huagong綠色有機(jī)合成

huagong綠色有機(jī)合成第1頁/共94頁2023/3/112［教學(xué)內(nèi)容］：18.1綠色化學(xué)18.2選擇綠色合成原料或反應(yīng)起始物18.3選擇使用無毒無害的溶劑和助劑與無溶劑反應(yīng)18.4選擇原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)18.5合理選擇合成反應(yīng)技術(shù)第2頁/共94頁2023/3/11318章綠色有機(jī)合成18.1綠色化學(xué)18.1.1原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)18.1.2綠色化學(xué)的原理18.1.3綠色有機(jī)合成第3頁/共94頁2023/3/114綠色化學(xué)概述毫無疑問，化學(xué)對人類做出了巨大貢獻(xiàn)，以至于我們每個(gè)人的衣食住行都與化學(xué)有關(guān)?？梢哉f，是化學(xué)尤其是有機(jī)合成化學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步，在更大程度上提高了人類的生活質(zhì)量，改變了人類的生活方式例如，藥品的發(fā)展減輕了人類的病痛，延長了人類的壽命；農(nóng)藥、化肥的大力發(fā)展使人類得以增產(chǎn)增收，減輕了人口增長對食物需求的壓力；聚合物技術(shù)的創(chuàng)新促進(jìn)了制衣等日用產(chǎn)品和建筑材料以及電視、電話、計(jì)算機(jī)等高科技產(chǎn)品部件的更新?lián)Q代。

第4頁/共94頁2023/3/115然而不可否認(rèn)，傳統(tǒng)的合成化學(xué)方認(rèn)已經(jīng)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，人類也正面臨有史以來最嚴(yán)峻的環(huán)境危機(jī)。人口急增，資源消耗殆盡，大氣污染，臭氧層破壞，全球變暖，海洋污染，土地退化和沙漠化，森林銳減，生物多樣性減少，環(huán)境公害，有毒化學(xué)品和危險(xiǎn)廢物等都是威脅人類生存的環(huán)境問題。如此嚴(yán)重的問題，有機(jī)化學(xué)尤其是有機(jī)合成化學(xué)工業(yè)應(yīng)負(fù)有主要責(zé)任。

第5頁/共94頁2023/3/116因?yàn)槭聦?shí)證明，苯胺曾經(jīng)是合成柒料的重要中間體，但是它強(qiáng)烈的致癌作用當(dāng)時(shí)并未認(rèn)識到；酯化反應(yīng)中使用的催化劑——無機(jī)酸的使用向環(huán)境排放了大量的有害廢水；付-克反應(yīng)中AlCl3等lewis催化劑的使用對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，對人身造成危害；有機(jī)反應(yīng)使用的有機(jī)溶劑如苯、醚、氯仿等通常揮發(fā)性較大，它們是嚴(yán)重的大氣污染源。近年來受到極大關(guān)注的環(huán)境污染元兇二噁英也是制備許多有用的工業(yè)助劑和農(nóng)用化學(xué)品的副產(chǎn)物。諸如此類，有機(jī)合成化學(xué)工業(yè)帶來的污染隨處可見。第6頁/共94頁2023/3/117以往解決污染問題的主要手段是治理、停產(chǎn)甚至關(guān)閉生產(chǎn)線，國家也曾因此花費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。但是多年來治理污染的經(jīng)驗(yàn)告訴人們，只注重末端治理的方法投資大、收效小。到20世紀(jì)90年代，污染治理的觀念才由末端治理升華到以預(yù)防為主，即防患于未然的理念。

第7頁/共94頁2023/3/118尤其是近年來，可持續(xù)發(fā)展的理念得到了社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等多方面的足夠重視，化學(xué)家提出了與傳統(tǒng)治理污染不同的“綠色化學(xué)”概念。綠色化學(xué)不是治理污染，而是防止污染產(chǎn)生的一種新觀念。它是開發(fā)從源頭解決污染問題的一門科學(xué)：對環(huán)境保護(hù)及社會的可持絞發(fā)展重有重大意義。

