非传统溶剂中的有机合成ppt

1、非传统溶剂中的有机合成ppt1第1页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四三、水介质中的有机合成一、离子液体作介质的有机合成二、超临界流体中的的有机合成2第2页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四选 题超临界二氧化碳参与的两相体系及其在有机合成反应中的应用超临界二氧化碳/水(scCO2/H2O)超临界二氧化碳/离子液体(scCO2/IL)超临界二氧化碳/聚乙二醇(scCO2/PEG)选 题功能化离子液体进展3第3页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四 对于传统有机反应而言，有机溶剂是必不可少的，这是由于有机溶剂对有机物具有良好的溶

2、解性。但是有机溶剂的毒性和较高的挥发性也使之成为有机合成污染的主要原因。 限制有机溶剂的使用，用新型绿色反应介质代替有机溶剂或者彻底避免使用有机溶剂已成为绿色化学的重要研究方向。4第4页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四离子液体( ionic liquids)又称为室温离子液体( room temperature ionic liquid) 、室温熔融盐( room temperature molten salts) 、有机离子液体等，是指仅由离子组成在室温或低温下为液体的盐。一、离子液体作介质的有机合成1929 年，Sugden 将乙胺与20 %硝酸反应后，减压除去水

3、分，得到油状液体，熔点为8 ，元素分析结果表明其组成符合C2H8N2O3 , 证明是一种液体盐。（一）离子液体的历史5第5页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四1951年Hurley 和Wier 将1-溴丁烷与吡啶反应生成的N-丁基吡啶溴代盐与无水三氯化铝混合，生成一种室温下为液体的物质；1976 年Osteryoung 等利用这种液体具有良好导电性的性质，将其作为电解液，研究了六甲基苯的电解行为；1986 年Appleby 等采用N , N-二烷基取代咪唑与三氯化铝组成的离子液体作为非水溶剂，研究了过渡金属配合物的电子吸收波谱；6第6页，共125页，2022年，5月20

4、日，14点59分，星期四1992 年Wilkes领导的研究小组合成了低熔点、抗水解、稳定性强的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐( EmimBF) 的制备。从此，离子液体逐渐受到国内外化学工作者的重视，到了20 世纪末2l 世纪初，有关离子液体的介绍与应用的报道大量出现。可以说，目前离子液体的研究已经成为化学界的热点课题之一。7第7页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四(1)几乎没有蒸气压、不挥发、无色、无味;最初的离子液体主要用于电化学研究，近年来在作为环境友好的溶剂方面有很大的潜力，故也称之为“绿色溶剂”( green solvents）。与传统的有机溶剂和电解质相比，

5、离子液体具有一系列突出优点: (2)有较大的稳定温度范围，较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口;(3)通过阴阳离子的设计可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，并且其酸度可调至超酸。（4）由于离子液体不会形成恒沸系，有利于分离， 对于过程工艺也极为有利。8第8页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四（二）离子液体的种类离子液体的种类比较多，其中的阳离子主要有以下4 类:烷基季铵离子NRx H4 - x + ，如Bu3 NMe + ;烷基季膦离子 PRx H4 - x ，如 Ph3 POc + ; N-烷基取代吡啶离子，记为 RPy + ; 1 ,3-二烷基取代咪

6、唑离子，或称为N , N-二烷基取代咪唑离子，记为 RRim + 。阴离子则可以是AlCl4 -、BF4 -、PF6 -、CF3 COO- 、CF3 SO3 -、(CF3 SO ) 2N -、 SbF6 -等有机离子和配合物离子，也可以是Cl - 、Br - 、I- 、NO3 - 、 ClO4- 等简单无机离子。以NO3- 、ClO4- 为负离子的离子液体要注意防止爆炸(特别是干燥时) 。9第9页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四离子液体种类繁多，改变阳离子和阴离子的不同组合，可以设计合成出不同的离子液体。一般阳离子为有机成分，并根据阳离子的不同来分类。离子液体中常见的

7、阳离子类型有烷基铵阳离子、烷基鎓阳离子、N- 烷基吡啶阳离子和N, N - 二烷基咪唑阳离子等(如图1) ，其中最常见的为N, N - 二烷基咪唑阳离子。（三）离子液体的合成10第10页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四符号与缩略语:BMIM + ：1-丁基-3-甲基咪唑阳离子EMIM + ：1-乙基-3-甲基咪唑阳离子;11第11页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四离子液体合成大体上有2种基本方法:直接合成法和两步合成法。就是通过酸碱中和反应或季铵化反应一步合成离子液体，操作经济简便，没有副产物，产品易纯化。例如：硝基乙胺离子液体就是由乙胺的水

8、溶液与硝酸中和反应制备。具体制备过程是:中和反应后真空除去多余的水，为了确保离子液体的纯净，再将其溶解在乙腈或四氢呋喃等有机溶剂中，用活性炭处理，最后真空除去有机溶剂得到产物离子液体。1、 直接合成法12第12页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四2、 两步合成法 如果直接法难以得到目标离子液体，就必须使用两步合成法。首先通过季铵化反应制备出含目标阳离子的卤盐( 阳离子X型离子液体)；然后用目标阴离子Y- 置换出X-离子或加入Lewis酸MXy来得到目标离子液体。 在第二步反应中，使用金属盐MY(常用的是AgY或NH4Y)时，产生AgX沉淀或NH3、HX气体而容易除去；加

