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第 16 章 绿色化学和 有机合成基础. 有机化学. 返回. 16.1 绿色化学和有机合成. - PowerPoint PPT Presentation
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第 16 章
绿色化学和有机合成基础
有机化学
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16.1 绿色化学和有机合成
有机合成是用化学方法将简单有机物转化为较复杂且更有应用价值的有机物的过程。有机合成也是有机化学的重要组成部分。以 1882 年韦勒（ F.Wohler ）成功地从无机物氰酸铵合成有机物尿素为标志，一百多年来，有机合成为我们提供了无数结构神奇、富有各种应用价值的化合物，不仅为提高人类的生活质量作出了巨大贡献，而且，有机合成化学也在与化学学科内外地其他学科的相互交叉、相互促进的互动过程中得到不断地发展，成为许多新概念、新理论、新方法、新技术发现和发明的源泉，对化学学科以及生命科学、材料科学、环境科学等学科的产生巨大影响。
16.1 绿色化学和有机合成
以传统的合成方法所建立起来的传统合成工业，在为人类的衣、食、住、行和医疗、保健等方面作出贡献的同时，也对环境产生诸多不良影响。随着人类进入 21 世纪，社会的可持续发展及其所涉及的生态、环境、资源、经济等方面的问题愈来愈成为国际社会关注的焦点，对有机合成也提出了全新的要求。 20 世纪 90 年代，化学家提出了与传统“污染－治理”不同的“绿色化学”的概念。“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友好的。
（ 1 ）防止污染的产生优于治理产生的污染；（ 2 ）原子经济性原则；（ 3 ）只要可行，应尽量采用毒性小的化学合成路线；（ 4 ）更安全的化学品的设计应能保留其功效，但降低毒性；（ 5 ）应尽可能避免使用辅助物质（如溶剂、分离剂等），如用时应是无毒的；（ 6 ）应考虑到能源消耗对环境和经济的影响，并应尽量少地使用能源；（ 7 ）原料应是可再生的，而非将耗竭的；（ 8 ）尽量避免不必要的衍生化步骤
绿色化学的基本原理：
（ 9 ）催化性试剂（有尽可能好的选择性）优于当量性试剂；（ 10 ）化工产品在完成其使命后，不应残留在环境中，而应能降解为无害的物质；（ 11 ）分析方法必须进一步发展，以使在有害物质生成前能够进行即时的和在线跟踪及控制；（ 12 ）在化学转换过程中，所选用的物质和物质的形态应能尽可能地降低发生化学事故的可能性。
绿色化学的基本原理：
原子经济性原则
根据这个原则重排反应、加成反应、周环反应等为常见的原子经济反应。而消除反应、取代反应、氧化反应等则为非原子经济反应
1991 年由美国著名有机化学家 Trost 提出。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，使之结合到目标分子中，达到零排放。原子经济性可用原子利用度衡量。
生成物质的原子量总和原子利用度 (%)=
预期产物的分子量100
16.2 有机合成基础
16.2.1 有机合成设计原则及逆合成分析法
有机合成路线设计的一般原则为：（ 1 ）原料来源要廉价易得，反应条件温和、操
作简便。（ 2 ）合成路线应尽可能的短。因为合成反应的
总收率取决于各步反应的收率总和，步骤越多，总产率越低。
（ 3 ）尽可能采用产率高、副反应少，主副产物容易分离的合成路线，以提高产品的收率和纯度。
（ 4 ）过程安全，污染小。
CH3CH2 CH CH3
OH
CH CH3
O
C2H5MgX +
dis －切断或分拆（ disconnection ）
在设计合成路线时应考虑的因素主要是碳骨架的建立和官能团的转化。
逆合成分析法 (retrosynthesis)
下列醇可切断等效为格利雅试剂和醛：
目标分子 中间产物 起始原料
TM
dis dis
16.2.2 碳骨架的建立16.2.2.1 碳链增长反应
