綠色的有機(jī)合成和選擇

1、綠色的有機(jī)合成和選擇為什么反應(yīng)時(shí)要使用溶劑 ? 溶解反應(yīng)物質(zhì). 減慢或加速反應(yīng)進(jìn)程. 作為熱浴和傳熱介質(zhì) 防止反應(yīng)時(shí)熱的散失1有機(jī)反應(yīng)溶劑的選擇要比離子液體和氟溶劑廉價(jià)揮發(fā)性 - 它需要較少的能源，以消除溶劑蒸發(fā)。 溶劑可以通過蒸餾回收，較少廢物 .調(diào)節(jié) - 大多數(shù)國家已經(jīng)有限制釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物的工業(yè)要求。 有機(jī)溶劑的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)溶劑的缺點(diǎn) 有機(jī)溶劑在化工行業(yè)受到廣泛關(guān)注，因?yàn)樵诤铣?、加工以及分離時(shí)都用到大量的溶劑：有機(jī)溶劑價(jià)格昂貴有機(jī)溶劑需要嚴(yán)格監(jiān)管。 許多有機(jī)溶劑易揮發(fā)，易燃，有毒.溶劑選擇A. 無溶劑反應(yīng)B. 非有機(jī)溶劑體系C.加工技術(shù) 什么是綠色溶劑? 低毒性 容易回收 (無廢棄物)進(jìn)

2、一步應(yīng)有的特點(diǎn) : -容易從反應(yīng)物中分離 -低反應(yīng)活性 驅(qū)動(dòng)力: 殘留溶劑使用時(shí)被患者接觸吸收 決不能使用的溶劑: 苯, 死氯化碳, 1,2二氯乙烷，1,1二氯乙烷 ,如果不可避免時(shí)，可以使用得溶劑 (殘留在產(chǎn)品中):正己烷，甲苯，二氯甲烷，二惡烷，吡啶，甲醇 , .首選溶劑：水，超臨界co2，庚烷，甲基叔丁基醚，乙酸乙酯，叔丁醇，乙醇，. 醫(yī)藥行業(yè)溶劑使用的限制綠色溶劑例如：乳酸乙酯 低毒，生物降解;被FDA批準(zhǔn)作為食品添 加劑Bennett, J. S. Green Chem. 2009,11,166.ROHOMeH2NROMe90-94%Ethyllactate+entle

3、heatORH2NEthyllactate/H2Or.t.NR+4:197-98%PreparationofArylAldimines沒有任何反應(yīng)介質(zhì)需要收集，凈化，回收 . 可以極大地縮短反應(yīng)時(shí)間. 降低所需的能量.大大減少批量的次數(shù)和量。. 價(jià)格低廉.無溶劑的Diels-Alder反應(yīng) Hendrix College 二烯烴與烯烴反應(yīng) (top left). 不需要溶劑或加熱，攪拌作用下10分鐘有晶體出現(xiàn)。.Ritter, S. K. Chem. Eng. News 2007, 85(22), 38. 2 無溶劑有機(jī)合成優(yōu)點(diǎn)無溶劑反應(yīng)的方法整潔 - 一起始反應(yīng)試劑中沒有液相。 .固相合成

4、- 兩個(gè)宏觀固體直接互動(dòng)，形成第三種固態(tài)產(chǎn)物，沒有一個(gè)液態(tài)或氣態(tài)的參與交叉羥醛縮合The Crossed-Aldol Condensation無溶劑的原子經(jīng)濟(jì)性反應(yīng):Hutchison, J. E. et al. J. Chem. Educ. 2009, 86, 488.Examples - NeatExamples 固相反應(yīng) 氧化 還原鹵代反應(yīng) and氫鹵化作用 s Michael 加成 and Aldol加成 消除反映 2+2, 4+2, and 6+2環(huán)加成反應(yīng) 交叉羥醛縮合See: Tanaka, K.; Toda, F. “Solvent-Free Organic Synthesis

5、”Chem. Rev. 2000, 100, 1025-1074.固相反應(yīng)的限制并非所有反應(yīng)都能在無溶劑條件下進(jìn)行. 需要功能化催化劑.放熱反應(yīng)有潛在的危險(xiǎn)某些反應(yīng)需專門設(shè)備 如果需要用水或有機(jī)溶劑提取產(chǎn)物則反應(yīng)的綠色化作用受到限制3.1 液態(tài)以及超臨界 CO23.2 離子液體3.3 Fluorous Phase Chemistry3.4 水3 使用非有機(jī)溶劑體系McKenzie, L. C.; et al. Green Chem. 2004, 6, 355.3.1 液態(tài) CO2 作為綠色萃取溶劑超臨界 CO2超臨界的含義?Supercriticalregion 兼具氣態(tài)以及液態(tài)的特性.在液體

