第十章 綠色化學與精細有機合成

第十章綠色化學與精細有機合成10.1綠色化學人類進入到21世紀，社會的可持續(xù)發(fā)展涉及生態(tài)、環(huán)境、資源、經濟等方面的問題，越來越受到人們的關注。正如美國化學會會長Breslow教授所言：“化學在改善人類生活方面是最有成效的科學之一；在人類多姿多彩的生活中?；瘜W可以說無處不在”。然而，不可否認的是不少化學工業(yè)，特別是精細化學工業(yè)生產中產生廢物排放和一些化學品的濫用，給整個生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的不良影響。由于環(huán)保問題日益突出及人們對高質量生活水準的需求，我們不能容忍化學對整個生態(tài)環(huán)境的破壞繼續(xù)發(fā)展，而束手無策。我們必須保護賴以生存的地球，這個我們生活的家園。因此我們既要為了開創(chuàng)人類高質量生活發(fā)展化學工業(yè)，尤其是精細化學品工業(yè)，但又不能讓它的生產過程和產品使用過程破壞我們的環(huán)境，影響人類健康，造成今后治理的更大困難，貽害我們子孫后代。我們化學家和企業(yè)家面臨著最大挑戰(zhàn)，要為社會創(chuàng)造新的、安全的化學——綠色化學。一、綠色化學的定義

綠色化學不是治理污染，而是防止污染產生的一種新觀念。它是開發(fā)從源頭解決污染問題的一門科學。對環(huán)境保護及社會的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。綠色化學(Greenchemistry)又稱為環(huán)境無害化學(environmentallybenignchemistry)、環(huán)境友好化學（environmentallyfriendlychemistry）、清潔化學（cleanchemistry）。綠色化學的定義是利用化學的技術和方法支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、產物及副產物等的使用和生產。

綠色化學的理想在于不再使用有毒、有害的物質，不再產生廢物，不再處理廢物。它是一門從源頭防止污染的化學，是一種能最大限度地從資源合理利用、環(huán)境保護及生態(tài)平衡等方面滿足人類可持續(xù)發(fā)展的化學。綠色化學的研究成果對解決環(huán)境問題是有根本意義的。綠色化學的主要特點是原子經濟型，也就是說，在獲取新物質的轉化過程中充分利用每個原料的原子，實現(xiàn)“零排放”。因此，它既可以充分利用資源，又不產生污染。傳統(tǒng)化學向綠色化學的轉變可以看做是化學從“粗放型”向“集約型”的轉變。綠色化學的核心問題是研究新反應體系，包括研究新合成方法和路線、尋找新的化學原料、探索新的反應條件、設計和研制綠色產品等。從理論上講，綠色化學要求通過對有關化學反應的熱力學和動力學研究探索新興化學鍵的形成和斷裂的可能性及其選擇性的調節(jié)與控制，發(fā)展新型化學反應和工藝過程，推動化學學科的發(fā)展。二、綠色化學原理綠色化學的原理有以下幾個方面：1、

防止污染的產生優(yōu)于治理產生的污染；2、

原子經濟性反應；3、

只要可能，應盡可能采用毒性小的化學合成路線（無害化學合成）；4、

化學產品的設計，必須使保留其具有高效的功能，同時也要盡量減少其毒性；5、

應盡量可能避免使用溶劑、分離試劑等輔助物質，如果不可避免，也要選用無害無毒的；（使用安全助劑和溶劑）6、

設計能源經濟性反應（designforenergyefficirncy），最好使用常溫常壓下的反應；7、使用可再生原料；可再生（更新）原料一般是指各種生物質原料，包括草類、木本植物、農作物和森林殘余物。其它在有限時間內可再生的物質也屬于可再生資源。太陽能也可看作是一種可持續(xù)能源。枯竭原料主要是指化石燃料。8、

應盡量避免不心要的衍生步驟，如限制性基團，保護/去保護作用等；9、

應盡量采用高選擇性催化劑優(yōu)于使用化學計量性試劑；10、降解設計；11、預防污染中的實時分析；12、防止意外事故的安全工藝?；瘜W過程中所選用的物質及其形態(tài)應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。10.2有機合成中的原子經濟性

