《有机合成新技术》PPT课件.ppt

有机合成新技术 有机合成新技术是指在近50年来发展起来的在较广泛范围内应用的合成技术 如非传统溶剂 水 离子液体 超临界流体 两相介质 中的有机合成 无溶剂有机合成 固相有机合成 外场 微波辐射 超声波 等作用下的合成等 这些技术相对于合成某一产物所用的传统技术 具有显著的优点 即提高反应效率 节约能源 提高反应的选择性 减少副反应 改善环境 更具有实用性 是相应的经典方法的补充和发展 1 非传统溶剂中的有机合成 传统的有机合成主要在有机溶剂中进行 近30年来 有机合成反应扩展到了水 离子液体 超临界流体和两相介质等溶剂体系中 使有机合成反应向绿色化方向发展 1 1 水介质中的有机合成 水是一种廉价 安全 无污染的绿色溶剂 而有机溶剂具有易燃 易爆 易挥发 容易污染环境的缺点 因此 水介质中的有机反应是一类环境友好反应 人们早已发现许多有机反应可以在水中进行 但由于绝大部分有机物在水中溶解度小 而且许多试剂在水中不稳定 所以早期科学家对水相中的有机反应没做进一步研究 20世纪80年代初 Breslow重新研究了水介质中的有机反应 发现在水介质中因疏水效应可以大大提高反应速率 水作介质还可调控反应的pH 使用环糊精和表面活性剂等添加剂可促进反应进行 有机反应产物在水中的低溶解度又可减少产物的损失 提高反应产率 1 氧化反应 2 还原反应 3 Diels Alder环加成反应 环戊二烯与3 丁烯 2 酮的Diels Alder反应 在水中的反应速度是在乙醇中的60倍 在水中反应产物endo exo为20以上 而在乙醇中的反应产物endo exo仅为8 5 由此可见 水不仅能促进此反应的反应速度 而且还能提高此反应产物的endo exo比值 4 Micheal加成反应 硝基甲烷与3 丁烯 2 酮发生的Micheal反应在水中的反应速度和选择性均大于在甲醇中的反应速度和选择性 而且不使用碱来催化 5 缩合反应 在水 十二烷基硫酸钠 SDS 体系中 10mol 的二苯基硼酸催化 醛和烯醇三甲基硅醚反应 高选择性地得到顺式取代的 羟基酮 80 94 在水介质中三乙基苄基氯化铵 TEBA 存在下 芳醛与4 羟基香豆素反应合成了双香豆素类衍生物 找到了一种合成该类化合物快速 方便 高效和洁净的方法 1 2 离子液体作介质的有机合成 离子液体又称室温熔融盐 室温下不发生结晶 早在1914年就首次合成了离子液体 EtNH3 NO3 到了20世纪80年代 Magnuson等研究了 EtNH3 NO3 作为反应溶剂的性质 其后人们合成了更多的离子液体并考查了它们作为有机溶剂的替代品在有机反应中的应用 开拓了绿色合成的新领域 离子液体基本上可以分为三类 即AlCl3型离子液体 非AlCl3型离子液体和其他特殊的离子液体 由于AlCl3型离子液体的化学稳定性和热稳定性差 我们主要介绍非AlCl3型离子液体 特别是含咪唑杂环和吡啶杂环的离子液体 1 2 1 离子液体的命名 离子液体的命名 用系统命名法名称太长 所以通常用标记法 正离子的标记 N N 或1 3 取代的咪唑离子记为 R1R3im N 乙基 N 甲基咪唑阳离子记为 emim 如果咪唑环的2 位上还有取代基则记为 R1R2R3im 吡啶环氮原子上有取代基R记为 RPy 一般季铵盐离子如二甲基乙基丁基铵记为 N1124 以咪唑和吡啶为基体的离子液体如1 丁基 3 甲基咪唑四氟化硼 bmim BF4 1 丁基 3 甲基咪唑六氟化磷 bmim PF6 正 丁基吡啶四氯化铝 n bPy AlCl4 1 2 1 离子液体的结构及其特性 常用的离子液体其结构基本上由杂环阳离子和无机阴离子所构成 含杂环阳离子咪唑和吡啶都是具有芳环性的环状结构 咪唑阳离子是咪唑环上3 位氮原子的孤对电子与H 或R 结合所形成的一种特殊季铵盐 由于有大 键 正电荷分散在整个环上 1 3 位的氮原子变为等同 环的2 4 5 位的碳原子也可以有取代基 当吡啶环上氮原子的孤对电子与H 或R 结合时 形成吡啶盐 由于存在大 键 正电荷被分散到整个环上 离子液体的阴离子主要有 BF4 PF6 OTf CF3SO3 NTf2 N CF3SO2 2 CP3COO CTf3 C CF3SO2 3 C3H7COO PO43 等 1 2 3 离子液体的制备 1 2 4 离子液体在有机合成中的应用 1 取代反应 2 缩合反应 Pechmann缩合 Knoevenagel缩合 3 氧化反应和还原反应 R1 烃基 氢R2 烃基 苯基 4 酯化反应 5 重排反应 6 Diels Alder反应 bmim BF4 P2O5 80 C2h 转化率97 2 选择性96 8 emim AlCl4 1 19 7 加成反应 1 3 超临界流体中的有机合成 当一物质所处的温度和压力分别超过其临界温度 