《綠色有機合成》ppt課件

1、2024/4/3,1,綠色化學(xué) 6.綠色有機合成,濟南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院主講：任 皞,2024/4/3,U of J,2,Contents,,2024/4/3,U of J,3,6.1 原子的經(jīng)濟性,6.1. 1原子經(jīng)濟性的概念　　 原子經(jīng)濟性的概念是1991年美國著名有機化學(xué)家Trost提出的，他以原子利用率衡量反應(yīng)的原子經(jīng)濟性： 原子利用率=（預(yù)期產(chǎn)物的分子量／反應(yīng)物質(zhì)

2、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。,2024/4/3,U of J,4,A　+ 　B 　= 　　C 　+　D　　　　　　　 主產(chǎn)物 副產(chǎn)物反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物D往往是廢物，因此可成為環(huán)境的污染源?！　【G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+

3、54)]×100%=100%,2024/4/3,U of J,5,在Witting 反應(yīng)中,原子利用率=[ 14／356]×100%=3.93%,2024/4/3,U of J,6,6.2 綠色原料,6.2.1 用碳酸二甲酯代替硫酸二甲酯　　硫酸二甲酯(CH3)2SO4，是一種常用的甲基化試劑，但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。,2024/4/3,U of J,7,

4、6.2.2 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。,2024/4/3,U of J,8,6.2.2.1 碳酸二甲酯的合成,2024/4/3,U of J,9,6.2.2.2 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

5、胺反應(yīng)直接生成異氰酸酯和氨基甲酸酯。,2024/4/3,U of J,10,6.2.3 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0.3毫克/立方米,當濃度達到300毫克/立方米時,可使人立即死亡。以氫氰酸為原料的合成中,有機玻璃的單體-甲基丙烯酸甲酯和晴綸的單體-丙烯晴傳統(tǒng)的合成方法要以氫氰酸為原料。反應(yīng)以氫氰酸為原料，經(jīng)三個步驟得甲基丙烯酸甲酯，第二步反應(yīng)的副產(chǎn)物也

6、是氫氰酸，因此是環(huán)境不友好的。,2024/4/3,U of J,11,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。,,2024/4/3,U of J,12,6.2.4 CO2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。但在相同條件下，以釕和鎳

7、為催化劑，生成較高產(chǎn)率的甲烷；而以鉑和鈀為催化劑，生成較高產(chǎn)率的甲醇。,,2024/4/3,U of J,13,6.2.5 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)?！　『芫靡郧?，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

8、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。,2024/4/3,U of J,14,,如果能把它們轉(zhuǎn)化成化學(xué)品，可制取2～3億噸乙醇、8000萬噸糠醛和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?！　》磻?yīng)的原料可以是造紙廢物、城市固體垃圾、不可循環(huán)使用的廢

9、紙、廢木材和農(nóng)業(yè)殘留物，用稀硫酸在200～220℃處理15分鐘，產(chǎn)率可達70%～90%，同時可得有價值的副產(chǎn)品甲酸和糠醛。,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,2024/4/3,U of J,15,6.3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?！　∶绹偨y(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/

10、4/3,U of J,16,6.3.1 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。,2024/4/3,U of J,17,表6.3.1 超臨界萃取的應(yīng)用,2024/4/3,U of J,18,6.3.1.1　超臨界CO2

11、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。,2024/4/3,U of J,19,6.3.1.2 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

12、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。,對映體過量百分數(shù),2024/4/3,U of J,20,表6.3.2 以超臨界CO2 作介質(zhì)的聚合反應(yīng),2024/4/3,U of J,21,6.3.2 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

13、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。,2024/4/3,U of J,22,2000年，T.A.Bryson報道以甲酸鈉為還原劑，在250～350℃，約1300 Psi，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。,2024/4/3,U of J,23,又如醛在酮存在下，用四丁基銨氰硼化

14、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。,,2024/4/3,U of J,24,6.3.3 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，廢水若處理不當仍會產(chǎn)生環(huán)境問題?！　」滔喾磻?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

15、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成功。,2024/4/3,U of J,25,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),反應(yīng)在液相進行，收率低又伴隨副產(chǎn)物醌的生成；但采用固相反應(yīng)，以FeCl3

