有機(jī)化學(xué)-第16章綠色化學(xué)和有機(jī)合成基礎(chǔ)

第16章綠色化學(xué)和有機(jī)合成基礎(chǔ)

有機(jī)化學(xué)返回16.1綠色化學(xué)和有機(jī)合成有機(jī)合成是用化學(xué)方法將簡單有機(jī)物轉(zhuǎn)化為較復(fù)雜且更有應(yīng)用價值的有機(jī)物的過程。有機(jī)合成也是有機(jī)化學(xué)的重要組成部分。以1882年韋勒（F.Wohler）成功地從無機(jī)物氰酸銨合成有機(jī)物尿素為標(biāo)志，一百多年來，有機(jī)合成為我們提供了無數(shù)結(jié)構(gòu)神奇、富有各種應(yīng)用價值的化合物，不僅為提高人類的生活質(zhì)量作出了巨大貢獻(xiàn)，而且，有機(jī)合成化學(xué)也在與化學(xué)學(xué)科內(nèi)外地其他學(xué)科的相互交叉、相互促進(jìn)的互動過程中得到不斷地發(fā)展，成為許多新概念、新理論、新方法、新技術(shù)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明的源泉，對化學(xué)學(xué)科以及生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的產(chǎn)生巨大影響。16.1綠色化學(xué)和有機(jī)合成以傳統(tǒng)的合成方法所建立起來的傳統(tǒng)合成工業(yè)，在為人類的衣、食、住、行和醫(yī)療、保健等方面作出貢獻(xiàn)的同時，也對環(huán)境產(chǎn)生諸多不良影響。隨著人類進(jìn)入21世紀(jì)，社會的可持續(xù)發(fā)展及其所涉及的生態(tài)、環(huán)境、資源、經(jīng)濟(jì)等方面的問題愈來愈成為國際社會關(guān)注的焦點，對有機(jī)合成也提出了全新的要求。20世紀(jì)90年代，化學(xué)家提出了與傳統(tǒng)“污染－治理”不同的“綠色化學(xué)”的概念?！熬G色化學(xué)”的目標(biāo)要求任何一個化學(xué)的活動，包括使用的化學(xué)原料、化學(xué)和化工過程、以及最終的產(chǎn)品，對人類的健康和環(huán)境都應(yīng)該是友好的。（1）防止污染的產(chǎn)生優(yōu)于治理產(chǎn)生的污染；（2）原子經(jīng)濟(jì)性原則；（3）只要可行，應(yīng)盡量采用毒性小的化學(xué)合成路線；（4）更安全的化學(xué)品的設(shè)計應(yīng)能保留其功效，但降低毒性；（5）應(yīng)盡可能避免使用輔助物質(zhì)（如溶劑、分離劑等），如用時應(yīng)是無毒的；（6）應(yīng)考慮到能源消耗對環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的影響，并應(yīng)盡量少地使用能源；（7）原料應(yīng)是可再生的，而非將耗竭的；（8）盡量避免不必要的衍生化步驟綠色化學(xué)的基本原理：（9）催化性試劑（有盡可能好的選擇性）優(yōu)于當(dāng)量性試劑；（10）化工產(chǎn)品在完成其使命后，不應(yīng)殘留在環(huán)境中，而應(yīng)能降解為無害的物質(zhì)；（11）分析方法必須進(jìn)一步發(fā)展，以使在有害物質(zhì)生成前能夠進(jìn)行即時的和在線跟蹤及控制；（12）在化學(xué)轉(zhuǎn)換過程中，所選用的物質(zhì)和物質(zhì)的形態(tài)應(yīng)能盡可能地降低發(fā)生化學(xué)事故的可能性。綠色化學(xué)的基本原理：原子經(jīng)濟(jì)性原則根據(jù)這個原則重排反應(yīng)、加成反應(yīng)、周環(huán)反應(yīng)等為常見的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)。而消除反應(yīng)、取代反應(yīng)、氧化反應(yīng)等則為非原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)