9、入强质子酸HY，反应要求在低温搅拌条件下进行，然后多次水洗至中性，用有机溶剂提取离子液体，最后真空除去有机溶剂得到纯净的离子液体。 13第13页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四14第14页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四应特别注意的是: 在用目标阴离子( Y- )交换X- 阴离子的过程中，必须尽可能地使反应进行完全，确保没有X- 阴离子留在目标离子液体中，因为离子液体的纯度对于其应用和物理化学特性的表征至关重要。高纯度二元离子液体的合成通常是在离子交换器中利用离子交换树脂通过阴离子交换来制备。另外直接将Lewis酸(MXy )与卤盐结合，可制

10、备阳离子 MnX ny + 1 型离子液体，如氯铝酸盐离子液体的制备就是利用这个方法。15第15页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四第一步以EmimBr 的合成为例：反应需要有机溶剂，过量的卤代烷，加热回流数小时（48-72h），在氮气或氢气保护下进行。卤代烷常使用氯代烷和溴代烷，产物一般经乙酸乙酯或醚洗涤除去未反应的甲基咪唑和卤代烷，减压蒸馏得到烷基咪唑卤代物，此步反应容易产生的污染物主要是含有未反应完全的原料的溶剂和含有少量洗涤产物用的废酯或废醚，选择合适的反应条件和合成方法可以大幅度提高产物收率，减少有机溶剂的用量。16第16页，共125页，2022年，5月20日

11、，14点59分，星期四第二步以盐MY 或酸HY 为目标阴离子交换后可以得到RmimY。其中，使用金属盐- Y（常用AgY 或NH4Y）时，产生AgX 沉淀或NH3、HX 气体而容易除去；加入强质子酸HY，反应要求在低温搅拌条件下进行，然后多次水洗至中性，用有机溶剂提取离子液体，最后真空除去有机溶剂得到纯净的离子液体。另外，直接将Lewis 酸（MXy）与卤盐结合，可制备阳离子MnXny+1型离子液体。17第17页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四（三）离子液体的物理化学特性离子液体的物理化学特性如熔点、黏度、密度、亲水性和热稳定性等，可以通过选择合适的阳离子和阴离子调配

12、，在很宽的范围内加以调变。尤其是对水的相容性调变，对用作反应介质分离产物和催化剂极为有利。1、 熔点评价离子液体特性的一个关键参数就是其熔点，首先讨论阳离子对离子液体熔点的影响，以Cl-为相同阴离子，比较不同氯盐的熔点(见表1) 可以看出：碱金属氯化物的熔点高达800 左右，而含有机阳离子的氯盐熔点均在150 以下，且随阳离子不对称性程度的提高而熔点相应下降。18第18页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四一般来说，低熔点离子液体的阳离子具备下述特征:低对称性、弱的分子间作用力和阳离子电荷的均匀分布。19第19页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四

13、阴离子对离子液体熔点也有影响，比较含不同阴离子的1-乙基-3-甲基咪唑盐离子液体的熔点(见表2) 可以看出，在大多数情况下，随着阴离子尺寸的增加，离子液体的熔点相应下降。20第20页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四 离子液体能够溶解有机物、无机物和聚合物等不同物质，是很多化学反应的良溶剂。成功地使用离子液体，需要系统地研究其溶解特性。 离子液体的溶解性与其阳离子和阴离子的特性密切相关。阳离子对离子液体溶解性的影响可由正辛烯在含相同甲苯磺酸根阴离子季铵盐离子液体中的溶解性看出，随着离子液体的季铵阳离子侧链变大，即非极性特征增加，正辛烯的溶解性随之变大。由此可见，改变阳离

14、子的烷基可以调整离子液体的溶解性。2、溶解性21第21页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四阴离子对离子液体溶解性的影响可由水在含不同BMIM + 阳离子的离子液体中的溶解性来证实， BMIM CF3SO3 、BMIMCF3CO2和BMIM C3F7CO2与水是充分混溶的，而BMIMPF6 、BMIM (CF3 SO2 ) 2N与水则形成两相混合物。在20 时,饱和水在BMIM (CF3SO2)2N中的含量仅为1. 4 %，这种离子液体与水相溶性的差距可用于液-液提取的分离技术。大多数离子液体的介电常数超过一特征极限值时，其与有机溶剂是完全混溶的。22第22页，共125页

15、，2022年，5月20日，14点59分，星期四 离子液体的热稳定性分别受杂原子-碳原子之间作用力和杂原子-氢键之间作用力的限制，因此与组成的阳离子和阴离子的结构和性质密切相关。 例如： 胺或膦直接质子化合成的离子液体的热稳定性差，很多含三烷基铵离子的离子液体在真空80 下就会分解； 由胺或膦季铵化反应制备的离子液体，会发生热诱导的去烷基化(逆季铵化) 反应，并且其热分解温度与阴离子本质有很大关系。3、热稳定性23第23页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四 大多数季铵氯盐离子液体的最高工作温度在150 左右，而 EMIMBF4在300 仍然稳定， EMIM CF3SO3

