非傳統(tǒng)溶劑中的有機合成ppt

1、非傳統(tǒng)溶劑中的有機合成ppt1第1頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四三、水介質中的有機合成一、離子液體作介質的有機合成二、超臨界流體中的的有機合成2第2頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四選 題超臨界二氧化碳參與的兩相體系及其在有機合成反應中的應用超臨界二氧化碳/水(scCO2/H2O)超臨界二氧化碳/離子液體(scCO2/IL)超臨界二氧化碳/聚乙二醇(scCO2/PEG)選 題功能化離子液體進展3第3頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四 對于傳統(tǒng)有機反應而言，有機溶劑是必不可少的，這是由于有機溶劑對有機物具有良好的溶

2、解性。但是有機溶劑的毒性和較高的揮發(fā)性也使之成為有機合成污染的主要原因。 限制有機溶劑的使用，用新型綠色反應介質代替有機溶劑或者徹底避免使用有機溶劑已成為綠色化學的重要研究方向。4第4頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四離子液體( ionic liquids)又稱為室溫離子液體( room temperature ionic liquid) 、室溫熔融鹽( room temperature molten salts) 、有機離子液體等，是指僅由離子組成在室溫或低溫下為液體的鹽。一、離子液體作介質的有機合成1929 年，Sugden 將乙胺與20 %硝酸反應后，減壓除去水

3、分，得到油狀液體，熔點為8 ，元素分析結果表明其組成符合C2H8N2O3 , 證明是一種液體鹽。（一）離子液體的歷史5第5頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四1951年Hurley 和Wier 將1-溴丁烷與吡啶反應生成的N-丁基吡啶溴代鹽與無水三氯化鋁混合，生成一種室溫下為液體的物質；1976 年Osteryoung 等利用這種液體具有良好導電性的性質，將其作為電解液，研究了六甲基苯的電解行為；1986 年Appleby 等采用N , N-二烷基取代咪唑與三氯化鋁組成的離子液體作為非水溶劑，研究了過渡金屬配合物的電子吸收波譜；6第6頁，共125頁，2022年，5月20

4、日，14點59分，星期四1992 年Wilkes領導的研究小組合成了低熔點、抗水解、穩(wěn)定性強的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽( EmimBF) 的制備。從此，離子液體逐漸受到國內外化學工作者的重視，到了20 世紀末2l 世紀初，有關離子液體的介紹與應用的報道大量出現(xiàn)?？梢哉f，目前離子液體的研究已經成為化學界的熱點課題之一。7第7頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四(1)幾乎沒有蒸氣壓、不揮發(fā)、無色、無味;最初的離子液體主要用于電化學研究，近年來在作為環(huán)境友好的溶劑方面有很大的潛力，故也稱之為“綠色溶劑”( green solvents）。與傳統(tǒng)的有機溶劑和電解質相比，

5、離子液體具有一系列突出優(yōu)點: (2)有較大的穩(wěn)定溫度范圍，較好的化學穩(wěn)定性及較寬的電化學穩(wěn)定電位窗口;(3)通過陰陽離子的設計可調節(jié)其對無機物、水、有機物及聚合物的溶解性，并且其酸度可調至超酸。（4）由于離子液體不會形成恒沸系，有利于分離， 對于過程工藝也極為有利。8第8頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四（二）離子液體的種類離子液體的種類比較多，其中的陽離子主要有以下4 類:烷基季銨離子NRx H4 - x + ，如Bu3 NMe + ;烷基季膦離子 PRx H4 - x ，如 Ph3 POc + ; N-烷基取代吡啶離子，記為 RPy + ; 1 ,3-二烷基取代咪

6、唑離子，或稱為N , N-二烷基取代咪唑離子，記為 RRim + 。陰離子則可以是AlCl4 -、BF4 -、PF6 -、CF3 COO- 、CF3 SO3 -、(CF3 SO ) 2N -、 SbF6 -等有機離子和配合物離子，也可以是Cl - 、Br - 、I- 、NO3 - 、 ClO4- 等簡單無機離子。以NO3- 、ClO4- 為負離子的離子液體要注意防止爆炸(特別是干燥時) 。9第9頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四離子液體種類繁多，改變陽離子和陰離子的不同組合，可以設計合成出不同的離子液體。一般陽離子為有機成分，并根據(jù)陽離子的不同來分類。離子液體中常見的

7、陽離子類型有烷基銨陽離子、烷基鎓陽離子、N- 烷基吡啶陽離子和N, N - 二烷基咪唑陽離子等(如圖1) ，其中最常見的為N, N - 二烷基咪唑陽離子。（三）離子液體的合成10第10頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四符號與縮略語:BMIM + ：1-丁基-3-甲基咪唑陽離子EMIM + ：1-乙基-3-甲基咪唑陽離子;11第11頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四離子液體合成大體上有2種基本方法:直接合成法和兩步合成法。就是通過酸堿中和反應或季銨化反應一步合成離子液體，操作經濟簡便，沒有副產物，產品易純化。例如：硝基乙胺離子液體就是由乙胺的水

8、溶液與硝酸中和反應制備。具體制備過程是:中和反應后真空除去多余的水，為了確保離子液體的純凈，再將其溶解在乙腈或四氫呋喃等有機溶劑中，用活性炭處理，最后真空除去有機溶劑得到產物離子液體。1、 直接合成法12第12頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四2、 兩步合成法 如果直接法難以得到目標離子液體，就必須使用兩步合成法。首先通過季銨化反應制備出含目標陽離子的鹵鹽( 陽離子X型離子液體)；然后用目標陰離子Y- 置換出X-離子或加入Lewis酸MXy來得到目標離子液體。 在第二步反應中，使用金屬鹽MY(常用的是AgY或NH4Y)時，產生AgX沉淀或NH3、HX氣體而容易除去；加