第8頁/共94頁2023/3/119綠色化學(xué)的定義綠色化學(xué)(greenchemistry)又稱為環(huán)境無害化學(xué)(enviromentallybenignchemistry)、環(huán)境友好化學(xué)(enviromentallyfriendlychemistry)、清潔化學(xué)(cleanchemistry)。綠色化學(xué)的定義是利用化學(xué)的技術(shù)和方法去減少或消滅那些對人體健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑和試劑、產(chǎn)物及副產(chǎn)物等的使用和生產(chǎn)。綠色化學(xué)的理想在于不再使用有毒、有害的物質(zhì)，不再產(chǎn)生廢物，不再處理廢物。它是一門從源頭上防止污染的化學(xué)，是一種能最大限度地從資源合理利用、環(huán)境保護(hù)及生態(tài)平衡等方面滿足人類可持續(xù)發(fā)展的化學(xué)。因此，綠色化學(xué)的研究成果對解決環(huán)境問題是有根本意義的。第9頁/共94頁2023/3/1110綠色化學(xué)的定義綠色化學(xué)的主要特點(diǎn)是原子經(jīng)濟(jì)性，也就是說，在獲取新物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程中充分利用每個(gè)原料的原子，實(shí)現(xiàn)“零排放”。因此，它既可以充分利用資源，又不產(chǎn)生污染。傳統(tǒng)化學(xué)向綠色化學(xué)的轉(zhuǎn)變可以看做是化學(xué)從“粗放型”向“集約型”的轉(zhuǎn)變。

第10頁/共94頁2023/3/1111綠色化學(xué)的定義綠色化學(xué)的核心問題是研究新反應(yīng)體系，包括研究新合成方法和路線、尋找新的化學(xué)原料、探索新的反應(yīng)條件、設(shè)汁和研制綠色產(chǎn)品等。從理論上講，綠色化學(xué)要求通過對有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)研究探索新興化學(xué)鍵的形成和斷裂的可能性及其選擇性的調(diào)節(jié)與控制，發(fā)展新型化學(xué)反應(yīng)和工藝過程，推動化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

第11頁/共94頁2023/3/111218.1.1原子的經(jīng)濟(jì)性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。第12頁/共94頁2023/3/1113

A+B=C+D

主產(chǎn)物副產(chǎn)物

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(gè)原子經(jīng)濟(jì)性的反應(yīng):

原子利用率=[82／(28+54)]×100%=100%它往往是廢物，可成為環(huán)境的污染源第13頁/共94頁2023/3/111418.1綠色化學(xué)

注意：Wittig反應(yīng)是一個(gè)在精細(xì)合成中非常有用的反應(yīng)，

Wittig因此而獲得1979年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。但Wittig反應(yīng) 在今天卻不符合綠色化學(xué)的要求。O+Ph3PCH2CH2+Ph3PO9827696278Ph3P+MeBr-Ph3P=CH2R1CR2

原子利用率＝96/（96+278）＝26%此反應(yīng)為了利用原料276份質(zhì)量中的14份質(zhì)量，產(chǎn)生了278份質(zhì)量的“廢物”，反應(yīng)的原子利用率僅為26%。

OR1R2C=CH2+Ph3PO堿反應(yīng)的產(chǎn)率可達(dá)80％以上，原子利用率僅有4％左右。

在Witting反應(yīng)中第14頁/共94頁2023/3/111518.1.2綠色化學(xué)原理

研究綠色化學(xué)的先驅(qū)者們總結(jié)出了這門新型學(xué)科的基本原理，為綠色化學(xué)今后的研究指明了方向。

(1)防止污染(prevention)優(yōu)于治理污染防止污染的產(chǎn)生而不是在污染產(chǎn)生后再進(jìn)行治理。近20年間，用于化學(xué)和化工過程的后處理以及廢物處置費(fèi)用占化學(xué)產(chǎn)品成木的比重越來越大。利用綠包化學(xué)的方法就可減少或消除污染，從而減免了因治理污染所帶來的費(fèi)用支出，而防止污染要比治理污染費(fèi)用小得多。第15頁/共94頁2023/3/111618.1.2綠色化學(xué)原理(2)原子經(jīng)濟(jì)性(atomeconomy)