16、和 EMIM (CF3SO2) 2N的热稳定性温度均在400 以上。可以看出，同水和大多数有机溶剂相比，离子液体具有更宽阔的稳定液态温度范围，其应用领域也会更广阔。24第24页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四离子液体的密度与阴离子和阳离子有很大关系。比较含不同取代基咪唑阳离子的氯铝酸盐的密度发现，密度与咪唑阳离子上N-烷基链长度呈线性关系，随着有机阳离子变大，离子液体的密度变小。这样，可以通过阳离子结构的轻微调整来调节离子液体的密度。阴离子对密度的影响更加明显，通常是阴离子越大，离子液体的密度也越大。因此，设计不同密度的离子液体，首先选择相应的阴离子来确定大致范围，然

17、后认真选择阳离子对密度进行微调。4、密度25第25页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四离子液体的酸碱性实际上由阴离子的本质决定。将Lewis 酸如AlCl3加入到离子液体BMIMCl中，当AlCl3的摩尔分数x (AlCl3 ) 0. 5 时，随着AlCl3 的增加会有Al2Cl7-和Al3Cl10-等阴离子存在，离子液体表现为强酸性，见图3 。5、酸碱性26第26页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四研究离子液体的酸碱性时，必须注意其“潜酸性”和“超酸性”。例如，把弱碱吡咯或N ，N- 二甲基苯胺加入到中性BMIMAlCl4- 中，离子液体表现出

18、很明显的潜酸性。把无机酸溶于酸性氯铝酸盐离子液体中，可观察到离子液体的超强酸性。与传统的超酸系统相比，超酸性离子液体处理起来更安全。27第27页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四离子液体的粘度实际上由其中氢键和范德华力来决定。氢键的影响非常明显，例如，比较含不同组分的氯铝酸盐的粘度发现，当x (AlCl3) 0. 5 时， 在酸性混合离子液体中，由于较大阴离子AlCl4 -和Al2Cl 7-等的存在，使形成的氢键较弱，粘度自然较低。6、粘度28第28页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四比较含BMIM+阳离子的不同疏水离子液体的粘度发现，氢键和范德

19、华力的相互作用决定离子液体的粘度 (见表3) 。从 CF3SO3 - 到C4 F9SO3 - 、从CF3CO2 - 到C3 F7CO2 - ，离子液体的粘度有明显增加，这是因为含C4 F9SO3 - 和C3F7CO2- 离子液体中更强的范德华力导致了离子液体的粘度更大。29第29页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四将BMIM CF3SO3和BMIM (CF3SO2) 2N的粘度进行比较发现，虽然含 (CF3SO2)2N- 离子液体有更强的范德华力，但其粘度并不大，这是因为较弱的氢键抵消了由范德华力引起的粘度增加。30第30页，共125页，2022年，5月20日，14点5

20、9分，星期四（四）离子液体在有机合成中的应用为什么离子液体可以作为有机反应的介质使用呢? 这主要取决于室温离子液体的一些特性，具体为:(1) 它们对无机和有机材料表现出良好的溶解能力;(2) 它们通常含有弱配合离子,所以它们具有高极化潜力而非配合能力;(3) 它们与一些有机溶剂不互溶,可以提供一个非水、极性可调的两相体系，憎水离子液体可以作为一个水的非共溶极性相使用;(4) 离子液体具有非挥发性特性,因此它们可以用在高真空体系中，同时可减少因挥发而产生的环境污染问题;31第31页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四(5) 室温离子液体通常在300 范围内为液体，有利于动力

21、学控制;(6) 它们表现出Bronsted , Lewis 酸及超强酸酸性;(7) 它们在高于200 时为热稳定的;(8) 它们相当便宜且易于制备由于离子液体对有机物表现出的良好的溶解能力，如与苯可形成50 (vol) %的溶液和其自身的稳定性，使之作为有机溶剂的替代物在众多有机反应中得到应用，如聚合反应、烷基化、酰基化反应、异构化、氢化和Diels-Alder 等反应。32第32页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四 在室温离子液体中进行Diels-Alder反应有一些明显的优点：体系有足够低的蒸气压、可再循环、无爆炸性、热稳定且易于操作。 第一个被研究的反应是在 Et

22、NH3 NO3中环戊二烯与丙烯酸甲酯和甲基酮的反应，反应生成内旋和外旋产物，且溶剂组成对内外旋比例有影响，与非极性有机溶剂相比,该反应表现出明显的高内旋产物倾向和快的反应速率特征。1、Diels-Alder反应33第33页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四34第34页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四Seddon 等研究了在室温离子液体如1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酸盐( bmim OTf ) 、bmim PF6 、bmim BF4和bmim lactate中进行的Diels-Alder 反应，发现反应的速率及选择性与在LPDE （高氯酸锂）

23、中进行时的相类似。其高的反应速率及选择性也正好符合绿色化学过程的要求。同时替代了LPDE 的使用，从而避免了高氯酸锂基废物，还避免了由于使用二乙基醚和高压操作而带来的不安全问题。表1 列出的为它们得到的反应结果。35第35页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四注:除非标定,反应体系配比均为n (二烯) n (烯丙基单体) n (溶剂) = 1. 51. 01. 0 ; a : 1. 0mol 二烯与0. 2mol 烯丙基单体溶解或悬浮在溶液中;b : DMAD 为二甲基乙炔二碳酸酯;c : 为42与32位异构体的比例;d : 添加5 (mol) %的ZnI2 ; e :