9、入強質子酸HY，反應要求在低溫攪拌條件下進行，然后多次水洗至中性，用有機溶劑提取離子液體，最后真空除去有機溶劑得到純凈的離子液體。 13第13頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四14第14頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四應特別注意的是: 在用目標陰離子( Y- )交換X- 陰離子的過程中，必須盡可能地使反應進行完全，確保沒有X- 陰離子留在目標離子液體中，因為離子液體的純度對于其應用和物理化學特性的表征至關重要。高純度二元離子液體的合成通常是在離子交換器中利用離子交換樹脂通過陰離子交換來制備。另外直接將Lewis酸(MXy )與鹵鹽結合，可制

10、備陽離子 MnX ny + 1 型離子液體，如氯鋁酸鹽離子液體的制備就是利用這個方法。15第15頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四第一步以EmimBr 的合成為例：反應需要有機溶劑，過量的鹵代烷，加熱回流數(shù)小時（48-72h），在氮氣或氫氣保護下進行。鹵代烷常使用氯代烷和溴代烷，產物一般經乙酸乙酯或醚洗滌除去未反應的甲基咪唑和鹵代烷，減壓蒸餾得到烷基咪唑鹵代物，此步反應容易產生的污染物主要是含有未反應完全的原料的溶劑和含有少量洗滌產物用的廢酯或廢醚，選擇合適的反應條件和合成方法可以大幅度提高產物收率，減少有機溶劑的用量。16第16頁，共125頁，2022年，5月20日

11、，14點59分，星期四第二步以鹽MY 或酸HY 為目標陰離子交換后可以得到RmimY。其中，使用金屬鹽- Y（常用AgY 或NH4Y）時，產生AgX 沉淀或NH3、HX 氣體而容易除去；加入強質子酸HY，反應要求在低溫攪拌條件下進行，然后多次水洗至中性，用有機溶劑提取離子液體，最后真空除去有機溶劑得到純凈的離子液體。另外，直接將Lewis 酸（MXy）與鹵鹽結合，可制備陽離子MnXny+1型離子液體。17第17頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四（三）離子液體的物理化學特性離子液體的物理化學特性如熔點、黏度、密度、親水性和熱穩(wěn)定性等，可以通過選擇合適的陽離子和陰離子調配

12、，在很寬的范圍內加以調變。尤其是對水的相容性調變，對用作反應介質分離產物和催化劑極為有利。1、 熔點評價離子液體特性的一個關鍵參數(shù)就是其熔點，首先討論陽離子對離子液體熔點的影響，以Cl-為相同陰離子，比較不同氯鹽的熔點(見表1) 可以看出：堿金屬氯化物的熔點高達800 左右，而含有機陽離子的氯鹽熔點均在150 以下，且隨陽離子不對稱性程度的提高而熔點相應下降。18第18頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四一般來說，低熔點離子液體的陽離子具備下述特征:低對稱性、弱的分子間作用力和陽離子電荷的均勻分布。19第19頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四

13、陰離子對離子液體熔點也有影響，比較含不同陰離子的1-乙基-3-甲基咪唑鹽離子液體的熔點(見表2) 可以看出，在大多數(shù)情況下，隨著陰離子尺寸的增加，離子液體的熔點相應下降。20第20頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四 離子液體能夠溶解有機物、無機物和聚合物等不同物質，是很多化學反應的良溶劑。成功地使用離子液體，需要系統(tǒng)地研究其溶解特性。 離子液體的溶解性與其陽離子和陰離子的特性密切相關。陽離子對離子液體溶解性的影響可由正辛烯在含相同甲苯磺酸根陰離子季銨鹽離子液體中的溶解性看出，隨著離子液體的季銨陽離子側鏈變大，即非極性特征增加，正辛烯的溶解性隨之變大。由此可見，改變陽離

14、子的烷基可以調整離子液體的溶解性。2、溶解性21第21頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四陰離子對離子液體溶解性的影響可由水在含不同BMIM + 陽離子的離子液體中的溶解性來證實， BMIM CF3SO3 、BMIMCF3CO2和BMIM C3F7CO2與水是充分混溶的，而BMIMPF6 、BMIM (CF3 SO2 ) 2N與水則形成兩相混合物。在20 時,飽和水在BMIM (CF3SO2)2N中的含量僅為1. 4 %，這種離子液體與水相溶性的差距可用于液-液提取的分離技術。大多數(shù)離子液體的介電常數(shù)超過一特征極限值時，其與有機溶劑是完全混溶的。22第22頁，共125頁

15、，2022年，5月20日，14點59分，星期四 離子液體的熱穩(wěn)定性分別受雜原子-碳原子之間作用力和雜原子-氫鍵之間作用力的限制，因此與組成的陽離子和陰離子的結構和性質密切相關。 例如： 胺或膦直接質子化合成的離子液體的熱穩(wěn)定性差，很多含三烷基銨離子的離子液體在真空80 下就會分解； 由胺或膦季銨化反應制備的離子液體，會發(fā)生熱誘導的去烷基化(逆季銨化) 反應，并且其熱分解溫度與陰離子本質有很大關系。3、熱穩(wěn)定性23第23頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四 大多數(shù)季銨氯鹽離子液體的最高工作溫度在150 左右，而 EMIMBF4在300 仍然穩(wěn)定， EMIM CF3SO3