一、原子經濟性

1991年，美國Stanford大學的著名化學家B.M.Trosst首先提出“原子經濟性”的觀點來評估化學反應的效率，他認為高效的有機合成應最大限度地利用原料分子的每一個原子，使它結合到目標分子中，不產生副產物或廢物實現(xiàn)廢棄物的“零排放”。理想的原子經濟性反應是原料分子中的原子百分之百地變成期望的產物，同時不需要其他試劑或僅需要無損耗的促進劑。用下列反應表示原子經濟性反應：二、原子利用率原子利用率是原子經濟性的衍生，含義基本相同，原子經濟性也可以用原子利用率來衡量：原子利用率（%）=預期產物的分子量／反應物的原子量之和×100%由此可以看出，用原子利用率反應的原子經濟性很方便。原子經濟性反應是指100%的原子利用率的反應。若不是原子經濟性反應，則可計算它的原子利用率。一些工業(yè)上已采用的原子經濟性反應如下：8.3有機合成中常見的原子經濟性有機合成的基礎是有機反應。有機反應的類型非常多，此處只介紹常見的幾類有機合成反應如重排反應、加成反應、取代消除反應、周環(huán)反應和氧化還原反應等的原子經濟性。一、重排反應重排反應是構成反應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生一個新的分子的反應。重排反應是通過熱、光及化學誘導等方法來控制的。這類反應的特點之一就是反應物分子中的所有原子經重新組合后均轉移至產物分子中，無內在的廢物產生。因此，重排反應的原子利用率達100%，它是原子經濟性反應，是綠色化學的首選反應之一。重排反應例重排反應：A→B（原子經濟性反應）一些重排反應的實例如下：二、加成反應加成反應是不飽和分子與其它分子相互加合生成新分子的反應。反應中發(fā)生了不飽和π鍵斷裂和σ鍵的形成。加成反應分為親電加成、親核加成、催化加氫和環(huán)加成等類型，其通式為：

由于加成反應是將一種反應物分子全部加到另一反應物分子上，因此是（理論上的）原子經濟性反應。如：

三、取代反應取代反應是有機分子中原子或基團被其它原子或基團取代的反應。取代反應按照化學鍵斷裂方式或取代基團的性質不同分為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，其結果都是被取代基團不再出現(xiàn)在目標產物中，而是作為廢物被排放。因此，取代反應不是原子經濟性反應。如：由此可見，取代反應生成副產物是不可避免的。因為副產物是合成方法直接的結果，因此，取代反應不是原子經濟性反應。四、消除反應消除反應是在有機分子中除去兩個原子或基團而生成不飽和化合物的反應，如：由于消除反應生成了其它小分子，即消除反應必然會生成副產物，所以消除反應與取代反應一樣不是原子經濟性反應。尤其是季銨鹽熱分解制備烯烴，其原子利用率很低。如：*五、周環(huán)反應

周環(huán)反應是經過一個環(huán)狀過渡態(tài)的協(xié)同反應，即在反應過程中新鍵的生成與舊鍵的斷裂是同時發(fā)生的，電環(huán)化反應、環(huán)加成反應、σ-遷移反應等都是周環(huán)反應的典型例子。如：反應的通式可表示為：

周環(huán)反應的正反應一般都是原子經濟性反應，但其逆反應有時就需要把一個分子分解成兩個分子，因此，周環(huán)反應的逆反應往往不如正反應對環(huán)境友好。五、氧化還原反應在無機反應中把發(fā)生電子得失的反應稱為氧化還原反應；而在有機反應中，把加氧或去氫的反應稱為氧化反應，而去氧加氫的反應叫做還原反應。有機氧化還原常用的氧化劑有、、、有機過氧酸等，常用的還原劑有堿金屬、金屬氫化物、醇鋁化合物等。如：氧化還原反應的副產物多，原子經濟性很差，是化學工業(yè)環(huán)境污染最嚴重的反應之一。更為不幸的是，對環(huán)境無害的氧化劑很難尋找。因此，在設計合成路線時就盡量避免氧化還原反應，這是綠色化學所要求的。從綠色化學的角度看，使用電化學氧化還原比化學氧化還原更好一些。10.4提高化學反應原子經濟性的途徑

綠色合成的核心是使反應實現(xiàn)原子經濟性。近年來，“原子經濟性反應”的觀點越來越引起學術界和企業(yè)界的重視。然而真正的原子經濟性反應非常有限。因此，探索開發(fā)原子經濟性反應已成為綠色化學研究的熱點之一。不斷尋找新的反應途徑來提高合成反應的原子利用率或對傳統(tǒng)的化學反應過程不斷提高化學反應的選擇性，是十分重要的。一、開發(fā)新型的化學催化劑

催化劑不僅使化學反應速度成千上萬倍地提高，而且采用催化劑可以高選擇性地生成目標產物。據(jù)統(tǒng)計，在化學工業(yè)上80%以上的反應只有在催化劑作用下才能獲得具有經濟價值的反應速度和選擇性。而新催化材料是創(chuàng)造新催化劑的源泉，也是提高原子經濟性、開發(fā)綠色合成方法的重要基礎。近年來，開發(fā)新型催化劑取得了較大的進展，尤其是過渡金屬催化劑的開發(fā)與利用。如：（1）過渡金屬催化的環(huán)加成反應（2）異構化反應(3)炔烴偶聯(lián)反應二、設計新的合成路線在有機合成中，尤其是精細化學品和藥物的合成往往需要多步反應才能達到目的。即使單步反應的收率較高，多步反應的總的原子核利用率也不會很理想。若能設計新的合成路線來縮短和簡化合成步驟，反應的原子利用率就會大提高。如布洛芬的合成需6步反應才能得到產品。原子利用率只有40，04%。最近法國BHC公司發(fā)明設計的新路線只需3步反應即可得到產品布洛芬，原子利用率達77，44%。新方法減少了37%的廢物排放。BHC公司也因此獲得了1997年度美國“總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎”。布洛芬的兩種合成路線見下：布洛芬的合成三、采用新的合成原料采用新的合成原料是提高反應的經濟性的一種重要手段。過去人們習慣于采用石油、煤、天然氣等礦物原料作為合成化學的主要原料。礦物原料是不可再生的。如能開發(fā)可再生資源為原料，將成為可持續(xù)發(fā)展和綠色化學的一個重要方向。如：已二酸現(xiàn)有的合成方法是以苯為原料，經Ni或Pd催化劑加氫成環(huán)已烷，環(huán)已烷進行空氣氧化成環(huán)已酮或環(huán)已醇，然后進一步用HNO3氧化制成已二酸，工藝路線為：

