精細有機合成路線設計基本方法與評價-合成路線的評價標準（有機合成課件）

Contents目錄精細有機合成技術精細有機合成路線設計安全生產(chǎn)及環(huán)境保護在許多精細有機合成反應中，經(jīng)常遇到易燃、易爆和有劇毒的溶劑、原料和中間體。為了確保安全生產(chǎn)和操作人員的人身健康和安全，避免國家和人民財產(chǎn)受到不必要的損失，在進行合成路線設計和選擇時，應盡量少用或不用易燃、易爆和有劇毒的原料和試劑，同時還要密切關注合成過程中一些中間體的毒性問題。若必須采用易燃、易爆和有劇毒物質(zhì)時，則需要提出妥善的安全技術要求，并就勞動保護、安全生產(chǎn)制定相應的技術措施和規(guī)定，防止事故的發(fā)生、避免不必要的經(jīng)濟損失。安全生產(chǎn)及環(huán)境保護在生產(chǎn)操作中，合成操作人員必須嚴格遵守工藝操作規(guī)程、安全防范規(guī)定和勞動紀律，按照科學規(guī)律，以高度認真負責的態(tài)度進行操作，避免和減少不必要的事故發(fā)生，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。合成路線和方法的選擇，要優(yōu)先考慮廢物排放量少、容易處理的路線，對于“三廢”（即廢氣廢水廢渣）排放量大、危害嚴重、處理困難的合成路線應堅決摒棄。在設計合成路線時，應同時考慮“三廢”的處理方法?！叭龔U”的處理過程不應產(chǎn)生新的污染。近年來，在有機合成中提出了原子利用率和E-因子的分析和估價，以此綜合考慮對原料的選取、能量的消耗，以及廢料的環(huán)境商值EQ等，探索新的合成工藝。所謂E-因子，其定義是每生產(chǎn)1kg目的產(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15-3列出了不同生產(chǎn)部門生產(chǎn)中環(huán)境所能接受E-因子的大小。

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)境商值EQ＝E×Q式中E即E-因子，Q是根據(jù)廢物在環(huán)境中的行為，給出的對環(huán)境的不友好度。

例如，若無害的NaCl和(NH4)2SO4的Q定為1，則有害的重金屬離子的鹽類基于其毒性的大小，其Q為100～1000。環(huán)境商值越高，廢物對環(huán)境的污染也就越嚴重。環(huán)境商值的大小是衡量和選擇合理的有機合成工藝的重要因素。第四節(jié)

合成路線的評價標準

降低EQ值，就要減少生產(chǎn)工藝過程中廢物的排放量，提高合成工藝中的原子利用率。例如環(huán)氧乙烷生產(chǎn)的原子利用率的計算如下所示。氯乙醇生產(chǎn)法：原子利用率=44／(44＋111＋18)=5%乙烯催化氧化生產(chǎn)法：總反應式：原子利用率=100%。

因此，除理論產(chǎn)率外，還需要考慮和比較不同的合成方法和途徑的原子利用率，這是有關生產(chǎn)過程對環(huán)境產(chǎn)生潛在影響的又一評價標準。Contents目錄精細有機合成技術精細有機合成路線設計1合成步數(shù)與反應總收率3中間體的分離與穩(wěn)定性合成路線的評價標準2原料和試劑的選擇4過程裝備條件合成路線的評價標準

合成路線的長短直接關系到合成路線的價值，所以對合成路線中反應步數(shù)和反應總收率的計算是評價合成路線的最直接、最主要的標準。這里，反應的總步數(shù)指從所有原料和試劑到達目標分子所需反應步數(shù)之和；總收率是各步收率的連乘積。通常預測或計算一個合成路線的反應總收率應從以下幾個方面進行考慮。

一、合成步數(shù)與反應總收率第一，在對合成反應的選擇上，要求每個單元反應盡可能具有較高的收率。第二，應盡可能減少反應步驟。因為每一步反應都有一定的損失，反應步驟增多，則總收率必將大大降低，若各步反應收率不高時，其總收率將降低得更為嚴重；同時合成中原料和人力消耗也將增大。反應步驟的增多還會導致生產(chǎn)周期的延長、操作步驟的繁雜，甚至會失去合成的價值。第四節(jié)

合成路線的評價標準每步反應收率較高，經(jīng)過5步以上的總收率已相當?shù)?，因此，在有機合成路線設計上，一般說來超過5步的反應，實際應用價值已不大，需另選其他路線，除非是特殊需要的產(chǎn)品。第四節(jié)