（ 1 ）金属有机化合物与羰基化合物及环氧乙烷的亲核加成R''
R
R' OHC
R' C Cl
RMgX
R
R' OHC
R
R
R
R' OHC
O
CO2
O
R' C OR''
O
R' C R''
O
R' C R
O
RCOOH
RCH2CH2OH
+
（ 2 ）活泼亚甲基化合物的烃基化反应
NaOHCH3-C-CH2
O
C2H5
CH3-C-CH2-C-OC2H5
O O
C2H5ONaC2H5Br
CH3-C-CH-C-OC2H5
O O
C2H5
H3O
CO2
Ï¡¡¡
+
+
OH
R
R
C2H5ONa
H ,
O
C2H5O CH2
O
OC2H5
O
C2H5O CH
O
OC2H5X R
C2H5ONa
X
R
O
C2H5O
O
OC2H5C
RO
OH CHR
R+
¢Ù
¢Ú
（ 3 ）各种缩合反应
是制备 β- 羟基醛（酮）以及 α ， β- 不饱和醛（酮）的重要方法：
O
CH3 H CH2 CHO
H
CH2 CHOCH
OH
CH3C +α β
10% NaOHα
CH CHOCHCHO CH3 CHO+ Ï¡ ¼î
羟醛缩合反应
常用于制备 1 ， 3-二羰基化合物：
(CH3)2CHCOOC2H5
COOCH3
Ph3CONaCC COOC2H5
CH3
CH3
O
+
克莱森缩合反应
主要用于 α ， β －不饱和羰基化合物的合成：
C2H5OH
CO2
C6H5CHO CH2(COOC2H5)2
NH
C6H5CH CH(COOH)2
C6H5CH CHCOOH
+
克脑文格尔反应
可应用于制备 α 、 β 不饱和芳香酸：
O
CHOCH3
O
O
CH3
CH3COONa
CH CH COOH CH3COOH
+C
C
+
柏琴反应
常用于 1 ， 5- 二羰基化合物的合成：
C2H5ONaCH3
O
CH2 COOC2H5 CH2CH
O
CH3 H3O
CH2CH2
O
CH3CH3
O
CH
COOC2H5
①
② ++C C
CC1
2 3 4 51
迈克尔加成
16.2.2.2 碳链缩短反应
氧化反应：
R'
R''
R
H
R'
R''
RCOOHO
KMnO4/H
R R' RCOOH R'COOH
+CC C
+
C C +
霍夫曼降解反应是制备伯胺的方法之一：
R C NH2 Br2 NaOH R NH2 NaBr Na2CO3 OH2
O
+ + 4 + + +2 2
脱羧：
CH3COOHHOOCCH2 COOH +CO2
16.2.2.3 重排反应
频呐醇重排：
C CCH3
CH3
CH3
CH3
OH OH
H+
C
O
CH3(CH3)3C
贝克曼重排：O
NH2OHCH2
CH2
CH2
CH2
CH2
C N OHH2SO4
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
N
OH
C C
CH2
O
CH2
CH2
CH2
CH2
NH
90¡«95 ¡æ
16.2.2.4 成环反应
碳烯与烯烃或炔烃发生加成反应，生成环丙烷衍生物，是合成三员环状化合物的主要方法。
CH3CH CHCH3 CH2 CH3CH CHCH3
CH2
+ ¡Ã
狄尔斯 - 阿尔德（ Diels-Alder ）反应是合成六员化合物最重要方法。如：
100¡æ+C
C
O
O
O
C
C
O
O
O
罗宾生 (Robinson) 环合常用于制备五、六员化合物 :
CH2 CH C CH3
O
O
O
CH3 C2H5ONa
OO
O CH3
O
O CH3
OH
OH2+
丙二酸二乙酯与二卤代烃反应可得到环状羧酸或酯 :
C2H5ONaO
C2H5O CH2
O
OC2H5Br(CH2)4Br
COOC2H5
COOC2H5
16.2.3 官能团的转换（ 1 ）官能团的引入 (functional group addition ， FGA)
（ 2 ）官能团的转化 (functional group interconversion ，FGD)
（ 3 ）官能团去除 (functional group remoual ， FGR)
NO2HNO3
H2SO4
CH OH[O]
[H]C O