這一工藝路線曾是現(xiàn)代合成化學的重大成就之一。但從綠色化學的觀點看，這一工藝存在嚴重缺點。苯來自石油，屬不可再生資源，而且是一毒性物質。在合成過程中又采用空氣和硝酸氧化。氧化過程一般選擇性差，原料的利用率較低，特別是最后一步采用HNO3為氧化劑，腐蝕嚴重，且反應后產生臭氣（N2O），排放到空氣中，進入大氣層，會破壞大氣中的臭氧層。為了克服上述缺點，美國的J.W,Forst和K.M.Draths開發(fā)了生產已二酸的生物技術路線。這一路線由淀粉和纖維素制取的葡萄糖為原料，經由DNA重組技術改進的大腸桿菌，將葡萄糖轉化為已二烯二酸，然后在催化劑的作用下加氫制得已二酸：

新工藝不僅利用可再生資源，而且過程安全，無毒無害無污染，效率高，因此是綠色化學技術，并獲1998年美國“總統(tǒng)綠色化學挑戰(zhàn)獎”。

8.5實現(xiàn)綠色合成的方法、技術與途徑一、開發(fā)“原子經濟反應”對于大宗基本有機原料的生產來說，選擇原子經濟反應十分生要。目前，在基本有機原料的生產中在的已采用原子經濟反應，如丙烯氫甲?；贫∪?、甲醇羰化制醋酸、乙烯或丙烯的聚合、丁二烯和氫氰酸合成已二腈等。另外，有的基本有機原料的生產采用的反應已由二步反應改成采用一步的原子經濟反應，如環(huán)氧乙烷的生產，原來是通過氯醇法二步制備的，發(fā)現(xiàn)銀催化劑后改為乙烯直接氧化成環(huán)氧乙烷的原子經濟反應。近年來，開發(fā)新的原子經濟反應已成為綠色化學研究的熱點之一。公司采用鈦硅分子篩催化劑，將環(huán)已酮、氨、過氧化氫反應，可直接合成環(huán)已酮肟，取代由氨氧化制硝酸、硝酸離子在鉑鈀貴金屬催化劑上用氫還原制備羥胺、羥胺再與環(huán)已酮反應合成環(huán)已酮肟的復雜技術路線，并已實現(xiàn)工業(yè)化。另外，環(huán)氧丙烷是生產聚氨酯泡沫塑料的重要原料，傳統(tǒng)上主要采用二步反應的氯醇法，不僅使用危險的氯氣，而且還產生大量含氯化鈣的廢水，造成環(huán)境污染。國內外均在開發(fā)鈦硅分子篩上催化氧化丙烯制環(huán)氧丙烷的原子經濟新方法。此外，針對鈦硅分子篩催化反應體系，開發(fā)降低鈦硅分子篩合成成本的技術，開發(fā)與分子匹配的工藝和反應器依仍是今后努力的方向。二、提高烴類氧化反應的選擇性烴類選擇性氧化在石油化工中占有極其重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，用催化過程生產的各類有機化學品中催化選擇氧化生產的產品約占25%。另一方面，烴類氧化反應不僅原子利用率低，而且其選擇性是各類催化反應中最低的。這不僅造成資源浪費和環(huán)境污染，而且給產品的分離和純化帶來很大困難，使投資和生產成本大幅度上升。因此，控制氧化深度、提高目的產物的選擇性如終是烴類選擇氧化研究中最具挑戰(zhàn)性的難題。

早在20世紀40年代，Lewis等就提出烴類晶格氧選擇氧化的概念。即用可還原的金屬氧化物的晶格作為烴類氧化的氧化劑，按還原-氧化模式，采用循環(huán)流化床提升管反應器，在提升管反應器中烴分子與催化劑的晶格氧反應生成氧化產物，失去晶格氧的催化劑被輸送到再生器中，用空氣氧化到初始高價態(tài)，然后送入提升管反應器中再進行反應。這樣，反應是在沒有氣相氧分子的條件下進行的，可避免氣相和減少表面的深度氧化反應，從而提高反應的選擇性，而且因不受爆炸極限的限制，可提高原料濃度，使反應產物容易分離回收，是控制氧化深度、節(jié)約資源和保護環(huán)境的綠色化學工藝。根據(jù)上述還原-氧化模式，國外有公司已開發(fā)成功丁烷晶格氧化制順酐的提升管再生工藝，建成了第一套工業(yè)裝置。氧化反應