24、添加10 (mol) %的BF4-Oet236第36页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四从表中可以看出,环戊二烯在 bmim OTf 中与三种不同烯丙基单体反应时，反应在室温下均进行较慢，24h 后得到几乎相同的产率。可以看出，endo-exo 选择性依赖于烯丙基单体和反应温度。例如，反应温度从20 变到- 15 时，选择性从1.61 提高到2.41。在反应起始阶段选择性有慢慢升高现象。另外，室温离子液体中反应往往用较高浓度的反应试剂，如反应体系比例为n (二烯)n (烯丙基单体) n (离子液体) = 1. 51. 01. 0。反应转化率较高，通常1h 后可达40 %

25、60 %转化率,而且产生的环戊二烯二聚体副产物也很少。37第37页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四38第38页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四Wilkes 等利用室温离子液体作溶液进行了苯的Friedel-Crafts反应，表2 列出的是五种芳香族化合物的Friedel-Crafts 反应。2、Friedel-Crafts 反应39第39页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四对于化合物2、3 和4 的酰基化反应,所有的主要产物为4-位异构体，2-位异构体也有生成，但产率均不超过2 % ，这样的产率也是至今最好的。当用5

26、作反应物时，得到的单独异构体的产率达99 % ，立体化学效应对反应无什么影响。40第40页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四表3 列出的为蒽在离子液体 emimCl2AlCl3中酰化反应的结果。41第41页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四其反应物结构及机理为：42第42页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四对 bmim AlCl3中Friedel-Craft 烷基化反应来说，其反应也是通过正离子机理进行的。正离子产生机理如下:同样 bmim AlCl3中苯的氯代与硝化反应有类似机理,其相应正离子产生过程为:1H NMR 证

27、实，Friedel-Craft 酰化反应通常是通过先形成酰基正离子进行的，如酰化剂为乙酰氯时，有如下反应存在:43第43页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四3、过渡金属催化反应（1）氢化反应碳碳双键的过渡金属复合物催化氢化是一种广泛研究的均相催化反应。然而，产品与反应试剂的分离仍有问题。RhCl2 (PPh3 ) 3 和Rh (cod) 2 BF4 (cod 为环辛二烯) 在 bmim BF4 中也被用来催化氢化环己烯。尽管RhCl2 (PPh3 ) 3 可得到高的转化速率，用Rh (cod) 2 BF4 则可到达环己烯的全转化为环己烷。44第44页，共125页，202

28、2年，5月20日，14点59分，星期四手性催化剂RuCl 2 -(S)-BINAP2 NEt3 被用来进行2-苯基-丙烯酸和2-(6-甲氧基-2-萘基) 丙烯酸的不对称氢化反应，如图4 所示。BINAP：联萘二苯磷 45第45页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四研究发现在含有金属锂的 emimCl-AlCl3 ( X = 0. 67) 离子液体中有湿空气存在时蒽可变成绿色，绿色消退后形成98 %的9 ,10-二氢蒽。如图5 所示（2）选择氢化反应46第46页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四二氯化钯和醋酸盐在一些四烷基铵和磷溴化物中还被用作催化剂

29、来完成钯(0)-催化碳碳偶合Heck 反应。某些Heck 反应可发生芳香族化合物与乙烯基化合物的碳碳偶合反应，如溴代苯与丙烯酸丁酯的反应(见下图) 。（3）Heck 反应47第47页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四4、烷基化反应两可亲核试剂吲哚或2-萘酚的烷基化反应通常是先用碱进行处理，然后与卤代烃反应(见下式) 。杂原子上的区域选择性烷基化反应即O-烷基化反应与所用的溶剂有关，通常使用偶极非质子溶剂如DMF、DMSO 等。尽管这类溶剂能加速碳原子上的亲核取代反应，但它们沸点高、热稳定性差、气味大，而且与水和有机相混溶使产物难以分离。48第48页，共125页，2022

30、年，5月20日，14点59分，星期四Seddon 等用简便的方法制备了抗湿气性室温离子液体 bmim PF6 , 该离子液体几乎没有可探测的蒸气压。它是羰基化合物、卤代烃、醇和胺的极好溶剂，但却与饱和碳氢化合物、二烷基醚和水等溶剂不互溶。该种湿的稳定的离子液体的独特性能使得它可作为重要的可再循环溶剂使用 。49第49页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四化合物1 与简单卤代烃于室温下在 bmim PF6 中可发生反应，固体KOH 作为碱在反应中应用。产物可方便地用乙醚萃取，几乎所有实例中反应物均发生N-烷基化生成化合物2。50第50页，共125页，2022年，5月20日，

31、14点59分，星期四早在1972 年，Parshall就研究了在四乙胺三氯锡酸盐中乙烯的羰基化反应。1995 年，Chauvin 等研究了在离子液体如BMIM PF6 中铑催化的羰基化反应。近来，Karodia 等在膦盐中研究了铑催化1-己烯的羰基化(见下式) 。他们利用高熔点离子液体在室温下从固态催化剂介质中“倾倒出”有机产品，然后在离子液体熔点以上重新加热，催化剂能被重新利用且有相同活性。5、羰基化反应51第51页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四分离提纯回收产物一直是合成化学的难题，用水提取分离只适用于亲水产物，蒸馏技术也不适宜用于挥发性差的产物，使用有机溶剂又会

