绿色有机化学的未来和应用

本科有机化学论文(设计)

绿色有机合成的未来和应用

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2013 崔俏俏 1202011027 生物与环境工程系 12级生物工程（1）班 李少波 合肥学院 年

6 月1日

绿色有机合成的未来和应用

摘 要

绿色化学是21世纪化学化工研究的重要研究方向，是实现可持续发展规律的重要保障。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。

有机合成是综合应用各类有机反应及其组合、有机合成新技术、有机合成设计及策略以获得目标产物的过程。有机合成既与材料、生命、环保、能源四大支柱学科密切相关，也与我们社会的现代文明和日常生活密切相关。尤其在当今，新材料和新药物的需求、资源的合理开发和利用、减少或消除环境污染等可持续发展问题为有机合成提出了更高的要求。近年来绿色化学、 洁净技术、环境友好过程已成为合成化学追求的目标和方向。可见21世纪有机合成所关注的不仅仅是合成了什么分子，而是如何合成，其中有机合成的有效性、选择性、经济性、环境影响和反应速率将是有机合成研究的重点，尤其是绿色有机合成的研究。

关键词 有机合成 原子经济型 绿色化学 绿色合成

不对称合成 采用无毒、无害的催化剂

正 文

绿色有机合成是指采用无毒、无害的原料、催化剂和溶剂，选择具有高选择性、高转化率，不生产或少生产副产品的对环境友好的反应进行合成，其目的是通过新的合成反应和方法，开发制备单位产品产污系数最低，资源和能源消耗最少的先进合成方法和技术，从合成反应入手，从根本上消除或减少环境污染。

进入21世纪以后，在人类物质生活不断提高和工业化高度发展的同时，大量排放的工业和生活污染物却反过来使人类的生存环境迅速恶化，这就使化学家面临新的挑战，即要去发展对人类健康和环境较少危害的化学。这一问题近年来已受到相当重视，并出现了一系列新名词，如绿色化学【4】、环境友好化学、洁净化学、原子经济性等。所谓绿色化学又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”，绿色化学是近十年才产生和发展起来的，是一个 “新化学婴儿”。它涉及有机合成、催化、生

物化学、分析化学等学科,内容广泛。绿色化学的最大特点是在始端就采用预防污染的科学手段，因而过程和终端均为零排放或零污染。世界上很多国家已把“化学的绿色化”作为新世纪化学进展的主要方向之一。

绿色化学研究过程中应遵循12条原则：1.防止污染优于治理污染2.注重原子经济性3.无害化学合成4.设计安全化学品5.使用安全溶剂和助剂6.设计能源经济性反应7.使用可再生原料8.尽量避免不必要的衍生步骤9.催化剂优于化学计量试剂10.降解设计11.预防污染中的实时分析12.防止意外事故的安全工艺。以这十二条原则为准则，化学家们不断寻求实现绿色合成的方法、技术与途径。比如：采用无毒、无害的高效催化剂、采用无毒、无害的溶剂、反应方式的改变、采用高效合成法、固态反应、利用可再生的生物质资源等。微波有机合成技术是近年来发展起来的一种新型有机绿色合成新技术。他不但能使不能发生的化学反应能进行，而且也能使有些化学反应的效率大大提高。

1.开发“原子经济性[5]”反应：

合成效率是当今化学合成关注的焦点。合成效率包括两个方面：一个是选择性，另一个就是原子经济性，即原料分子中究竟有百分之几的原子转化到产物中去了。一个有效的合成反应不但要有高度的选择性，而且必须具备较好的原子经济性，尽可能充分地利用原料分子中的原子。理想的原子经济性的合成反应应该是原料分子中的原子百分之百地转变成产物，不需要附加，或仅仅需要无损耗的催化剂。

