有機合成實現(xiàn)綠色合成的途徑

 　　一、綠色合成的目標及其研究方向

　　化學作為自然科學的一個重要領(lǐng)域，在豐富人類知識寶庫和滿足人們衣食往行等各方面需求中，發(fā)揮著積極的和不可替代的重要作用。然而無可諱言的是，由于在化學過程中以適當?shù)厥褂脤θ祟惤】岛蛯Νh(huán)境有害的原料和溶劑以及污染性廢物的大量排放，一些化學過程也給人類的健康和生活環(huán)境帶來了嚴重的不利影響。為此，人們相繼提出了綠色化學理念，其目的是在繼續(xù)發(fā)揮化學的積極作用的同時而將其危害人類健康和人類生存環(huán)境的負面影響減少到最小。有機合成作為化學合成的重要組成部分，在綠色化學中居于舉足輕重的地位;在綠色化學及其理念指導下，最終要實現(xiàn)綠色合成。綠色合成的目標應當是實現(xiàn)符合綠色化學要求的理想合成。

　　實現(xiàn)理想合成，有三個定量指標：原子經(jīng)濟性、環(huán)境因子和環(huán)境商。

　　1.原子經(jīng)濟性

　　原子經(jīng)濟性概念認為高效的有機合成應最大限度地利用原料分子的每個原子，使之結(jié)合到目標分子中，以實現(xiàn)最低排放甚至零排放。原子經(jīng)濟性可用原子利用率來衡量：

　　原子利用率=(預期產(chǎn)物的分子量/全部生成物的分子量總和)×100%

　　原子經(jīng)濟性的特點是最大限度地利用原料和最大限度地減少廢物的排放。

　　2.環(huán)境因子(E)

　　環(huán)境因子和環(huán)境商都是由荷蘭有機化學家sheldon提出來的。E—因子是以化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢物量的多少來衡量合成反應對環(huán)境造成的影響。

　　E-因子=廢棄物的質(zhì)量(kg)/預期產(chǎn)物的質(zhì)量(kg)

　　這里的廢棄物是指預期產(chǎn)物之外的所有副產(chǎn)物，包括反應后處理過程產(chǎn)生的無機鹽等。顯然，要減少廢棄物使E—因子較小，其有效途徑之一就是改變經(jīng)典有機合成中以中和反應進行后處理的常規(guī)方法。

　　3.環(huán)境商(EQ)

　　環(huán)境商(EQ)是以化工產(chǎn)品生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢物量的多少、物理、化學性質(zhì)及其在環(huán)境中的毒性行為等綜合評價指標來衡量合成反應對環(huán)境造成的影響。

　　EQ=E×Q

　　式中E為E—因子，Q為根據(jù)廢物在環(huán)境中的行為所給出的對環(huán)境不友好度。EQ值的相對大小可以作為化學合成和化工生產(chǎn)中選擇合成路線、生產(chǎn)過程和生產(chǎn)工藝的重要因素。

　　為此，Wender教授認為：一種理想合成是指用簡單的、安全的、環(huán)境友好的、資源有效的操作，快速、定量地把價廉、易得的起始原料轉(zhuǎn)化為天然或設計的目標分子。這正是綠色合成的目標。

　　目前，綠色合成研究的方向是清潔合成、提高反應的原子利用率、取代化學計量反應試劑(如在催化氧化過程中只以空氣中的氧氣作為氧源)、新的溶劑和反應介質(zhì)、危險性試劑替代品(如使用固態(tài)酸以取代傳統(tǒng)的腐蝕性酸)、充分的反應過程、新型的分離技術(shù)、改變反應原料、新的安全化學品和材料、減少和最小化反應廢棄物的產(chǎn)生等。

　　二、有機合成實現(xiàn)綠色合成的途徑

　　綠色合成的目標已為有機合成實現(xiàn)綠色合成指明了方向。近年來，實現(xiàn)綠色合成的研究工作在不斷進行，幾種可行的途徑已隱約可見。

　　1.使用環(huán)境友好催化劑，提高原子利用率

　　有機合成中，減少廢物的關(guān)鍵是提高原子利用率，所以在選擇合成途徑時，除了考慮理論產(chǎn)率外，還應考慮和比較不同途徑的原子利用率。如環(huán)氧乙烷的合成：

　　兩步完成，原子利用率為25%。

　　催化方法：

　　一步完成，原子利用率為100%。

　　又如二聯(lián)苯的合成，常規(guī)方法是以PdCl2為催化劑，以含苯基的有機汞化合物為原料在吡啶中進行，但操作過程較為復雜，原子利用率低。若以具有高反應活性的GaP納米晶為催化劑，就可以直接以苯為原料，一步合成得到二聯(lián)苯。

　　再如對硝基苯甲酸乙酯的合成，常規(guī)方法是以濃硫酸為催化劑來合成的。這種方法，雖然催化劑(濃硫酸)價廉、活性高，但反應復雜，副產(chǎn)物多，且濃硫酸腐蝕設備、污染環(huán)境。如果以價廉易得、性質(zhì)穩(wěn)定安全的苯磺酸為催化劑來合成就可以克服這些缺點，且產(chǎn)率可達98.6%。

　　可見，在有機合成中，選擇合適的、環(huán)境友好的催化劑，則可以開發(fā)新的合成路線，縮短反應步驟，提高原子利用率。

　　2.使用環(huán)境友好介質(zhì)，改善合成條件

　　傳統(tǒng)的有機合成中，有機溶劑是最常用的反應介質(zhì)，但是有機溶劑的毒性和難以回收又使之成為對環(huán)境有害的因素。理想的有機合成，可以水為介質(zhì)進行;可用超臨界液體為介質(zhì)進行;可在無溶劑存在下進行;可以離子液體為介質(zhì)進行等。

