt-2.4 V vs. Ag/AgClIL+ substrateBMImBF4中的固碳反應中的固碳反應Chem. Commun. 2002, By Y Deng et al反應在室溫及大氣壓進行反應在室溫及大氣壓進行無其他支持電解質及協同催化劑無其他支持電解質及協同催化劑離子液體離子液體 4 4、離子液體的應用（舉例、離子液體的應用（舉例2 2）+H2O2Ionic Liquid-Cataly

13、stH2O-H2O2OHAqueous phase H2O-H2O2IL + cat + benzeneCatILbenzeneH2O2phenolH2O-phenolILcatalyst離子液體離子液體/水兩相系統示意圖水兩相系統示意圖phenolreusedAt 50 for 6.0 h , C6H6/H2O2 =1, Green Chem, 2003, by Y. Deng et al.接近接近100%的高選擇性的高選擇性離子液體離子液體/水兩相系統可回收利用水兩相系統可回收利用離子液在有機合成中的應用離子液在有機合成中的應用離子液體即可作溶劑，也具有催化功能，可以應用在烷基化、離子液體

14、即可作溶劑，也具有催化功能，可以應用在烷基化、酰化、氧化、還原、異構化、酯化和羰基化等反應中。酰化、氧化、還原、異構化、酯化和羰基化等反應中。OHClClO2NOCH(CH3)2ClClO2NBrIonic liquidONaClClO2NNaOH離子液制備方法離子液制備方法1、一步合成法、一步合成法2、兩步合成法、兩步合成法包括酸堿中和和季銨化法，具有操作經濟簡便，產品包括酸堿中和和季銨化法，具有操作經濟簡便，產品易純化，無副產物的優(yōu)點。易純化，無副產物的優(yōu)點。先通過季銨化制得目標陽離子的鹵鹽先通過季銨化制得目標陽離子的鹵鹽(陽離子陽離子X)，再用目標，再用目標陰離子陰離子Y-置換出置換出X

15、-，得目標離子液體，得目標離子液體(陽離子陽離子Y)。4.2 生物催化的有機合成生物催化的有機合成v4.2.1 概述概述v4.2.2 酶催化的基本原理酶催化的基本原理l 鎖鑰學說鎖鑰學說l 誘導契合學說誘導契合學說l 酶的催化機理酶的催化機理v4.2.3 生物催化劑的主要種類生物催化劑的主要種類v4.2.4 生物催化反應的典型工藝生物催化反應的典型工藝v 有機合成發(fā)展方向之一：有機合成發(fā)展方向之一：高選擇性、高專一性。生物催高選擇性、高專一性。生物催化具有此特點。化具有此特點。v 酶催化有機合成優(yōu)點：酶催化有機合成優(yōu)點：l 酶是非常高效的催化劑。酶是非常高效的催化劑。l 酶是環(huán)境友好的。酶是環(huán)

16、境友好的。l 酶作用條件非常溫和。酶作用條件非常溫和。l 酶可以彼此相容。酶可以彼此相容。l 酶催化作用的底物和環(huán)境較廣。酶催化作用的底物和環(huán)境較廣。l 酶的適用范圍廣。酶的適用范圍廣。l 酶具有高度選擇性。酶具有高度選擇性。生物催化有機合成概述生物催化有機合成概述鎖鑰學說鎖鑰學說Fischer E在在1894年提出：年提出：酶與底物之間結構上有嚴格互補關系，像鎖和鑰那樣酶與底物之間結構上有嚴格互補關系，像鎖和鑰那樣機械相互作用，底物結構有微小變化，酶不能起作用。機械相互作用，底物結構有微小變化，酶不能起作用。缺陷：酶的結構是剛性的，與實際不符。缺陷：酶的結構是剛性的，與實際不符。誘導契合學說

17、誘導契合學說Koshland在在1958年提出：年提出：保留底物與酶的互補概念，但認為酶具有精細和柔軟結構，保留底物與酶的互補概念，但認為酶具有精細和柔軟結構，與底物是動態(tài)契合。與底物是動態(tài)契合。酶的催化機理酶的催化機理酶與其他催化劑一樣，僅可通過降低活化能提高反應速率。酶與其他催化劑一樣，僅可通過降低活化能提高反應速率。生物催化劑的主要種類生物催化劑的主要種類生物催化反應的典型工藝生物催化反應的典型工藝酶法生產酶法生產L-氨基酸氨基酸氨基酰化酶拆分底物?；被嵘砂被；覆鸱值孜秕；被嵘蒐-氨基酸。氨基酸。4.3 氟兩相系統的有機合成氟兩相系統的有機合成v 4.3.1 氟兩相系統的

18、反應原理氟兩相系統的反應原理v 全氟溶劑（全氟溶劑（perfluorous solvent）：）：l 碳原子上的氫原子全部被氟原子取代的烷烴、醚和胺。碳原子上的氫原子全部被氟原子取代的烷烴、醚和胺。v 全氟溶劑特點：全氟溶劑特點：l 密度大于普通有機溶劑。密度大于普通有機溶劑。l 無色、無毒，熱穩(wěn)定性好，是新興綠色溶劑。無色、無毒，熱穩(wěn)定性好，是新興綠色溶劑。l 是氣體的極好溶劑，能溶解大量的是氣體的極好溶劑，能溶解大量的H2、O2、N2、CO2等。等。l 對普通有機溶劑和有機化合物溶解性很差。對普通有機溶劑和有機化合物溶解性很差。氟兩相系統反應原理氟兩相系統反應原理氟兩相系統（氟兩相系統（f

