第五節(jié)綠色化學(xué)與精細(xì)有機合成

第五節(jié)

綠色化學(xué)與精細(xì)有機合成

2024/5/111Contents綠色化學(xué)化工過程的評價體系一綠色原料2溶劑的革命3綠色催化劑4優(yōu)新合成路線5組合化學(xué)62024/5/112一、綠色化學(xué)化工過程的評價體系

1、環(huán)境因子（E-因子）和環(huán)境商值（EQ）1992年，荷蘭有機化學(xué)家Sheldon提出了“E-因子”的概念。RogerA.Sheldon2024/5/113E-因子（用來衡量化工流程排廢量）定義為：每生產(chǎn)1kg產(chǎn)品的同時產(chǎn)生的廢棄物的量（kg），即

E-因子=廢棄物總重/產(chǎn)品重（廢棄物指目標(biāo)產(chǎn)物以外的所有副產(chǎn)物）E-因子越大，廢棄物越多，越糟糕！E-因子為0最理想?。?024/5/114不同化工部門的E-因子可見，精細(xì)化工（如染料）和制藥工業(yè)的E-因子大；產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模越小，E-因子越大。工業(yè)部門產(chǎn)品（噸）E-因子煉油106-108~0.1基本化工104-106<1—5精細(xì)化工102-1045—50制藥101-10325—1002024/5/115環(huán)境商值EQ：評價一個化工過程“綠色性”的重要指標(biāo)，綜合考慮廢物的排放量和廢物在環(huán)境中的毒性行為

環(huán)境商EQ=E×Q

式中E即為E－因子，Q為根據(jù)廢物在環(huán)境中的行為給出的對環(huán)境不友好度

2024/5/116例如：無害的氯化鈉（NaCl）和硫酸銨[(NH4)2SO4]Q值=1，則重金屬[如銅（Cu）、汞（Hg）等]離子的鹽類基于其毒性大小，Q值=100-1000。

環(huán)境商值愈大，廢物對環(huán)境的污染愈嚴(yán)重，因此EQ值的大小是化學(xué)工程師衡量或選擇合理生產(chǎn)工藝的重要因素。2024/5/117在傳統(tǒng)上，化學(xué)危險物的定量評價是用“致命劑量50”（LD50）來衡量的。

LD50一般以毫克（物質(zhì)）/千克（體重）為單位，代表了使動物（通常是白鼠）種群一次口服、注射或皮膚涂抹藥劑后，產(chǎn)生急性中毒而在一周內(nèi)有一半致死時所需該藥劑的用量。

Q:通常用“致命劑量50”（LD50）作為參考。LD50（上）2024/5/118不同物質(zhì)的LD50（單位：毫克/千克）物質(zhì)名稱

LD50物質(zhì)名稱LD50水（H2O）180000砒霜（As2O3）15蔗糖35000黃曲霉毒素10氯化鈉（NaCl）3750沙林（神經(jīng)毒氣之一）0.4咖啡堿130破傷風(fēng)毒素A5×10-6氰化鉀（KCN）15肉毒桿菌毒素3×10-82024/5/1192、原子經(jīng)濟性（原子利用率）1991年，美國著名有機化學(xué)家Trost提出了“原子經(jīng)濟性（原子利用率）”的概念我國陸熙炎院士自1993年起，在國內(nèi)首先提倡和踐行“原子利用率”等綠色化學(xué)概念2024/5/1110產(chǎn)率的計算，是基于分子摩爾的概念：如果一摩爾的原料產(chǎn)生了一摩爾的所要產(chǎn)物，那么產(chǎn)率是100%。（1）“產(chǎn)率”的缺陷

在生成每一摩爾產(chǎn)物的同時，也可能會產(chǎn)生一摩爾或更多摩爾的廢物；而且，所得廢物的分子量可能會比所要產(chǎn)物的分子量大許多倍。

只用百分產(chǎn)率來計算時體現(xiàn)不出這些廢物的產(chǎn)生的。

2024/5/1111用一個傳統(tǒng)的例子，即Wittig反應(yīng)（1979年諾貝爾化學(xué)獎成果）來說明這種計算產(chǎn)率的方法的缺點。