過去在評價(jià)一個(gè)合成反應(yīng)的效率時(shí)，通常使用產(chǎn)率這個(gè)概念。如果一個(gè)合成反應(yīng)的產(chǎn)率達(dá)100％，就認(rèn)為是一個(gè)非常完美的合成方法。但從綠色化學(xué)的角度看來，這種衡量標(biāo)猴存在較大的缺陷。

1991年，美國著名化學(xué)家Trost提出原子經(jīng)濟(jì)性(atomcconomy)的概念來評估化學(xué)反應(yīng)的效率。它考察的是有多少反應(yīng)物的原子進(jìn)入目標(biāo)分子中去。理想的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)應(yīng)該是反應(yīng)物原子100％地轉(zhuǎn)化到目標(biāo)廣物中，而沒有原子生成其他副產(chǎn)物。

第16頁/共94頁2023/3/111718.1.2綠色化學(xué)原理

(3)無害化學(xué)合成(1esshazardouschemicalcynthesis)無害化學(xué)合成是設(shè)計(jì)只采用和生產(chǎn)低毒或無毒化學(xué)品的合成，由于危險(xiǎn)來自于危害性和暴露性兩個(gè)方面，減少或消除任一方面都可降低危險(xiǎn)性。避免暴露固然可行，但降低毒性的生產(chǎn)才是根本的辦法。因此，只要可能，應(yīng)盡量采用毒性小的合成路線。第17頁/共94頁2023/3/111818.1.2綠色化學(xué)原理(4)設(shè)計(jì)安全化學(xué)品(designsaferchemicals)任何物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)與其性能之間都存在著內(nèi)在的聯(lián)系，尤其在毒性作用機(jī)理以及分子結(jié)構(gòu)的表征與控制方面快速發(fā)展的今天，安全化學(xué)品的設(shè)計(jì)已成為可能。安全化學(xué)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在具有最大的期望功能與性質(zhì)的同時(shí)把它們的毒性降到最低限度。

第18頁/共94頁2023/3/111918.1.2綠色化學(xué)原理(5)使用安全溶劑和助劑(safersoIventsandauxiliaries)

這一原理是希望在合成反應(yīng)過程中盡可能不使用助劑和溶劑，如果必須使用時(shí)應(yīng)選擇無毒無害的助劑，因?yàn)橹鷦┎荒苓M(jìn)入最終的產(chǎn)物之中，只能成為廢物流中的一部分而造成環(huán)境污染。目前，解決的辦法是在必須使用助劑時(shí)選擇下列無公害的綠色助劑：

①水作溶劑。與有機(jī)溶劑相比，水是理想的環(huán)境無害溶劑，因?yàn)樗粫黾訌U物流的濃度，尤其是超臨界水的使用效果更理想；

②超臨界流體作溶劑，如超臨界CO2

③無溶劑反應(yīng)。開發(fā)無溶劑反應(yīng)的途徑之一是設(shè)法尋找能起溶劑作用的反應(yīng)試劑。另外，設(shè)法使反應(yīng)物在熔融態(tài)下或者在固相表面直接反應(yīng)，這些途徑都可避免使用助劑或溶劑。第19頁/共94頁2023/3/112018.1.2綠色化學(xué)原理(6)設(shè)計(jì)能源經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)(designforenergyefficiency)合成反應(yīng)所需的能量包括反應(yīng)活化能、加熱、冷卻、高壓、真空、超聲以及產(chǎn)物分離提純所需的能量，這些能耗都給經(jīng)濟(jì)效益帶來較大的限制。為提高經(jīng)濟(jì)效益，盡可能使合成技術(shù)在環(huán)境溫度和壓力下進(jìn)行。為此，開發(fā)和使用催化劑可使反應(yīng)途徑改變，使反應(yīng)易于進(jìn)行。

第20頁/共94頁2023/3/112118.1.2綠色化學(xué)原理(7)使用可再生原料(uscofrenewablefeedstocks)可再生（更新)原料一般是指各種生物質(zhì)（biomass)原料，包括草類、木本植物、農(nóng)作物和森林殘余物。其他在有限時(shí)間內(nèi)可再生的物質(zhì)也屬于可再生資源。太陽能也可看做是一種可持續(xù)能源。而枯竭原料主要是指化石燃料(fossilfuel)。與枯竭原料相比，可再生原料沒有枯竭的威脅，也不會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)方面的壓力。