32、引起交叉污染。现在，全世界每年的有机溶剂消耗达50 亿美元，对环境及人体健康构成极大威胁。随着人们环境保护意识的提高，在全世界范围内对绿色化学的呼声越来越高，传统的溶剂提取技术急待改进。因此，设计安全的、环境友好的分离技术显得越来越重要。（五）在分离提纯技术中的应用52第52页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四 离子液体具有其独特的理化性能，非常适合作为分离提纯的溶剂。尤其是在液-液提取分离上，离子液体能溶解某些有机化合物、无机化合物和有机金属化合物，而同大量的有机溶剂不混溶，其本身非常适合作为新的液- 液提取的介质。 研究发现，非挥发性有机物可用超临界CO2 从离子液

33、体中提取，CO2 溶在液体里促进提取，而离子液体并不溶解在CO2 中，因此可以回收纯净的产品。 最近研究发现离子液体还可用于生物技术中的分离提取，如从发酵液中回收丁醇，蒸馏、全蒸发等方法都不经济，而离子液体因其不挥发性以及与水的不混溶性非常适合于从发酵液中回收丁醇。53第53页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四二、超临界流体中的的有机合成超临界流体( Supercritical Fluids , 简称SCF) 是指处于临界温度( Tc ) 与临界压力(pc ) 之上且介于液态和气态之间的流体。（一）超临界流体的基本性质54第54页，共125页，2022年，5月20日，1

34、4点59分，星期四 超临界流体在相图中的的特殊位置决定了特殊的物性参数；密度和液体相当，粘度和气体相当，扩散系数处于两者之间。这种特殊的物性导致了超临界流体优异的溶解性能和传热效率。人们通过研究发现： (1) 微小的温度、压力变化，可以引起超临界流体密度的很大变化; (2) 温度、压力的变化可以改变其介电常数和离子积，例如超临界水的介电常数和一般的有机溶剂相当，其离子积是常温水的10 倍。这是超临界流体可以替代某些反应中高毒有机溶剂的原因。55第55页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四 在超临界状态下，化学反应有许多不同于气相反应和液相反应的特点： 压力对反应速度常数有

35、强烈的影响； SCF 的溶解性能对温度和压力的敏感性使得产物和反应可以依次分别从SCF 中移去，从而方便完成产物、反应物、催化剂和副产物之间的分离； 可以有效地防止催化反应中催化剂的失活，并可使失活的催化剂再生。 由于水、二氧化碳无毒、价廉，与许多反应产物无需分离，使得超临界水( scH2O) 、超临界二氧化碳(scCO2 ) 化学反应受到了广泛的重视。56第56页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四超临界二氧化碳(Supercritical carbon dioxide ，缩写为scCO2 ) 流体是指温度超过二氧化碳临界温度( Tc = 31. 0 ) ，压力超过临界

36、压力( Pc = 73. 75bar) 时的状态。超临界二氧化碳作为反应介质，具有如下特有的物理、化学性质：（1）二氧化碳的临界条件很容易达到，对设备要求不高，便于操作，有利于实现工业化。（二）超临界二氧化碳在有机合成中的应用（2）超临界二氧化碳具有双极性，其极性与碳氢化合物相近，极化度甚至低于碳氟化合物。根据相似相溶原理，它既可以溶解非极性物质，又可以溶解极性物质。57第57页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四（4）反应结束后二氧化碳以气体的形式排放，无有机溶剂残留，便于产物的分离和后续的工艺过程。对气体如H2 、O2等也具有很高的溶解性，提高了H2 、O2 等参与反

37、应的浓度，有利于诸如催化加氢、催化氧化等反应的进行。（3）超临界二氧化碳具有气体的扩散性和液体的密度。在临界点附近稍微改变压力，物质的密度、粘度、扩散系数和极性等物理性质由接近于气体向接近于液体发生连续的变化。因而可以通过调节压力来控制反应物质的扩散系数，从而达到控制反应的目的。58第58页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四Jessop 等对不饱和烯酸进行了在scCO2 中的不对称加氢研究，取得良好的效果。该反应得到90. 5 %的收率，重要的是在反应中由于没有任何碱的参与，因而无副产物生成。（1）不对称的催化加氢反应1、超临界二氧化碳中的催化加氢反应59第59页，共1

38、25页，2022年，5月20日，14点59分，星期四Burk 等对具有前手性的- 烯胺的不对称催化加氢进行了研究（Scheme 1） 。在 scCO2 中，用铑配合物作为催化剂（ 阴离子部分能增加催化剂在 scCO2中的溶解度），反应在均相进行。当R = Et ，在甲醇溶剂中可得到98. 7 %e.e. ，scCO2 中得到98. 8 %e. e.，所得产物的e. e. 值与有机溶剂相当。60第60页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四Leitner在前人工作的基础上，用铱( Ir) 与光学纯的膦基二氢噁唑配体形成的手性催化剂，在scCO2中进行加氢反应研究。尽管所得产物