16、和 EMIM (CF3SO2) 2N的熱穩(wěn)定性溫度均在400 以上?？梢钥闯?，同水和大多數(shù)有機溶劑相比，離子液體具有更寬闊的穩(wěn)定液態(tài)溫度范圍，其應用領域也會更廣闊。24第24頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四離子液體的密度與陰離子和陽離子有很大關系。比較含不同取代基咪唑陽離子的氯鋁酸鹽的密度發(fā)現(xiàn)，密度與咪唑陽離子上N-烷基鏈長度呈線性關系，隨著有機陽離子變大，離子液體的密度變小。這樣，可以通過陽離子結構的輕微調整來調節(jié)離子液體的密度。陰離子對密度的影響更加明顯，通常是陰離子越大，離子液體的密度也越大。因此，設計不同密度的離子液體，首先選擇相應的陰離子來確定大致范圍，然

17、后認真選擇陽離子對密度進行微調。4、密度25第25頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四離子液體的酸堿性實際上由陰離子的本質決定。將Lewis 酸如AlCl3加入到離子液體BMIMCl中，當AlCl3的摩爾分數(shù)x (AlCl3 ) 0. 5 時，隨著AlCl3 的增加會有Al2Cl7-和Al3Cl10-等陰離子存在，離子液體表現(xiàn)為強酸性，見圖3 。5、酸堿性26第26頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四研究離子液體的酸堿性時，必須注意其“潛酸性”和“超酸性”。例如，把弱堿吡咯或N ，N- 二甲基苯胺加入到中性BMIMAlCl4- 中，離子液體表現(xiàn)出

18、很明顯的潛酸性。把無機酸溶于酸性氯鋁酸鹽離子液體中，可觀察到離子液體的超強酸性。與傳統(tǒng)的超酸系統(tǒng)相比，超酸性離子液體處理起來更安全。27第27頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四離子液體的粘度實際上由其中氫鍵和范德華力來決定。氫鍵的影響非常明顯，例如，比較含不同組分的氯鋁酸鹽的粘度發(fā)現(xiàn)，當x (AlCl3) 0. 5 時， 在酸性混合離子液體中，由于較大陰離子AlCl4 -和Al2Cl 7-等的存在，使形成的氫鍵較弱，粘度自然較低。6、粘度28第28頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四比較含BMIM+陽離子的不同疏水離子液體的粘度發(fā)現(xiàn)，氫鍵和范德

19、華力的相互作用決定離子液體的粘度 (見表3) 。從 CF3SO3 - 到C4 F9SO3 - 、從CF3CO2 - 到C3 F7CO2 - ，離子液體的粘度有明顯增加，這是因為含C4 F9SO3 - 和C3F7CO2- 離子液體中更強的范德華力導致了離子液體的粘度更大。29第29頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四將BMIM CF3SO3和BMIM (CF3SO2) 2N的粘度進行比較發(fā)現(xiàn)，雖然含 (CF3SO2)2N- 離子液體有更強的范德華力，但其粘度并不大，這是因為較弱的氫鍵抵消了由范德華力引起的粘度增加。30第30頁，共125頁，2022年，5月20日，14點5

20、9分，星期四（四）離子液體在有機合成中的應用為什么離子液體可以作為有機反應的介質使用呢? 這主要取決于室溫離子液體的一些特性，具體為:(1) 它們對無機和有機材料表現(xiàn)出良好的溶解能力;(2) 它們通常含有弱配合離子,所以它們具有高極化潛力而非配合能力;(3) 它們與一些有機溶劑不互溶,可以提供一個非水、極性可調的兩相體系，憎水離子液體可以作為一個水的非共溶極性相使用;(4) 離子液體具有非揮發(fā)性特性,因此它們可以用在高真空體系中，同時可減少因揮發(fā)而產生的環(huán)境污染問題;31第31頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四(5) 室溫離子液體通常在300 范圍內為液體，有利于動力

21、學控制;(6) 它們表現(xiàn)出Bronsted , Lewis 酸及超強酸酸性;(7) 它們在高于200 時為熱穩(wěn)定的;(8) 它們相當便宜且易于制備由于離子液體對有機物表現(xiàn)出的良好的溶解能力，如與苯可形成50 (vol) %的溶液和其自身的穩(wěn)定性，使之作為有機溶劑的替代物在眾多有機反應中得到應用，如聚合反應、烷基化、?；磻?、異構化、氫化和Diels-Alder 等反應。32第32頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四 在室溫離子液體中進行Diels-Alder反應有一些明顯的優(yōu)點：體系有足夠低的蒸氣壓、可再循環(huán)、無爆炸性、熱穩(wěn)定且易于操作。 第一個被研究的反應是在 Et

22、NH3 NO3中環(huán)戊二烯與丙烯酸甲酯和甲基酮的反應，反應生成內旋和外旋產物，且溶劑組成對內外旋比例有影響，與非極性有機溶劑相比,該反應表現(xiàn)出明顯的高內旋產物傾向和快的反應速率特征。1、Diels-Alder反應33第33頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四34第34頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四Seddon 等研究了在室溫離子液體如1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酸鹽( bmim OTf ) 、bmim PF6 、bmim BF4和bmim lactate中進行的Diels-Alder 反應，發(fā)現(xiàn)反應的速率及選擇性與在LPDE （高氯酸鋰）

23、中進行時的相類似。其高的反應速率及選擇性也正好符合綠色化學過程的要求。同時替代了LPDE 的使用，從而避免了高氯酸鋰基廢物，還避免了由于使用二乙基醚和高壓操作而帶來的不安全問題。表1 列出的為它們得到的反應結果。35第35頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四注:除非標定,反應體系配比均為n (二烯) n (烯丙基單體) n (溶劑) = 1. 51. 01. 0 ; a : 1. 0mol 二烯與0. 2mol 烯丙基單體溶解或懸浮在溶液中;b : DMAD 為二甲基乙炔二碳酸酯;c : 為42與32位異構體的比例;d : 添加5 (mol) %的ZnI2 ; e :

