有机合成发展及趋势

1 有机合成发展及趋势有机合成发展及趋势 摘要 摘要 总结了有机合成的发展及未来的趋势 特别介绍了绿色合成化学的进展及存在的问 题 关键词 关键词 有机合成 发展 趋势 绿色合成化学 The development and trend of organic synthesis Abstract The development and trend in future of organic synthesis are summarized especially introducing the development and problems of green synthesis chemistry Key words Organic Synthesis Development Trend Green Synthesis Chemistry 1828 年德国科学家 F 维勒利用无机物氰酸铵成功合成出了动物代谢产物 尿素 开创 了一个新的化学领域 有机合成 有机合成是指利用化学方法将简单的化合物或单质制备 成新的有机物的过程 伴随着越来越多的化学工作者的研究 有机合成已经经历了 180 年 的发展历史 总体而言 有机合成化学的发展可以划分为两个阶段 第二次世界大战前的初创期和 第二次世界大战后的辉煌期 有机合成的第一阶段主要是以煤焦油为原料合成染料及药物等 如霍夫曼 A W Hofmann 发现的苯胺紫 费歇尔 Emil Fischer 合成的六碳糖的各种异构体以及 嘌呤等杂环化合物 拜耳 A Von Baeyer 合成的有机染料靛蓝等 越来越多的化合物的 合成 为有机合成的辉煌发展奠定了坚实的基础 从二战结束到二十世纪末 有机合成进入了空前发展的辉煌时期 涌现出了一批杰出 的有机合成大师 如喹啉全合成的完成者 R B Woodward 同时他还合成了生物碱马钱子碱 麦角新碱 利血平 甾体化合物胆甾醇 皮质酮 黄体酮以及羊毛甾醇 抗生素青霉素 四环素 红霉素及维生素 B12 E J Corey 则在总结有机合成规律与合成设计方面做出了巨 大贡献 他从合成目标分子出发 根据其结构特征和对合成反应的知识进行逻辑分析 并 利用经验和推理设计出适当的合成路线 提出了反合成分析 并运用这种方法合成出了银 杏内酯 大环内酯 前列腺素类化合物以及白三烯类化合物 如今 有机合成已经成为化学领域中最为重要的学科之一 其研究内容遍布材料 能 源 环保 生命等各个学科 在社会文明发展与人们日常生活中发挥着极其重要的作用 上世纪 90 年代 Seebach Organic Synthesis Where now 的文章论述了当时的有机合成 2 以及发展趋势 1 他认为从大的反应类型上讲有机合成已经难有新发现 当然新的改进和 提高还在不断延续 而过渡金属参与的反应 对映和非对映的选择性反应以及在为的多步 连续反应则可望成为以后发现新反应的领域 近年来新发展的合成反应的确较多是金属参 与的有机合成反应 而过渡金属参与的合成反应则尤为突出 作为近几年来发展的一类新 型反应 2 烯烃复分解反应 metathesis olefin metathesis 现已成为有机合成中合成烯烃 以及通过烯烃合成其他结构的一种重要手段 该反应通过用钼 钨的卡宾配合物 Schrock 催化剂 或钌的卡宾配合物 Grubbs 催化剂 作催化剂 可以高效实现烯烃偶联 烯烃复 分解反应是一个原子经济性非常好的绿色反应 现已广泛应用于复杂分子 天然产物的合 成 3 可以用于手性催化剂催化不对称反应 4 可用于合成轮烯等 5 各种各样的环烯 1977 年美国 Heeger MacDiarmid 发现 聚乙炔膜与其他化合物如碘掺杂发生氧化还 原时 电导率会提高 13 个数量级 6 于是具有光电功能活性的有机光电材料成为有机合成 的研究热点 王佛松等在聚苯胺的研究中 成功地合成了可溶性聚苯胺并制备了聚苯胺的 支撑膜 7 钱人元等在聚毗咯研究中取得了一系列研究成果 8 曹墉 钱人元 朱道本 王佛松等在导电高分子 如稀土催化制备聚乙炔 9 有机导体设计与制备 10 导电掺杂机 制等的研究工作也取得一系列成果 沈之荃等用稀土催化剂在室温使乙炔聚合得到了高顺 式聚乙炔膜 11 Shi 等用 BF3 乙醚体系控制噻吩电化学聚合电位 得到强度超过铝的聚噻 吩薄膜 12 1995 年 Pei 等 13 与其他几个研究小组先后独立发现具有电池原理和发光二极管 结构的发光电化学池 1996 年 Tessler 14 Hide 15 Brouwer 16 等分别发现了光泵浦可产生 激光的聚合物材料与器件 而电泵浦聚合物激光材料正在研究之中 后者更具挑战性 应 用前景更大 1998 年在聚合物激光领域又取得新进展 17 已观察到 BEH PPPV 聚合物膜 