CH2OH CH2BrBrH
OH
C OZn/Hg , H2O CH2
16.2.4 选择性试剂的应用 反应的选择性 (selectivity) 是指一个反应可能在底物的不同部位和方向进行，从而形成几种产物时的选择程度。应用选择性试剂可控制反应的选择性使反应按照特定的方向进行。
选择性还原：
(CH3)2
NaBH4 (CH3)2
OHO
C=CHCCH3 C=CHCCH3
H3O+
选择性氧化：Ag(NH3)2OH
Cu2+CH3-CH=CH-CHO CH3-CH=CH-COOH
or
CH3(CH2)4C CCH2OHCrO3 Py
CH2Cl2CH3(CH2)4C CCHO
¡¤
OH
CrO3 , H2SO4
O±ûͪ¡¡
不饱和仲醇氧化成酮而不影响双键琼斯（ Jones ）试剂
沙瑞特 -柯林（ Sarret-Coll
in ）试剂
醛基氧化为羧基，但分子中的双键不被氧化
伯醇氧化成醛，不会进一步氧化成羧酸，也不氧化分子中的不饱和键
在合成中常遇到反应物分子内存在两个以上可能发生反应部位，但反应中只需要某个部位发生反应而又不能使其他的部位发生反应时，除了应用选择性试剂外，还可采用的方法是，选择适当的保护基将不希望发生反应的部位暂时保护起来，等所需的反应完成后再将保护基除掉。
16.2.5 官能团的保护
（ 1 ）醇羟基
R OHC6H5CH2Cl
R O CH2C6H5
H2/PdR OH
±£»¤ ½â³ý¡¡
转化成酯，碱性水解解除保护：
R OH R O CCH3R OH
CH3COClO
OH , H2O
±£»¤ ½â³ý¡¡
转化成醚，催化氢化解除保护：
（ 2 ）酚羟基
OH CH3I (CH3)2SO4 OCH3 OHIH
±£»¤ ½â³ý¡¡
»ò
H , H2OOH O SO2CH3 OHCH3SO2Cl N +
±£»¤ ½â³ý¡¡
转化成磺酸酯，酸性水解解除保护：
转化成酚甲醚，加 HI 解除保护：
R OHC
O
H
ClH
O R
RO
CHH3O
C
O
H
,+
±£»¤ ½â³ý¡¡
2 ¸É
H3O,O
OHOH
O
O
OH
+ +
±£»¤ ½â³ý¡¡
（ 3 ）醛基或酮羰基
生成缩醛或缩酮，酸性水解解除保护：
（ 4 ）羧基
OH , H2OR OHC
O
OH
, H+
C
O
ORC
O
OH±£»¤ ½â³ý¡¡
转化成酯，碱性水解解除保护：
（ 5 ）氨基
H+
NH NH2
OHNH
±£»¤
+
½â³ý¡¡
转化成酰胺，酸性或碱性水解解除保护：
H+
C
O
CH3NOH
NH(CH3CO)2O H2O ,
NH±£»¤ ½â³ý¡¡
»ò
转化成铵盐，加碱将氨基游离出来解除保护：
C CH3
OH
CH3(2) 以丙炔和苯为原料合成
Br MgBr
Br2
Fe
Mg
ÎÞ Ë®ÒÒÃÑ
CH3COH2
H+
Hg2+ C CH3CH3
O
CH
MgBr
OH2
H+C CH3
OMgBr
CH3
C CH3
OH
CH3C CH3CH3
O ÎÞ Ë®ÒÒÃÑ
+
16.2.6 有机合成实例
CH3
CH3
C CH3CH3CCH3CCH3
O
(1)
C CH3CH3
O
H2, NiCH CH3CH3
OH
Mg
(C2H5)2OCH CH3CH3
MgBr
PBr3 CH CH3CH3
Br
CH3
CH3
C CH3CH3CH
OH
CH3COCH3 H3O H+
CH3
CH3
C CH3CH3C+
CH2 CH2CH3CH CH2
CH3
CH3CH2CCH2CH2OH
CH3
BrHCH2 CH2
CH3CH2Br
BrH
Mg
CH3
CH3CH2CCH3
MgBr
O
H3O
CH3
CH3CH2CCH2CH2OH
CH3
¢Ù ¢Ù
¢Ú ¢Ú¸É ÒÒÃÑ +
CH2 CH2
O2
AgO
CH3CCH3CH3CH CH2
O2
PdCl2-CuCl2O
H3O
CH3Mg
CH3CH2Br CH3CH2MgBrCH3CCH3
O
CH3CH2CCH3
OH¸É ÒÒÃÑ
¢Ù
¢Ú+
(2)
CH3CH2CHO CH3CH2CH2CH(CH3)2(3)
CH3CH2CHOOH
CH3CH2CH C CHO