6、狀密度，超臨界co2具有低粘度，高擴(kuò)散率。 超臨界相有高的可壓縮性，溶劑性能受到溫度和壓力的微小變化而發(fā)生變化。 可在標(biāo)準(zhǔn)高壓設(shè)備制備，無論在實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)規(guī)模。 無毒，不易燃，廉價(jià)的 .非質(zhì)子，一般不起化學(xué)反應(yīng)。 產(chǎn)品分離，干燥可通過簡單的減壓實(shí)現(xiàn)。 CO2 重復(fù)回收和使用.scCO2的性質(zhì)scCO2商業(yè)應(yīng)用 天然產(chǎn)物提取 合成高分子 干洗利用超臨界co2脫除 茶、咖啡、可可含有的咖啡因 由于健康或其他理由可以選擇不含咖啡因的咖啡Decaffeinated超臨界二氧化碳來代替從咖啡豆中提取咖啡因二氯甲烷是一種綠色化學(xué)實(shí)踐相較于二氯甲烷 ,二氧化碳無毒，不會(huì)造成環(huán)境問題 加氫 烯烴醛化 光化學(xué)和

7、自由基反應(yīng) Dies-Alder 環(huán)化反應(yīng) 氧化鈀介導(dǎo)的偶合生物轉(zhuǎn)化 在有機(jī)合成化學(xué)超臨界CO2 作為溶劑的例子For a review, see: Oakes, R. S. et al. “The Use of Supercritical Fluids in Synthetic Organic Chemistry” J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 2001, 917941. 很多物質(zhì)在scCO2中溶解受到限制.加入有機(jī)溶劑可增加溶解能力，但這回會(huì)使綠色化程度降低。親二氧化碳表面活性劑正在開發(fā) 比較昂貴而且反應(yīng)后需要從產(chǎn)物中除去scCO2的限制3.2 離子液體有

8、機(jī)鹽的熔點(diǎn)低于 100 C, 經(jīng)常低于室溫.離子液體的性質(zhì)對于有機(jī)和無機(jī)材料的均是應(yīng)用廣泛的良好溶劑 有成為具有高度極性但非配位性溶劑的潛力 通過改變陽離子和陰離子，離子液體可以根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整 .可能使反應(yīng)速率的提高，選擇性提高和產(chǎn)量提高 熱穩(wěn)定性高通常與有機(jī)溶劑和/或水不混溶無蒸汽壓不易燃 可回收疏水1 -乙基- 3 -甲基二（三氟甲基）-磺酰酰胺（瓶底相）通過藍(lán)色水與同樣疏水的壬烷分開。 Heck 反應(yīng)1 Friedel-Crafts 反應(yīng)2 Diels-Alder反應(yīng)3加氫反應(yīng)4 離子液體已被用于各種反應(yīng)1. Carmichael, A. J.; Earle, M. J.; Holbr

9、ey, J. D.; McCormac, P. B.; Seddon, K. R. Org. Let. 1999, 1, 997.2. Adams, C. J.; Earle, M. J.; Roberts, G.; Seddon, K. R. Chem. Commun. 1998, 2097.3. Earle, M. J.; McCormac, P. B.; Seddon, K. R. Green Chem. 1999,1, 23.4. (a) Fisher, T.; Sethi, A.; Welton, T.; Woolf, J. Tetrahedron Lett. 1999, 40, 7

10、93. (b) Adams, C. J.; Earle, M. J.; Seddon, K. R. Chem. Commun. 1999, 1043離子液體的局限性 與有機(jī)溶劑相比非常昂貴 (100到1000倍). 經(jīng)常需要制備，制備過程經(jīng)常要使用溶劑. 需要使用溶劑將產(chǎn)物從離子液體中提取出來. 再重復(fù)使用前需要用水沖洗3.3 含氟溶劑FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFPerfluoroussolventsPdClClPPC8F17C8F1733PerfluorouscatalystFIFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFIPerfluoroustags

11、perfluorodecalinFFFFFFFFFFFFFFFFFF 對其它含氟化合物親和性極好. 在 scCO2中溶解性非常好. 與水以及常見有機(jī)溶劑在室溫下不混溶 溫度升高時(shí)與常見溶劑互溶 化學(xué)活性惰性. 這些性質(zhì)好還是壞?氟溶劑的物理性質(zhì) 用于含氟催化劑和化合物的回收以及循環(huán)使用。氟兩相有機(jī)合成 .含氟溶劑的使用底物催化劑加熱產(chǎn)物催化劑底物冷卻產(chǎn)品催化劑催化劑產(chǎn)品有機(jī)相氟相氟兩相催化反應(yīng)的機(jī)理用氟溶劑的有機(jī)反應(yīng)Knochel, P. et al. Angew. Chem. Int. Ed. 1997, 36, 1454.Pozzi, G. et al. Chem. Commun. 199

12、7, 69.RunYieldTON190%854283%785381%770Gladysz, J. A. et al. J. Am. Chem. Soc. 1999, 121, 2696.含氟溶劑中硼氫化反應(yīng)反應(yīng)完成后，產(chǎn)物分離后含氟相的催化劑可重復(fù)使用 回收昂貴催化劑比較簡單 和其它兩相反應(yīng)互補(bǔ). 容易分離. 設(shè)計(jì)新型催化劑和反應(yīng)試劑在組合化學(xué)中可替代固相反應(yīng). 無毒?含氟溶劑的優(yōu)點(diǎn)含氟溶劑的缺點(diǎn) 含氟溶劑以及試劑非常昂貴. 仍然需要用第二相作為反應(yīng)介質(zhì) 水 對于大多數(shù)有機(jī)合成是一個(gè)壞的反應(yīng)介質(zhì)嗎？3.4 在水相進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)世界上大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在水相中 Diels-Alder 反應(yīng)1

13、Claisen-重排2 Aldol 反應(yīng)3烯丙基化反應(yīng) 4 氧化反應(yīng)5加氫 6水相反應(yīng)1. Rideout, D. C.; Breslow, R. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7816.2. Gajewski, J. J. In Organic Synthesis in Water; Grieco, P. A., Ed.; BlackieAcademic & Professional: London, 1998.3. Kobayashi, S. In Organic Synthesis in Water; Grieco, P. A., Ed.; BlackieAc

14、ademic & Professional: London, 1998.4. Lu, W.; Chan, T. H. J. Org. Chem. 2001, 66, 3467.5. Fokin, V. V.; Sharpless, K. B. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2001,40, 3455.6. Nagel, U.; Albrecht, J. Top. Catal. 1998, 5, 3. 成本 水是最廉價(jià)的溶劑. 安全性 沒有比水更安全的溶劑. 某些反應(yīng)在水中進(jìn)行效果更好.為什么用水作為溶劑? 有些反應(yīng)在水中無法進(jìn)行 對大多數(shù)有機(jī)化合物溶解性很差. 使用

15、水-有機(jī)溶劑的混合溶劑、控制pH值、加入表面活性劑、親水性助劑等可增加溶解性水作為溶劑的局限性 產(chǎn)品需要在有機(jī)溶劑中進(jìn)行純化.這會(huì)產(chǎn)生含有有機(jī)溶劑的污水，必須妥善處置 .水在綠色化學(xué)中作用4微波輔助的合成 反應(yīng)速度快 = 縮短反應(yīng)時(shí)間 反應(yīng)清潔 = 純化步驟減少廢棄物減少 水、乙醇、丙酮等相對“綠色化溶劑”是微波輔助合成的良溶劑 溶劑用量減少 每次反應(yīng)僅需0.5-5mL 低能耗 (最大=300w, 典型反應(yīng)功率 20w)微波輔助合成舉例微波輔助合成舉例 微波輔助合成舉例 微波在Suzuki交叉耦合反應(yīng)中的使用 Leadbeater, N. E. et al, Org. Lett. 2002,

16、4, 2973.微波Sonogashira交叉耦合 微波介導(dǎo)的Suzuki交叉偶合反應(yīng)，不需要過渡金屬催化Leadbeater, N. E. et al, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 1407.5 點(diǎn)擊化學(xué)“運(yùn)用少數(shù)近乎完美的反應(yīng)，使不同功能的分子快速，高效的組裝，它保證產(chǎn)品具有可靠的高產(chǎn)量和純度”-Sharpless, B. et al, Chem. Bio. Chem. 2003, 4, 1246.“反應(yīng)具有.產(chǎn)量高，反應(yīng)條件簡單，無需除氧氣和水，產(chǎn)品分離簡便” Frechet, J. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 15020.Sharpless, B.K. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 2004.符合“點(diǎn)擊化學(xué)”標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)銅催化的疊氮/炔環(huán)加成反應(yīng),Huisgen的1,3偶極環(huán)加成反應(yīng)Thermodynamic and kinetically favorable (50 and 26 kcal/mol, respectively)Regio