（有机化学专业论文）铜催化的交叉偶联反应研究.pdf

中国科学技术大学博t 学托论文摘要 中文摘要 交叉偶联反应是有机化学中一个重要的内容，其在化工和医药中部有着广 泛的应用。传统的反应一般需要特定的催化剂和在苛刻的条件下进行反应，对于 工业操作和经济上都很有局限性。最近的报道大部分集中在使用了含金属钯的催 化剂。尽管这样的交叉偶联反应有较高的效率，然而钯高昂的价格以及其较强的 毒眭阻碍了这类反应在很多场合中( 例如药物合成) 的应用。同时，这些催化剂 需要使用大量的对环境有很大毒害作用的膦配体。 鉴于工业化和环保的需求，研究高效、低毒、便宜和环保的催化体系有着 重要的意义。因为相对于钯来说，铜是一种廉价而且低毒的金属。使用铜催化剂 来实现交叉偶联，不仅是过渡金属催化领域中的一个新动向，而且是化学工业绿 色化进程中的一个挑战性课题。 s o n o g a s h i r a 反应是合成含有两个芳香环的取代炔烃的重要手段。我们设计 了一种以c u i 为催化剂的s o n o g a s h i r a 反应体系，在此体系中可以有效完成各种 碘溴代苯化合物与炔烃的偶联反应。与传统的反应条件相比，它是一种无需p d 催化剂及膦配体参与的反应过程，更利于该反应的工业化应用。 芳香硫氰酸化合物也是有机合成中一种重要的起始原料。我们使用c u l 为催 化剂，在温和的条件下很好地催化了碘代芳香化合物的硫氰酸化反应，真正实现 了铜催化的硫氰酸芳香化合物的合成，相对于文献报道的方法更加简便、环保， 并且降低了副产品的产生。 此外，我们还设计i 了新的n ，n ，一芳香取代胼的合成路线，酰胼的首次芳香 化反应可以在c u i 的催化下完成，其二次芳香化亦可以在铜盐的参与作用下、于 很温和的条件下完成。克服了金属钯作为催化剂的使用，相对于钯催化的合成过 程，这一方法更加简便、易行、低成本。 中国科学技术大学博e 学岱= 论文 摘要 a b s t r a c t c r o s s c o u p l i n gr e a c t i o ni so n et h ei m p o r t a n tr e a c t i o n si no r g a n i cc h e m i s t r y i t f i n d sw i d ea p p l i c a t i o n si nc h e m i c a le n g i n e e r i n ga n dm e d i c a ls y n t h e s e s i ti sv e r y l i m i t e df o rt h et r a d i t i o n a ls y n t h e s i sm e t h o d sd u et oi t ss p e c i f i cc a t a l y s ta n de x i g e n t p a r a m e t e r s r e c e n tl i t e r a t u r e sa r ef o c u s e do nt h ep a l l a d i u mc a t a l y s t a i t h o u g ht h e c a t a l y s tf a v o r st h eh i g h e rc r o s s c o u p l i n ge f f i c i e n c y , t h eh i g hp r i c ea n ds t r o n gt o x i c i t y o fp a l l a d i u mh i n d e rt h ea p p l i c a t i o n so fc a t a l y s t , s u c ha si nt h em e d i c a ls y n t h e s e s a t t h es a m et i m e ，t h ec a t a l y s tn e e d sl a r g ea m o u n to fp h o s p h i n ec o o r d i n a t o r st h a ti s e x t r e m e l yt o x i ct ot h ee n v i r o n m e n t t om e e tt h er e q u i r e m e n to f t h ei n d u s t r h la n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t h es t u d y o nah i g he f f i c i e n c y , l o wt o x i c ，l o wp r i c ea n de n v i r o n m e n t a lb e n i g nc a t a l y t i cs y s t e m i so fi m p e n d i n gi m p o r t a n c e c o m p a r e dw i t hp a l l a d i u m ，c o p p e ri sak i n do fl o wp r i c e a n dl o wt o x i cm e