第21頁/共94頁2023/3/112218.1.2綠色化學(xué)原理(8)盡量避免不必要的衍生步驟

經(jīng)過前幾章的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道，在設(shè)計(jì)一個(gè)化合物的合成路線時(shí)，為了提高選擇性，常常使用導(dǎo)向和保護(hù)的方法，待反應(yīng)結(jié)束后再除去導(dǎo)向基和保護(hù)基。顯然，這些步驟是合成過程中多余的衍生步驟，不僅消耗資源，而且必然產(chǎn)生廢物。因此，在合成中應(yīng)最大限度地避免衍生步驟，以降低原料消耗和環(huán)境污染。第22頁/共94頁2023/3/112318.1.2綠色化學(xué)原理(9)催化劑優(yōu)于化學(xué)計(jì)量試劑由于催化劑可以提高反應(yīng)的選擇性，因此使用催化劑可使副產(chǎn)物減少或不產(chǎn)生。此外，催化劑可降低反應(yīng)的活化能，因此反應(yīng)所需的能量也就降低了。(10)降解設(shè)計(jì)(designfordegradation)

化學(xué)品在被使用后若仍然保持原狀，在環(huán)境中就很容易被動植物吸收并在體內(nèi)累積放大，從而對人類和生物體產(chǎn)生危害。設(shè)計(jì)在使用后可降解的化學(xué)產(chǎn)品是綠色化學(xué)的要求。

第23頁/共94頁2023/3/112418.1.2綠色化學(xué)原理(11)預(yù)防污染中的實(shí)時(shí)分析（real-timeanalysisforpollutionprevention)

分析測試手段不斷發(fā)展和完善，開發(fā)出非常實(shí)用的實(shí)時(shí)分析方法，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，對有害物質(zhì)的生成做到提前控制。過量試劑的使用可通過監(jiān)測反應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)最小；還可通過在線監(jiān)測調(diào)節(jié)反應(yīng)條件，控制副產(chǎn)物的生成。第24頁/共94頁2023/3/112518.1.2綠色化學(xué)原理(12)防止意外事故的安全工藝(inherentlysaferchemistryforaccidentprevention)化學(xué)過程中所選用的物質(zhì)及其形態(tài)應(yīng)做到將意外事故的可能性降到最低，其中包括泄漏、爆炸和火災(zāi)。

第25頁/共94頁2023/3/112618.2選擇綠色原料18.2.1用碳酸二甲酯(非毒性)代替硫酸二甲酯(劇毒)

硫酸二甲酯(CH3)2SO4：一種常用的甲基化試劑，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(劇毒)。第26頁/共94頁2023/3/112718.2.2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。

2CHCl3+O2=2HCl+2COCl2(光氣)

光氣泄露后用水霧吸收，光氣很容易水解：

COCl2+H2O=2HCl+CO2

第27頁/共94頁2023/3/11281碳酸二甲酯的合成老方法新方法第28頁/共94頁2023/3/11292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。異氰酸酯氨基甲酸酯第29頁/共94頁2023/3/113018.2.3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0.3mg/m3,當(dāng)濃度達(dá)到300mg/m3時(shí),可使人立即死亡。以氫氰酸為原料的傳統(tǒng)合成:1)有機(jī)玻璃的單體-甲基丙烯酸甲酯

反應(yīng)經(jīng)三個(gè)步驟得甲基丙烯酸甲酯，其中第二步反應(yīng)的副產(chǎn)物也是氫氰酸，因此是環(huán)境不友好的。

2)晴綸的單體-丙烯晴傳統(tǒng)的合成方法第30頁/共94頁2023/3/1131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。甲基丙烯酸甲酯第31頁/共94頁2023/3/113218.2.4CO2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(shí)，上述三個(gè)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。但在不同催化劑條件下，主產(chǎn)物不同。如：釕和鎳鉑和鈀第32頁/共94頁2023/3/113318.2.5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)。第33頁/共94頁2023/3/1134

