第十章 绿色化学与精细有机合成

第十章绿色化学与精细有机合成10.1绿色化学人类进入到21世纪，社会的可持续发展涉及生态、环境、资源、经济等方面的问题，越来越受到人们的关注。正如美国化学会会长Breslow教授所言：“化学在改善人类生活方面是最有成效的科学之一；在人类多姿多彩的生活中。化学可以说无处不在”。然而，不可否认的是不少化学工业，特别是精细化学工业生产中产生废物排放和一些化学品的滥用，给整个生态环境造成了严重的不良影响。由于环保问题日益突出及人们对高质量生活水准的需求，我们不能容忍化学对整个生态环境的破坏继续发展，而束手无策。我们必须保护赖以生存的地球，这个我们生活的家园。因此我们既要为了开创人类高质量生活发展化学工业，尤其是精细化学品工业，但又不能让它的生产过程和产品使用过程破坏我们的环境，影响人类健康，造成今后治理的更大困难，贻害我们子孙后代。我们化学家和企业家面临着最大挑战，要为社会创造新的、安全的化学——绿色化学。一、绿色化学的定义

绿色化学不是治理污染，而是防止污染产生的一种新观念。它是开发从源头解决污染问题的一门科学。对环境保护及社会的可持续发展具有重大意义。绿色化学(Greenchemistry)又称为环境无害化学(environmentallybenignchemistry)、环境友好化学（environmentallyfriendlychemistry）、清洁化学（cleanchemistry）。绿色化学的定义是利用化学的技术和方法支减少或消灭那些对人体健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物及副产物等的使用和生产。

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。它是一门从源头防止污染的化学，是一种能最大限度地从资源合理利用、环境保护及生态平衡等方面满足人类可持续发展的化学。绿色化学的研究成果对解决环境问题是有根本意义的。绿色化学的主要特点是原子经济型，也就是说，在获取新物质的转化过程中充分利用每个原料的原子，实现“零排放”。因此，它既可以充分利用资源，又不产生污染。传统化学向绿色化学的转变可以看做是化学从“粗放型”向“集约型”的转变。绿色化学的核心问题是研究新反应体系，包括研究新合成方法和路线、寻找新的化学原料、探索新的反应条件、设计和研制绿色产品等。从理论上讲，绿色化学要求通过对有关化学反应的热力学和动力学研究探索新兴化学键的形成和断裂的可能性及其选择性的调节与控制，发展新型化学反应和工艺过程，推动化学学科的发展。二、绿色化学原理绿色化学的原理有以下几个方面：1、

防止污染的产生优于治理产生的污染；2、

原子经济性反应；3、

只要可能，应尽可能采用毒性小的化学合成路线（无害化学合成）；4、

化学产品的设计，必须使保留其具有高效的功能，同时也要尽量减少其毒性；5、

应尽量可能避免使用溶剂、分离试剂等辅助物质，如果不可避免，也要选用无害无毒的；（使用安全助剂和溶剂）6、

设计能源经济性反应（designforenergyefficirncy），最好使用常温常压下的反应；7、使用可再生原料；可再生（更新）原料一般是指各种生物质原料，包括草类、木本植物、农作物和森林残余物。其它在有限时间内可再生的物质也属于可再生资源。太阳能也可看作是一种可持续能源。枯竭原料主要是指化石燃料。8、

应尽量避免不心要的衍生步骤，如限制性基团，保护/去保护作用等；9、

应尽量采用高选择性催化剂优于使用化学计量性试剂；10、降解设计；11、预防污染中的实时分析；12、防止意外事故的安全工艺。化学过程中所选用的物质及其形态应做到将意外事故的可能性降到最低，其中包括泄漏、爆炸和火灾。10.2有机合成中的原子经济性