39、的e. e. 值与常规溶剂CH2 Cl2相似，但反应速度大大加快，转化率为二氯甲烷中的4 倍。61第61页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四（2）二氧化碳的催化加氢反应二氧化碳本身是廉价的碳资源，可以利用二氧化碳的氢化反应来制备有机化合物（如甲酸、甲酸甲酯、和N，N-二甲基甲酰胺）Jessop 等利用scCO2既作反应介质又作为反应物，在钌催化剂作用下，催化加氢合成甲酸及其衍生物。此类反应中， scCO2既能溶解氢气又能溶解三乙胺（NEt3 ） ，其反应速度高于有机液相中的反应。合成甲酸的催化转化数（ TON） 可达到7200 。62第62页，共125页，2022年，5

40、月20日，14点59分，星期四有二甲胺存在时，就可以得到N , N-二甲基甲酰胺，转化率和选择性均达到99 %。该反应分为两步进行：（1）二氧化碳和氢气生成甲酸，表现出很高的反应效率和反应速度，此时二甲胺作为甲酸的稳定剂；（2）该步反应速度慢，是反应的决速步，此时二甲胺参加了反应生成了不溶于scCO2的甲酸盐液体。反应最后生成了N , N -二甲基甲酰胺和在scCO2中溶解度小的水。产物N , N-二甲基甲酰胺可大量溶于scCO2中，提高了产物的选择性。63第63页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四苯乙酮在超临界二氧化碳中，通过钯催化加氢可得到A 、B、C、D 四种产物

41、。适当调节反应温度和氢气的用量可以改变产物组成：90 ，2 倍量的氢气时，苯乙醇(A) 是主要产物；当温度升至300 ，用6 倍量的氢气时，乙基环己烷(D) 的量达到95 %；温度在200 时产物B 和C 占优势，它们的量又随氢气比例不同而改变。（3）普通催化氢化反应64第64页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四2、Diels-Alder 反应 在scCO2 介质中，D-A 反应甚至不用催化剂也能在较温和的条件下自发进行并能得到较好的收率。 Ikushima 等用甲基丁二烯与丙烯酸甲酯分别考察了scCO2 下AlCl3 催化的和非催化的，以及scCO2 与有机溶剂分别作

42、为介质下的反应动力学数据。结果表明， scCO2 介质中压力的增加将有助于反应速率的提高并改变产物的分布。 一般情况下，常压时D-A 反应(包括催化和非催化)的主要产物为对位异构体，而在scCO2 介质中产物分配随压力而变化：临界点附近间位与对位产物比达到最大值，即介质有利于间位异构体的生成，选率正好与常态下反应相反。65第65页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四Thompson 等研究了蒽和4-苯基-1 ,2 ,4-三唑-3 ,5 二酮(PTAD) 在超临界CO2 介质中的D-A 反应式 。反应速率常数( T = 40 ) 随压力的增高而降低，在临界点反应速率比液相反

43、应(以乙腈或氯仿为溶剂) 快，但是在CO2 的密度接近液体溶剂的高压条件下，反应速率要比液相反应慢。66第66页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四3、超临界二氧化碳中的羰基化反应（1）烯烃氢化甲酰反应Rathke 及其合作者报道了scCO2中的烯烃的氢化甲酰化均相反应的首例。在scCO2溶剂中，丙烯在以钴(Co) 的羰基化物作为催化剂，80 ，P H2 = P CO = 5. 6 MPa 的反应条件下，反应速率常数比碳氢化合物溶剂(比如甲基环己烷、庚烷) 中要低；但氢气和一氧化碳能溶于超临界二氧化碳，提高了反应物浓度，加快了反应速度。并且提高了直链醛的选择性，直链醛的收

44、率为88 %。这一选择性比在更高压力下，苯溶液中进行的反应的选择性要好。67第67页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四用多氟代烷基的苯基膦配合作催化剂, 1 -辛烯在scCO2 中于60 C, 22 MPa 压力下与H2 和CO 进行醛化反应, 转化率可达95%。直链醛(E) 和支链醛( F) 的比例为8. 51, 如用一般的苯基膦配合物催化醛化, 转化率为26%。E 和F 之比为3. 51。若在液体二氧化碳中反应, 转化率仅为5%68第68页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四降冰片在scCO2中，在PdCl2/ CuCl2催化下与一氧化碳和甲醇

45、作用，得到三种产物：cis-邻二甲酯降冰片烷，Cis-氯代单甲酯降冰片烷和氯代降冰片烷：（2） 烯烃氢化酯化反应如果加入适量的极性溶剂可以增加催化剂在二氧化碳中的溶解度，增加反应效率，提高选择性。在降冰片的官能化反应中，如果加入一定量的碱有助于提高目标产物二酯的选择性。碱的影响有很大的差别，最好的结果是使用三乙铵，当加入和二酯等量的三乙铵，二酯的收率达到82. 2 %。69第69页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四（3）炔烃羰基化反应江焕峰等研究炔烃的氢化酯化反应时，发现在scCO2中反应的选择性与醇作溶剂时的反应的结果不同。例如，以甲醇作溶剂时，得到唯一的羰基化产物：

