淺談有機合成新技術

1、淺談有機合成新技術摘要：有機合成新技術是指近50年來發(fā)展起來的在較廣泛范圍內應用的合成技術，如非傳統(tǒng)溶劑（水、離子液體、超臨界流體、兩相介質）中的有機合成、無機溶劑有機合成、固相有機合成、外場（微波輻射、超聲波）等作用下的合成等。這些技術相對于合成某一產物作用的傳統(tǒng)技術，具有顯著的優(yōu)點：即提高反應速率，節(jié)約能源，提高反應的選擇性，減少副反應，改善環(huán)境，更具有實用性，是相應的經典方法的補充和發(fā)展。本文介紹現(xiàn)代有機合成中一些新方法, 結合具體的有機合成反應實例闡述有機合成在這些新方法方面取得的新成果和進展, 現(xiàn)代有機合成發(fā)展方向和應重視的研究領域.正文：1. 非傳統(tǒng)溶劑中的有機

2、合成傳統(tǒng)的有機合成主要是在有機溶劑中進行。近30年來，有機合成反應擴展到了水、離子液體、超臨界流體和兩相介質等溶劑體系中，使有機合成反應向綠色化學方向發(fā)展。 1.1水介質中的有機合成水是一種廉價、安全、無污染的綠色溶劑，而有機溶劑具有易燃、易爆、易揮發(fā)、易污染環(huán)境的缺點，因此，水介質中的有機反應是一類環(huán)境友好反應。人們早已發(fā)現(xiàn)許多有機反應可以在水中進行，但由于絕大部分有機物在水中溶解度小，而許多試劑在水中不穩(wěn)定，所以早期科學家對水相中的有機反應沒有做進一步的研究。20世紀80年代初，Breslow重新研究了水介質中的有機反應，發(fā)現(xiàn)水介質中因疏水效應可以大大提高反應速率。水作介質還可以調控反應的

3、pH，使用環(huán)糊精和表面活性劑等添加劑可促進反應進行。有機反應產物在水中的低溶解度又可減少產物的損失，提高反應產率。（1） 氧化反應（2） 還原反應（3） Diels-Alder環(huán)加成反應 環(huán)戊二烯與3-丁烯-2酮的Diels-Alder反應，在水中的反應速率是在乙醇中的60倍，在水中的產物endo:exo為20倍以上，而在乙醇中的反應產物其比例僅為8.5.由此可見，水不僅能促進反應的反應速率，還能提高此反應產物的endo:exo比值。（4） Micheal加成反應硝基甲烷與3-丁烯-2酮發(fā)生的Micheal加成反應在水中的反應速率和選擇性均大于在甲醇中的反應速率和選擇性，而且不使用堿來催化。（

4、5） 縮合反應 在水/十二烷基硫酸鈉（SDS）體系中，10%的二苯基硼酸催化，醛和烯醇三甲基硅醚反應，高選擇性的得到了順式取代的-羥基酮（80%-94%）。 1.2離子液體作介質的有機合成離子液體又稱室溫熔融鹽，室溫下不發(fā)生結晶。早在1914年就首次合成了離子液體-EtNH3NO3。到了20世紀80年代，Magnuson等研究EtNH3NO3作為反應溶劑的性質。其后人們合成了更多的離子液體并考查了它們作為有機溶劑的替代品在有機反應中的應用，開拓了綠色合成的新領域。離子液體的結構特征是至少有一種組分離子的體積較大, 且陽離子結構對稱性差, 這一切可以降低鹽晶體的晶格能, 因而具有較低的熔點。常見