t a l i ti san e wt r e n di nt h et r a n s i t i o nm e t a lc a t a l y s ta n dac h a l l e n g i n g p r o j e c ti nt h eg r e e np r o c e s sf o r t h ec h e m i c a le n g i n e e r i n gt ou s ec o p p e ra st h ec a t a l y s t s o n o g a s h i r ar e a c t i o n i sa ni m p o r t a n tm e t h o dt os y n t h e s i z ea l k y n es u b s t i t u t e w h i c hc o n s i s t so ft w oa r o m a t i cr i n g s as o n o g a s h i r ar e a c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d u s i n gc u ia st h ec a t a l y s t , i nw h i c hm u l t ik i n d so fi ：o u p l i n gr e a c t i o n so fi o d o b e n z e n e o rb r o m o b e n z e n ew i t ha l k y n ec a nb ep r o c e s s e de f f e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a l s y n t h e t i cc o n d i t i o n s , t h ed e s i g n e dm e t h o dd o e sn o tu s ep a l l a d i u mc a t a l y s ta n di s p r o c e s s e dw i t h o u tp h o s p h i n eu s e da sl i g a n d s ，w h i c hf a v o r st h ei n d u s t r t l i z a t i o no f t h e c u r r e n tm e t h o d a r y it h i o c y a n a t e sa r eak i n do ft h ei m p o r t a n tr a wm a t e r i a l si no r g a n i cs y n t h e s e c u li su s e di nt h es t u d yt oc a t a l y z et h er e a c t i o n so fi o d o b e n z e n ei nm i l dr e a c t i o n p a r a m e t e r s ，w h i c ht r u l yr e a l i z e st h es y n t h e s i so fa r o m a t i cr h o d a m i ca c i dc o m p o u n d s u s i n gc o p p e ra st h ec a t a l y s t c o m p a r e dw i t ht h o s em e t h o d si n t h el i t e r a t u r e , t h e c u r r e n to n ei sf a c i l e ，e n v i r o n m e n t a lb e n i g na n dw i t hl o wb y p r o d u c tp r o d u c t i o n b e s i d e s ，an e ws y n t h e s i sr o u t et on ，n - a r o m a t i cd i a m i d es u b s t i t u t ei sd e s i g n e d t h ef i r s ta r o m a t i cr e a c t i o no f h y d r a z i d ec a nb ea c c o m p l i s h e du s i n gc u ia st h ec a t a l y s t , 中国科学技术大学博t 学位沦文摘要 w h i l et h es e c o n do n ec a nb ea c h i e v e da tm i l dr e a c t i o nc o n d i t i o n sw h e nc o p p e ra c e t a t e i se n g a g e di nt h er e a c t i o n t h ed e s i g n e dm e t h o do v e r c o m e st h ep a l l a d i u mc a t a l y s t p r o c e s s , w h i c hi sf a c i l ea n dl o wp r i c e 中国科学技术丈学博t 学位论文第一章绿色化学概念及研究进展 第一章绿色化学概念及研究进展 第一节绿色化学的产生和发展 从上个世纪末期，人类所面临的环境危机日盏严重，例如：大气污染、酸雨成 灾，全球气候变暖，臭氧层被破坏，淡水资源的紧张和污染，土地资源的退化， 森林的锐减，生物多样性的减少，有毒化学品和危险废物的排放等，这些因素使 得人类的生态环境迅速恶化。