如果能把它們轉(zhuǎn)化成化學(xué)品，可制取1）2～3億噸乙醇;2）8000萬噸糠醛;3）3億噸木質(zhì)素，創(chuàng)造數(shù)百億元的價(jià)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(jiǎng)之小企業(yè)獎(jiǎng)。他們的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目是把廢纖維轉(zhuǎn)化成乙酰丙酸。廢纖維造紙廢物、城市固體垃圾、不可循環(huán)使用的廢紙、廢木材和農(nóng)業(yè)殘留物乙酰丙酸(產(chǎn)率70%～90%)

副產(chǎn)品甲酸和糠醛200～220℃處理15分鐘第34頁/共94頁2023/3/1135

18.3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(jiǎng)的獎(jiǎng)項(xiàng)之一就是改進(jìn)溶劑和反應(yīng)條件獎(jiǎng)。第35頁/共94頁2023/3/113618.3.1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(jià)無毒而得到廣泛應(yīng)用。

第36頁/共94頁2023/3/1137

超臨界CO2流體是一種與水相似、能阻燃、溶解能力強(qiáng)的溶劑，被譽(yù)為“綠色環(huán)保溶劑”。下列有關(guān)它的說法錯(cuò)誤的是A．它作為“綠色環(huán)保溶劑”能代替許多有害、有毒、易燃的有機(jī)溶劑B．超臨界CO2流體是一種特殊的物質(zhì)，帶火星的木條可以在其中復(fù)燃C．CO2是自然界中存在的物質(zhì)，它參與自然界的碳元素循環(huán)D．超臨界CO2流體與干冰的組成相同第37頁/共94頁2023/3/1138表18.3.1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，化妝品原料的萃取第38頁/共94頁2023/3/113918.3.1.1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，具有優(yōu)點(diǎn):萃取時(shí)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。

第39頁/共94頁2023/3/114018.3.1.2超臨界CO2用作有機(jī)合成的溶劑非對稱烯烴加氫時(shí)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(gè)。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)第40頁/共94頁2023/3/1141表18.3.2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

全氟代辛基丙烯酸酯(FOA)第41頁/共94頁2023/3/114218.3.2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(jià)、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(gè)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。

第42頁/共94頁2023/3/1143

2000年，T.A.Bryson報(bào)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。第43頁/共94頁2023/3/1144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。第44頁/共94頁2023/3/114518.3.3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。第45頁/共94頁2023/3/1146

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)Jump反應(yīng)在液相進(jìn)行，收率低又伴隨副產(chǎn)物醌的生成；50℃反應(yīng)2小時(shí)再經(jīng)稀HCl洗滌產(chǎn)率為95%固相反應(yīng)第46頁/共94頁2023/3/1147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(gè)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)。第47頁/共94頁2023/3/114818.4選擇原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)有機(jī)合成的基礎(chǔ)是有機(jī)反應(yīng)。有機(jī)反應(yīng)的類型非常多.本節(jié)主要討論常見的幾類有機(jī)合成反應(yīng)如重排反應(yīng)、加成反應(yīng)、取代消除反應(yīng)、周環(huán)反加和氧化還原反應(yīng)等的原子經(jīng)濟(jì)性。

第48頁/共94頁2023/3/114918.4.1重排反應(yīng)重排反應(yīng)(rearrangementreaction)是構(gòu)成反應(yīng)物分子的原子通過改變相互的位置、連接以及鍵的形成方式從而產(chǎn)生一個(gè)新分子的反應(yīng)。重排反應(yīng)是通過熱、光及化學(xué)誘導(dǎo)等方法來控制的。這類反應(yīng)的特點(diǎn)之一就是反應(yīng)物分子中的所有原子經(jīng)重新組合后均轉(zhuǎn)移至產(chǎn)物分子中，無內(nèi)在的廢物產(chǎn)生。因此，重排反應(yīng)的原子利用率達(dá)100％，它是原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)，是綠色化學(xué)的首選反應(yīng)類型之一。第49頁/共94頁2023/3/1150像這類結(jié)構(gòu)萬變的重排反應(yīng)有許多，如Beckmann重排、Claisen重排等。它們在有機(jī)化合物及藥物合成中都有應(yīng)用，是非常重要的有機(jī)合成反應(yīng)，是原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)。其通式為：