24、添加10 (mol) %的BF4-Oet236第36頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四從表中可以看出,環(huán)戊二烯在 bmim OTf 中與三種不同烯丙基單體反應時，反應在室溫下均進行較慢，24h 后得到幾乎相同的產率?？梢钥闯?，endo-exo 選擇性依賴于烯丙基單體和反應溫度。例如，反應溫度從20 變到- 15 時，選擇性從1.61 提高到2.41。在反應起始階段選擇性有慢慢升高現(xiàn)象。另外，室溫離子液體中反應往往用較高濃度的反應試劑，如反應體系比例為n (二烯)n (烯丙基單體) n (離子液體) = 1. 51. 01. 0。反應轉化率較高，通常1h 后可達40 %

25、60 %轉化率,而且產生的環(huán)戊二烯二聚體副產物也很少。37第37頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四38第38頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四Wilkes 等利用室溫離子液體作溶液進行了苯的Friedel-Crafts反應，表2 列出的是五種芳香族化合物的Friedel-Crafts 反應。2、Friedel-Crafts 反應39第39頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四對于化合物2、3 和4 的?；磻?所有的主要產物為4-位異構體，2-位異構體也有生成，但產率均不超過2 % ，這樣的產率也是至今最好的。當用5

26、作反應物時，得到的單獨異構體的產率達99 % ，立體化學效應對反應無什么影響。40第40頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四表3 列出的為蒽在離子液體 emimCl2AlCl3中?；磻慕Y果。41第41頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四其反應物結構及機理為：42第42頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四對 bmim AlCl3中Friedel-Craft 烷基化反應來說，其反應也是通過正離子機理進行的。正離子產生機理如下:同樣 bmim AlCl3中苯的氯代與硝化反應有類似機理,其相應正離子產生過程為:1H NMR 證

27、實，F(xiàn)riedel-Craft ?；磻ǔＪ峭ㄟ^先形成酰基正離子進行的，如酰化劑為乙酰氯時，有如下反應存在:43第43頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四3、過渡金屬催化反應（1）氫化反應碳碳雙鍵的過渡金屬復合物催化氫化是一種廣泛研究的均相催化反應。然而，產品與反應試劑的分離仍有問題。RhCl2 (PPh3 ) 3 和Rh (cod) 2 BF4 (cod 為環(huán)辛二烯) 在 bmim BF4 中也被用來催化氫化環(huán)己烯。盡管RhCl2 (PPh3 ) 3 可得到高的轉化速率，用Rh (cod) 2 BF4 則可到達環(huán)己烯的全轉化為環(huán)己烷。44第44頁，共125頁，202

28、2年，5月20日，14點59分，星期四手性催化劑RuCl 2 -(S)-BINAP2 NEt3 被用來進行2-苯基-丙烯酸和2-(6-甲氧基-2-萘基) 丙烯酸的不對稱氫化反應，如圖4 所示。BINAP：聯(lián)萘二苯磷 45第45頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四研究發(fā)現(xiàn)在含有金屬鋰的 emimCl-AlCl3 ( X = 0. 67) 離子液體中有濕空氣存在時蒽可變成綠色，綠色消退后形成98 %的9 ,10-二氫蒽。如圖5 所示（2）選擇氫化反應46第46頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四二氯化鈀和醋酸鹽在一些四烷基銨和磷溴化物中還被用作催化劑

29、來完成鈀(0)-催化碳碳偶合Heck 反應。某些Heck 反應可發(fā)生芳香族化合物與乙烯基化合物的碳碳偶合反應，如溴代苯與丙烯酸丁酯的反應(見下圖) 。（3）Heck 反應47第47頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四4、烷基化反應兩可親核試劑吲哚或2-萘酚的烷基化反應通常是先用堿進行處理，然后與鹵代烴反應(見下式) 。雜原子上的區(qū)域選擇性烷基化反應即O-烷基化反應與所用的溶劑有關，通常使用偶極非質子溶劑如DMF、DMSO 等。盡管這類溶劑能加速碳原子上的親核取代反應，但它們沸點高、熱穩(wěn)定性差、氣味大，而且與水和有機相混溶使產物難以分離。48第48頁，共125頁，2022

30、年，5月20日，14點59分，星期四Seddon 等用簡便的方法制備了抗?jié)駳庑允覝仉x子液體 bmim PF6 , 該離子液體幾乎沒有可探測的蒸氣壓。它是羰基化合物、鹵代烴、醇和胺的極好溶劑，但卻與飽和碳氫化合物、二烷基醚和水等溶劑不互溶。該種濕的穩(wěn)定的離子液體的獨特性能使得它可作為重要的可再循環(huán)溶劑使用 。49第49頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四化合物1 與簡單鹵代烴于室溫下在 bmim PF6 中可發(fā)生反應，固體KOH 作為堿在反應中應用。產物可方便地用乙醚萃取，幾乎所有實例中反應物均發(fā)生N-烷基化生成化合物2。50第50頁，共125頁，2022年，5月20日，

31、14點59分，星期四早在1972 年，Parshall就研究了在四乙胺三氯錫酸鹽中乙烯的羰基化反應。1995 年，Chauvin 等研究了在離子液體如BMIM PF6 中銠催化的羰基化反應。近來，Karodia 等在膦鹽中研究了銠催化1-己烯的羰基化(見下式) 。他們利用高熔點離子液體在室溫下從固態(tài)催化劑介質中“傾倒出”有機產品，然后在離子液體熔點以上重新加熱，催化劑能被重新利用且有相同活性。5、羰基化反應51第51頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四分離提純回收產物一直是合成化學的難題，用水提取分離只適用于親水產物，蒸餾技術也不適宜用于揮發(fā)性差的產物，使用有機溶劑又會