Wittig反應(yīng):利用羰基化合物合成烯烴-環(huán)外雙鍵的方法2024/5/1112在Wittig反應(yīng)中，雖然引入基團的分子量（CH2，14）遠遠低于生成廢物的分子量（Ph3P=O，278），而這個反應(yīng)的產(chǎn)率仍有可能達到100%。正是因為存在著這樣一個矛盾，原子經(jīng)濟的概念被應(yīng)用。2024/5/1113

——比E-因子更便于理論判斷。（2)原子經(jīng)濟性衡量標(biāo)志——原子利用率原子利用率=（預(yù)期產(chǎn)物的分子量／反應(yīng)物質(zhì)的原子量總和）×100%

原子利用率越高，反應(yīng)產(chǎn)生的廢棄物越少，對環(huán)境造成的污染也越少。2024/5/1114理想“原子經(jīng)濟性”反應(yīng)：原子利用率為100%。最大限度利用原料；最大限度減少廢棄物的生成，減少了環(huán)境污染2024/5/1115（3）高效催化、設(shè)計新的合成路線、采用新的合成原料是提高原子經(jīng)濟性的有效方法2024/5/1116

A+B=C+D

主產(chǎn)物副產(chǎn)物

綠色有機合成應(yīng)該是原子經(jīng)濟性的，即原料的原子100%轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物，不產(chǎn)生廢棄物。如Diels-Alder反應(yīng)就是一個原子經(jīng)濟性的反應(yīng):

原子利用率=[82／(28+54)]×100%=100%它往往是廢物，可成為環(huán)境的污染源2024/5/11176.2綠色原料6.2.1用碳酸二甲酯(非毒性)代替硫酸二甲酯(劇毒)

硫酸二甲酯(CH3)2SO4：一種常用的甲基化試劑，有劇毒且具有致癌性。目前，在甲基化反應(yīng)中，可用非毒性的碳酸二甲酯代替硫酸二甲酯(劇毒)。2024/5/11186.2.2用CO、CO2代替光氣

光氣(學(xué)名：二氯化碳酰,有干草味

)是一種劇毒的氣體，曾在軍事上用作化學(xué)武器。但它是合成碳酸二甲酯、異氰酸酯、氨基甲酸酯等重要工業(yè)原料的試劑。

2CHCl3+O2=2HCl+2COCl2(光氣)

光氣泄露后用水霧吸收，光氣很容易水解：

COCl2+H2O=2HCl+CO2

2024/5/1119碳酸二甲酯的合成老方法新方法2024/5/1120氨基甲酸酯的合成

氨基甲酸酯是毒性較低的農(nóng)藥，也是重要的中間體，傳統(tǒng)工藝以胺和光氣合成。Riley,McGhee等用CO2和胺反應(yīng)直接生成異氰酸酯和氨基甲酸酯。異氰酸酯氨基甲酸酯2024/5/11216.2.3用安全的原料代替氫氰酸

氫氰酸（HCN）沸點為25.7℃，在室溫下是液體或氣體，劇毒，空氣中最高容許濃度為0.3mg/m3,當(dāng)濃度達到300mg/m3時,可使人立即死亡。以氫氰酸為原料的傳統(tǒng)合成:1)有機玻璃的單體-甲基丙烯酸甲酯

反應(yīng)經(jīng)三個步驟得甲基丙烯酸甲酯，其中第二步反應(yīng)的副產(chǎn)物也是氫氰酸，因此是環(huán)境不友好的。

2)晴綸的單體-丙烯晴傳統(tǒng)的合成方法2024/5/1122美國殼牌公司用丙炔-鈀催化甲氧碳基化合成甲基丙烯酸甲酯。新合成路線避免使用氫氰酸和濃硫酸，且原子利用率達到100%，是環(huán)境友好的。甲基丙烯酸甲酯2024/5/11236.2.4CO2為原料合成甲醇、乙醇

不少化學(xué)家致力于CO2的利用，探索以CO2為原料催化合成甲醇、乙醇的方法。CO2加氫時，上述三個反應(yīng)同時進行。但在不同催化劑條件下，主產(chǎn)物不同。如：釕和鎳鉑和鈀2024/5/11246.2.5以生物質(zhì)為原料的有機合成

今天，95%以上的有機化學(xué)品來自石油，但是，地球上的煤和石油是有限的和不可再生的。因此，如何利用生物質(zhì)為原料生產(chǎn)人類需要的化學(xué)品就成為綠色有機合成的戰(zhàn)略任務(wù)。