美国t r i ( t o x i c sr e l e a s ei n v e n t o r y ) 1 9 9 4 年的统计 结果表明，化学工业为最大的有害物质释放工业，超过排在前l o 名的其它9 个工 业的总和1 。据估计，全世界每年排放的各种工业废弃物和城市垃圾等约1 0 0 亿 吨，其中5 - - - 1 0 属于危险废物，人们处理这些有害废物的方式，通常采用掩埋、 焚烧，或向大海倾倒，但是这些方法既不能消除危险物的毒害性，也不能阻止其 向自然界的扩散，从而带来了更为严重的污染后果2 。 面对环境危机的重大压力，人们对于化学物质危害性的认识也逐渐深入，保 护生态环境，加强污染治理已经成为实现可持续发展所要面对的重大问题，环保 法规的颁布则有力地推动了绿色化学的兴起和发展。 1 9 9 0 年美国环保署颁布了“污染预防法案”，它源于“废物最小化”这一思想， 其基本内涵是对产品及其生产过程采用预防污染的策略来减少污染物的产生， 体现了绿色化学的思想，是绿色化学的雏型3 。该法令强调应着眼于防止污染物 的形成，而不是对已污染的环境进行后期治理，这一法令的颁布推动了绿色化学 在美国的兴起和发展。同年，联合国环境署在全球推动了“清洁生产”。世界各国 都要从末端污染控制策略逐渐转向一体化污染预防策略，减少对环境的污染。 1 9 9 1 年“绿色化学”美国化学会首次提出，成为美国环境保护署的中心口号，从而 确立了绿色化学的重要地位。同时美国环境保护署污染预防和毒物办公室启动了 “防止污染改变合成路线”奖励基金，至此由多种合作关系组成的绿色化学组织 诞生。1 9 9 2 年美国环保署对六项化学合成方法的改进进行了奖励，因为它们相对 传统的合成方法，更为有效的减小了对人类健康的影响、降低了合成过程中对环 境所造成的污染。这一举措，更加鼓励了绿色化学思想在化学领域的扩展。1 9 9 4 年美国环境保护署研究和发展办公室又与自然科学基金会成立了新科学成果研 中国科学技术大学博学位论文第一章绿色化学概| 含及研究进展 究小组，该研究小组每年召开题为“持续环境工艺”专题研讨会。美国工业界的工 程师和商业领导开始研究如何在以后的化学发展中领导世界，分析在巨变的商 业界影响工业竞争的因素。并对以后的发展进行展望。 1 9 9 5 年3 月1 6 日，美国总统克林顿宣布设立“绿色化学挑战奖计划”推动社 会各界进行化学污染预防和工业生态学研究，鼓励支持重大的创造性的科学技 术突破，杜绝或从根本上减少化学污染源。随后美国自然科学基金会和美国环保 局提供专门基金资助绿色化学的研究。1 9 9 5 年l o 月3 0 日设立“总统绿色化学挑 战奖”这是在化学化工领域内唯一的总统奖。其具体下设五个奖项：更新合成 路线奖；变更溶剂反应条件奖：设计更安全化学品奖；小企业奖；学术 奖。从1 9 9 6 年开始，美国每年在华盛顿科学院对绿色化学方面做出了重大贡献 的化学家和企业颁奖，迄今为止已颁布了九届。如斯坦福大学的 f r o s t 教授和密 西根州立大学的d r a n t h s 和f r o s t 两位教授分别获得了1 9 9 8 年的学术奖；b a y e r 公 司于2 0 0 0 年因设计了一种环境友好、性能优良的涂料而获得了改进溶剂和反应 条件奖，2 0 0 1 年又因合成了对环境友好的新型螯合剂而再次获得此奖项。 1 9 9 6 年7 月2 1e i - 2 6 日在新英国大学举办了第一届题为“环境友好的有机合 成反应”的g o r d o n 研究会议，次年在牛津大学又召开了同样主题的第二届 g o r d o n 研究会议。1 9 9 7 年美国国家科学院举办了第一届绿色化学与工程会议，展 示了有关绿色化学的重大研究成果。次年又召开了主题为“绿色化学：全球性展 望”的第二届绿色化学与工程会议，会议对环境友好的合成过程和工艺给予了高 度肯定。1 9 9 7 年由美国国家实验室、大学和企业联合成立了绿色化学院，美国化 学会成立了“绿色化学研究所”。1 9 9 8 年8 月举办的第三届g o r d o n 研究会议决定 今后将联合世界各国每年召开一次，并出版了绿色化学论文集。 绿色化学发展到1 9 9 9 年，达到了世界性发展的阶段，至今全球绿色化学的发 展已经达到高潮阶段。首先在1 9 9 9 年，诞生了世界上第一本英文国际杂志g r e e n c h e m i s t r y ) ) 。同时还在互连网上建立了绿色化学网站。绿色化学研究的g o r d o n 会议在英国牛津多次召开。在欧洲也掀起了绿色化学的浪潮。 一些发达国家参照美国总统绿色化学挑战奖的成功经验，积极发展绿色化学 学科。设置了相应的绿色化学奖项。