32、引起交叉污染。現(xiàn)在，全世界每年的有機溶劑消耗達50 億美元，對環(huán)境及人體健康構成極大威脅。隨著人們環(huán)境保護意識的提高，在全世界范圍內對綠色化學的呼聲越來越高，傳統(tǒng)的溶劑提取技術急待改進。因此，設計安全的、環(huán)境友好的分離技術顯得越來越重要。（五）在分離提純技術中的應用52第52頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四 離子液體具有其獨特的理化性能，非常適合作為分離提純的溶劑。尤其是在液-液提取分離上，離子液體能溶解某些有機化合物、無機化合物和有機金屬化合物，而同大量的有機溶劑不混溶，其本身非常適合作為新的液- 液提取的介質。 研究發(fā)現(xiàn)，非揮發(fā)性有機物可用超臨界CO2 從離子液

33、體中提取，CO2 溶在液體里促進提取，而離子液體并不溶解在CO2 中，因此可以回收純凈的產品。 最近研究發(fā)現(xiàn)離子液體還可用于生物技術中的分離提取，如從發(fā)酵液中回收丁醇，蒸餾、全蒸發(fā)等方法都不經濟，而離子液體因其不揮發(fā)性以及與水的不混溶性非常適合于從發(fā)酵液中回收丁醇。53第53頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四二、超臨界流體中的的有機合成超臨界流體( Supercritical Fluids , 簡稱SCF) 是指處于臨界溫度( Tc ) 與臨界壓力(pc ) 之上且介于液態(tài)和氣態(tài)之間的流體。（一）超臨界流體的基本性質54第54頁，共125頁，2022年，5月20日，1

34、4點59分，星期四 超臨界流體在相圖中的的特殊位置決定了特殊的物性參數(shù)；密度和液體相當，粘度和氣體相當，擴散系數(shù)處于兩者之間。這種特殊的物性導致了超臨界流體優(yōu)異的溶解性能和傳熱效率。人們通過研究發(fā)現(xiàn)： (1) 微小的溫度、壓力變化，可以引起超臨界流體密度的很大變化; (2) 溫度、壓力的變化可以改變其介電常數(shù)和離子積，例如超臨界水的介電常數(shù)和一般的有機溶劑相當，其離子積是常溫水的10 倍。這是超臨界流體可以替代某些反應中高毒有機溶劑的原因。55第55頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四 在超臨界狀態(tài)下，化學反應有許多不同于氣相反應和液相反應的特點： 壓力對反應速度常數(shù)有

35、強烈的影響； SCF 的溶解性能對溫度和壓力的敏感性使得產物和反應可以依次分別從SCF 中移去，從而方便完成產物、反應物、催化劑和副產物之間的分離； 可以有效地防止催化反應中催化劑的失活，并可使失活的催化劑再生。 由于水、二氧化碳無毒、價廉，與許多反應產物無需分離，使得超臨界水( scH2O) 、超臨界二氧化碳(scCO2 ) 化學反應受到了廣泛的重視。56第56頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四超臨界二氧化碳(Supercritical carbon dioxide ，縮寫為scCO2 ) 流體是指溫度超過二氧化碳臨界溫度( Tc = 31. 0 ) ，壓力超過臨界

36、壓力( Pc = 73. 75bar) 時的狀態(tài)。超臨界二氧化碳作為反應介質，具有如下特有的物理、化學性質：（1）二氧化碳的臨界條件很容易達到，對設備要求不高，便于操作，有利于實現(xiàn)工業(yè)化。（二）超臨界二氧化碳在有機合成中的應用（2）超臨界二氧化碳具有雙極性，其極性與碳氫化合物相近，極化度甚至低于碳氟化合物。根據(jù)相似相溶原理，它既可以溶解非極性物質，又可以溶解極性物質。57第57頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四（4）反應結束后二氧化碳以氣體的形式排放，無有機溶劑殘留，便于產物的分離和后續(xù)的工藝過程。對氣體如H2 、O2等也具有很高的溶解性，提高了H2 、O2 等參與反

37、應的濃度，有利于諸如催化加氫、催化氧化等反應的進行。（3）超臨界二氧化碳具有氣體的擴散性和液體的密度。在臨界點附近稍微改變壓力，物質的密度、粘度、擴散系數(shù)和極性等物理性質由接近于氣體向接近于液體發(fā)生連續(xù)的變化。因而可以通過調節(jié)壓力來控制反應物質的擴散系數(shù)，從而達到控制反應的目的。58第58頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四Jessop 等對不飽和烯酸進行了在scCO2 中的不對稱加氫研究，取得良好的效果。該反應得到90. 5 %的收率，重要的是在反應中由于沒有任何堿的參與，因而無副產物生成。（1）不對稱的催化加氫反應1、超臨界二氧化碳中的催化加氫反應59第59頁，共1

38、25頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四Burk 等對具有前手性的- 烯胺的不對稱催化加氫進行了研究（Scheme 1） 。在 scCO2 中，用銠配合物作為催化劑（ 陰離子部分能增加催化劑在 scCO2中的溶解度），反應在均相進行。當R = Et ，在甲醇溶劑中可得到98. 7 %e.e. ，scCO2 中得到98. 8 %e. e.，所得產物的e. e. 值與有機溶劑相當。60第60頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四Leitner在前人工作的基礎上，用銥( Ir) 與光學純的膦基二氫噁唑配體形成的手性催化劑，在scCO2中進行加氫反應研究。盡管所得產物

