21世纪的有机合成

绿色合成——— 21世纪的有机合成

摘要:绿色合成,作为当代有机合成发展的一个重要学科前沿,已成为化学发展的一个方向。从催化剂、绿色溶剂、合成手段、合成方法、计算机辅助绿色合成等方面综述了近年来国内外实现绿色合成的有效途径,并对绿色合成的目标进行了探讨。

关键词:有机合成;绿色合成;原子经济性;环境经济性 前言

自1828年韦勒成功地从氰酸铵合成尿素起,有机合成学科经历了一百多年的发展历史。在人类文明史上,它对提高人类的生活质量做出了巨大贡献。然而,不可否认“传统”的合成化学方法以及依其建立起来的“传统”合成化学工业,对整个人类赖以生存的生态环境造成了严重的污染和破坏。以往解决问题的主要手段是治理、停产、甚至关闭。人们为治理环境花费了大量的人力、物力和财力。20世纪90年代初,化学家提出了与传统的“治理污染”不同的绿色化学的概念[1]。随着人类进入21世纪,社会的可持续发展及其所涉及的生态环境、资源、经济等方面的问题愈来愈成为国际社会关注的焦点。更为严历的保护环境的法规不断出台,也使得化学工业界把注意力集中到如何从源头上杜绝或减少废弃物的产生。这对化学提出了新的要求,尤其是对合成化学,更是提出了挑战。环境经济性正成为技术创新的主要推动力之一。因此,有机合成重要的不是合成什么,而在于怎么合成的问题。21世纪的有机合成正朝着高选择性、原子经济性和环境保护型三大趋势发展,即绿色合成方向发展。

1 绿色合成的目标

绿色合成的概念来自绿色化学(Green chem-istry),绿色化学又称环境友好化学(Environmentalbenign chemistry),在其基础之上发展起来的技术又称为环境友好技术或清洁生产技术(Clean tech-nology)。洁净生产技术的主要内容就是把传统的化学绿色化,即设计环境友好的化学反应路线,物质和能量构成封闭循环的化学工艺流程以及生产绿色产品,将传统的化学工业改造成可持续发展的绿

色化学工业,使化学反应和化工过程从源头就不产生环境污染。绿色化学是更高层次的化学,是一种新的创造性的思想。它将整体预防的环境战略持续地应用于化工生产过程、产品和服务中,以增加生态效率和减少人类社会及环境的风险。对化工生产过程,要求节约原材料,合理利用能源,不用对人类有毒、对环境有害、对生态系统有不良影响的原料,降低成本,降低消耗,减少废弃物的排量和毒性;对产品,要求符合绿色产品标准,产品与生态系统相容,对环境无污染,对人类无害,尽量减少从原材料提炼到产品最终处置的全生命周期的不良影响;对服务,要求将环境因素纳入设计和所提供的优质服务中去。绿色合成就是要求有机合成家以绿色化学的标准来衡量、审视自己的反应路线、原料、产品等,使之符合绿色化学的要求。

2 绿色合成的途径

对一个有机合成,从原料到产品,要使之绿色化,涉及到诸多方面。首先看是否有更加绿色的原料,能否设计更绿色的新产品来代替原来的产品。随后看反应设计流程是否合理,是否有更加绿色的流程。从反应速度和效率看,还涉及到催化剂、溶剂、反应方法、反应手段等多方面的绿色化。随着21世纪生命科学与材料科学的发展,特别是进入基因组时代,需要有机合成快速提供各种具有生理或材料功能的有机分子,而新结构类型分子的获取往往取决于新的合成方法,后者又往往取决于新的理论和概念。因此,在21世纪有机合成要向绿色合成的方向发展,也需要从概念、方法、结构与功能方面冲破传统的束缚,进行全面的发展与创新。

2.1 高效、高选择性催化剂

绿色合成所追求的目标是实现高选择性,高效的化学反应,极少地副产物,实现“零排放”,继而达到“原子经济性的反应”。显然相对化学当量的反应,高选择性、高效的催化反应更符合绿色合成的基本要求。应用高效、高选择性催化剂方法还可以实现常规方法不能进行的反应,从而大大缩短合成步骤。Hoffmann-La Roche公司开发的抗帕金森药物Lazabemide提供了一个显示催化羰基化反应威力的极好例子。第一步合成路线采用传统的多步骤合成,从2-甲基-5-乙基吡啶出发,历经8步合成,产率只有8%;而用钯催化羰基化反应,从2,5-二氯吡啶出发,