CH3
2Ï¡ ¢Ù
¢Ú
KOHNH2NH2 ,
(HOCH2CH2)2O ,CH3CH2CH C CH3
CH3
CH3CH2CH2CH(CH3)2
H
Ni
2
CHCOOH(CH3)2CH
CH3CH2
CH2 CH2CH3CH CH2(4)
CH2 CH2
BrHCH3CH2Br
CH3CH CH2
BrH(CH3)2CHBr
CH2(COOC2H5)2
C2H5ONa C2H5ONa
CH3CH2Br(CH3)2CHBrC(COOC2H5)2
(CH3)2CH
CH3CH2
¢Ù
¢Ú
¢Ù
¢Ú
CHCOOH(CH3)2CH
CH3CH2
OH
H+
¢Ù
¢Ú
(5) 以乙烯为原料，经丙二酸二乙酯法合成己二酸。
CH2 CH2 Br2BrCH2CH2Br+
CH2Br
CH2Br
CH2(COOC2H5)2
CH2(COOC2H5)2
CH2CH(COOC2H5)2
CH2CH(COOC2H5)2
C2H5ONa+
NaOH
OH2
CH2CH(COONa)2
CH2CH(COONa)2
H+ CH2CH(COOH)2
CH2CH(COOH)2CO2
CH2CH2COOH
CH2CH2COOH
CH3
BrBr
CH3
(6)
Br2/H2O
NH2
BrBr
CH3
CH3
HNO3
H2SO4
NO2
CH3
Fe + HCl
NH2
CH3
NaNO2 , H2SO4BrBr
N2
CH3
CH3
BrBr
H3PO2
+
O
CH CCH2CH2Br CH3CCH2CH2CH2CH2OH(7)
O
H3O
H+ C
O
CH2CH2BrCH3CH CCH2CH2Br
CH3CCH2CH2CH2CH2OH
OH2
HgSO4 ,
,OHOH
H+
C CH2CH2BrCH3
O O
MgC CH2CH2MgBrCH3
O O
O¸É¡¡ÃÑ
+
为避免格利雅试剂和羰基反应，在制备格利雅试剂之前先将羰基保护起来。
OH
Ph
Ph
Ph
分析：一般而言，含杂原子 ( 如 O 、 N 等 ) 的分子，碳- 杂键附近的 C-C 键先切断，合成醇最常用、最有效的方法是利用格氏试剂和羰基化合物的反应。
合成路线设计为：
【例 16-2 】设计 的合成路线。
O2N
CHO
O2N
CHOCH3CHO+
分析： α ， β- 不饱和醛 ( 酮 ) 的切断一般在双键处进行，制备方法常用羟醛缩合反应。
合成路线设计为：
【例 16-3 】设计 的合成路线。O2N
CHO
O2N
CHO
O2N
CHOCH3CHO
KOH
CH3OH+
分析： 1 ， 3- 二羰基化合物的切断在两个羰基之间进行，连接方法常用克莱森缩合反应。
合成路线设计为：
【例 16-4 】设计 的合成路线。Ph
Ph
COOEt
O
分析：丙二酸二乙酯与二卤代烃的烃化反应，常用于制备四员环。
合成路线设计为：
COOH【例 16-5 】设计 的合成路线。
O
Ph
OH
O
PhPh
OHO
PhMgBr+
Ph
Ph
OH
OMg, (C2H5)2O
H3PO4O3, H2O2
Br MgBr
O
Ph COOH
分析： 1,6- 二羰基化合物可由环己烯或其衍生物氧化而得。
合成路线设计为：
O
Ph COOH【例 16-6 】设计 的合成路线。
16.3 现代有机合成技术简介
微波的波长为 0.1 ～ 100cm 之间。在液体中电介质分子的偶极子转向极化的弛豫时间与微波交变电场振动一周的时间相当，因此，当微波辐照溶液时，溶液中的极性分子在与周围其他分子的碰撞中把能量传递给其他分子，从而使液体温度升高。因液体中每一个极性分子都同时吸收和传递微波能量，所以升温速度快，且液体里外温度均匀。 由于微波加热的直接性与高效率，往往使介质内部产生过热现象。故微波可加速化学反应。
16.3.1 微波辐照有机合成
微波有机合成反应容器一般采用不吸收微波的玻璃或聚四氟乙烯材料
根据微波加热介质原理，反应时溶剂的选择十分重要。为了使体系能有效地吸收微波能量，一般选用极性溶剂作为反应介质，溶剂可以是低沸点的醇、酮和酯等，溶于水的化合物以水作溶剂则更具有吸引力。高沸点极性溶剂加热效率更高，常用的有氯苯、邻二氯苯和 DMF 等。 DMF 具有较大的优越性，因为反应时如有水产生可与 DMF 混溶而不致分层。