　　①在有機合成中，用來代替有機溶劑是一條可行的途徑。這是因為水是地球上廣泛存在的一種天然資源，它價廉、無毒、不危害環(huán)境。盡管大多數(shù)有機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應不僅可以在水相中進行，而且還具有很高的選擇性。最為典型的例子是環(huán)戊二烯與甲基乙烯酮發(fā)生的D-A環(huán)加成反應，在水中進行較之在異辛烷中進行速率快700倍。

　　②超臨界流體是當物質(zhì)處于其臨界溫度和臨界壓力以上所形成的一種特殊狀態(tài)的流體，是一種介于氣態(tài)與液態(tài)之間的流體狀態(tài)。這種流體具有液體一樣的密度、溶解能力和傳熱系數(shù)，具有氣體一樣的低粘度和高擴散系數(shù)，同時只需改變壓力或溫度即可控制其溶解能力并影響它為介質(zhì)的合成速率。在有機合成中，CO2由于其臨界溫度和臨界壓力較低、且具有能溶解脂溶性反應物和產(chǎn)物、無毒、阻燃、價廉易得、可循環(huán)使用等優(yōu)點而迅速成為最常用的超臨界流體。

　　③固態(tài)化學反應的研究，使有些反應可在無溶劑存在的環(huán)境下進行，且比在溶液環(huán)境中的反應能耗低、效果更好、選擇性更高，又不用考慮廢物處理問題，有利于環(huán)境保護。例如，手性1，γ聯(lián)二萘酚的合成，常規(guī)方法是由β萘酚與FeCl3在液相氧化偶聯(lián)制得，但會產(chǎn)生醌類副產(chǎn)物。而以FeCl3—6H2O為氧化劑反應就可以在固相進行，且可得到產(chǎn)率為95%的聯(lián)二萘酚。

　　④離子液體，簡單地說就是安全離子組成的液體。目前研究最多的是在室溫左右呈液態(tài)的含有機正離子的一類物質(zhì)。例如，含N-烷基咪唑正離子的離子液體等。它們不僅可以作為有機合成的優(yōu)良溶劑，且具有難揮發(fā)等優(yōu)點，對環(huán)境十分友好。

　　3.采用潔凈的有機電合成

　　電化學過程是潔凈技術(shù)的重要組成。由于電解一般無需使用危險或者有毒試劑，且通常在常溫、常壓下進行，所以在綠色合成中獨具魅力。例如，實現(xiàn)自由基環(huán)化反應，常規(guī)的方法是使用過量的三丁基錫烷，過程中存在的問題是原子利用率低、使用和產(chǎn)生著有毒的錫試劑。然而，利用天然、無毒、手性的維生素B12為催化劑進行催化反應，可在溫和、中性條件下完成。

　　4.運用高效的多步合成技術(shù)

　　在藥物、農(nóng)用化學品等精細化學品的合成中，往往涉及分離中間體的多步驟反應。為實現(xiàn)綠色合成，近年來，研究發(fā)展的串聯(lián)反應是非常有效的。串聯(lián)反應包括有一瓶多步串聯(lián)和一瓶多組分串聯(lián)。前者是仿照生物體內(nèi)的多步鏈鎖式反應，使反應在同一反應器內(nèi)從原料到產(chǎn)物的多個步驟連續(xù)進行，無需分離出中間體，又不產(chǎn)生相應的廢棄物，和環(huán)境保持友好;后者是涉及至少3種不同原料的反應于同一反應器中進行，而每步反應都是下步反應所必需的，而且原料分子的主體部分都融進到最終產(chǎn)物中，這是一類高效的合成方法。

　　5.發(fā)展和應用安全的化學品

　　發(fā)展和應用對人和環(huán)境無毒、無危險性的試劑和溶劑，以及其他實用化學用品，是實現(xiàn)綠色合成最直接的一環(huán)。可以采取適當?shù)氖侄问鼓骋环肿拥亩拘越档投挥绊懫涔δ堋＠纾骖惢衔锏亩拘裕J為是由于腈類分解而生成氰離子產(chǎn)生的。若將腈的α位進行取代，使其難生成自由基而不產(chǎn)生氰離子，則可使毒性降低，而反應功能不受影響。又如，人們開發(fā)的新型化工原料碳酸二甲酯，以其較高的反應活性和低微的毒性，代替了劇毒的光氣和硫酸二甲酯，從而被譽為21世紀的“綠色化工原料”。

　　綜上所述，綠色合成作為新的科學前沿已逐步形成，但真正發(fā)展還需要從觀念上、理論上、合成技術(shù)上等，對傳統(tǒng)的、常規(guī)的有機合成進行不斷的改革和創(chuàng)新。

　　參考文獻

　　1　崔得良，郝霄鵬，于曉強，等.利用納米晶的催化性質(zhì)合成二聯(lián)苯.中國科學，2001，(5)：451～455

　　2　周虹屏，于金文，楊開炳，等.苯磺酸催化合成對硝基苯甲酸乙酯.化學世界，2001，(9)：484～485

　　3　Sheldon R A，Chem.Ind.，1992，(23)：903～906

　　4　Wender P A，Chem.Rev.，1996，96(1)：1～2

　　5　Rideout D C，Breslow R，J.Am.Chem.Soc.，1980，102(26)：7816～7817