例如日本制定了以环境无害制造技术等绿色 化学课题内容的“新阳光计划”，并于2 0 0 2 年响应o e c d ( 经济合作与发展组织) 2 中同科学技术大学博b 学竹论文 第一章绿色化学概念及研究进展 工作组于1 9 9 8 年可持续发展化学报告的建议，设立了绿色和可持续发展化学奖。 2 0 0 2 年4 月首次颁奖，每年评选一次；2 0 0 3 年第二界日本绿色和可持续发展化学 奖颁发3 个奖项：经产省长官奖、环保省长官奖、文部省长官奖。2 0 0 0 年英国化 学会、s a l t e r s 公司和j e r w o o d 慈善基金会共同发起设立了英国绿色化学优胜奖， 分j e r w o o d 和s a l t e r s 环境奖、工业奖和中小企业奖，迄今已颁发三届；2 0 0 2 年英 国又设立了绿色化学技术奖，该奖每年颁发一次，奖给两个英国公司；此外。 2 0 0 3 年由英国化学工程师协会等三十个组织发起了a s t r az e n e c a 绿色化学和工 程奖。1 9 9 9 年澳大利亚化学会设立了澳大利亚化学会绿色化学挑战奖，奖励种类 包括小企业奖、学术或政府机构奖、绿色化学教育奖。1 9 9 9 年2 月，意大利保护 环境大学化学联盟也设立了化学联盟奖励计划。 面对国际上风起云涌的绿色化学浪潮，我国在绿色化学领域的活动也逐渐活 跃起来。1 9 9 5 年中国科学院化学部组织了绿色化学与技术推进化工生产 可持续发展的途径的院士咨询活动，对国内外绿色化学的现状与发展趋势进行 了大量调研，结合我国实际情况提出了发展绿色化学与技术、消灭和减少环境污 染源的七条建议，并建议国家科技部组织调研，将绿色化学与技术研究工作列入 “九五”基础研究规划。1 9 9 6 年，召开了“工业生产中绿色化学与技术”研讨会，并 出版了绿色化学与技术研讨会学术报告汇编。1 9 9 7 年国家自然科学基金委员 会与中国石油化工集团联合资助了“九五”重大基础研究项目一环境友好石油 化工催化化学与化学反应工程”；中国科学技术大学绿色科技与开发中心在该校 举行了主题讨论会，并出版了当前绿色科技中的一些重大问题论文集：第7 2 次香山科学会议是以“可持续发展问题对科学的挑战绿色化学”为主题的 显现出我国科学家对绿色化学的高度关注。1 9 9 8 年在中国科技大学举办了首届 国际绿色化学高级研讨会，此后每年举办一次，至2 0 0 5 年已历7 届。国际绿色化 学高级研讨会是我国举办的高水平会沈参加者大多数是来自各国有关研究所、 国内外知名高校的著名专家学者，科学家们就绿色化学反应、原子经济性的合成 反应研究、绿色替代溶剂技术、环境友好化学品的设计和应用、生物催化剂在合 成反应中的应用、生物质资源的有效利用，计算机辅助绿色化学设计和计算机模 拟以及其它与绿色化学有关的问题进行广泛深入的研讨与交流。1 9 9 9 年，国家自 然科学基金委设立了“用金属有机化学研究绿色化学中的基本问题”的重点项目。 中围科学技术大学博t 学位论文第一章绿色化学概念及研究进展 同年1 2 月。在北京九华山庄举行了第1 6 次九华科学论坛。会议从科学发展和国 家长远需求的战略高度对绿色化学的基本科学问题进行了充分的研讨和论证， 并提出了如何在“十五”期间优先安排部署我国在绿色化学领域的研究工作的意 见。这些举措充分显示了我国政府关注生态、整治环境的信心和决心，同时也给 化学工作者创造了工作平台，提出了明确和艰巨的任务。相信在政府部门、化学 界、环保界、企业界的共同努力下。我国的绿色化学很快将迈上新的台阶。 第二节绿色化学概论 2 0 世纪9 0 年代初，以p t a n a s t a s 等为代表的化学家提出了与传统的“治理 污染”不同的“绿色化学”的概念4 - 即如何从源头上减少甚至消除污染的产生。通 过研究和改进化学化工过程，及相应的工艺技术，从根本上降低，以至消除副产 品或废弃物的生成，从而达到保护和改善环境的目的。“绿色化学”的目标要求任 何一个化学的活动，包括：使用化学原料、化学和化工过程以及最终的产品，对 人类的健康和环境都应该是友好的。因而，绿色化学的研究成果对解决环境问题 是有根本意义的，对于社会经济的可持续发展也有着重要的意义。十几年来，关 于绿色化学的概念、目标、基本原理和研究领域等已经逐步明确，初步形成了一 个多学科交叉的新的研究领域。 绿色化学( g r e e nc h e m i 哪) 又称环境无害化学( e n v i r o n m e n t a l l yb e n i g n c h e m i s t r y ) 、环境友好化学( e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yc h e m i s t r y ) 、清洁化学 f c l c a nc h e m i s t r y ) 。绿色化学即是用化学的技术和方法去减少或消灭那些对人类 健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等 的使用和产生5 。它所研究的中心问题是使化学反应及其产物具有以下特点： 采用无毒无害的原料；在无毒无害的反应条件( 催化剂、溶剂) 下进行；具 有“原子经济性：及反应具有高选择性、极少副产品，甚至实现“零排放”；产 品应是环境友好7 。