39、的e. e. 值與常規(guī)溶劑CH2 Cl2相似，但反應速度大大加快，轉化率為二氯甲烷中的4 倍。61第61頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四（2）二氧化碳的催化加氫反應二氧化碳本身是廉價的碳資源，可以利用二氧化碳的氫化反應來制備有機化合物（如甲酸、甲酸甲酯、和N，N-二甲基甲酰胺）Jessop 等利用scCO2既作反應介質又作為反應物，在釕催化劑作用下，催化加氫合成甲酸及其衍生物。此類反應中， scCO2既能溶解氫氣又能溶解三乙胺（NEt3 ） ，其反應速度高于有機液相中的反應。合成甲酸的催化轉化數(shù)（ TON） 可達到7200 。62第62頁，共125頁，2022年，5

40、月20日，14點59分，星期四有二甲胺存在時，就可以得到N , N-二甲基甲酰胺，轉化率和選擇性均達到99 %。該反應分為兩步進行：（1）二氧化碳和氫氣生成甲酸，表現(xiàn)出很高的反應效率和反應速度，此時二甲胺作為甲酸的穩(wěn)定劑；（2）該步反應速度慢，是反應的決速步，此時二甲胺參加了反應生成了不溶于scCO2的甲酸鹽液體。反應最后生成了N , N -二甲基甲酰胺和在scCO2中溶解度小的水。產物N , N-二甲基甲酰胺可大量溶于scCO2中，提高了產物的選擇性。63第63頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四苯乙酮在超臨界二氧化碳中，通過鈀催化加氫可得到A 、B、C、D 四種產物

41、。適當調節(jié)反應溫度和氫氣的用量可以改變產物組成：90 ，2 倍量的氫氣時，苯乙醇(A) 是主要產物；當溫度升至300 ，用6 倍量的氫氣時，乙基環(huán)己烷(D) 的量達到95 %；溫度在200 時產物B 和C 占優(yōu)勢，它們的量又隨氫氣比例不同而改變。（3）普通催化氫化反應64第64頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四2、Diels-Alder 反應 在scCO2 介質中，D-A 反應甚至不用催化劑也能在較溫和的條件下自發(fā)進行并能得到較好的收率。 Ikushima 等用甲基丁二烯與丙烯酸甲酯分別考察了scCO2 下AlCl3 催化的和非催化的，以及scCO2 與有機溶劑分別作

42、為介質下的反應動力學數(shù)據(jù)。結果表明， scCO2 介質中壓力的增加將有助于反應速率的提高并改變產物的分布。 一般情況下，常壓時D-A 反應(包括催化和非催化)的主要產物為對位異構體，而在scCO2 介質中產物分配隨壓力而變化：臨界點附近間位與對位產物比達到最大值，即介質有利于間位異構體的生成，選率正好與常態(tài)下反應相反。65第65頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四Thompson 等研究了蒽和4-苯基-1 ,2 ,4-三唑-3 ,5 二酮(PTAD) 在超臨界CO2 介質中的D-A 反應式 。反應速率常數(shù)( T = 40 ) 隨壓力的增高而降低，在臨界點反應速率比液相反

43、應(以乙腈或氯仿為溶劑) 快，但是在CO2 的密度接近液體溶劑的高壓條件下，反應速率要比液相反應慢。66第66頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四3、超臨界二氧化碳中的羰基化反應（1）烯烴氫化甲酰反應Rathke 及其合作者報道了scCO2中的烯烴的氫化甲?；喾磻氖桌?。在scCO2溶劑中，丙烯在以鈷(Co) 的羰基化物作為催化劑，80 ，P H2 = P CO = 5. 6 MPa 的反應條件下，反應速率常數(shù)比碳氫化合物溶劑(比如甲基環(huán)己烷、庚烷) 中要低；但氫氣和一氧化碳能溶于超臨界二氧化碳，提高了反應物濃度，加快了反應速度。并且提高了直鏈醛的選擇性，直鏈醛的收

44、率為88 %。這一選擇性比在更高壓力下，苯溶液中進行的反應的選擇性要好。67第67頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四用多氟代烷基的苯基膦配合作催化劑, 1 -辛烯在scCO2 中于60 C, 22 MPa 壓力下與H2 和CO 進行醛化反應, 轉化率可達95%。直鏈醛(E) 和支鏈醛( F) 的比例為8. 51, 如用一般的苯基膦配合物催化醛化, 轉化率為26%。E 和F 之比為3. 51。若在液體二氧化碳中反應, 轉化率僅為5%68第68頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四降冰片在scCO2中，在PdCl2/ CuCl2催化下與一氧化碳和甲醇

45、作用，得到三種產物：cis-鄰二甲酯降冰片烷，Cis-氯代單甲酯降冰片烷和氯代降冰片烷：（2） 烯烴氫化酯化反應如果加入適量的極性溶劑可以增加催化劑在二氧化碳中的溶解度，增加反應效率，提高選擇性。在降冰片的官能化反應中，如果加入一定量的堿有助于提高目標產物二酯的選擇性。堿的影響有很大的差別，最好的結果是使用三乙銨，當加入和二酯等量的三乙銨，二酯的收率達到82. 2 %。69第69頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四（3）炔烴羰基化反應江煥峰等研究炔烴的氫化酯化反應時，發(fā)現(xiàn)在scCO2中反應的選擇性與醇作溶劑時的反應的結果不同。例如，以甲醇作溶劑時，得到唯一的羰基化產物：