微波有机合成反应中溶剂的选择：
微波有机合成的特点： 加快反应速度提高反应产率
醇 合成方法 反应温度/℃
反应时间 /min
平均产率/%
甲醇普通加热法 65 300 74
微波法 134 5 76
1 －丙醇普通加热法 97 240 78
微波法 135 6 79
1 －丁醇普通加热法 117 60 82
微波法 135 7.5 79
苯甲酸与醇的酯化反应普通加热法与微波法比较
16.3.2 有机声化学合成
空穴效应：超声波作用于液体时，波的周期性波动对液体形成压缩和稀疏作用，从而在液体内形成过压位相和负压位相，达到一定程度会使液体形态被破坏。声压大于静压时，液体内部产生负压。当负压足够大时，即当声波的能量大到中以使分子部距超过使分子保持液态所必需的临界距离时，液体内部会产生肉眼难以观察的微波气泡或空穴。
不稳定空穴存在时间一般为一个或几个振动周期，其体积随后迅速膨胀并破裂，在破裂瞬间产生高温高压，形成高能环境、强冲击波和微射流，空穴充电放电、发光等，引起分子热解离、分子离子化及产生自由基等，从而导致一系列化学变化。
超声波的许多次级效应，如机械振荡、乳化及扩散等，可加速反应传热及传质过程，促进反应进行。
声化学合成原理：
微波有机合成的特点： 加快反应速度提高反应产率
CH3(CH2)5CH CH3
OH
KMnO4 ,CH3(CH2)5
CH3
O
CU.S. 5h
¼ºÍé¡¡
,
92%
n-C7H15CH2OHHNO3
n-C7H15COOHU.S. ,
60%
ÊÒÎÂ , 20min
100%
声化学合成实例：
CH3
CH3
CH3
CH3
Pd/C , HCOOH CH3
CH3
CH3
CH3
CH CHC C20¡æ, 1h , U.S.
Br2 , Fe
Br
Br
20min , U.S.
95 ～ 100%
80%
声化学合成实例：
16.3.3.1 以水为溶剂的反应 水溶剂操作简便、使用安全以及水资源丰富，成本低廉，不污染环境等独特的优点诸如使之成为潜在的、环境友好的反应介质。此外，水溶剂的一些特性对某些重要有机转化是十分有益的，有时甚至可提高反应速率和选择性。
16.3.3 使用环境友好溶剂及无溶剂有机合成
以己烷或苯作为溶剂却没有产物生成
(水相中 )
超临界流体 (Supercrtical fluid) 是指处于临界温度及临界压力下的流体，它是一种介于气态与液态之间的流体状态，其密度接近于液体 (比气体大约 3 个数量级 ) ，而粘度接近于气态 (扩散系数比液体大 100倍左右 ) 。由于这些特殊性质，超临界流体在萃取、色谱分离、重结晶以及有机反应等方面表现出特有的优越性。
16.3.3.2 超临界流体作为反应溶剂
最常见的是超临界二氧化碳：
临界点温度为 31.06 ℃，压力为 7.38MPa
临界压力和温度适中、来源广泛、价廉无毒
优点：
在常压和远高于临界压力时，产物 A占优势，而在 CO2 的临界点附近时，产物 B为主要产物
16.3.3.3 离子液体作为反应溶剂 阳离子液体是指完全由离子构成，在低温下 (<100 )℃ 呈液态的物质。离子液体是一类独特的反应介质，可用于过渡金属催化的反应，利用用其不挥发的优点，可方便的进行产物的蒸馏分离。此外，它们具有物理化学性质可调节的特点，利用这些特点可在许多场合减少溶液用量和催化剂，因而是一类绿色溶剂。
[bmim]+ [emim]+ [bmim]+
Fe
CH3C
CH3C
O
O
O[emim]Cl-AlCl3
OCCH3
CH3CO
Fe
O
O
+
酸性功能的室温离子液体兼有固体酸和液体酸的特点，还可以起到酸催化剂的作用。如离子液体[emim]Cl-AlCl3既是溶剂又是催化剂，用于芳烃的乙酰化，产率、选择性都好于在传统溶液中的反应结果。如二茂铁进行乙酰化，主要产物是二乙酰化产物：
16.3.3.4 固态反应（干反应）
固态反应是在无溶剂作用的新颖化学环境下进行的反应，有时可比溶液反应更为有效和达到更好的选择性。这种干反应可在固态时进行，也可在熔融态下进行，有时需要利用微波、超声波或可见光等非传统的反应条件。如：