很久以前，人類就懂得用淀粉發(fā)酵制酒，這是最古老的以生物質(zhì)為原料的合成。地球上最多的生物質(zhì)是木質(zhì)纖維素，如農(nóng)作物的稻桿、麥桿、高粱桿、玉米桿等，單中國每年就有15億噸，其中除少量用于造紙外，大部分都燒掉，既污染環(huán)境又造成浪費。2024/5/1125如果能把它們轉(zhuǎn)化成化學(xué)品，可制取1）2～3億噸乙醇;2）8000萬噸糠醛;3）3億噸木質(zhì)素，創(chuàng)造數(shù)百億元的價值，既保護環(huán)境又造福社會。1999年，美國的Biofine公司獲得美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎之小企業(yè)獎。他們的獲獎項目是把廢纖維轉(zhuǎn)化成乙酰丙酸。視頻-3石油的替代品——生物質(zhì)能源.flv視頻-4生物質(zhì)能——發(fā)電.flv廢纖維造紙廢物、城市固體垃圾、不可循環(huán)使用的廢紙、廢木材和農(nóng)業(yè)殘留物乙酰丙酸(產(chǎn)率70%～90%)

副產(chǎn)品甲酸和糠醛200～220℃處理15分鐘2024/5/1126

6.3溶劑的革命有機溶劑由于揮發(fā)性大、毒性大而成為有機合成工業(yè)的主要污染源，環(huán)境友好的有機合成應(yīng)該盡量不用或少用有機溶劑。

美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎的獎項之一就是改進溶劑和反應(yīng)條件獎。2024/5/11276.3.1超臨界CO2作溶劑

超臨界流體是指處于超臨界溫度及壓力下的流體，它介于氣態(tài)和液態(tài)之間，密度接近于液體而粘度與擴散系數(shù)接近于氣體，因而在萃取、分離、重結(jié)晶及合成反應(yīng)中表現(xiàn)出特有的優(yōu)越性。

超臨界CO2尤以臨界溫度及壓力適中、無腐蝕不燃燒、廉價無毒而得到廣泛應(yīng)用。2024/5/1128超臨界CO2流體是一種與水相似、能阻燃、溶解能力強的溶劑，被譽為“綠色環(huán)保溶劑”。下列有關(guān)它的說法錯誤的是A．它作為“綠色環(huán)保溶劑”能代替許多有害、有毒、易燃的有機溶劑B．超臨界CO2流體是一種特殊的物質(zhì)，帶火星的木條可以在其中復(fù)燃C．CO2是自然界中存在的物質(zhì)，它參與自然界的碳元素循環(huán)D．超臨界CO2流體與干冰的組成相同2024/5/1129表6.3.1超臨界萃取的應(yīng)用應(yīng)用范圍應(yīng)用類別醫(yī)藥工業(yè)中草藥有效成分的提取、分離，藥品原料的濃縮、精制食品工業(yè)啤酒花、動植物油、咖啡因、植物色素的提取化妝品、香料工業(yè)天然香料、合成香料的分離和精制，化妝品原料的萃取2024/5/1130超臨界CO2在有機物萃取中的應(yīng)用超臨界CO2萃取與傳統(tǒng)萃取工藝比較，具有優(yōu)點:萃取時間短、萃取費用少、萃取更徹底、可進行熱敏感樣品及痕量組分萃取等優(yōu)點，特別適合于不穩(wěn)定天然產(chǎn)物和生物活性物質(zhì)的提取、分離，生產(chǎn)出近于完美的綠色產(chǎn)品。2024/5/1131

超臨界CO2用作有機合成的溶劑非對稱烯烴加氫時得到一對旋光對映異構(gòu)體，而合成的目標(biāo)只是其中一個。臨床上，旋光性藥物往往一種對映體有效，另一種無效甚至有毒。所以，合成出消旋的藥物不但原子利用率低，而且由于對映體的物理、化學(xué)性質(zhì)非常接近，其分離、提純非常困難。由此，旋光選擇性在制藥工業(yè)中顯得特別重要。

Burk小組以超臨界CO2

作溶劑，提高不對稱氫化的選擇性。對映體過量百分?jǐn)?shù)2024/5/1132表6.3.2以超臨界CO2

作介質(zhì)的聚合反應(yīng)