第50頁/共94頁2023/3/115118.4.1重排反應(yīng)第51頁/共94頁2023/3/115218.4.2加成反應(yīng)加成反應(yīng)(additionreaction)是不飽和分子與其他分子相互加成合成新分子反應(yīng)。反應(yīng)中發(fā)生了不飽和鍵的斷裂和鍵的形成。根據(jù)進(jìn)攻試劑的性質(zhì)或鍵斷裂或形鍵形成的方式不同，加成反應(yīng)又分為親電加成、親核加成、催化加氫和環(huán)加成等類型，其通式為：

第52頁/共94頁2023/3/115318.4.2加成反應(yīng)由于加成反應(yīng)是將一種反應(yīng)物分子全部加到另—反應(yīng)物分子，因此是原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)。例如：

第53頁/共94頁2023/3/115418.4.3取代反應(yīng)取代反應(yīng)(substitutionreactin)是有機(jī)分子中原子或基團(tuán)被其他原子或基團(tuán)取代的反應(yīng)。取代反應(yīng)按照化學(xué)鍵斷裂方式或取代基團(tuán)的性質(zhì)不同分為3種基本類型：親核取代、親電取代和游離基取代。但無論哪一種取代，其結(jié)果都是被取代基團(tuán)不再出現(xiàn)在目標(biāo)產(chǎn)物中，而是作為廢物被排放。因此，取代反應(yīng)不是原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)。例如:第54頁/共94頁2023/3/115518.4.3取代反應(yīng)由此可見，取代反應(yīng)生成副產(chǎn)物是不可避免的。因?yàn)楦碑a(chǎn)物是合成方法的直接結(jié)果，因此，取代反應(yīng)不僅是原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)，而且在資源利用及環(huán)境污染方面均有一定的不足。但這外不意味著它絕對不可取，如果一個(gè)取代反應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)精心考慮和選擇了離去基團(tuán)，使其對外境無害，則反應(yīng)也可以是方便和高效的。

第55頁/共94頁2023/3/115618.4.4消除反應(yīng)消除反應(yīng)〔eliminationreaction〕是在有機(jī)分子中除去兩個(gè)原子或基團(tuán)而生成不飽和化合物的反應(yīng)。按被消去原子或基團(tuán)所處的位置可分為α-消除、-消除和-消除。其通式為：

第56頁/共94頁2023/3/115718.4.4消除反應(yīng)由于消除或降解反應(yīng)生成了其他小分子，即消除反應(yīng)必然會生成副產(chǎn)物，所以消除反應(yīng)與取代反應(yīng)一樣不是原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)。尤其是季銨堿熱分解反應(yīng)制北烯烴，其原子利用率很低。例如：

第57頁/共94頁2023/3/115818.4.5周環(huán)反應(yīng)周環(huán)反應(yīng)(pericyclicreaction)是經(jīng)過一個(gè)環(huán)狀過渡態(tài)的協(xié)同反應(yīng)(concertedreaction)，即在反應(yīng)過程中新鍵的生成與舊鍵的斷裂是同時(shí)發(fā)生的，電環(huán)化反應(yīng)、環(huán)加成反應(yīng)、-遷移反應(yīng)等都是周環(huán)反應(yīng)的典型例子。例如：

這些反應(yīng)的通式可表示為：

周環(huán)反應(yīng)的正反應(yīng)一般都是原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)，但其逆反應(yīng)有時(shí)就需要把一個(gè)分子分解成兩個(gè)分子，因此，逆反應(yīng)往往不如正反應(yīng)對環(huán)境更友好。第58頁/共94頁2023/3/115918.4.6氧化還原反應(yīng)在無機(jī)反應(yīng)中把發(fā)生電子得失的反應(yīng)稱為氧化還原反應(yīng)；而在有機(jī)反應(yīng)中，把加氧或去氫的反應(yīng)稱為氧化反應(yīng)，而去氧或加氫的反應(yīng)叫還原反應(yīng)。有機(jī)氧化還原常用的氧化劑有KMnO4、K2Cr2O7