必须指出的是，绿色化学不同于一般的控制污染，绿色化学的 理想在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。它是一门 从源头上阻止污染的化学8 。因此，绿色化学可以看作是进入成熟期的更高层次 的化学，化学家不仅要研究化学品生产的可行性和现实用途，还要考虑和设计符 合绿色化学要求、不产生或减少污染的化学过程6 。 4 中国科学技术大学博t 学位沧文第一章绿色化学概念及研究进展 按照绿色化学的要求，要达到无害环境的绿色化学目标，在制造与应用化工 产品的同时，要有效地利用原材料，最好是再生资源；减少废弃物量，并且不用 有毒与有害的试剂和溶剂。为了达到此目标，p t a n a s t a s 和j c w a m e r 提出绿 色化学研究的1 2 项原则( t w e l v ep r i n c i p l e so f g r e e nc h e m i s t r y ) 4 ，简称前十二条， 作为开发环境无害产品与工艺的指导，这些原则涉及合成与工艺的各个环节，例 如溶剂、分离、能源与减少废弃物等7 ，8 ，它们是： 1 防止污染优于污染治理防止产生废弃物，从源头上制止污染，而不是 在末端治理污染； 2 提高原子经济性合成方法应具“原子经济性”。即尽量使参加过程的 原子都进入最终产品； 3 无害化学合成在合成中尽量不使用和产生对人类健康和环境有毒有 害的物质减少有危害的合成反应； 4 设计安全化学品设计具有高使用效益、低环境毒性的化学产品； 5 采用安全的溶剂和助剂尽量不用溶剂等辅助物质。不得已使用时它 们必须是无害的； 6 提高能源经济性生产过程应该在温和的温度和压力下进行，使能耗 最低、高效率的使用能源； 7 利用可再生资源合成化学品尽量使用可再生的原料，特别是用生物 质代替石油和煤等矿物原料： 。 8 减少运用衍生物如有可能尽量减少或避免运用衍生物的步骤( 如用 封闭基因、保护脱保护、暂时修饰的物理化学过程) ，因为这些步骤要用外加试 剂并且可能产生废弃物； 9 采用高选择性的催化剂催化剂( 选择性) 优于计量反应试剂； 。1 0 设计可降解化学晶化学产物应当设计成为在使用之后能降解成为无 毒害的降解产物而不残留于环境中； 1 1 及时分析以防止污染要进一步开发分析方法。使其可及时进行现场 分析。并且能够在有害物质生成之前就加以控制： 1 2 采用本身安全、能防止发生意外的化学品= 磕滟学过程中，选用的物 质以及该物质使用的形态，都必须能防止或减少隐藏的意外事故的发生。 中国科学技术大学博t 学位论文第。章绿色化学概念及研究进展 这些原则十分的全面，大多数的化学家、工程师从中得到教益并用以指导工 作，但是由于化学家们所不熟悉的经济、技术等方面的原因，在执行中也有一些 失误。 e n v i r o n s c i & t e c h 。杂志的编辑wh g l a g e 认为化学转化的绿色程度， 只有在放大( s c a l e u p ) 、应用( a p p l i c a t i o n ) 与实践( p r a c t i c e ) 中才能评估。这就 要求在技术、经济与工业所导致的一些竞争的因素之间作出权衡。为了补充p t a n a s t a s 和j c w a r n e r 的不足，结合g l a g e 的意见，利物浦大学化学系l e v e r h u l m 创新中心( l e v e r h u l mc e n t r ef o ri n n o v a t i v ec a t a l y s i s ) 的n e i lw i n t e r t o n 提出另外 的绿色化学原则十二条( 简称后十二条) 以帮助化学家们评估每个工艺过程的 相对绿色性，后十二条的内容是8 ； 1 鉴别与量化副产品； 2 报道转化率、选择性与生产率； 3 建立整个工艺的物料衡算； 4 测定催化剂、溶剂在空气与废水中的损失； 5 研究基础的热化学； 6 估算传热与传质的极限； 7 请化学或工艺工程师咨询； 8 。考虑全过程中选择化学品与工艺的效益： 9 促进开发并应用可持续性量度； 1 0 量化和减用辅料与其它投入； 1 1 了解何种操作是安全的，并与减废要求保持致； 1 2 监控、报道并减少实验室废物的排放。 后十二条与前十二条并称双十二条，是研究绿色化学所遵循的基本原则。 为实现绿色化学的目标，有两方面必须重视：首先是开发以“原子经济”为 基本原则的新化学反应过程；其次是改进现有化学工业。减少和消除污染。目前 绿色化学研究的热点领域主要包括以下内容： 1 进行新的化学反应过程的研究9 。在原子经济性和可持续发展的基础上， 研究合成化学和催化的基础问韪，即绿色合成和绿色催化的问题。如美国 m o n s a n t o 公司币用剧毒的氢氰酸、氨、甲醛为原料，从无毒无害的二乙醇胺出发 开发了催化脱氯安全生产氨基二乙酸钠的技术，从而获得了1 9 9 6 年美国总统绿 6 中国科学技术大学博仁学位论文 第一章绿色化学概念及研究进展 色化学挑战奖中的变更合成路线奖。