反應(yīng)方式反應(yīng)體系相對分子質(zhì)量溶液聚合均聚FOA

共聚FOA+MMAFOA+St2.7×105

分散聚合共聚MMA2.7×105

沉淀聚合自由基型丙烯酸

離子型異丁烯1.5×105

乳液聚合丙烯酰胺7.1×106

全氟代辛基丙烯酸酯(FOA)2024/5/11336.3.2以水作溶劑有機化合物多數(shù)極性較低，水溶性很小，

所以，多數(shù)有機合成反應(yīng)都在有機溶劑中進

行。然而，水是最廉價、無毒、環(huán)境友好的。因此，水相反應(yīng)成為綠色有機合成的一個熱點，而且研究結(jié)果表明，用水作溶劑在某些反應(yīng)中，比有機相中反應(yīng)可得到更高的產(chǎn)率或立體選擇性。

2024/5/11342000年，T.A.Bryson報道以甲酸鈉為還原劑，在250～350℃，約1300Psi，以水為溶劑，不需要其他共溶劑或催化劑，可把醛和一些酮還原成醇。2024/5/1135又如醛在酮存在下，用四丁基銨氰硼化氫在酸性HMPA或NaBH(S′Bu)3中，可極好地還原，但副產(chǎn)物對環(huán)境有害。而以水為溶劑，用3摩爾量的甲酸鈉還原醛和酮，反應(yīng)結(jié)束后，只需把有機物與水分離，蒸餾可得產(chǎn)物。2024/5/11366.3.3固相合成水相反應(yīng)避免了有機溶劑對環(huán)境的污染，但在工業(yè)生產(chǎn)中，廢水若處理不當(dāng)仍會產(chǎn)生環(huán)境問題。

固相反應(yīng)則是在無溶劑的條件下反應(yīng)，能在源頭上阻止污染物。目前研究成功的固相反應(yīng)，顯示了節(jié)省能源、無爆燃性等優(yōu)點，且產(chǎn)率高、工藝過程簡單，某些反應(yīng)還具有立體選擇性。

固相反應(yīng)包括雜環(huán)脫氫、烯烴環(huán)氧化臭氧化、醇氧化、硫醚氧化、酚氧化等；固相還原包括醌、酯、醛和環(huán)氧丙烷還原成醇，烯炔還原成烷，硝基、疊氮化合物還原成胺等都相當(dāng)成功。2024/5/1137

β-萘酚在FeCl3的作用下，偶聯(lián)成2，2-二羥基-1，1-聯(lián)萘。偶聯(lián)反應(yīng)Jump反應(yīng)在液相進行，收率低又伴隨副產(chǎn)物醌的生成；50℃反應(yīng)2小時再經(jīng)稀HCl洗滌產(chǎn)率為95%固相反應(yīng)2024/5/1138長期以來，由于思想的束縛，人們一直認(rèn)為固體間的化學(xué)反應(yīng)必須在溶劑相中進行，直到環(huán)境的惡化給地球帶來的災(zāi)難到了如此嚴(yán)重的地步，才反過來尋求環(huán)境友好的合成方法。今天，固相合成方法便成為有機合成的一個焦點，在組合化學(xué)中，為篩選高效的醫(yī)藥、農(nóng)藥、催化劑等作出巨大的貢獻。2024/5/11396.4綠色催化劑近年來，一些價廉易得、無污染、無腐蝕性的固體支持劑如沸石、分子篩、硅膠、石墨、樹脂等廣泛用作有機合成的催化劑，電催化、酶催化等也在有機合成中發(fā)揮越來越大的作用。2024/5/1140分子篩是一種多功能的催化劑，它可作為酸性催化劑，對反應(yīng)原料和產(chǎn)物也有篩分作用。最初的分子篩是天然沸石，即Si和Al組成的晶體化合物；目前，分子篩還可以是雜原子分子篩，可以由P,B,Ti等和Si或Al組成，已廣泛用于石油化工和精細(xì)化工生產(chǎn)中。分子篩催化劑2024/5/1141鈦硅分子篩催化劑以及化學(xué)修飾的無機介孔材料，由于具有良好的熱穩(wěn)定性而成為新研究熱點。