一、原子经济性

1991年，美国Stanford大学的著名化学家B.M.Trosst首先提出“原子经济性”的观点来评估化学反应的效率，他认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使它结合到目标分子中，不产生副产物或废物实现废弃物的“零排放”。理想的原子经济性反应是原料分子中的原子百分之百地变成期望的产物，同时不需要其他试剂或仅需要无损耗的促进剂。用下列反应表示原子经济性反应：二、原子利用率原子利用率是原子经济性的衍生，含义基本相同，原子经济性也可以用原子利用率来衡量：原子利用率（%）=预期产物的分子量／反应物的原子量之和×100%由此可以看出，用原子利用率反应的原子经济性很方便。原子经济性反应是指100%的原子利用率的反应。若不是原子经济性反应，则可计算它的原子利用率。一些工业上已采用的原子经济性反应如下：8.3有机合成中常见的原子经济性有机合成的基础是有机反应。有机反应的类型非常多，此处只介绍常见的几类有机合成反应如重排反应、加成反应、取代消除反应、周环反应和氧化还原反应等的原子经济性。一、重排反应重排反应是构成反应物分子的原子通过改变相互的位置、连接以及键的形成方式从而产生一个新的分子的反应。重排反应是通过热、光及化学诱导等方法来控制的。这类反应的特点之一就是反应物分子中的所有原子经重新组合后均转移至产物分子中，无内在的废物产生。因此，重排反应的原子利用率达100%，它是原子经济性反应，是绿色化学的首选反应之一。重排反应例重排反应：A→B（原子经济性反应）一些重排反应的实例如下：二、加成反应加成反应是不饱和分子与其它分子相互加合生成新分子的反应。反应中发生了不饱和π键断裂和σ键的形成。加成反应分为亲电加成、亲核加成、催化加氢和环加成等类型，其通式为：

由于加成反应是将一种反应物分子全部加到另一反应物分子上，因此是（理论上的）原子经济性反应。如：

三、取代反应取代反应是有机分子中原子或基团被其它原子或基团取代的反应。取代反应按照化学键断裂方式或取代基团的性质不同分为3种基本类型：亲核取代、亲电取代和游离基取代。但无论哪一种取代，其结果都是被取代基团不再出现在目标产物中，而是作为废物被排放。因此，取代反应不是原子经济性反应。如：由此可见，取代反应生成副产物是不可避免的。因为副产物是合成方法直接的结果，因此，取代反应不是原子经济性反应。四、消除反应消除反应是在有机分子中除去两个原子或基团而生成不饱和化合物的反应，如：由于消除反应生成了其它小分子，即消除反应必然会生成副产物，所以消除反应与取代反应一样不是原子经济性反应。尤其是季铵盐热分解制备烯烃，其原子利用率很低。如：*五、周环反应

周环反应是经过一个环状过渡态的协同反应，即在反应过程中新键的生成与旧键的断裂是同时发生的，电环化反应、环加成反应、σ-迁移反应等都是周环反应的典型例子。如：反应的通式可表示为：

周环反应的正反应一般都是原子经济性反应，但其逆反应有时就需要把一个分子分解成两个分子，因此，周环反应的逆反应往往不如正反应对环境友好。五、氧化还原反应在无机反应中把发生电子得失的反应称为氧化还原反应；而在有机反应中，把加氧或去氢的反应称为氧化反应，而去氧加氢的反应叫做还原反应。有机氧化还原常用的氧化剂有、、、有机过氧酸等，常用的还原剂有碱金属、金属氢化物、醇铝化合物等。如：氧化还原反应的副产物多，原子经济性很差，是化学工业环境污染最严重的反应之一。更为不幸的是，对环境无害的氧化剂很难寻找。因此，在设计合成路线时就尽量避免氧化还原反应，这是绿色化学所要求的。从绿色化学的角度看，使用电化学氧化还原比化学氧化还原更好一些。10.4提高化学反应原子经济性的途径

绿色合成的核心是使反应实现原子经济性。近年来，“原子经济性反应”的观点越来越引起学术界和企业界的重视。然而真正的原子经济性反应非常有限。因此，探索开发原子经济性反应已成为绿色化学研究的热点之一。不断寻找新的反应途径来提高合成反应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，是十分重要的。一、开发新型的化学催化剂

催化剂不仅使化学反应速度成千上万倍地提高，而且采用催化剂可以高选择性地生成目标产物。据统计，在化学工业上80%以上的反应只有在催化剂作用下才能获得具有经济价值的反应速度和选择性。而新催化材料是创造新催化剂的源泉，也是提高原子经济性、开发绿色合成方法的重要基础。近年来，开发新型催化剂取得了较大的进展，尤其是过渡金属催化剂的开发与利用。如：（1）过渡金属催化的环加成反应（2）异构化反应(3)炔烃偶联反应二、设计新的合成路线在有机合成中，尤其是精细化学品和药物的合成往往需要多步反应才能达到目的。即使单步反应的收率较高，多步反应的总的原子核利用率也不会很理想。若能设计新的合成路线来缩短和简化合成步骤，反应的原子利用率就会大提高。如布洛芬的合成需6步反应才能得到产品。原子利用率只有40，04%。最近法国BHC公司发明设计的新路线只需3步反应即可得到产品布洛芬，原子利用率达77，44%。新方法减少了37%的废物排放。BHC公司也因此获得了1997年度美国“总统绿色化学挑战奖”。布洛芬的两种合成路线见下：布洛芬的合成三、采用新的合成原料采用新的合成原料是提高反应的经济性的一种重要手段。过去人们习惯于采用石油、煤、天然气等矿物原料作为合成化学的主要原料。矿物原料是不可再生的。如能开发可再生资源为原料，将成为可持续发展和绿色化学的一个重要方向。如：已二酸现有的合成方法是以苯为原料，经Ni或Pd催化剂加氢成环已烷，环已烷进行空气氧化成环已酮或环已醇，然后进一步用HNO3氧化制成已二酸，工艺路线为：