19、luorous biphase system，FBS）：）： 一種非水液一種非水液-液兩相反應系統，即普通有機溶劑液兩相反應系統，即普通有機溶劑+全氟溶劑。全氟溶劑。4.3.2 氟兩相系統的應用實例氟兩相系統的應用實例OO+SCC(SO2C8F17)33全氟甲基環(huán)己烷35，8h1、Friedel-Crafts反應反應2、Diels-Alder反應反應BuOMeOMeBuOPhOPhCl+ZnCl2回流40htt全氟 2-丁基四氫呋喃,全氟三乙基胺4.4 相轉移催化的有機合成相轉移催化的有機合成v 4.4.1 概述概述v 相轉移催化相轉移催化(phase transfer catalysis,P

20、TC)l 利用特定的催化劑促使或加速分別處于互不相溶的兩種利用特定的催化劑促使或加速分別處于互不相溶的兩種溶劑中的物質發(fā)生反應的過程。溶劑中的物質發(fā)生反應的過程。v 相轉移催化優(yōu)點：相轉移催化優(yōu)點：l 反應速率快，時間短反應速率快，時間短l 副反應少，產物選擇性高副反應少，產物選擇性高l 反應條件溫和，能耗低反應條件溫和，能耗低l 溶劑價格便宜，無毒易回收，或直接以反應物為溶劑溶劑價格便宜，無毒易回收，或直接以反應物為溶劑l 相轉移催化劑價廉易得相轉移催化劑價廉易得l 工藝簡單，產品純度高工藝簡單，產品純度高4.4.2 相轉移催化反應原理相轉移催化反應原理常用相轉移催化劑：季銨鹽、冠醚常用相轉

21、移催化劑：季銨鹽、冠醚PTC提供親脂性陽離子，使反應物的陰離子從水相遷移至提供親脂性陽離子，使反應物的陰離子從水相遷移至有機相反應，生成產物。有機相反應，生成產物。4.4.3 相轉移催化反應的應用相轉移催化反應的應用1、醫(yī)藥合成、醫(yī)藥合成2、農藥合成、農藥合成亞甲基烷基化的氨基酸制備，亞甲基烷基化的氨基酸制備，PTC：(C4H9)4N+SO42-4.5 組合化學合成組合化學合成v 4.5.1 概述概述v 組合化學組合化學(combichem)：l 是一門將化學合成、計算機輔助分子設計，以及自動合成、是一門將化學合成、計算機輔助分子設計，以及自動合成、高通量篩選評價技術融為一體的科學。高通量篩選

22、評價技術融為一體的科學。l 將不同結構的模塊以鍵合方式系統地、反復地進行連接，形將不同結構的模塊以鍵合方式系統地、反復地進行連接，形成大批相關化合物（化學庫），通過對其進行快速性能篩選，成大批相關化合物（化學庫），通過對其進行快速性能篩選，找出具有最佳目標性能化合物的結構。找出具有最佳目標性能化合物的結構。v 組合化學特點：組合化學特點：l 通過少數幾步反應得到數以萬計的化合物分子，大大加快新通過少數幾步反應得到數以萬計的化合物分子，大大加快新化合物合成速度，解決篩選和合成的矛盾?；衔锖铣伤俣龋鉀Q篩選和合成的矛盾。4.5.2 組合化學合成原理組合化學合成原理傳統化學合成模式：傳統化學合成模

23、式：組合化學合成模式：組合化學合成模式：組合化學不再以單個化合物為目標逐個合成，而是選擇一系列結構、反應組合化學不再以單個化合物為目標逐個合成，而是選擇一系列結構、反應性能接近的構建模塊與另一構建模塊進行反應，得到所有組合的化合物。性能接近的構建模塊與另一構建模塊進行反應，得到所有組合的化合物。nn個化合物4.5.3 組合化學的應用組合化學的應用1、新藥研發(fā)領域：、新藥研發(fā)領域：2、無機功能材料合成領域：、無機功能材料合成領域：磁阻材料合成、超導材料合成、多相催化領域催化劑制備等。磁阻材料合成、超導材料合成、多相催化領域催化劑制備等。4.6 有機電化學合成有機電化學合成v 4.6.1 概述概述

24、v 有機電化學合成研究對象有機電化學合成研究對象l 各類電化學反應在電極各類電化學反應在電極/溶液界面上的熱力學與動力學溶液界面上的熱力學與動力學性質。性質。v 有機電化學合成主要研究內容有機電化學合成主要研究內容l 電極過程動力學電極過程動力學l 電極材料電極材料l 離子交換膜離子交換膜l 電化學反應器電化學反應器4.6.1 概述概述v 有機電化學合成優(yōu)點有機電化學合成優(yōu)點l潔凈潔凈l條件溫和條件溫和l副產物少副產物少l節(jié)能節(jié)能l易控易控l規(guī)模效應小規(guī)模效應小v 主要應用領域主要應用領域l-氨基酸、二茂鐵、乙醛酸、環(huán)氧化合物等有機化合物的合成。氨基酸、二茂鐵、乙醛酸、環(huán)氧化合物等有機化合物的合成。l新能源、特殊高分子材料等。新能源、特殊高分子材料等。l農藥、醫(yī)藥、環(huán)境污染處理等。農藥、醫(yī)藥、環(huán)境污染處理等。4.6.2 有機電化學合成原理有機電化學合成原理v 有機電化學合成必須具備的條件有機電化學合成必須具備的條件l 持續(xù)穩(wěn)定的直流電源持續(xù)穩(wěn)定的直流電源l 滿足滿足“電子轉移電子轉移”的電