例如在下列反应中：A+B→C+D，其中，C为产物。D为副产物。在原子经济性的反应中，D应减至非常小或接近零，即：A+B→C。目前，有些有机原的生产已采用原子经济反应，如丙烯氢甲酰化制丁醛、甲醇羰化制醋酸、乙烯或丙烯的聚合、乙烯直接氧化成环氧乙烷等。

微波有机合成技术【6】是近年来发展起来的一种新型有机绿色合成新技术。他不但能使不能发生的化学反应能进行，而且也能使有些化学反应的效率大大提高。据研究微波加热是通过电介质分子将吸收的电磁能转变为热能的一种加热方式，属于体加热方式，温度升高快，并且里外温度相同，克服了常规加热方式能量利用率低、温度分布不均匀等诸多缺点。并且微波在材料合成领域，已经逐渐发展成为一种独立的化学方法或与其它方法相结合，用在促进化学反应的进行当中，它具有以下一些特点:

(a)加热速度快。由于微波能够深入物质的内部，而不是依靠物质本身的热传导，因此只需要常规方法十分之一到百分之一的时间就可完成整个加热过程。

(b)热能利用率高，节省能源，无公害，有利于改善劳动条件。

(c)反应灵敏。常规的加热方法不论是电热、蒸汽、热空气等，要达到一定的温度都需要一段时间，而利用微波加热，调整微波输出功率，物质加热情况立即无惰性

地随着改变，这样便于自动化控制。

(d)产品质量高。微波加热温度均匀，表里一致，对于外形复杂的物体，其加热均匀性也比其它加热方法好。对于有的物质还可以产生一些有利的物理或化学作用。

2.采用无毒无害的高效催化剂

相对于化学当量的反应，高选择性、高效的催化反应更符合绿色化学的基本要求。许多有机合成反应中，液体酸或碱是最常用的催化剂，其价格便宜、催化效率高，但对设备腐蚀严重、污染大、副反应多、后处理困难。为克服传统催化带来的危害，研究和开发新型绿色催化剂自然就成为目前最前沿的热点之一。较成功的有各种新型分子筛催化剂、固体超强酸或碱催化剂、杂多酸催化剂、夹层固体催化剂及相转移催化剂。这些新型催化剂的催化能力均优于传统的酸碱催化剂，同时对环境友好，目前正大量应用于有机合成中。

生物催化是集生物学、化学和工程学于一体形成的知识与信息高度密集的新兴学科，是化工领域的一项重要技术。因具有转化条件温和、选择性高、制造成本低等优势，生物催化已在一些新产品的研制和新工艺的开发中发挥了重要作用。生物催化的核心是生物催化剂，如利用酶催化技术进行不对称化合物的合成，已取得成效。有机酸如柠檬酸、衣康酸、葡萄糖酸等化工原料现在也可用生物技术进行合成。

在不对称合成中催化不对称合成是最有效的方法。通过不对称催化不但可以提供医药、农药、精细化工所需的关键中间体，而且可以提供环境友好的绿色合成方法。催化不对称合成反应主要包括催化不对称氢化反应、氢硅烷化反应、氢甲酰化反应、氢酯化反应、环丙烷化反应、环氧化反应、不对称酮还原反应、糖类衍生物催化反应和酶催化反应。

3. 波促进的有机合成

微波微波在有机合成领域中的应用给有机反应的研究注入了新的思维。微波照射可以不通过容器传热, 而直接进行加热反应的溶剂和反应物, 不但加热速度快于传统加热方式, 而且很多反应可以在无溶剂条件超声波超声波可以加速化学反应, 促进有机合成。如今, 超声波已被广泛应用于化学、医学、废水处理等诸多领域, 超声波在有机合成中的应用呈蓬勃发展之势, 成为有机合成的重要技术之一。

超声波超声波可以加速化学反应, 促进有机合成。如今, 超声波已被广泛应用于化学、医学、废水处理等诸多领域, 超声波在有机合成中的应用呈蓬勃发展之势, 成为有机合成的