5、的離子液體中, 陽離子一般為N-烷基吡啶和，-二烷基咪唑陽離子, 陰離子通常為四氟硼酸根、六氟磷酸根和四氯鋁酸根離子。由于酸性離子液體的固有缺點, 目前的研究主要集中在中性離子液體領域。許多中性離子液體是憎水性的, 但對無機鹽或強極性化合物, 以及除烷烴和烷基苯之外的許多有機物都有很好的溶解性。與分子液體不同的是, 人們可以通過改變正負離子的方法對離子液體的特性如熔點、粘度、密度、憎水性等進行調整, 是化學研究中第一種可以進行結構設計的溶劑。以-烷基-甲基咪唑氟硼酸鹽為例, 當烷基碳原子數小于時, 該離子液體可與水混溶, 若大于, 則不與水混溶而分相。這一特點對產物的分離有利。離子液體基本上可

6、以分為三類：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型離子液體的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性差，所以主要研究的是非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。 1.3超臨界流體中的有機合成 當物質所處的溫度和壓力分別超過其臨界溫度（TC）和臨界壓力（PC）,并且其密度接近或高于臨界密度（C）時，即被認為是超臨界流體（SCF）。SCF兼具氣體和液體的特性，在溶解能力方面與液體相似，而其黏度和擴散系數與氣體相似，其密度取決于其壓力，并可連續(xù)從氣相值變至液相值。與有機溶劑相比，SCF作溶劑可以消除溶劑殘留、有機廢液及操作繁瑣等諸多不利因素，還具有突變

7、性和可調性。特別是在臨界點附近，溫度和壓力的微小變化，會顯著的影響SCF的密度及與密度相關的物理化學性質，如：黏度、介電常數、擴散系數、溶解度參數等，因而可以通過控制體系的溫度和壓力來控制體系的溶解特性、傳質和傳熱特性及反應特性，進而使反應和分離過程可控。此外，對于CO2等SCF溶劑還可以利用共溶劑來提高其溶解特性，并借之對反應和分離進行控制。 1.4相轉移催化技術 在有機合成中，當反應體系是非均相體系時，處于不同相的反應物之間彼此不能接觸，從而使反應效果不佳或根本不反應。此外，若在反應體系中加入少量“相轉移催化劑”使兩反應物轉移到同一相中，便可使反應順利進行。這種反應稱為相轉移催化反應。具有

8、反應條件緩和、操作簡便、反應時間短、產品收率高、產品純度高等突出優(yōu)點。相轉移催化主要用于液-液體系，也可以用于液-固體系。相轉移催化劑可分為季鎓鹽類的和開鏈聚醚類相轉移催化劑。（1） 季鎓鹽類相轉移催化劑季鎓鹽類相轉移催化劑能夠將負離子轉移到有機相中，它由第主族元素N、P、As等組成，其中季銨鹽因制作簡單、價格便宜、毒性小而被廣泛應用。（2） 聚醚類相轉移催化劑 聚醚類相轉移催化劑能夠實現(xiàn)陽離子的相轉移，適用于液-固或液-液的相轉移催化過程。（3）三相催化劑 三相催化劑是最新發(fā)展起來的一種不溶于一般溶劑的固體相轉移催化劑。它是由季鎓鹽類或聚醚類相轉移催化劑與高分子化合物（如聚苯乙烯）鍵連而成，

9、可用于液-液兩相反應。此外相轉移催化劑還用于氧化還原反應，能夠加速反應進行，增加反應的選擇性，顯示了一些獨特的作用。在相轉移催化劑下，像KMnO4、NaOCl、H2O2等氧化（還原）劑可以借助催化劑轉移到有機相中使氧化還原反應在溫和條件下進行，得到高產率的產物。 2、微波輻射有機合成技術 微波是頻率在300MHz-300GHz范圍內的電磁波，它位于電磁波譜的紅外輻射（光波）和無線電波之間。微波在400MHz-10GHz的波段專門用于雷達，其余部分用于電訊傳輸。此外，由于微波的熱效應，微波作為一種非通訊的電磁波廣泛用于工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療、科研及家庭等民用加熱方面。自1970年英國Harwell實驗