在室温下的受激发射可高达 104cm 1的光学增益 由 fs 泵浦 探针实验发现在振子态阶梯内 的超快 短于 l00 fs 的激子弛豫 新世纪的有机合成 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 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 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 包括使用的化学原料 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有利的 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 对于环境和化工生产的可持续发展也有着重要的意义 十几年 3 来 关于绿色化学的概念 目标 基本原理和研究领域等已经迈步明确 初步形成了一个 多学科交叉的新的研究领域 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 不生产或少生产对环境有害的副产品合成 其目的是通过新的合成方法 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 从根本上消除或减 少环境污染 目前 绿色合成研究的方向是清洁合成 提高反应的原子利用率 取代化学 计量反应试剂 如在催化氧化过程中只以空气中的氧气作为氧源 新的溶剂和反应介质 危险性试剂替代品 如使用固态酸以取代传统的腐蚀性酸 充分的反应过程 新型的分离 技术 改变反应原料 新的安全化学品和材料 减少和最小化反应废弃物的产生等 有机合成实现绿色合成的途径绿色合成的目标已为有机合成实现绿色合成指明了方向 近年来 实现绿色合成的研究工作在不断进行 几种可行的途径已隐约可见 1 1 使用环境有利介质 改善合成条件 传统的有机合成中 有机溶剂是最常用的反应介质 但是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 理想的有机合成 可以水为介质进行 可用超临界液体为 介质进行 可在无溶剂存在下进行 可以离子液体为介质进行等 1 1 1 在有机合成中 用来代替有机溶剂是一条可行的途径 这是因为水是地球上广泛存 在的一种天然资源 它价廉 无毒 不危害环境 尽管大多数有机化合物在水中溶解性很 差 且易分解 但研究表明有些合成反应不仅可以在水相中进行 而且还具有很高的选择 性 最为典型的例子是环戊二烯与甲基乙烯酮发生的D A 环加成反应 在水中进行较之 在异辛烷中进行速率快700 倍 1 1 2 超临界流体是当物质处于其临界温度和临界压力以上所形成的一种特殊状态的流体 是一种介于气态与液态之间的流体状态 这种流体具有液体一样的密度 溶解能力和传热 系数 具有气体一样的低粘度和高扩散系数 同时只需改变压力或温度即可控制其溶解能 4 力并影响它为介质的合成速率 在有机合成中 CO2 由于其临界温度和临界压力较低 且 具有能溶解脂溶性反应物和产物 无毒 阻燃 价廉易得 可循环使用等优点而迅速成为 最常用的超临界流体 1 1 3 固态化学反应的研究 使有些反映可在无溶剂存在的环境下进行 且比在溶液环境 中的反应能耗低 效果更好 选择性更高 又不用考虑废物处理问题 有利于环境保护 例如 手性1 联二萘酚的合成 常规方法是由 萘酚与FeCl3 在液相氧化偶联制得 但会产生醌类副产物 而以FeCl3 6H2O 为氧化剂反应就可以在固相进行 且可得到产率 为95 的联二萘酚 1 1 4 离子液体 简单地说就是安全离子组成的液体 目前研究最多的是在室温左右呈液 态的含有机正离子的一类物质 例如 含N 烷基咪唑正离子的离子液体等 它们不仅可 以作为有机合成的优良溶剂 且具有难挥发等优点 对环境十分有利 1 2 使用环境友好催化剂 提高原子利用率 有机合成中 减少废物的关键是提高原子利用率 所以在选择合成途径时 除了考虑 理论产率外 还应考虑和比较不同途径的原子利用率 如在有机合成中 选择合适的 环 境有利的催化剂 则可以开发新的合成路线 缩短反应步骤 提高原子利用率 1 3 采用洁净的有机电合成 电化学过程是洁净技术的重要组成 由于电解一般无需使用危险或者有毒试剂 且通 常在常温 常压下进行 所以在绿色合成中独具魅力 例如 实现自由基环化反应 常规 的方法是使用过量的三丁基锡烷 过程中存在的问题是原子利用率低 使用和产生着有毒 的锡试剂 然而 利用天然 无毒 手性的维生素 B12 为催化剂进行催化反应 可在温和 中性条件下完成 1 4 运用高效的多步合成技术 5 在药物 农用化学品等精细化学品的合成中 往往涉及分离中间体的多步骤反应 为 实现绿色合成 