16、3;6H2O為氧化劑，在50℃反應(yīng)2小時，再經(jīng)稀HCl洗滌，便可得到產(chǎn)物，產(chǎn)率為95%。,2024/4/3,U of J,26,長期以來，由于思想的束縛，人們一直認為固體間的化學(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。,2024/4/3,U of J,2

17、7,6.4 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。,2024/4/3,U of J,28,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

18、油化工和精細化工生產(chǎn)中。,分子篩催化劑,2024/4/3,U of J,29,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,2024/4/3,U of J,30,,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。,2024/4/3

19、,U of J,31,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。手性催化劑的作用是使反應(yīng)朝目標產(chǎn)物轉(zhuǎn)化，直接合成旋光純的化合物，或目標產(chǎn)物占絕對優(yōu)勢。,,手性催化,2024/4/3,U of J,32,Monsate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。,2024/4/3,U of J,33,6.5.1 更新合成路線　　1999年，美國總統(tǒng)

20、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,2024/4/3,U of J,34,LY300164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

21、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%。,2024/4/3,U of J,35,6.2 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?；瘜W(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

22、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。,2024/4/3,U of J,36,,E－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。,2024/4/3,U of J,37,,從表中可看到，精細化工（如染料）和制藥工業(yè)的E－因子較大，主要廢料是

23、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。,2024/4/3,U of J,38,,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Na

24、Cl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。,2024/4/3,U of J,39,,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

25、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準。,2024/4/3,U of J,40,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。,,總反應(yīng),原子利用率=44/173=25%,經(jīng)典工藝,2024/4/3,U of J,41,現(xiàn)代石油化學(xué)工藝,原子利用率=100%,2024/4/3,U of J,42,組合化學(xué)(Combinatorial Chemistry)是近10年發(fā)展起來的新興化學(xué)前沿

26、。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）設(shè)立組合化學(xué)主題。1995年專業(yè)性期刊“Molecular Diversity(分子多樣性)”應(yīng)運而生，1996年其影響因子高達6.000(同年, J.Am.Chem. Soc.為5.948,J.Org.Chem.為3.722)。,6.6 組合化學(xué),2024/4/3,U of J,43,,目前，美國及歐洲一

27、些國家相繼成立組合化學(xué)公司，專門進行定向靶標的組合化合物庫的合成，已取得一定的成果。據(jù)1998年不完全統(tǒng)計，與組合化學(xué)有關(guān)的專利發(fā)明已有174項；1997年市場總營業(yè)額為2.76億美元。,2024/4/3,U of J,44,組合化學(xué)是一門將化學(xué)合成、組合理論、計算機輔助設(shè)計及機器人結(jié)合為一體的技術(shù)。它根據(jù)組合原理在短時間內(nèi)將不同構(gòu)建模塊以共價鍵系統(tǒng)地、反復(fù)地進行連接，從而產(chǎn)生大批的分子多樣性群體，形成化合物庫(Compound L

28、ibrary)；然后，運用組合原理，以巧妙的手段對化合物庫進行篩選、優(yōu)化，得到可能的有目標性能的化合物結(jié)構(gòu)的科學(xué)。,,6.6.1 組合化學(xué)的定義,2024/4/3,U of J,45,6.6.2 組合化學(xué)的特點　　組合化學(xué)與傳統(tǒng)合成有顯著的不同。傳統(tǒng)合成方法每次只合成一個化合物；組合合成用一個構(gòu)建模塊的n個單元與另一個構(gòu)建模塊的n個單元同時進行一步反應(yīng)，得到n×n個化合物；若進行m步反應(yīng)，則得到（n×n）m個化合物

29、。有人作過統(tǒng)計，一個化學(xué)家用組合化學(xué)方法在2～6周的工作量，十個化學(xué)家用傳統(tǒng)合成方法要花費一年的時間才能完成。所以，組合化學(xué)大幅度提高了新化合物的合成和篩選效率，減少了時間和資金的消耗，成為20世紀末化學(xué)研究的一個熱點。,,2024/4/3,U of J,46,組合化學(xué)合成包括化合物庫的制備、庫成分的檢測及目標化合物的篩選三個步驟?；衔飵斓闹苽浒ü滔嗪铣珊鸵合嗪铣蓛煞N技術(shù)，一般模塊的制備以液相合成為主，而庫的建立以固相合成為主。,6