2 0 0 3 年美国s o u t h 化学公司开发出了“绿色 催化工艺”，用金属直接制备金属氧化物催化剂，大大减少了催化剂生产用水 消除了硝酸盐废料的排放，当年的更新合成路线奖也因此授予了该公司。在有 机化学品的生产中，有许多新的化学流程正在研究开发，这些新流程的开发是绿 色化学领域中的新进展。 2 传统化学过程的绿色化学改造。这是一个很大的开发领域，如在烯烃的烷 基化反应生产乙苯和异丙苯过程中需要用酸催化反应，过去用液体酸h f 催化剂。 而现在可以用固体酸分子筛催化合成，解决了环境污染的问题。又如在异氰 酸酯的生产过程中，过去一直使用剧毒的光气作为原料，现在改用c 0 2 和胺催化 合成，从而使这一合成过程也成为了环境友好的化学工艺。 3 能源中的绿色化学问题和洁净煤化学技术。绿色化学必须解决由于使用低 效、污染能源而引起的危及人类健康与环境的直接和间接危害。我国现今能源结 构中，煤是主要能源。由于煤含硫量高和燃烧不完全造成的大量烟尘排出，空气 受到严重污染以及酸雨的产生，对生态环境的破坏日益严重，因此研究和开发洁 净煤化学技术是当务之急。 4 资源再生和循环使用技术研究。据估计，至2 0 4 0 年世界人口将达到一 9 0 - - 1 0 0 亿，也就是说，在2 0 4 0 年人类需要为9 0 - 1 0 0 亿人提供生活所需的能源与 材料，目前，8 0 以上的能源与有机原料来自于化石能源，随着化石能源枯竭及 其使用带来的环境问题的日益严重，人类将面临严重的能源危机”。因此人类生 产的各种化学品能否回收、再生和循环使用也是绿色化学研究的一个重要领域。 5 综合利用的绿色生化工程。利用现代生物技术所进行的化学过程因为其无 污染，无公害，在可持续发展方面具有更大的发展空间。例如生物质是重要的可 再生能源，有着不产生净二氧化碳、可分解成多种结构的材料、可减少对石油资 源的依赖等一系列优点，早在上世纪七十年代壳牌公司就已着手于生物质提级 转化生物燃料的研究1 2 。 绿色化学是近年来才被人们认识和发展研究的一门新兴学科，是针对传统化 学化工的资源利用率低、环境污染严重提出的，是实用背景强、国际民生急需解 决的热点研究领域。绿色化学与传统化学的不同之处在于前者更多地考虑环境、 经济和社会的和谐发展，使环境资源的化学变换体系成为一种更有效的运行模 7 中同科学技术大学博士学位论文第一章绿色化学概念及研究进展 式，对环境具有更小的破坏作用，进而改善环境质量，促进人类和自然关系的协 调。传统化学在评价化学反应效率时，常常采用的两个指标是产率和选择性，但 难以用来确定生产过程中所产生的污染物的数量。而绿色化学在考虑收率_ 手口选择 性的前提下，强调反应物中的原子到底有多少转移到有用的产品中，并可以用原 子经济性或原子利用率的指标来对其进行评价。绿色化学不是传统化学的分支， 而是更高层次上的化学。传统化学强调了物质化学转换体系的独立性，忽视了其 与环境体系的密切相关性；绿色华学则站在环境的高度上，联系环境系统物质流 动的闭路循环体结构，提出了环境友好化学，是对传统化学进行的创新性改革， 这就是绿色化学的特点。 第三节原子经济性 1 9 9 1 年，著名化学家b m t r o s t 首次提出了“原子经济性”的概念，并因 此获得1 9 9 8 年美国“总统绿色化学挑战奖”中的学术奖。此后，这一观念被用 来评估化学反应的效率，也就是说，要考察有多少反应物分子进入到最终的产物 分子1 3 。 t r o s t 认为合成应当考虑原料中的原子最终进入所希望产品中的数量，原子 经济性是指原料中究竟有百分之几的原子转化为产物。原子经济性的目标是在设 计化学反应时使原料分子中的原子最大限度地或全部变成最终希望的产品中的 原子。理想原子经济反应是指原料分子中的原子百分之百地转换为产物，不产生 副产物或废物实现废物的零排放。“原子经济性”的观念是绿色化学的基本原 则之一。 假如c 是人们要合成的化合物，若以a 和b 为起始原料，既有c 生成又有 d 生成，且许多情况下d 是对环境有害的，即使生成的副产品d 是无害的，那么 d 所包含的这一部分原子也是被浪费的，而且生成的废物对环境造成了负荷。理 想原子经济性反应即：使用a 和b 作为起始原料，整个反应结束后只生成c ，a 和b 中的原子得到了1 0 0 利用，亦即没有任何副产物生成。 与理想原子经济反应相应的零排放过程： 3 中国科学技术大学博士学位沦文 第一章绿色化学概念及研究进展 上述原子经济性概念可以用原子利用率( a t o mu t i l i z a t i o n ，a l p ) 来表示 a u ( ) = 预期( 目的) 产物的摩尔质量 所有反应物的摩尔质量综合 x1 0 0 由此可以看出，原子经济性与产率或收率是两个不同的概念，前者是从原子 水平上来看化学反应，后者则从传统宏观量上来看化学反应。例如，w i t t i n g 反应 是一个很好的由羰基化合物转换为亚甲基的反应： 。c 删，灿一上。c 归啦兰。：c 如 这一反应广泛应用于合成胆固醇前体、番茄红素、角鲨烯、b 一胡萝b 等含多烯 键的有机物，产率在8 0 以上，并曾获得1 9 7 9 年诺贝尔化学奖。但是从绿色化学 的角度来看，它的原子经济性很差。原料溴化甲基三苯基膦分子中，只有亚甲基 进入被利用到目标分子中，即总计3 5 7 份质量中只有1 4 份利用，原子利用率不足 4 。 