Tc 和临界压力 pc 并且其密度接近或高于临界密度 c 时 即被认为是超临界流体 SupercriticalFluid SCF SCF兼具气体和液体的特性 在溶解能力方面与液体相似 而其粘度和扩散系数与气体相似 其密度取决于压力 并可连续从气相值变至液相值 与有机溶剂相比 超 近 临界流体 S NCF 作溶剂可以消除溶剂残留 有机废液及操作烦琐等诸多不利因素 还具有突变性和可调性 特别是在临界点附近 温度和压力的微小变化 会显著影响S NCF的密度及与密度相关的物理化学性质如粘度 介电常数 扩散系数 溶解度参数等 因而可以通过控制体系的温度和压力来控制体系的溶解特性 传质和传热特性及反应特性 进而使反应和分离过程可控 此外 对于CO2等S NCF溶剂还可以利用共溶剂来提高其溶解特性 并借之对反应和分离进行控制 1 3 1 超临界水中的有机合成 P E Savage OrganicChemicalReactionsinSupercriticalWater Chem Rev 1999 99 2 603 622 1 3 2 超临界二氧化碳中的有机合成 R S Oakes A A Clifford C M Rayner Theuseofsupercriticalfluidsinsyntheticorganicchemistry J Chem Soc PerkinTrans 1 2001 917 941 1 Hydrogenation 2 Hydroformylation 3 Photochemicalandradicalreactions InliquidCO2 aslightincreaseinconversionof43to44 44 43 5 5 1at83bar 6 8 1at214bar Undersupercriticalconditions thesamepressurechangegaveamorepronouncedvariation 1 4 1to7 0 1 4 Diels Aldercycloadditionreactions Theselectivityfor80increasesaspressure ordensity increasesatconstanttemperature Atconstantpressure theselectivitydecreaseswithtemperature 5 Oxidationreactions Thereactiongavegoodconversion 93 andselectivityfor105 93 at40 Cwithanoxygenpressureof1bar Increasingtheoxygenpressureto10bar increasedbothconversion 99 4 andselectivity 96 6 TheidenticalreactioninDMEsolutiongaveonly46 conversionalthoughadditionofHMPAincreasedthisto92 Epoxidationofallylicalcohol110at25 Cgaveapoorenantioselectivity 16 ee 93 yield howeverat0 Cthiswasimprovedto87 ee withaquantitativeconversionafter72hours 6 Palladiummediatedcouplingreactions Asuperioryieldofmethylcinnamate117 92 muchmorethanreportedinconventionalsolvent Therateofreactionisfasterthaninconventionalorganicsolvent 1 4 1 相转移催化反应原理 PTC的催化反应原理 1 4 两相介质中的有机合成相转移催化反应 相转移催化剂 phasetransfercatalyst 简称PTC 是能够使一些负离子 还有一些正离子或中性分子 从一相转移到另一相的催化剂 相转移催化剂分三大类 1 鎓盐 包括季铵盐 季磷盐 季砷盐和叔硫盐 其中季铵盐催化剂具有价格便宜 毒性小等优点 所以得到了广泛的应用 2 聚醚 包括冠醚 穴醚和开链聚醚 3 高分子支载相转移催化剂 1 4 2 相转移催化剂 高分子载体催化剂是一种不溶性的固体催化剂 亦称为三相催化剂 用于加速水 有机两相体系反应 该催化剂的高分子部分是有机硅的聚合体或交联聚苯乙烯 功能基大致分为三类 鎓盐型 冠醚型和共溶剂型 1 4 3 相转移催化在有机合成中的应用 1 烃基化反应 NaOH 2 消去反应 3 氧化还原反应 