、PbO2、有機(jī)過氧酸等，常用的還原劑有堿金屬、金屬氫化物、醇鋁化合物等。例如：

第59頁/共94頁2023/3/116018.4.6氧化還原反應(yīng)可見，氧化還原反應(yīng)副產(chǎn)物多，原子經(jīng)濟(jì)性很差，是化學(xué)工業(yè)環(huán)境污染最嚴(yán)重的反應(yīng)之—。更不幸的是，環(huán)境無害的氧化劑很難尋找。從綠色化學(xué)角度看，電化學(xué)氧化還原比化學(xué)氧化還原更好一些。但總的來說，在設(shè)計(jì)合成路線時(shí)應(yīng)盡量避免氧化還原反應(yīng)，這是綠色化學(xué)所要求的。

第60頁/共94頁2023/3/116118.5合理選擇合成反應(yīng)技術(shù)18.5.1光化學(xué)反應(yīng)技術(shù)18.5.2微波化學(xué)反應(yīng)技術(shù)18.5.3超聲波化學(xué)反應(yīng)技術(shù)18.5.4使用高效無毒催化劑催化技術(shù)18.5.5兩相催化技術(shù)18.5.6相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)18.5.7生物催化和生物過程技術(shù)第61頁/共94頁2023/3/116218.5.1光化學(xué)反應(yīng)技術(shù)光化學(xué)反應(yīng)是以潔凈、節(jié)能、節(jié)約為目標(biāo)的化學(xué)合成方法，它為有機(jī)合成化學(xué)提供了新途徑、新方法和新技術(shù)，是合成化學(xué)中最活躍、最有生命力的研究領(lǐng)域之一，深人研究光化學(xué)反應(yīng)必將為現(xiàn)代有機(jī)合成的發(fā)展注入新的活力。HHH3CCH3H3CCH36hυ

光照下的共軛多烯電環(huán)化反應(yīng)不僅是一個(gè)原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng)，而且是一個(gè)高度立體專一性反應(yīng)。

第62頁/共94頁2023/3/116318.5.2微波化學(xué)反應(yīng)技術(shù)微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。 用于化學(xué)反應(yīng)的光波波長一般在12.2cm處。

微波加熱化學(xué)反應(yīng)有極高的反應(yīng)速率，甚至比熱反應(yīng)的速率提 高1000倍，因此反應(yīng)時(shí)間短。

例：茉莉醛是人工香料,由苯甲醛和庚醛縮合反應(yīng)制得。用微 波技術(shù),簡化了處理步驟,排除了庚醛縮合和苯甲醛Canizzar副 反應(yīng),其產(chǎn)率可達(dá)82%,而時(shí)間可由72h縮短到1min。微波加熱反應(yīng)可以在溶液中進(jìn)行，也可以無溶劑，固相反應(yīng)也有很高的收率。

微波有機(jī)化學(xué)的快速、高產(chǎn)率及反應(yīng)選擇性高等特點(diǎn),克服了傳 統(tǒng)有機(jī)反應(yīng)的時(shí)間長、副反應(yīng)多、產(chǎn)率低的特點(diǎn)，其研究得到 了國外化學(xué)界的相當(dāng)重視,被稱為“21世紀(jì)的有機(jī)化學(xué)”

第63頁/共94頁2023/3/116418.5.3超聲波化學(xué)反應(yīng)技術(shù)超聲波具有方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。

超聲波應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)形成的交叉學(xué)科稱為聲化學(xué)，是一種綠色合成技術(shù)。

1．在傳統(tǒng)反應(yīng)條件下，芳鹵難以用過渡金屬還原，但在超聲波作用下，六甲基膦酰胺(HMPA)作溶劑，氯代苯很容易被還原，產(chǎn)率接近100%。

2．超聲波可以加速烯酮化合物選擇還原成羰基化合物，催化劑雷尼鎳可以循環(huán)使用。

3．超聲波可以使氨基糖苷平穩(wěn)的水解，而不發(fā)生副反應(yīng)。

4．在傳統(tǒng)方法下，醇鈉或氫氧化鈉催化苯乙酮與取代苯甲醛縮合合成查爾酮，產(chǎn)率很低。但在超聲波作用下，僅在幾分鐘產(chǎn)率可達(dá)到95%以上。

第64頁/共94頁2023/3/116518.5.4使用高效無毒催化劑催化技術(shù)