如環(huán)氧丙烷的生產(chǎn)，傳統(tǒng)工藝為：反應(yīng)不僅以有毒的氯氣為原料，而且還伴生大量的氯化鈣廢水。鈦硅分子篩催化劑2024/5/1142新方法以鈦硅分子篩為催化劑，丙烯與H2O2可經(jīng)一步反應(yīng)生成環(huán)氧丙烷由于生成的副產(chǎn)物是水，因此不會污染環(huán)境。2024/5/1143在醫(yī)藥工業(yè)生產(chǎn)中，合成旋光純的產(chǎn)品是化學(xué)家們苦苦追求的目標(biāo)。手性催化劑的作用是使反應(yīng)朝目標(biāo)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，直接合成旋光純的化合物，或目標(biāo)產(chǎn)物占絕對優(yōu)勢。手性催化2024/5/1144Monsate公司合成手性耐普生達第一步為電催化氧化，第二步為酸催化脫水，第三步手性催化得98.5%旋光純度的S-耐普生達。酸催化脫水電催化氧化手性催化2024/5/11456.5.1更新合成路線

1999年，美國總統(tǒng)綠色化學(xué)挑戰(zhàn)獎把“更新合成路線獎”授予Lilly研究實驗室，獎勵他們設(shè)計出更有效的、更少廢棄物的合成方法制備抗痙攣藥LY300164。6.5優(yōu)新合成路線2024/5/1146LY300164新舊合成路線對比舊合成路線:需要使用大量有機溶劑、產(chǎn)生含鉻污染物，并經(jīng)過一個效率低的還原過程。新合成路線:（每生產(chǎn)100公斤計算）可避免3.4萬升有機溶劑的使用；可避免300公斤含鉻污染物的產(chǎn)生；使原來的6個中間體減少為3個；減少工作人員對有害化學(xué)品的接觸，降低成本；產(chǎn)率從16%提高到55%。2024/5/11476.2綠色工藝的設(shè)計三廢的處理過程不應(yīng)產(chǎn)生新的污染，這樣才能實現(xiàn)減少或消除污染。更有實際意義的是綠色工藝的設(shè)計。化學(xué)工作者正是在探索污染物的防治、轉(zhuǎn)化、處理及綜合利用的途徑，積極改革舊工藝，探尋無污染或低排放的“綠色”新工藝中發(fā)揮著重要作用。例如有機化學(xué)家在有機合成工業(yè)中，提出對合成途徑原子利用率和E－因子的分析和估價，以此綜合考慮對原料的選取、能量的耗損、以及廢料的環(huán)境商值EQ等，探索新的合成工藝①。2024/5/1148E－因子定義為每生產(chǎn)1kg期望產(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5-3列出了不同生產(chǎn)部門生產(chǎn)中環(huán)境所能接受的E-因子的大小。2024/5/1149從表中可看到，精細(xì)化工（如染料）和制藥工業(yè)的E－因子較大，主要廢料是在純化產(chǎn)品的反應(yīng)過程中產(chǎn)生的無機鹽。一般步驟多廢料就多。因此，減少合成步驟、無機鹽的形成，即開發(fā)無鹽生產(chǎn)工藝，可減少廢料向環(huán)境的排放。2024/5/1150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EQ=E×Q

式中E即為E－因子，Q為根據(jù)廢物在環(huán)境中的行為給出的對環(huán)境不友好度例如，無害的NaCl和(NH4)2SO4若Q定為1，則有害重金屬離子的鹽類基于其毒性大小，其Q為100～1000。環(huán)境商值愈大，廢物對環(huán)境的污染愈嚴(yán)重，因此EQ值的大小是化學(xué)工程師衡量或選擇合理生產(chǎn)工藝的重要因素。2024/5/1151要降低EQ值，意味著要減少生產(chǎn)工藝過程中廢物的排放量，就是要提高合成工藝中的原子利用率。原子利用率定義為：為此，要選擇合適的途徑，提高原子利用率。除理論產(chǎn)率外，還需考慮和比較不同途徑的原子利用率，這是有關(guān)生產(chǎn)過程對環(huán)境產(chǎn)生的潛在影響的又一評價標(biāo)準(zhǔn)。2024/5/1152環(huán)氧乙烷（C2H4O）生產(chǎn)中，經(jīng)典工藝和新工藝（一步催化反應(yīng)）不同原子利用率的比較?？偡磻?yīng)原子利用率=44/173=25%經(jīng)典工藝2024/5/1153現(xiàn)代石油化學(xué)工藝原子利用率=100%2024/5/1154組合化學(xué)(CombinatorialChemistry)是近20年發(fā)展起來的新興化學(xué)前沿。1988年Furk等首先提出組合化的概念，1991年在一次專門會議上才正式使用這一名詞。1994年，美國化學(xué)文摘（CA