与w i t t i n g 反应相反的，过渡金属催化的c h 活化反应是一个理想的原子经 济性反应，m u r a i 以r u 试剂催化芳烃对烯烃的直接加成是芳香c h 活化的典型实 例1 4 。在实现理想的原子经济性反应方面迈出了可喜的一步。l i 实现了末端炔烃 的c h 活化，并应用于水中的三组分反应b 。中科院上海有机所的陆熙炎发展了 叔膦催化的贫电子炔烃的异构化反应，以及贫电子炔烃和贫电子烯烃的 3 + 2 】形 成环戊烯衍生物的反应惦。这些都是属于高原子经济性的反应。最近，n o y o r i 等 9 中嗣科学技术大学博士学位论文第一章绿色化学概念及研究进展 在超临界二氧化碳中，从二氧化碳和氢合成了甲酸，被认为是最理想的反应之一 1 7 ： r u h 2 ( p m e 3 ) 4 5 c c 0 2 + h 2 i f h c o o h 不同的化学反应类型具有不同的原子经济潜力，下面我们对有机合成中各种 反应的原子经济性进行分析： 重排反应。分子间结构互变或异构化重排是构成分子中原子改变相互间 位置、连接、键的形成等的途径，从而重整产生一个新分子的反应，所有反应原 子都结合到产物中，其原子经济性为1 0 0 。重排反应可利用热、光及化学诱导 等方法来影响和控制。 这类反应以人名来命名的就有3 0 种之多，如b e c k m a n n 重排、c l a i s e n 重排、 f r i e s 重排、f i s c h e r - h e p p 重排、w o l f f 重排等等，有些应用于合成染料中，有些应 用于合成药物中，它们都是非常重要的有机合成反应，它们的原子利用率达到 1 0 0 , 是理想的原子经济反应。其反应通式为： a b 加成反应。加成反应是不饱和分子和其它分子在反应中相互加成生成新 分子的反应。反应中同时发生不饱和分子中 c 键的断裂和与加合原子或基团间新 键的6 键的生成。依据进攻试剂的性质或兀键断裂及6 键形成的方式，加成反应 一般分为亲电加成、亲核加成、催化加成和环加成等类型。由于加成反应是将反 应物的原子加到某一基质( 底物) 上，完全利用了原料中的原子，其原子经济性 也为l o o ，是原子经济反应。 这类反应包括水合、乙炔化、乙烯化等，比如不饱和化合物与共轭双键系化 合物的1 4 一加成反应、乙炔与含活泼氢化合物及羰基化合物等的加成反应。此 外，还包括烷基卤化镁( o r i g n a r d 试剂) 与羰基化合物、三苯甲游离基与0 2 和1 2 、 卤化烷锌或二烷摹锌与羰基化合物、醛或酮类与h c n 、醛或酮类与n h 3 、双键 1 0 中国科学技术大学博b 学俺硷文第一章绿色化学概念及研究进展 结构化合物与o s 0 4 等加成反应，它们都是常用的有机反应，也都属于原子经济 反应。其通式为： a + b c 取代反应。取代反应是有机化合物分子中的原子或基团被其它原子或基 团取代的反应。取代反应依键的断裂方式和取代基团的性质不同而分为三种基本 类型：亲核取代、亲电取代和游离基取代。取代反应是用某一基团取代离开的基 团，因此被取代的基团不出现在产物中而成为废物，所以取代反应不是原子经济 反应其原子经济性程度视不同的试剂和底物而决定。 这类反应包括烷基化反应、芳基化反应，酰化反应，以及磺化反应和砷化反 应。其通式为： a b + c d - - a - - c + b - - d 消除或降解反应。消除或降解反应是指在有机化合物分子中除去两个原 子或基团而生成不饱和化合物的反应，又称消去反应。消除反应有a 消除( 1 ，1 消 除) 、p 一消除( 1 ，2 消除) 、丫0 肖除( 1 ，3 消除) 。消除反应是通过消除基质的原子来产 生最终产品，所使用的任何未转换至产品的试剂与被消去的原子都成为废物。因 此消去反应是原子经济性较差的合成反应。 消除反应或降解反应包括脱氢、脱水、脱胺、脱卤化氢、脱醇、脱羧基、脱 酰基等以及羧酸降解、醛糖降解、氨基降解、酰胺降解、胺类降解、酰羟胺或 酰化物降解等，其通式为； a - r i l a 一8 + r l = = = 一r 2 n - 、r ， 绿色化学的核心是实现原子经济反应。但在目前的条件下还不能将所有的 中国科学技术大学博l 学位论文 第一章绿色化学概念及研究进展 化学反应的原子经济性都提高到1 0 0 。因此，不断寻找新的途径来提高合成反 应过程的原子利用率，或对传统的化学反应过程不断提高化学反应的选择性。仍 然是十分重要的手段。这就要求开展从包括新合成原斟、新催化剂到新合成加工 途径、新反应器设计等化学工程的研究，以及各学科交叉结合，由知识创新到技 术刨新，来不断实现合成过程的绿色化。 采用新合成原料来提高反应的原子经济性。采用新合成原料是提高原子 经济性的一种手段。甲基丙烯酸甲酯的生产就是一个很好的例子。甲基丙烯酸甲 酯是有机玻璃单体。是重要的有机化工原料原来的合成方法是丙酮氰醇法： po hc h 3 c h 璺c h ，+ h c n h ，c _ 卜c h 3 h 胆c i - - l c i - - o c h ， 荫0 原料中使用剧毒的氰氢酸和腐蚀性的硫酸，原子利用率为4 7 。