近年来 研究发展的串联反应是非常有效的 串联反应包括有一瓶多步串 联和一瓶多组分串联 前者是仿照生物体内的多步链锁式反应 使反应在同一反应器内从 原料到产物的多个步骤连续进行 无需分离出中间体 又不产生相应的废弃物 和环境保 持友好 后者是涉及至少三种不同原料的反应于同一反应器中进行 而每步反应都是下步 反应所必需的 而且原料分子的主体部分都融进到最终产物中 这是一类高效的合成方法 1 5 发展和应用安全的化学品 发展和应用对人和环境无毒 无危险性的试剂和溶剂 以及其他实用化学用品 是实 现绿色合成最直接的一环 可以采取适当的手段使某一分子的毒性降低而不影响其功能 例如 腈类化合物的毒性 认为是由于腈类分解而生成氰离子产生的 若将腈的 位进行 取代 使其难生成自由基而不产生氰离子 则可使毒性降低 而反应功能不受影响 又如 人们开发的新型化工原料碳酸二甲酯 以其较高的反应活性和低微的毒性 代替了剧毒的 光气和硫酸二甲酯 从而被誉为21 世纪的 绿色化工原料 综上所述 有机合成的发展在不断的提高 也越来越考虑到在合成过程中对环境的影 响 而绿色合成作为新的科学前沿已逐步形成 但真正发展还需要从观念上 理论上 合 成技术上等 对传统的 常规的有机合成进行不断的改革和创新 6 参考文献 参考文献 1 Seebach D Angew Chem Int ED Engl 1990 29 1320 2 a Schuster M Blechert S Angew Chem Int ED Engl 1997 36 2036 b Armstrong S K J Chem Soc Perkin Trans 1 1998 371 c Fustner A Angew Chem Int ED Engl 2000 39 3012 d Trink T M Grubbs R H Acc Chem Res 2001 34 18 e Connon S J Blechert S Angew Chem Int ED Engl 2003 42 1900 f Schrock R R Recent Advances In Olefin Metathesis By Molybdenum And Tungsten Imido Alkylidene Complexes JMol Catal A Chem 2004 213 1 21 3 Crimmins M T She J J Am Chem Soc 2004 126 12790 4 Tsang W C P Jernelius J A Cortez G A et al J Am Chem Soc 2003 125 9 2591 5 a Coumans R G E Elemans J A A W Thordarson P et al Synthesis of Porphyrin Containing b Rotaxanes by Olenfin Metathesis Angew Chem Int ED Engl 2003 42 6 650 654 c Iwamoto H Itoh K Nagamiya H Fukazawa Y Convenient Synthesis of d Catenane by Olefin metathesis Dimerizatios Tetragedrin Lett 2003 44 31 5773 6 Feast W J Synthesis and properties of some conjugated potentially conductive polymers Chem Ind 1985 8 263 7 王佛松 唐劲松 景遐斌等 可溶性聚苯胺的合成及研究 高分子学报 1987 5 384 8 钱人元 李永舫 导电聚吡咯的研究 中国科学基金 1996 3 163 9 Cao Y Qian R Y Wang F S et al Structure of trans polyacetylene prepared by rare earth catalysts Makromol Chem Rapid Commun 1982 3 687 10 Zhu D B Wan M X Li M Z Charge transfer complexes of 2 2 DIPS 4 with TCNQ and Iodine Mol Cryst Liq Cryst 1982 86 1 4 1797 11 Shen Z Q Yang M J Shi M X New coordination catalysts based on rare earth compounds for the 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