10、室使用微波爐裝置成功地處理了核廢料以來 ,微波輻射技術得到了迅速發(fā)展。微波輻射(microwave irradiation，MWI)最早用于有機合成反應是在2O世紀60年代利用電磁波輻射脈沖進行丙烯酸酯、丙烯酸和異丁烯酸的乳液聚合。真正開始MWI技術在有機合成中的應用，始于加拿大學者，當年他們于1986年發(fā)現(xiàn)微波輻射下的4-氰基苯氧離子與氯芐的Sn2親核取代反應可以使反應速率提高124倍，并且產率也有不同程度的提高。這一發(fā)現(xiàn)引起了化學界的極大興趣。自此，在短短的十幾年里，微波輻射促進有機化學反應的研究已成為有機化學領域中的一個熱點，并逐步形成了一門引人注目的全新領域。微波輻射下的有機

11、反應速率較傳統(tǒng)的加熱方法快數倍乃至上千倍，并且具有操作方便、產率高及產品易純化等優(yōu)點，因此微波有機合成技術雖然時間不長，但發(fā)展迅速。目前，采用微波技術進行的合成反應有Diels-Alder反應、酯化反應、重排反應、Knoevenagel反應、Perkin反應、苯偶姻縮合、Reformatsky反應、Deckmann反應、縮醛（酮）反應、Witting反應、羥醛縮合、開環(huán)、烷基化、水解、氧化、烯烴加成、消除反應、取代、成環(huán)、環(huán)反轉、酯交換、酰胺化、催化氫化、脫羧、脫保護、聚合、立體選擇性、自由基反應及糖類和某些金屬有機反應等，幾乎涉及了有機合成反應的各個主要領域。微波輻射的特點 ：傳統(tǒng)加熱方式是

12、通過輻射、對流及傳導由 表及里進行加熱 ,為避免溫度梯度過大 ,加熱速 度往往不能太快 ,也不能對處于同一反應裝置 內混合物料的各組分進行選擇性加熱。與傳統(tǒng)加熱方式相比 ,微波輻射有以下特點: （1） 微波輻射是同時直接作用于介質分子 ,使整個物料同時被加熱即“體積加熱”過程 , 可實現(xiàn)分子水平上的攪拌 ,物料受熱均勻。 （2）由于物質吸收微波的能力取決于自身的介電特性 ,因此可對混合物料中的各個組分進行選擇性加熱 ,在某些氣固相反應中,同時存在氣固界面反應和氣相反應 ,氣相反應有可能使選擇性減小,利用微波選擇性加熱的特性就可使氣相溫度不致過高,從而提高反應的選擇性。 （3）微波輻射無滯后效應

13、 ,當關閉微波源后,再無微波能量傳向物質 ,利用這一特性可進行對溫度控制要求嚴格的反應。 （4）微波能量利用效率很高 ,物質升溫非 常迅速 ,液體很快沸騰 ,但若控制不好,易出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。微波反應技術大致可以分為3種：微波密閉合成技術、微波常壓合成技術和微波連續(xù)合成技術。微波反應由于具有反應速率快、副產物少、收率高及環(huán)境友好等優(yōu)點，逐漸受到重視，并發(fā)展成為一個極具潛力的新領域MORE化學，即微波促進有機化學，也叫做微波誘導催化有機反應化學。近年來發(fā)展出一種新型的合成方法微波輔助水相有機合成法。3、 聲化學合成技術聲化學是指利用超聲波加速化學反應、提高反應速率的一門新興交叉學科。通常把頻率范

14、圍為20KHz1000MHz的聲波稱為超聲波。多數化學反應在液相中進行，聲化學反應常用超聲波的頻率在20kHz-10kHz范圍。超聲波對化學反應的促進作用不是來自聲波與反應物分子直接相互作用，因為超聲波能量很小，甚至不能激發(fā)分子的轉動能級，更不能打開化學鍵而直接引發(fā)化學反應。超聲波能使化學反應加速，主要是由于超聲空化，即產生肉眼難以管觀察到的小氣泡或空穴以及空穴的振蕩、生長、收縮和爆裂等一系列動力學過程。 Cavity Imploding CavityBlack:bulk liquid,ambient temperatureRed:supercritical fluid ,1900KWhite