重要技术之一。

4. 选用更“绿色化”的起始原料和试剂

为使制得的中间体具有进一步转化所需的官能团和反应性，在现有化工生产中仍使用剧毒的光气和氢氰酸等作为原料。为了人类健康和社区安全，需要用无毒无害的原料代替它们来生产所需的化工产品。

在代替剧毒的光气作原料生产有机化工原料方面。Riley等报道了工业上已开发成功一种由胺类和二氧比碳生产异氰酸酯的新技术。在特殊的反应体系中采用一氧化碳直接羰化有机胺生产异氰酸酯的工业化技术也由Manzer开发成功。Tundo报道了用二氧化碳代替光气生产碳酸二甲酯【8】的新方法。Komiya研究开发了在固态熔融的状态下。采用双酚A和碳酸二甲酯聚合生产聚碳酸酯的新技术，它取代了常规的光气合 成路线，并同时实现了两个绿色化学目标，一是不使用有毒有害的原料，二是由于反应在熔融状态下进行，不使用作为溶剂的可疑的致癌物一甲基氯化物。

5.提高烃类氧化反应的选择性

烃类选择性氧化在石油化工中占有极其重要的地位。据统计，催化过程生产的各类有机化学品中，催化选择氧化生产的产品约占25%。烃类选择性氧化为强放热反应，目的产物大多是热力学上不稳定的中间化合物，在反应条件下很容易被进一步深度氧化为二氧化碳和水，其选择性是各类催化反应中最低的。这不仅造成资源浪费和环境污染，而且给产品的分离和纯化带来很大困难，使投资和生产成本大幅度上升。因此，控制氧化反应深度，提高目的产物的选择性也是绿色化学研究中最具挑战性的难题。

6.不对称合成

不对称合成手性是构成生命物质的基本属性。手性物质的获得非常重要, 除来自天然外, 人工合成也是一种重要的途径。不对称合成是有机合成化学的前沿领域, 也是最近20年内发展最迅速最有成就的领域。它比对映体拆分法更直接、更经济。

结束语

展望21世纪，全球的城市化、工业化将继续发展，人口还要继续增加，对化学工业的需求也将增多。而传统化学工业虽在农药、聚合物、材料科学、去污剂、石油添加剂、水处理、废物处置等方面做出了巨大贡献，但另一方面它也增加了对环境的压力。而人们对改善环境、提高生活质量的要求又越来越强烈，联合国环保小组反复强调“保护环境是可持续发展的重要内容，直接关系到全球经济建设的成败”。绿色化学以其“原子经济性”为基本原则，一方面充分利用资源防止浪费，另一方面实现“零排放”，达到不污染环境的效果。因此，有机合成化学应该遵守绿色化学的基本原则，研究和发展对环境友好、造福于人类的新型化学。

参考文献：

[1]《绿色有机合成研究进展》 《天津化工》2009年第6期

[2] 陈东红．有机化学实验[M]．上海：华东理工大学出版社，2009．

[3]《绿色合成技术的新进展》 杨海贤 《济南职业学院学报》2006年03期

[4]《绿色化学在有机合成方面的应用》 高宝平 吕梁

[5] 雍胜利 李树颖 微波在有机合成中的应用[J].包头师范学院化学学院，2005年03期

[6]《绿色合成在有机化学中的含义及应用》 《内蒙古石油化工》2007年第8期

[7] 肖翠玲,王艳花,董树生.21世纪的绿色基础化学原料碳酸二甲脂[J].化工进展,2000,2:40-42,45.

[8] 侯文顺，胡英杰．关于项目化教学改革的考核评价探索[J]．辽宁教育行政学院学报，2008，25（10）：12－13．

[9] 陈东红．有机化学实验[M]．上海：华东理工大学出版社，2009．

[10]《有机合成中的绿色合成》 胡琳莉

[11] 敖波 绿色化学实验的研究与应用 西南民族大学学报 第32卷第4期 2006

[12] 闵恩泽 傅 军 绿色化学的进展化学通报 第1 期1999

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