46、苯丙炔酸甲酯，收率74 %；在超臨界二氧化碳介質中，主要產物為2-苯基-2-丁烯二酸二甲酯，收率為65 %， 苯丙炔酸甲酯的收率僅為21 %。70第70頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四為了進一步研究羰基化反應規(guī)律，又考察了常規(guī)條件下，不同有機介質對羰基化反應的影響，目的是為超臨界反應條件的研究提供參照條件和理論基礎。研究結果表明，有機介質不僅影響反應的立體選擇性，而且控制著反應的化學選擇性。如反應式(9) 、(10) 、(11) 所示:71第71頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四（4）有機胺的羰基化反應1985 年，Alper 首次報道了在

47、比較溫和條件下芳香伯胺的單羰基化反應：最近發(fā)現(xiàn)，在超臨界二氧化碳中，羰基化反應僅僅在PdCl2 、CuCl2和氧氣存在下就能發(fā)生，而不需要鹽酸存在，而且收率較好：72第72頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四在普通溶劑中，沒有氧氣參與，反應很可能進行地不徹底，而且有副產物生成；在超臨界二氧化碳中，即使沒有氧氣參加反應，也能生成雙羰基化產物，收率達到90 %：73第73頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四江煥峰以正丁胺為模板，比較了超臨界二氧化碳介質和常規(guī)有機溶劑中鈀催化伯胺羰基化反應的規(guī)律。在常規(guī)有機溶劑如醇溶劑中，有機胺主要發(fā)生單羰基化反應，生

48、成產物為氨基甲酸酯；不加入氧氣，胺與催化劑絡合成復雜的絡合物，得不到氨基甲酸酯。在超臨界二氧化碳反應介質中，即使不加入氧氣，伯胺的羰基化反應也能進行：74第74頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四反應的化學選擇性發(fā)生了改變，主要產物為雙羰基化產物，只生成少量的單羰基化產物氨基甲酸酯。而雙羰基化產物和單羰基化產物的比率隨甲醇的量的改變而變化，不加入甲醇只生成雙羰基化產物，但收率較低為60 %；當加入少量甲醇時，雖然有少量的單羰基化產物氨基甲酸酯，但總收率和雙羰基化的收率都大大提高；加入大量甲醇時，總收率為99 %，單羰基化產物氨基甲酸酯的所占比例大大增加。75第75頁，共

49、125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四溶劑效應在某種程度上控制著反應的化學選擇性，大部分無機物在超臨界二氧化碳中溶解度都不好，常需要加入助溶劑來增加無機物的溶解度，從而增強超臨界二氧化碳的溶劑強度。在超臨界二氧化碳中，甲醇既作為反應物又作為溶劑，當無甲醇時，僅僅得到雙羰基化產物，而且收率較低。由于催化劑在超臨界二氧化碳中的溶解度不好，影響了反應收率。當加入少量甲醇時，一方面使催化劑的溶解度增加，從而使收率增加；另一方面，少量甲醇參加反應，從而使反應的化學選擇性發(fā)生改變，從而生成少量單羰基化產物，如果單純以甲醇作溶劑會生成復雜的絡合物。76第76頁，共125頁，2022年，5月2

50、0日，14點59分，星期四（5）二氧化碳既作為反應介質又作為反應物的羰基化反應利用金屬鎳(Ni) 絡合物作為催化劑，可使兩分子的3-己炔與一分子的二氧化碳進行環(huán)加成反應，對炔烴進行羰基化反應，生成了四乙基吡喃酮。盡管該反應的收率低，只有35 %，與經典反應情況(苯作為反應介質，120 ，20 h) 相似。但用超臨界二氧化碳代替苯作介質，顯然對環(huán)境保護和人們的健康有重要意義,77第77頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四（1）烷烴的氧化反應3、超臨界二氧化碳中的氧化反應Koda 等報道以卟啉鐵環(huán) FeCl (tpfpp) 為催化劑，在70 ，P O2 = 1. 0 MPa

51、 , P CO2 = 8. 0 MPa 條件下反應1 h ，環(huán)己烷的轉化率就可達到20 % ，產物環(huán)己醇和環(huán)己酮的比例為1 1 ，但選擇性不受壓力的影響。78第78頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四烯烴環(huán)氧化作用在非極性溶劑中收率比較高，而且用于環(huán)氧化催化的Mo (CO) 6 能溶于超臨界二氧化碳，因而有望用超臨界二氧化碳代替有機溶劑進行環(huán)氧化反應。Noyori等考察了2 ,3-二甲基丁烯在超臨界二氧化碳介質中的環(huán)氧化反應。（2）烯烴的環(huán)氧化作用79第79頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四Walther等發(fā)現(xiàn)環(huán)辛烯在超臨界二氧化碳介質下，過氧

52、叔丁醇 (CH3 ) 3 C-OOH 和Mo (CO) 6 作用下，可以100 %選擇性地得到環(huán)氧化產物。然而加入少量的Ti OCH (CH3 ) 2 4，除了得到環(huán)氧化產物外，還得到少量的鄰二醇產物；80第80頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四如果底物為環(huán)己烯時，可得到1 1 的環(huán)氧化物和叔丁氧基環(huán)己酮：Tumas 研究了環(huán)己烯在超臨界二氧化碳中的環(huán)氧化反應，主要產物為1 ,2-環(huán)己二醇：81第81頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四Sharpless 研究了液體二氧化碳中的不對稱環(huán)氧化反應，烯丙醇的不對稱環(huán)氧化反應適宜在低溫下反應，此時二氧

53、化碳以液體形式存在，而不是超臨界狀態(tài)。82第82頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四（3）烯烴的氧化作用A、 Wacker 反應1-辛烯在超臨界二氧化碳溶劑中對目標產物甲基酮的選擇性比在甲醇溶劑中有較大程度的提高，異構化酮的收率很低。如果以甲醇/ 超臨界二氧化碳做溶劑，PdCl2 和CuCl2 能溶解在甲醇中，而甲醇與二氧化碳能相混溶，催化劑也能部分地溶解在超臨界二氧化碳中，從而提高了反應速度。甲基酮的選擇性也比在單純甲醇溶劑中高，達到85. 5 %。主要副產物是縮醛。83第83頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四苯乙烯和環(huán)己烯在常規(guī)條件下，Wa