这一工艺路线曾是现代合成化学的重大成就之一。但从绿色化学的观点看，这一工艺存在严重缺点。苯来自石油，属不可再生资源，而且是一毒性物质。在合成过程中又采用空气和硝酸氧化。氧化过程一般选择性差，原料的利用率较低，特别是最后一步采用HNO3为氧化剂，腐蚀严重，且反应后产生臭气（N2O），排放到空气中，进入大气层，会破坏大气中的臭氧层。为了克服上述缺点，美国的J.W,Forst和K.M.Draths开发了生产已二酸的生物技术路线。这一路线由淀粉和纤维素制取的葡萄糖为原料，经由DNA重组技术改进的大肠杆菌，将葡萄糖转化为已二烯二酸，然后在催化剂的作用下加氢制得已二酸：

新工艺不仅利用可再生资源，而且过程安全，无毒无害无污染，效率高，因此是绿色化学技术，并获1998年美国“总统绿色化学挑战奖”。

8.5实现绿色合成的方法、技术与途径一、开发“原子经济反应”对于大宗基本有机原料的生产来说，选择原子经济反应十分生要。目前，在基本有机原料的生产中在的已采用原子经济反应，如丙烯氢甲酰化制丁醛、甲醇羰化制醋酸、乙烯或丙烯的聚合、丁二烯和氢氰酸合成已二腈等。另外，有的基本有机原料的生产采用的反应已由二步反应改成采用一步的原子经济反应，如环氧乙烷的生产，原来是通过氯醇法二步制备的，发现银催化剂后改为乙烯直接氧化成环氧乙烷的原子经济反应。近年来，开发新的原子经济反应已成为绿色化学研究的热点之一。公司采用钛硅分子筛催化剂，将环已酮、氨、过氧化氢反应，可直接合成环已酮肟，取代由氨氧化制硝酸、硝酸离子在铂钯贵金属催化剂上用氢还原制备羟胺、羟胺再与环已酮反应合成环已酮肟的复杂技术路线，并已实现工业化。另外，环氧丙烷是生产聚氨酯泡沫塑料的重要原料，传统上主要采用二步反应的氯醇法，不仅使用危险的氯气，而且还产生大量含氯化钙的废水，造成环境污染。国内外均在开发钛硅分子筛上催化氧化丙烯制环氧丙烷的原子经济新方法。此外，针对钛硅分子筛催化反应体系，开发降低钛硅分子筛合成成本的技术，开发与分子匹配的工艺和反应器依仍是今后努力的方向。二、提高烃类氧化反应的选择性烃类选择性氧化在石油化工中占有极其重要的地位。据统计，用催化过程生产的各类有机化学品中催化选择氧化生产的产品约占25%。另一方面，烃类氧化反应不仅原子利用率低，而且其选择性是各类催化反应中最低的。这不仅造成资源浪费和环境污染，而且给产品的分离和纯化带来很大困难，使投资和生产成本大幅度上升。因此，控制氧化深度、提高目的产物的选择性如终是烃类选择氧化研究中最具挑战性的难题。

早在20世纪40年代，Lewis等就提出烃类晶格氧选择氧化的概念。即用可还原的金属氧化物的晶格作为烃类氧化的氧化剂，按还原-氧化模式，采用循环流化床提升管反应器，在提升管反应器中烃分子与催化剂的晶格氧反应生成氧化产物，失去晶格氧的催化剂被输送到再生器中，用空气氧化到初始高价态，然后送入提升管反应器中再进行反应。这样，反应是在没有气相氧分子的条件下进行的，可避免气相和减少表面的深度氧化反应，从而提高反应的选择性，而且因不受爆炸极限的限制，可提高原料浓度，使反应产物容易分离回收，是控制氧化深度、节约资源和保护环境的绿色化学工艺。根据上述还原-氧化模式，国外有公司已开发成功丁烷晶格氧化制顺酐的提升管再生工艺，建成了第一套工业装置。氧化反应