1991年由美國著名有機(jī)化學(xué)家Trost提出。認(rèn)為高效的有機(jī)合成應(yīng)最大限度地利用原料分子的每一個原子，使之結(jié)合到目標(biāo)分子中，達(dá)到零排放。原子經(jīng)濟(jì)性可用原子利用度衡量。生成物質(zhì)的原子量總和原子利用度(%)=預(yù)期產(chǎn)物的分子量10016.2有機(jī)合成基礎(chǔ)16.2.1有機(jī)合成設(shè)計原則及逆合成分析法有機(jī)合成路線設(shè)計的一般原則為：（1）原料來源要廉價易得，反應(yīng)條件溫和、操作簡便。（2）合成路線應(yīng)盡可能的短。因為合成反應(yīng)的總收率取決于各步反應(yīng)的收率總和，步驟越多，總產(chǎn)率越低。（3）盡可能采用產(chǎn)率高、副反應(yīng)少，主副產(chǎn)物容易分離的合成路線，以提高產(chǎn)品的收率和純度。（4）過程安全，污染小。dis

－切斷或分拆（disconnection）在設(shè)計合成路線時應(yīng)考慮的因素主要是碳骨架的建立和官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化。逆合成分析法(retrosynthesis)下列醇可切斷等效為格利雅試劑和醛：目標(biāo)分子

中間產(chǎn)物起始原料

TMdisdis16.2.2碳骨架的建立16.2.2.1碳鏈增長反應(yīng)（1）金屬有機(jī)化合物與羰基化合物及環(huán)氧乙烷的親核加成（2）活潑亞甲基化合物的烴基化反應(yīng)（3）各種縮合反應(yīng)是制備β-羥基醛（酮）以及α，β-不飽和醛（酮）的重要方法：羥醛縮合反應(yīng)常用于制備1，3-二羰基化合物：