46、苯丙炔酸甲酯，收率74 %；在超临界二氧化碳介质中，主要产物为2-苯基-2-丁烯二酸二甲酯，收率为65 %， 苯丙炔酸甲酯的收率仅为21 %。70第70页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四为了进一步研究羰基化反应规律，又考察了常规条件下，不同有机介质对羰基化反应的影响，目的是为超临界反应条件的研究提供参照条件和理论基础。研究结果表明，有机介质不仅影响反应的立体选择性，而且控制着反应的化学选择性。如反应式(9) 、(10) 、(11) 所示:71第71页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四（4）有机胺的羰基化反应1985 年，Alper 首次报道了在

47、比较温和条件下芳香伯胺的单羰基化反应：最近发现，在超临界二氧化碳中，羰基化反应仅仅在PdCl2 、CuCl2和氧气存在下就能发生，而不需要盐酸存在，而且收率较好：72第72页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四在普通溶剂中，没有氧气参与，反应很可能进行地不彻底，而且有副产物生成；在超临界二氧化碳中，即使没有氧气参加反应，也能生成双羰基化产物，收率达到90 %：73第73页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四江焕峰以正丁胺为模板，比较了超临界二氧化碳介质和常规有机溶剂中钯催化伯胺羰基化反应的规律。在常规有机溶剂如醇溶剂中，有机胺主要发生单羰基化反应，生

48、成产物为氨基甲酸酯；不加入氧气，胺与催化剂络合成复杂的络合物，得不到氨基甲酸酯。在超临界二氧化碳反应介质中，即使不加入氧气，伯胺的羰基化反应也能进行：74第74页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四反应的化学选择性发生了改变，主要产物为双羰基化产物，只生成少量的单羰基化产物氨基甲酸酯。而双羰基化产物和单羰基化产物的比率随甲醇的量的改变而变化，不加入甲醇只生成双羰基化产物，但收率较低为60 %；当加入少量甲醇时，虽然有少量的单羰基化产物氨基甲酸酯，但总收率和双羰基化的收率都大大提高；加入大量甲醇时，总收率为99 %，单羰基化产物氨基甲酸酯的所占比例大大增加。75第75页，共

49、125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四溶剂效应在某种程度上控制着反应的化学选择性，大部分无机物在超临界二氧化碳中溶解度都不好，常需要加入助溶剂来增加无机物的溶解度，从而增强超临界二氧化碳的溶剂强度。在超临界二氧化碳中，甲醇既作为反应物又作为溶剂，当无甲醇时，仅仅得到双羰基化产物，而且收率较低。由于催化剂在超临界二氧化碳中的溶解度不好，影响了反应收率。当加入少量甲醇时，一方面使催化剂的溶解度增加，从而使收率增加；另一方面，少量甲醇参加反应，从而使反应的化学选择性发生改变，从而生成少量单羰基化产物，如果单纯以甲醇作溶剂会生成复杂的络合物。76第76页，共125页，2022年，5月2

50、0日，14点59分，星期四（5）二氧化碳既作为反应介质又作为反应物的羰基化反应利用金属镍(Ni) 络合物作为催化剂，可使两分子的3-己炔与一分子的二氧化碳进行环加成反应，对炔烃进行羰基化反应，生成了四乙基吡喃酮。尽管该反应的收率低，只有35 %，与经典反应情况(苯作为反应介质，120 ，20 h) 相似。但用超临界二氧化碳代替苯作介质，显然对环境保护和人们的健康有重要意义,77第77页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四（1）烷烃的氧化反应3、超临界二氧化碳中的氧化反应Koda 等报道以卟啉铁环 FeCl (tpfpp) 为催化剂，在70 ，P O2 = 1. 0 MPa

51、 , P CO2 = 8. 0 MPa 条件下反应1 h ，环己烷的转化率就可达到20 % ，产物环己醇和环己酮的比例为1 1 ，但选择性不受压力的影响。78第78页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四烯烃环氧化作用在非极性溶剂中收率比较高，而且用于环氧化催化的Mo (CO) 6 能溶于超临界二氧化碳，因而有望用超临界二氧化碳代替有机溶剂进行环氧化反应。Noyori等考察了2 ,3-二甲基丁烯在超临界二氧化碳介质中的环氧化反应。（2）烯烃的环氧化作用79第79页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四Walther等发现环辛烯在超临界二氧化碳介质下，过氧

52、叔丁醇 (CH3 ) 3 C-OOH 和Mo (CO) 6 作用下，可以100 %选择性地得到环氧化产物。然而加入少量的Ti OCH (CH3 ) 2 4，除了得到环氧化产物外，还得到少量的邻二醇产物；80第80页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四如果底物为环己烯时，可得到1 1 的环氧化物和叔丁氧基环己酮：Tumas 研究了环己烯在超临界二氧化碳中的环氧化反应，主要产物为1 ,2-环己二醇：81第81页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四Sharpless 研究了液体二氧化碳中的不对称环氧化反应，烯丙醇的不对称环氧化反应适宜在低温下反应，此时二氧