由于催化劑在綠色化學(xué)中有重要地位，傳統(tǒng)工藝的改造需要 催化劑，新的工藝同樣需要新催化劑，因此，如何設(shè)計(jì)高效無害 催化劑也就成了綠色化學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。鑭系元素試劑是低毒性化合物，容易回收利用，可催化碳碳反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)，甚至可以在水溶液中進(jìn)行反應(yīng)。鑭系元素化合物催化酮醛還原反應(yīng)，選擇還原酮基而不還原醛基，免去了保護(hù)—脫保護(hù)的過程，符合綠色化學(xué)原理。

第65頁/共94頁2023/3/116618.5.5兩相催化技術(shù)很多都用貴金屬配合物催化反應(yīng)，催化效率很高，但催化劑很難回收。 如果在金屬配合物有機(jī)配體上連接一全氟取代的烷基(氟含量大于

60%)，這個(gè)催化劑就溶于全氟代烷溶劑中，而不溶于傳統(tǒng)的溶劑 中，反應(yīng)物和產(chǎn)物溶于傳統(tǒng)的溶劑中。 在室溫下，傳統(tǒng)溶劑與全氟代烷溶劑不相溶，而升高溫度，變成均 相，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后冷卻到室溫，又分成兩相。 分出含催化劑的氟溶劑相循環(huán)使用，即保留了均相催化劑的優(yōu)點(diǎn)， 又解決了貴金屬催化劑的回收利用，是一種綠色合成技術(shù)。

第66頁/共94頁2023/3/1167NaCN+QCN18.5.6相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)相轉(zhuǎn)移催化(Phasetransfer)，簡稱PT，是20世紀(jì)70年代以來在有機(jī)合成中應(yīng)用日趨廣泛的一種新的合成技術(shù)。水相界面有機(jī)相+-R-CN+Q+X-Na+X-+Q+CN-+Q+X-R-X+-第67頁/共94頁2023/3/116818.5.7生物催化和生物過程技術(shù)1．生物催化的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①作用條件溫和，基本上在常溫、中性和水相等環(huán)境中完成。 ②獨(dú)特、高效的底物選擇性（區(qū)域選擇性和對映體選擇性）。 缺點(diǎn)：①生物催化劑在反應(yīng)介質(zhì)中往往不穩(wěn)定。②目前可用于工 業(yè)化應(yīng)用的生物催化劑還太少。③生物催化劑開發(fā)的周期較長。

2．生物催化和生物過程技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可利用生 物質(zhì)合成化學(xué)品，反應(yīng)條件溫和，產(chǎn)物專一。

第68頁/共94頁2023/3/1169補(bǔ)充：

綠色催化劑近年來，一些價(jià)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。第69頁/共94頁2023/3/1170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。分子篩催化劑第70頁/共94頁2023/3/1171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。鈦硅分子篩催化劑第71頁/共94頁2023/3/1172新方法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。第72頁/共94頁2023/3/1173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。手性催化第73頁/共94頁2023/3/1174Monsate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)。酸催化脫水電催化氧化手性催化第74頁/共94頁2023/3/11751更新合成路線

1999年，美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎(jiǎng)把“更新合成路線獎(jiǎng)”授予Lilly研究實(shí)驗(yàn)室，獎(jiǎng)勵(lì)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。補(bǔ)充：優(yōu)新合成路線第75頁/共94頁2023/3/1176LY300164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(gè)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(gè)中間體減少為3個(gè)；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%。第76頁/共94頁2023/3/1177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)?；瘜W(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(jià)，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。第77頁/共94頁2023/3/1178E－因子定義為每生產(chǎn)1kg期望產(chǎn)品的同時(shí)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。第78頁/共94頁2023/3/1179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。第79頁/共94頁2023/3/1180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(jià)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。第80頁/共94頁2023/3/1181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(jià)標(biāo)準(zhǔn)。第81頁/共94頁2023/3/1182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?？偡磻?yīng)原子利用率=44/173=25%經(jīng)典工藝第82頁/共94頁2023/3/1183現(xiàn)代石油化學(xué)工藝原子利用率=100%第83頁/共94頁2023/3/1184組合化