克萊森縮合反應(yīng)主要用于α，β－不飽和羰基化合物的合成：克腦文格爾反應(yīng)可應(yīng)用于制備α、β不飽和芳香酸：柏琴反應(yīng)常用于1，5-二羰基化合物的合成：邁克爾加成16.2.2.2碳鏈縮短反應(yīng)氧化反應(yīng)：霍夫曼降解反應(yīng)是制備伯胺的方法之一：脫羧：16.2.2.3重排反應(yīng)頻吶醇重排：貝克曼重排：16.2.2.4成環(huán)反應(yīng)碳烯與烯烴或炔烴發(fā)生加成反應(yīng)，生成環(huán)丙烷衍生物，是合成三員環(huán)狀化合物的主要方法。狄爾斯-阿爾德（Diels-Alder）反應(yīng)是合成六員化合物最重要方法。如：羅賓生(Robinson)環(huán)合常用于制備五、六員化合物:丙二酸二乙酯與二鹵代烴反應(yīng)可得到環(huán)狀羧酸或酯:16.2.3官能團(tuán)的轉(zhuǎn)換（1）官能團(tuán)的引入(functionalgroupaddition，F(xiàn)GA)（2）官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化(functionalgroupinterconversion，F(xiàn)GD)（3）官能團(tuán)去除(functionalgroupremoual，F(xiàn)GR)16.2.4選擇性試劑的應(yīng)用反應(yīng)的選擇性(selectivity)是指一個反應(yīng)可能在底物的不同部位和方向進(jìn)行，從而形成幾種產(chǎn)物時的選擇程度。應(yīng)用選擇性試劑可控制反應(yīng)的選擇性使反應(yīng)按照特定的方向進(jìn)行。選擇性還原：選擇性氧化：不飽和仲醇氧化成酮而不影響雙鍵瓊斯（Jones）試劑沙瑞特-柯林（Sarret-Collin）試劑醛基氧化為羧基，但分子中的雙鍵不被氧化伯醇氧化成醛，不會進(jìn)一步氧化成羧酸，也不氧化分子中的不飽和鍵在合成中常遇到反應(yīng)物分子內(nèi)存在兩個以上可能發(fā)生反應(yīng)部位，但反應(yīng)中只需要某個部位發(fā)生反應(yīng)而又不能使其他的部位發(fā)生反應(yīng)時，除了應(yīng)用選擇性試劑外，還可采用的方法是，選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)基將不希望發(fā)生反應(yīng)的部位暫時保護(hù)起來，等所需的反應(yīng)完成后再將保護(hù)基除掉。16.2.5官能團(tuán)的保護(hù)（1）醇羥基轉(zhuǎn)化成酯，堿性水解解除保護(hù)：轉(zhuǎn)化成醚，催化氫化解除保護(hù)：（2）酚羥基轉(zhuǎn)化成磺酸酯，酸性水解解除保護(hù)：轉(zhuǎn)化成酚甲醚，加HI解除保護(hù)：（3）醛基或酮羰基生成縮醛或縮酮，酸性水解解除保護(hù)：（4）羧基轉(zhuǎn)化成酯，堿性水解解除保護(hù)：（5）氨基轉(zhuǎn)化成酰胺，酸性或堿性水解解除保護(hù)：轉(zhuǎn)化成銨鹽，加堿將氨基游離出來解除保護(hù)：(2)以丙炔和苯為原料合成16.2.6有機(jī)合成實例(2)(4)(5)以乙烯為原料，經(jīng)丙二酸二乙酯法合成己二酸。為避免格利雅試劑和羰基反應(yīng)，在制備格利雅試劑之前先將羰基保護(hù)起來。分析：一般而言，含雜原子(如O、N等)的分子，碳-雜鍵附近的C-C鍵先切斷，合成醇最常用、最有效的方法是利用格氏試劑和羰基化合物的反應(yīng)。合成路線設(shè)計為：【例16-2】設(shè)計的合成路線。分析：α，β-不飽和醛(酮)的切斷一般在雙鍵處進(jìn)行，制備方法常用羥醛縮合反應(yīng)。合成路線設(shè)計為：【例16-3】設(shè)計的合成路線。分析：1，3-二羰基化合物的切斷在兩個羰基之間進(jìn)行，連接方法常用克萊森縮合反應(yīng)。合成路線設(shè)計為：【例16-4】設(shè)計的合成路線。分析：丙二酸二乙酯與二鹵代烴的烴化反應(yīng)，常用于制備四員環(huán)。合成路線設(shè)計為：【例16-5】設(shè)計的合成路線。分析：1,6-二羰基化合物可由環(huán)己烯或其衍生物氧化而得。合成路線設(shè)計為：【例16-6】設(shè)計的合成路線。16.3現(xiàn)代有機(jī)合成技術(shù)簡介微波的波長為0.1～100cm之間。在液體中電介質(zhì)分子的偶極子轉(zhuǎn)向極化的弛豫時間與微波交變電場振動一周的時間相當(dāng)，因此，當(dāng)微波輻照溶液時，溶液中的極性分子在與周圍其他分子的碰撞中把能量傳遞給其他分子，從而使液體溫度升高。因液體中每一個極性分子都同時吸收和傳遞微波能量，所以升溫速度快，且液體里外溫度均勻。