仅用一步就合成了Laz-abemide,其原子利用率达100%,且可达3000t的生产规模。

2.2 新型合成手段

新的有机合成方法是通往绿色合成的途径,近年来,特别是声、光、电、磁在有机合成中的广泛应用,对缩短反应时间、提高反应产率,减少能耗与污染方面起到意想不到的效果。光化学反应是有机化学的一个重要分支。应用光化学反应合成有机分子甚至分子键的准确切割也有报道。最近,法国化学工作者[11]发现非偏振光可以使光化学反应非对映选择性地进行,并认为它是自然界中生物分子的手征性源泉。Charette等[12]发现在下面A的碳-碘键与二乙基锌交换反应中,在没有光照的情况下,48h后生成相应的锌试剂B的产率< 10%,而当用GE日光灯(275W)作为光源进行光照时,发现反应在3h内即以90%的产率生成B。

2.3 洁净反应介质

选择与环境友好的“洁净”反应介质是绿色合成的另一种重要途径。在传统的有机反应中,有机溶剂是最常用的反应介质,这主要是因为它们能很好地溶解有机化合物。但有机溶剂的毒性和难以回收,又使之成为对环境有害的因素。因此在无溶剂存在下进行的有机固体反应以及使用水、超临界流体、离子液体等作为反应介质的反应,将成为发展洁净合成的重要途径。 (1)固态反应

固态化学反应,实际上是在无溶剂作用的新颖化学环境下进行的反应,有时可比溶液反应更为有效和达到更好的选择性。固态化学反应的研究吸引了无机、有机、材料及理论化学等多学科的关注,某些固态反应己获得工业应用。下式的无溶剂反应既可通过研磨在机械力作用下完成,也可在超声波或微波促进下完成。 (2)以水为溶剂的反应

由于大多数有机化合物在水中的溶解性差,而且许多试剂在水中会分解,因此一般避免用水

作为反应介质。然而水作为反应溶剂又有其无可比拟的优越性,因为水是地球上自然丰度最高的“溶剂”,非常价廉,又无毒。此外,水溶剂特性对一些重要有机

转化是十分有益的,有时可提高反应速率和选择性。1980年Breslow发现水可作为有益的溶剂:环戊二烯与甲基乙烯酮的环加成反应,在水中较之以异辛烷为溶剂反应快700倍。 (3)以超临界流体为溶剂

超临界(Sc)流体被认为是相对于有机溶剂的一类绿色溶剂,可同时通过调节压力与温度来连续调节其物理性质。其中Sc CO2流体以其临界压力和温度适中、来源广泛、价廉无毒等诸多优点而得到广泛应用。最近李国平[24]在采用锌粉和水作还原剂在Sc CO2介质中实现了对甲基苯甲醛还原反应,高选择率高转化率地获得甲基苯甲醇。 (4)以离子液体为溶剂

离子液体是一类独特的反应介质,可用于过渡金属催化的反应,利用其不挥发的优点,可方便

地进行产物的蒸馏分离。此外,它们具有物理性质可调节的特点,利用这些特点可在许多场合减少溶剂用量和催化剂,因而被认为是一类绿色溶剂。杜邦公司开发了在离子液体[BMIM]BF4和异丙醇两相体系中进行不对称催化氢化合成萘普生的方法[25],产物的对映体过量可达到80%,催化剂在倾析后可循环使用,其活性和对映选择性均不低。我国化学家顾彦龙等[26]用四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑离子液体[(EMIN)BF4]为溶剂和催化剂,在三水合乙酸钠/离子液体体系中高效地实现了氯苄和乙酸钠反应生成乙酸苄酯香料,其产物纯度超过99%。在60℃下反应,(EMIN)BF4可与液态乙酸钠混溶成单相,催化反应完全后冷却体系温度至室温(25℃以下),生成的NaCl则凝固到反应器底部,而产物乙酸苄酯不溶于离子液体。通过倾析很容易实现产物的分离和催化剂的回收。 (5)以氟碳相为溶剂