15、：cavity with some gas ,5000K近幾年來，超聲波作為一種新的能量形式用于有機化學反應，不僅使很多以往不能進行或難以進行的反應得以順利進行，而且它作為一種方便、迅速、有效、安全的合成技術大大優(yōu)越于傳統(tǒng)的攪拌、外加熱方法，廣泛應用于醫(yī)學、工業(yè)焊接、材料改性、廢水處理甚至化學的各個領域，如分析化學、物理化學、生物化學、聚合物化學、電化學、光化學、環(huán)境化學和晶體化學等，并且具有縮短反應時間、提高反應產率、反應條件溫和、反應選擇性高和操作簡單等優(yōu)點。據研究為，超聲波催化促進有機化學反應，是由于液體反應物在超聲波的作用下，產生無數微小空腔空腔內產生瞬時的高溫高壓，從而使反應速度加快

16、，而且空腔內外壓力十分懸殊，使空腔迅速塌陷、破裂，產生極大的沖擊力，從而起到了激烈攪拌的作用，使反應物充分接觸，提高反應效率。超聲波超聲波可以加速化學反應, 促進有機合成。如今, 超聲波已被廣泛應用于化學、醫(yī)學、廢水處理等諸多領域, 超聲波在有機合成中的應用呈蓬勃發(fā)展之勢, 成為有機合成的重要技術之一。 4. 光催化有機合成反應  具有潔凈無污染，反應速度快等特點，是當今研究的一個新領域。Maeda等采用簡單的自組裝方法在普通的石英玻璃毛細管中涂覆一層納Ti02顆粒，獲得了一種光催化氧化微反應器，具有高效性，在研究新的有機光反應機理方

17、面有較好的應用前景。5、電催化有機合成反應電化學過程是潔凈技術的重要組成部分，是到達綠色合成的有效方法，在合成化學中占有不可替代的地位。有機電合成一般可避免有毒試劑的使用，通常在常溫、常壓下進行。有機合成中一類非常重要的碳碳鍵形成的反應是自由基反應,實現(xiàn)自由基環(huán)化的常規(guī)方法之一是使用過量的三丁基錫以除去的錫試劑,而用維生素B12催化的電還原方法完全可以避免這方面的問題。應用天然、無毒、手性的維生素B12為催化劑的電催化反應,可產生自由基類中間體,從而實現(xiàn)了在溫和、中性條件下的自由基環(huán)化。6、酶催化技術 酶是由生物細胞產生的以蛋白質為主要成分的高效生物催化劑。用酶作催化劑所進行的反應，與非酶反應

18、相比有很多突出的優(yōu)點。例如，催化效率高，反應速率快、立體選擇性好、反應條件溫和等。而且酶可以用來合成許多結構復雜、用傳統(tǒng)方法很難得到的有機化合物。如L-氨基酸、抗生素、核酸、維生素等。 酶催化反應作用原理：酶催化反應發(fā)生于酶分子中的特定位置，相當于普通催化劑中的活性中心。在該位置上，酶與反應物作用，形成中間產物。然后再經分解得到產物，同時，酶又重新游離出來。酶的組成與分類：絕大多數酶是蛋白質，到目前為止已知的酶有兩千多種。有些酶只由蛋白質組成，不含其它化學成分，如蛋白酶。另有一些酶，需要一些非蛋白性物質來激發(fā)其催化活性，起這種作用的物質叫做輔助因子或輔酶。生物催化生物催化是指利用酶或有機體作為催化劑進行化學反應的過程, 也稱生物轉化。生物催化在有機合成中快速發(fā)展, 尤其是在不對稱合成中應用價值更加突出。其原因與生物催化的特點有關。展望 ： 有機合成是一個極富創(chuàng)造性的領域，相關的新技術、新方法都在不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)代有機合成正朝著高選