由于微波加熱的直接性與高效率，往往使介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。故微波可加速化學(xué)反應(yīng)。16.3.1微波輻照有機(jī)合成微波有機(jī)合成反應(yīng)容器一般采用不吸收微波的玻璃或聚四氟乙烯材料根據(jù)微波加熱介質(zhì)原理，反應(yīng)時溶劑的選擇十分重要。為了使體系能有效地吸收微波能量，一般選用極性溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，溶劑可以是低沸點的醇、酮和酯等，溶于水的化合物以水作溶劑則更具有吸引力。高沸點極性溶劑加熱效率更高，常用的有氯苯、鄰二氯苯和DMF等。DMF具有較大的優(yōu)越性，因為反應(yīng)時如有水產(chǎn)生可與DMF混溶而不致分層。微波有機(jī)合成反應(yīng)中溶劑的選擇：微波有機(jī)合成的特點：加快反應(yīng)速度提高反應(yīng)產(chǎn)率醇合成方法反應(yīng)溫度/℃反應(yīng)時間/min平均產(chǎn)率/%甲醇普通加熱法6530074微波法1345761－丙醇普通加熱法9724078微波法1356791－丁醇普通加熱法1176082微波法1357.579苯甲酸與醇的酯化反應(yīng)普通加熱法與微波法比較16.3.2有機(jī)聲化學(xué)合成空穴效應(yīng)：超聲波作用于液體時，波的周期性波動對液體形成壓縮和稀疏作用，從而在液體內(nèi)形成過壓位相和負(fù)壓位相，達(dá)到一定程度會使液體形態(tài)被破壞。聲壓大于靜壓時，液體內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓。當(dāng)負(fù)壓足夠大時，即當(dāng)聲波的能量大到中以使分子部距超過使分子保持液態(tài)所必需的臨界距離時，液體內(nèi)部會產(chǎn)生肉眼難以觀察的微波氣泡或空穴。不穩(wěn)定空穴存在時間一般為一個或幾個振動周期，其體積隨后迅速膨脹并破裂，在破裂瞬間產(chǎn)生高溫高壓，形成高能環(huán)境、強(qiáng)沖擊波和微射流，空穴充電放電、發(fā)光等，引起分子熱解離、分子離子化及產(chǎn)生自由基等，從而導(dǎo)致一系列化學(xué)變化。超聲波的許多次級效應(yīng)，如機(jī)械振蕩、乳化及擴(kuò)散等，可加速反應(yīng)傳熱及傳質(zhì)過程，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。聲化學(xué)合成原理：微波有機(jī)合成的特點：加快反應(yīng)速度提高反應(yīng)產(chǎn)率92%100%聲化學(xué)合成實例：95～100%80%聲化學(xué)合成實例：16.3.3.1以水為溶劑的反應(yīng)水溶劑操作簡便、使用安全以及水資源豐富，成本低廉，不污染環(huán)境等獨特的優(yōu)點諸如使之成為潛在的、環(huán)境友好的反應(yīng)介質(zhì)。此外，水溶劑的一些特性對某些重要有機(jī)轉(zhuǎn)化是十分有益的，有時甚至可提高反應(yīng)速率和選擇性。16.3.3使用環(huán)境友好溶劑及無溶劑有機(jī)合成以己烷或苯作為溶劑卻沒有產(chǎn)物生成(水相中)超臨界流體(Supercrticalfluid)是指處于臨界溫度及臨界壓力下的流體，它是一種介于氣態(tài)與液態(tài)之間的流體狀態(tài)，其密度接近于液體(比氣體大約3個數(shù)量級)，而粘度接近于氣態(tài)(擴(kuò)散系數(shù)比液體大100倍左右)。由于這些特殊性質(zhì)，超臨界流體在萃取、色譜分離、重結(jié)晶以及有機(jī)反應(yīng)等方面表現(xiàn)出特有的優(yōu)越性。16.3.3.2超臨界流體作為反應(yīng)溶劑最常見的是超臨界二氧化碳：臨界點溫度為31.06℃，壓力為7.38MPa臨界壓力和溫度適中、來源廣泛、價廉無毒優(yōu)點：在常壓和遠(yuǎn)高于臨界壓力時，產(chǎn)物A占優(yōu)勢，而在CO2的臨界點附近時，產(chǎn)物B為主要產(chǎn)物

16.3.3.3離子液體作為反應(yīng)溶劑陽離子液體是指完全由離子構(gòu)成，在低溫下(<100℃)呈液態(tài)的物質(zhì)。離子液體是一類獨特的反應(yīng)介質(zhì)，可用于過渡金屬催化的反應(yīng)，利用用其不揮發(fā)的優(yōu)點，可方便的進(jìn)行產(chǎn)物的蒸餾分離。此外，它們具有物理化學(xué)性質(zhì)可調(diào)節(jié)的特點，利用這些特點可在許多場合減少溶液用量和催化劑，因而是一類綠色溶劑。[bmim]+[emim