由于含氟或全氟的流体如全氟烷烃、全氟烷基醚、全氟烷基胺等氟相溶剂具有良好的化学稳

定性、热稳定性、极性小、密度大以及水活性差和有机溶剂相溶性差等特点,近年来发展了氟两相体系反应和可重复使用的三氟磺酸稀土路易斯酸催化剂以及

含氟的离子液体反应,为合成有机化学品提供清洁技术,在反应过程中随着反应温度的变化氟相成为均相,而反应结束时随着反应温度的变化氟碳相又成为非均相的反应体系。从而使催化剂和反应产物分别存在于氟相和有机层中,达到反应产物易于分离和催化剂的回收利用,如在以下反应中[27]氟碳相催化剂溶液几乎不损失,可多次循环使用。

2.4 高效合成方法

简化反应步骤,减少污染排废,开发新的合成工艺也不失为一种途径。对于那些从传统的观念

看,设计和效益都合理的工艺路线,也要从绿色化学的原理给以重新审视。设计高效多步合成反应,使反应高质有序、高效地进行,像一瓶多步串联反应、多反应中心多向反应、一瓶多组分反应等]无需分离中间体,不产生相应的废弃物,可免去各步后处理和分离带来的消耗和污染,无疑是洁净技术的重要组成部分。如金属催化的串级反应。

2.5 其他途径

近年来提出的合成与分子构件概念应用于合成化学领域,极大地丰富了绿色合成的思路,利用分子组装可以高效率地合成目标分子。通过这种分子构件策略,Officer等[30]建立了取代各异的叶啉星形多聚体的快捷合成方法。计算机辅助绿色化学设计与模拟[31,32]应用到绿色合成无疑是一种有效手段。在化学化工领域,计算机广泛用于构成分析、结构剖析、反应性预测、故障诊断及控制等许多方面。将计算机应用到寻找符合绿色化学原则的最佳反应路线、化工过程最优化、产品设计等方面无疑会推动绿色合成的更快发展。反应原料的绿色化和发展可替代绿色产品亦是绿色合成应注意的两个方面。迄今为止,在化工生产中仍使用光气、氢氰酸等剧毒物质为原料。目前,这些剧毒原料替代品的开发研究已取得进展。Monsamto公司的无毒无害的二乙醇胺为原料出发生产氨基二乙酸钠的工艺,改变了过去的氨、甲醛、氢氰酸为原料的二步合成法[33]。绿色产品如美国杜邦公司开发的1,1,2,2-四氟乙烷为绿色制冷剂。在农药方面,最近Dow Agroscience LLC由于发展高效低毒的杀虫剂而被授予1999年美国总统绿色化

学挑战类的设计安全化学品奖。

3 结束语

随着绿色化学作为有机合成学科前沿方向的逐步形成[35],在短时间内,通向绿色合成的各种途径正隐约可见,但化学工作者的种种努力只是初步。目前开发的绿色合成反应只占有机合成中的非常少的一部分。在一条合成路线上,绿色可能只是局部的,距绿色合成还有相当差距。绿色合成的真正发展需要对传统的、常规的合成化学方面进行全面的从观念上、理论上和合成技术上的发展和创新。它要求我们在设计和完成合成时,除了考虑缩短反应时间、创造价值、提高效率和原子经济性外,还必须加上环保的因素,从总体经济学的角度去实施考虑问题。此外,绿色合成除了化学方法,生物方法也未尝不是一个好方法。自然界的姹紫嫣红、五彩斑斓不外乎空气、水、阳光、土壤在生物的作用下合成的。21世纪,随着生物技术的进步,人类对生物合成机理的研究,真有一天,人类能“种瓜得瓜,种豆得豆”,就可以做到“质本洁来还洁去”。我们完全有理由相信,21世纪的绿色合成将在有机合成里开辟出一片蔚蓝天空。

参考文献

[1] Anastas P T,Warner J C. Green Chemistry Theory and Practice[D].Oxford:Oxford Univ.Press,1998. [2] 杜灿屏,刘鲁生,张恒. 21世纪有机化学发展战略 [M].北京:化学工业出版社,2002:58.

[3] Trost B M. Science[J].1991,254:1471- 1477.

[4] Sheldon RA. Pure and Appl.Chem.[ J].2000,72:1207- 1213.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fcz8.html