合成路線的評價標準

第三，在合成反應的選擇上，必須盡可能避免和控制副反應的發(fā)生。因為副反應不但降低收率，而且會造成分離和提純上的困難。

第四，在合成路線中，反應的排列方式也直接影響總收率。例如：某化合物ABCDEF有兩條合成路線，第一條路線是由原料A經(jīng)5步反應制得ABCDEF，這種反應排列方式稱連續(xù)法（也稱線性法）；第二條路線分別從原料A和D出發(fā)，各經(jīng)2步得中間體ABC和DEF，然后相互反應得ABCDEF，這種反應排列方式稱平行法（也稱匯合法或收斂法）。假定兩條路線的各步收率都為90%，則從總收率的角度考慮，顯然選擇第二條路線較為適宜。因此，要提高總收率就要減少連續(xù)反應數(shù)，反應排列方式盡可能采用平行法。路線一：A→(B)AB→(C)ABC→(D)ABCD→(E)ABCDE→(F)ABCDEF總收率=(90%)5=59%路線二：

總收率=(90%)3=73%原料和反應試劑是有機合成的基礎，原料和試劑選擇適當，有機合成才具有實際意義。因此，選擇合成路線時，首先應考慮每一合成路線所用的原料和試劑的來源、價格及利用率。

原料和試劑的利用率包括骨架和官能團的利用程度，這主要取決于原料的結構、性質(zhì)及所進行的反應。即所采用的原料盡可能少一些，結構的利用率盡可能高一些。二、原料和試劑的選擇原料和試劑的價格直接影響到產(chǎn)品的成本。對于準備選用的那些合成路線，應根據(jù)操作方法初步列出的原料和試劑的名稱、規(guī)格、單價算出單耗，進而計算出各種原材料的成本和總成本，以資比較。此外，原料和試劑的供應和貯運問題也不容忽視，特別是合成一些產(chǎn)量較大的品種，有些原料一時得不到供應，則應考慮自行生產(chǎn)。原料及試劑的性質(zhì)、規(guī)格、供應情況和生產(chǎn)廠家，可從各種化工原料和試劑目錄和手冊查閱得到。由于有機原料數(shù)量很大，較難掌握，因此，對在有機合成上怎樣才算原料選擇適當，通常可以簡單地歸納為如下幾條。（1）一般小分子比大分子容易得到，直鏈分子比支鏈分子容易得到。脂肪族單官能團化合物，小于六個碳原子的通常是比較容易得到的，例如小于六個碳原子的醛、酮、羧酸及其衍生物、醇、醚、胺、溴代烷和氯代烷等。至于低級的烴類，如三烯一炔（乙烯、丙烯、丁烯和乙炔）則是基本化工原料，可由生產(chǎn)部門得到供應。

（2）脂肪族多官能團化合物比較容易得到，而且在有機合成中常用的有：CH2=CH—CH=CHR，（R=H或CH3）；X(CH)nX，（X=Cl或Br，n=1～6）；HO—(CH2)n—OH，（n=2～4，6）；H2N—(CH2)n—NH2，（n=2～4，6）；CH3COCH2COCH3；ROOC(CH)2～4COOR；ROOC—COOR；環(huán)氧乙烷；CH(COOR)2；XCH2COOR；CH3COCH2COOR；NCCHCOOR；CH2=CHCN；CH2=CHCOCH3。（3）脂環(huán)族化合物中環(huán)戊烷、環(huán)己烷及其單官能團衍生物較易得到，其中常見的為環(huán)己烯、環(huán)己醇和環(huán)己酮。環(huán)戊二烯也有工業(yè)來源。（4）芳香族化合物中苯、甲苯、二甲苯、萘及其直接取代衍生物（—NO2、—X、—SO3H、—R、—COR等），以及由這些取代基容易轉(zhuǎn)化成的化合物（—OH、—OR、—NH2、—CN、—COOH、—COOR、—COX、—CONH2及—CHO等）均容易得到。（5）雜環(huán)化合物中含五元環(huán)及六元環(huán)的雜環(huán)化合物及其取代衍生物較易獲得。任何一個兩步以上的有機合成路線過程都會有中間體生成，一個理想的中間體應穩(wěn)定存在且易于純化。一般而言，一條合成路線中若存在兩個或兩個以上相繼的不穩(wěn)定中間體，合成就很難成功。所以在選擇合成路線時，應盡量少用或不用存在對空氣、水氣敏感或純化過程繁雜、純化損失量大的中間體的合成路線。三、中間體的分離與穩(wěn)定性例如：在實驗室有機合成，有機金屬化合物是一類非常有用的合成試劑，它們能發(fā)生許多選擇性很高的反應，使一些常規(guī)方法難以進行的反應變?yōu)橐子趯崿F(xiàn)。但是有機金屬化合物在工業(yè)生產(chǎn)上的應用卻并不廣泛，這主要是因為它們在通常條件下是很活潑的。

在有機合成路線設計時，應盡量避免采用復雜、苛刻的過程裝備條件，如需在