54、cker 反應進行得非常好，分別得到目標產物苯乙酮和環(huán)己酮，但在超臨界二氧化碳介質中，縮醛占有很大的比例。通過研究苯乙烯和環(huán)己烯的氧化反應，得出吸電子基團取代的烯烴進行氧化反應，縮醛化產物的比例大大增加。84第84頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四B、縮醛化反應江煥峰等人在超臨界二氧化碳介質中以含有吸電子基的丙烯酸甲酯進行氧化反應的研究，丙烯酸甲酯在Pd ( II) / Cu ( I or II) 催化下與過量甲醇反應高轉化率(99. 4 %) ，高選擇性(96. 6 %) ，高收率(91. 7 %) 地生成了3 , 3-二烷氧基丙酸甲酯。85第85頁，共125頁，2

55、022年，5月20日，14點59分，星期四在超臨界二氧化碳溶劑中以烯基醚類化合物為底物研究氧化反應，結果發(fā)現(xiàn)二氧化碳處于超臨界狀態(tài)或者近鄰界狀態(tài)均能得到比較好的反應結果。如3 , 4-二氫吡喃為底物時，收率在82 %97 %之間。（4）烯烴的醚化作用在超臨界二氧化碳中進行醇的保護反應，條件比較溫和，收率高。不僅適合于伯醇的保護，還可以用于仲醇和叔醇的保護。伯醇和仲醇的反應速度比較快，一般在12 h 之內基本完全反應。86第86頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四三、水介質中的有機合成 近年來, 水作為有機合成反應介質的報道相繼出現(xiàn)。因為它是一種廉價、安全、無污染的綠色溶

56、劑, 完全克服了大多數(shù)有機溶劑帶來的易燃、易爆、易揮發(fā)、容易污染環(huán)境的缺點, 水相中的有機合成越來越成為有機化學研究的熱點。87第87頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四在水溶液中鉑鹽催化可以氧化芳環(huán)側鏈甲基。于水中、Pt(II)/Pt(IV)氧化體系下, 80120 反應6 h，可以成功地將對甲苯磺酸氧化成對應的醇, 進一步氧化成醛。（一）氧化反應88第88頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四多烯化合物氧環(huán)的形成一般需要在無水條件下進行。最近發(fā)現(xiàn)，在V(水)V(二甲氧基甲烷)V(乙腈)221 體系下, 多烯化合物中的某雙鍵可高選擇性地氧化成不對

57、稱的環(huán)氧化合物。89第89頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四水中進行的還原反應已有報道。例如, 在水中、硼氫化鈉六水合氯化鈷體系下, 疊氮化合物可還原為相應的伯胺，產率較好。如果疊氮化合物有手性，還原產物仍保持其手性，這就為合成手性胺提供了有效方法。（二）還原反應90第90頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四 有機化合物在不同溶劑中還原會得到不同的產物。例如, 2-甲基-5-異丙烯基-2-環(huán)己烯-1-酮, 在鋅-六水合氯化鎳體系中還原，用不同溶劑或不同方法會得到不同結果。如： 在1molL1 氯化銨和氨水緩沖溶液中30下超聲輻射1.5h，得到的

58、是環(huán)中碳碳雙鍵還原產物(95%)。 在水-醇溶液中30下超聲輻射3h，得到的是環(huán)內外碳碳雙鍵全部還原的產物(96%)。 在水-醇溶液中40 0.1MPa下加氫氣6h，得到88%的環(huán)外碳碳雙鍵和12%的全部還原產物。91第91頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四由此可見，在水中可以進行選擇性還原反應92第92頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四Kobayashi等研究了四烯丙基錫與2-脫氧核糖在純水中的反應，同時加入催化量的三氟甲磺酸鈧和表面活性劑十二烷基磺酸鈉(SDS)能大大提高反應的速率，并給出定量產物。值得注意的是，僅用路易斯酸或表面活性劑時

59、，該反應進行的極其緩慢。因此，作者認為表面活性劑的加入能使反應物在水中形成膠束體系，使路易斯酸與底物相互作用得到增強，從而加快反應速度，提高反應產率。（三）烯丙基化反應93第93頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四Diels-Alder 環(huán)加成反應是最早在水中進行的有機反應。在水中反應與有機溶劑中相比, 反應速度明顯加快。例如環(huán)戊二烯與3-丁烯-2-酮的Diels-Alder 反應, 在水中的反應速度是在乙醇中的60 倍, 在水中反應產物endoexo 為20以上, 而在乙醇中的反應產物endoexo 僅為8.5。由此可見，不僅能促進此反應的反應速度, 而且還能提高此反

60、應產物的endo：exo 比值。（四）環(huán)加成反應1、Diels-Alder環(huán)加成反應94第94頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四水中還能進行雜原子參與的Diels-Alder 環(huán)加成反應。Oppolzer 等報道了水作溶劑，季銨鹽為相轉移催化劑發(fā)生環(huán)加成反應，從而找到了雜原子化合物作為親二烯體參與的Diels-Alder 環(huán)加成反應。2、雜原子參與的Diels-Alder 反應95第95頁，共125頁，2022年，5月20日，14點59分，星期四水還可以作為偶極環(huán)加成反應的介質，在反應中水的加入大大加快了反應的速度。 Rao等研究了水中、-環(huán)糊精催化，芳香偶極化合化物