相转移催化用于氧化还原反应 能够加速反应进行 增加反应的选择性 显示了一些独特的作用 常用的氧化剂和还原剂多为无机物 如KMnO4 K2Cr2O7 NaOCl H2O2 NaBH4等 它们都是水溶性的 在有机溶剂中的溶解度很小 因此将无机氧化 还原 剂的水溶液加入有机物中进行氧化 还原 结果一般不理想 有的甚至几乎没有反应发生 在相转移催化下 这些氧化 还原 剂可以借助于催化剂转移到有机相中使氧化还原反应在温和条件下进行 得到高产率的产物 NaBH4 4 加成和缩合 式中R1 烷基 芳基 R2 R3 H 烷基 芳基 X Cl Br I 5 羰基化反应 6 聚合反应 2 无溶剂有机合成 无溶剂有机合成包括作用物在负载混合物存在下进行的反应和作用物不须负载混合物直接进行的反应 它们又称干反应 前者通常以无机固体如三氧化二铝 硅胶等为介质 只需把负载混合物于适当温度下放置 间或振动即可 操作十分简便 后者把固体作用物 固 液作用物 在玛瑙乳钵中研磨或在反应瓶中加热即可 操作也很方便 产物均可用溶剂萃取或用柱层析分离 后处理亦很方便 1 烷基化反应 456 乙酰乙酸乙酯烷基化产物分布 2 酰化反应 3 缩合反应 4 加成反应 5 氧化反应 酮的Baeyer Villiger固态氧化 3 固相有机合成及组合化学 所谓固相有机合成 solidphaseorganicsynthesis 就是把底物或催化剂锚合在某种固相载体上再与其它试剂反应 生成的化合物连同载体经过滤 淋洗就可与试剂及副产物分离 这一过程可以重复多次以制备具有多个重复单元或不同单元的复杂化合物 最后将最终产物从载体上解脱下来 固相合成所用的载体 一般是由1 2 的二乙烯基苯和苯乙烯共聚生成的低交联聚苯乙烯树脂 在树脂的苯环上引入氯甲基 氨基 羟基等以便与底物结合 3 1 固相有机合成 1 多肽固相合成 液相合成 固相合成 2 固相一般有机合成 高分子支载保护基 高分子支载反应物 2 R n Bu i Bu i Pr Bn p MeOBn Ph etal 总收率60 90 3 2 组合合成法 组合化学 CombinatorialChemistry 就是基于一系列合成砌块 buildingblock 可能发生不同的组合方式 从而可快速合成数目巨大的化学实体 构建化合物库 配合高通量筛选 highthroughputscreening HTS 在同一时间内合成数目众多 用于性能评价的群集分子 如肽类 寡核苷酸和非聚合型的有机化学分子 组合合成速度的实现在于摒弃了许多在合成中被固守的规则 即把所有化合物和中间体完全纯化与表征的规则 取而代之的是使用可靠的化学反应以及简单而有效的纯化方法 在传统的化学中 化合物被单独制备 在组合化学中 起始原料范围内所有产物都有制备的潜在机会 传统化学与组合化学对比可以用下图表示 4 外场作用下的有机合成4 1 微波辐射有机合成 微波的频率大致在300MHz 300GHz 即波长在100cm至1mm范围内的电磁波 它位于电磁波谱的红外辐射 光波 和无线电波之间 因而只能激发分子的转动能级跃迁 微波应用于合成化学始于1986年Gedye等对微波炉内酯化 水解 氧化和亲核取代反应以及Giguere等对微波炉内蒽和马来酸二甲酯的Diels Alder环加成反应的研究 短短二十几年时间 微波促进反应的研究已发展成为一个引人注目的全新领域 MORE化学 Microwave InducedOrganicReactionEnhancementChemistry 微波作用下的反应速度比传统的加热方法快数倍甚至上千倍 具有操作方便 产率高及产品易纯化等优点 因此微波有机合成几乎涉及所有类型的有机化学反应 目前 微波有机合成化学的研究主要集中在三方面 第一 微波有机合成反应技术的进一步完善和新技术的建立 第二 微波在有机合成中的应用及反应规律 第三 微波化学理论的系统研究 4 1 1 微波促进化学反应机理 关于微波能加速有机反应的原因 目前学术界有两种不同的学术观点 一种观点认为 虽然微波是一种内加热 具有加热速度快 加热均匀 无速度梯度 无滞后效应等特点 但微波应用于化学反应仅仅是一种加热方式 与传统的加热方式一样 对某个特定的反应而言 在反应物 催化剂 产物不变的情况下 该反应动力学不变 与加热方式无关 他们认为 微波用于化学反应的频率245MHz属于非电离辐射 在与分子的化学键发生共振时不可能引起化学键断裂 也不能使分子激发到更高的转动或振动能级 微波对化学反应的加速主要归结为对极性有机物的选择性加热 即微波的致热效应 另一种观点认为 微波对化学反应的作用是非常复杂的 一方面是反应物分子吸收了微波能量 提高了分子运动速度 致使分子运动杂乱无章 导致熵增加 另一方面微波对极性分子的作用 迫使其按照电磁场作用方式运动 每秒变化2 45 1