改进的方法是以 丙炔甲醇和一氧化碳为原料一步合成法，该过程使用均相钯催化体系，原子利用 率为1 0 0 ： c h 3 c h 3 一筐c i + c o + c h 3 0 h 叫h 炉c _ c - o c h 3 o 开发新催化材料提高反应的原子经济性。据统计，8 0 以上的化学品均是 通过催化反应制备的，催化莉在当今化工生产中占有极为重要的地位，而新催化 材料是创造发明新催化剂的源泉，也是开发绿色化工技术的重要基础。通过新催 化剂的开发形成新工艺新技术，可最终提高反应的原子经济性。例如新型催化剂 材料钛硅一i ( t s - - i ) 分子筛的开发，使由丙烯环氧化生产环氧丙烷过程的原 子经济性得到显著提高。环氧礞烷是一种重要的有机化工原料，在丙烯衍生物中 是产量仅次于聚丙烯和丙烯腈的第三大品种，主要应用于制取聚氨酯所用的多 元醇和丙二醇，用以生产塑料等，还可以作为溶剂使用。传统的制备采用氯醇法 生产： 中国科学技术大学博b 学使论文 第一章绿色化学概念及研究进展 2 明3 c 陪佣2 + 2 a 。佣3 c c h 2 + o hc l c h 3 c e h 2 l c l o h 该方法消耗大量石灰和氯气，腐蚀设备，污染环境，原子利用率仅为3 1 。采用 新型催化材料硅钛分子筛( t s - 1 ) ，用过氧化氢氧化丙烯的方法如下： +旦铲：+h20ch3ch=ch2 h 2 0 2 c h 3 c + 二鼍c h 2 + o 该反应条件温和，原子利用率提高到7 6 3 2 。另外，t s 1 分子筛除了在丙烯环氧 化上能有效地提高反应原子经济性外，在苯酚羟基化、环己酮氨肟等反应上也能 有效地提高反应的原子经济性。且使整个反应工艺过程变的绿色化。 新反应加工途径提高反应的原子经济性。在精细加工和药物化学中，有些 化合物往往需要多步合成才能得到，尽管有时单步反应产率较高，但整个反应的 原子经济性并不理想。若改变反应途径，简化合成步骤。就能大大提高反应的原 子经济性。例如消炎镇痛药布洛芬，原来的方法是采用b o o t s 公司的b r o w n 合成 方法，从原料开始经六步反应合成得到产品，原子利用率为4 0 0 3 。最近，德国 b a s f 公司与h o e c h s tc e l a n e s e e 公司合资的b h c 公司发明了布洛芬的新合成方 法，该方法只要三步即可得到产品，原子利用率提高到7 7 4 4 公司因此获得 1 9 9 7 年度美国“总统绿色化学挑战奖”的变更路线奖。 此外，多组分的锅法( o n e p o t ) ”反应是使合成反应路线更加绿色化的一 个重要策略。这对于提高反应效率，减少反应和分离的步骤，从而达到减少环境 污染有很大的意义。z h u 等在这方面做出了非常优秀的工作博他们发展了一些 有代表性的新型多组分序列反应，报道了李勇武组分反应合成带有六取代苯核 的有药物相关活性的多杂环化合物，以及通过 o n e p o t ”四组分反应合成大环化 合物的方法。p i r r u n g 等报道的水对多组分的p a s s e r i n i 和u g i 反应有明显的加速 h b 饼 m 冰 c ， c 一，0卜 中国科学技术大学搏 学位论文第一章绿色化学概念及研究进展 作用也是很有意思的工作1 9 。 第四节实现绿色化学的手段 由于化学品及转换类型的多种多样，绿色化学的解决方法也是多样的，但这 些方法可被大致的分为绿色或高效高选择性催化剂的使用、绿色溶剂的使用以及 绿色原料的使用。 一、绿色或高效高选择性催化剂 有机合成中很多反应都要用到催化剂，催化剂的存在使反应能在较温和的 条件下进行：如降低温度、压力，加快反应速度，增加转化率，提高选择性等。 由于催化剂本身也是化学物质，所以催化剂的使用也就有可能对人体及环境造 成影响。无机酸、碱和一些有机金属化合物具有毒性、腐蚀性甚至致癌，有些催 化剂不仅腐蚀设备，而且废弃催化剂的排放会造成环境污染。所以，绿色有机合 成的一个重要任务是研究开发更加商效的、高选择性的、环境友好的催化剂。 绿色固体酸碱催化剂。酸碱催化反应是化学工业中重要的反应过程之一。 从酸碱催化反应和酸碱催化剂研究的发展历史来看，最早是从利用如硫酸、磷 酸、三氯化铝等一些无机酸类和氢氧化钠、氨水等一些无机碱类为催化剂开始的。 这些酸碱催化反应都是在均相条件下进行的，和多相反应相比，在生产中存在许 多缺点，如在工艺上连续化生产困难、催化剂和产物分离存在问题、对设备有腐 蚀、存在废酸液废碱液回收利用和排放污染环境等问题。因此，人们正在研究开 发用固体酸碱代替液体酸碱的环境友好酸碱催化反应与工艺。与液体酸碱相比， 固体酸碱催化反应具有明显优势；固体酸碱催化在工艺上容易实现连续反应，不 存在产物与催化剂分离及对设备的腐蚀等问题。并且固体酸碱催化剂活性高，可 在高温下反应，能大大提高生产效率，还可扩大酸碱催化剂的应用领域，易与其 它单元过程耦合形成集成过程，节约能源和资源。 按照布朗斯台德r t 3 n s t e d ) 和路易斯( l e w s ) 的定义，固体酸是具有给出 质子或接受电子对能力的固体，固体碱则是具有接受质子或给出电子对能力的 固体。固体酸一般可以分为八类：1 天然粘土矿物，它们已经具有悠久的历史， 其主要组分为氧化硅