53、化碳以液体形式存在，而不是超临界状态。82第82页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四（3）烯烃的氧化作用A、 Wacker 反应1-辛烯在超临界二氧化碳溶剂中对目标产物甲基酮的选择性比在甲醇溶剂中有较大程度的提高，异构化酮的收率很低。如果以甲醇/ 超临界二氧化碳做溶剂，PdCl2 和CuCl2 能溶解在甲醇中，而甲醇与二氧化碳能相混溶，催化剂也能部分地溶解在超临界二氧化碳中，从而提高了反应速度。甲基酮的选择性也比在单纯甲醇溶剂中高，达到85. 5 %。主要副产物是缩醛。83第83页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四苯乙烯和环己烯在常规条件下，Wa

54、cker 反应进行得非常好，分别得到目标产物苯乙酮和环己酮，但在超临界二氧化碳介质中，缩醛占有很大的比例。通过研究苯乙烯和环己烯的氧化反应，得出吸电子基团取代的烯烃进行氧化反应，缩醛化产物的比例大大增加。84第84页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四B、缩醛化反应江焕峰等人在超临界二氧化碳介质中以含有吸电子基的丙烯酸甲酯进行氧化反应的研究，丙烯酸甲酯在Pd ( II) / Cu ( I or II) 催化下与过量甲醇反应高转化率(99. 4 %) ，高选择性(96. 6 %) ，高收率(91. 7 %) 地生成了3 , 3-二烷氧基丙酸甲酯。85第85页，共125页，2

55、022年，5月20日，14点59分，星期四在超临界二氧化碳溶剂中以烯基醚类化合物为底物研究氧化反应，结果发现二氧化碳处于超临界状态或者近邻界状态均能得到比较好的反应结果。如3 , 4-二氢吡喃为底物时，收率在82 %97 %之间。（4）烯烃的醚化作用在超临界二氧化碳中进行醇的保护反应，条件比较温和，收率高。不仅适合于伯醇的保护，还可以用于仲醇和叔醇的保护。伯醇和仲醇的反应速度比较快，一般在12 h 之内基本完全反应。86第86页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四三、水介质中的有机合成 近年来, 水作为有机合成反应介质的报道相继出现。因为它是一种廉价、安全、无污染的绿色溶

56、剂, 完全克服了大多数有机溶剂带来的易燃、易爆、易挥发、容易污染环境的缺点, 水相中的有机合成越来越成为有机化学研究的热点。87第87页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四在水溶液中铂盐催化可以氧化芳环侧链甲基。于水中、Pt(II)/Pt(IV)氧化体系下, 80120 反应6 h，可以成功地将对甲苯磺酸氧化成对应的醇, 进一步氧化成醛。（一）氧化反应88第88页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四多烯化合物氧环的形成一般需要在无水条件下进行。最近发现，在V(水)V(二甲氧基甲烷)V(乙腈)221 体系下, 多烯化合物中的某双键可高选择性地氧化成不对

57、称的环氧化合物。89第89页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四水中进行的还原反应已有报道。例如, 在水中、硼氢化钠六水合氯化钴体系下, 叠氮化合物可还原为相应的伯胺，产率较好。如果叠氮化合物有手性，还原产物仍保持其手性，这就为合成手性胺提供了有效方法。（二）还原反应90第90页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四 有机化合物在不同溶剂中还原会得到不同的产物。例如, 2-甲基-5-异丙烯基-2-环己烯-1-酮, 在锌-六水合氯化镍体系中还原，用不同溶剂或不同方法会得到不同结果。如： 在1molL1 氯化铵和氨水缓冲溶液中30下超声辐射1.5h，得到的

58、是环中碳碳双键还原产物(95%)。 在水-醇溶液中30下超声辐射3h，得到的是环内外碳碳双键全部还原的产物(96%)。 在水-醇溶液中40 0.1MPa下加氢气6h，得到88%的环外碳碳双键和12%的全部还原产物。91第91页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四由此可见，在水中可以进行选择性还原反应92第92页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四Kobayashi等研究了四烯丙基锡与2-脱氧核糖在纯水中的反应，同时加入催化量的三氟甲磺酸钪和表面活性剂十二烷基磺酸钠(SDS)能大大提高反应的速率，并给出定量产物。值得注意的是，仅用路易斯酸或表面活性剂时

59、，该反应进行的极其缓慢。因此，作者认为表面活性剂的加入能使反应物在水中形成胶束体系，使路易斯酸与底物相互作用得到增强，从而加快反应速度，提高反应产率。（三）烯丙基化反应93第93页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四Diels-Alder 环加成反应是最早在水中进行的有机反应。在水中反应与有机溶剂中相比, 反应速度明显加快。例如环戊二烯与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endoexo 为20以上, 而在乙醇中的反应产物endoexo 仅为8.5。由此可见，不仅能促进此反应的反应速度, 而且还能提高此反

60、应产物的endo：exo 比值。（四）环加成反应1、Diels-Alder环加成反应94第94页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四水中还能进行杂原子参与的Diels-Alder 环加成反应。Oppolzer 等报道了水作溶剂，季铵盐为相转移催化剂发生环加成反应，从而找到了杂原子化合物作为亲二烯体参与的Diels-Alder 环加成反应。2、杂原子参与的Diels-Alder 反应95第95页，共125页，2022年，5月20日，14点59分，星期四水还可以作为偶极环加成反应的介质，在反应中水的加入大大加快了反应的速度。 Rao等研究了水中、-环糊精催化，芳香偶极化合化物