第五节-绿色化学与精细有机合成

2020/11/51第五节绿色化学与精细有机合成2020/11/52Contents绿色化学化工过程的评价体系一绿色原料2溶剂的革命3绿色催化剂4优新合成路线5组合化学62020/11/53一、绿色化学化工过程的评价体系1、环境因子（E-因子）和环境商值（EQ）1992年，荷兰有机化学家Sheldon提出了“E-因子”的概念。RogerA.Sheldon2020/11/54E-因子（用来衡量化工流程排废量）定义为：每生产1kg产品的同时产生的废弃物的量（kg），即E-因子=废弃物总重/产品重（废弃物指目标产物以外的所有副产物）E-因子越大，废弃物越多，越糟糕！E-因子为0最理想！！2020/11/55不同化工部门的E-因子可见，精细化工（如染料）和制药工业的E-因子大；产品的生产规模越小，E-因子越大。工业部门产品（吨）E-因子炼油106-108~0.1基本化工104-1061—5精细化工102-1045—50制药101-10325—1002020/11/56环境商值EQ：评价一个化工过程“绿色性”的重要指标，综合考虑废物的排放量和废物在环境中的毒性行为环境商EQ=E×Q式中E即为E－因子，Q为根据废物在环境中的行为给出的对环境不友好度2020/11/57例如：无害的氯化钠（NaCl）和硫酸铵[(NH4)2SO4]Q值=1，则重金属[如铜（Cu）、汞（Hg）等]离子的盐类基于其毒性大小，Q值=100-1000。环境商值愈大，废物对环境的污染愈严重，因此EQ值的大小是化学工程师衡量或选择合理生产工艺的重要因素。2020/11/58在传统上，化学危险物的定量评价是用“致命剂量50”（LD50）来衡量的。LD50一般以毫克（物质）/千克（体重）为单位，代表了使动物（通常是白鼠）种群一次口服、注射或皮肤涂抹药剂后，产生急性中毒而在一周内有一半致死时所需该药剂的用量。Q:通常用“致命剂量50”（LD50）作为参考。LD50（上）2020/11/59不同物质的LD50（单位：毫克/千克）物质名称LD50物质名称LD50水（H2O）180000砒霜（As2O3）15蔗糖35000黄曲霉毒素10氯化钠（NaCl）3750沙林（神经毒气之一）0.4咖啡碱130破伤风毒素A5×10-6氰化钾（KCN）15肉毒杆菌毒素3×10-82020/11/5102、原子经济性（原子利用率）1991年，美国著名有机化学家Trost提出了“原子经济性（原子利用率）”的概念我国陆熙炎院士自1993年起，在国内首先提倡和践行“原子利用率”等绿色化学概念2020/11/511产率的计算，是基于分子摩尔的概念：如果一摩尔的原料产生了一摩尔的所要产物，那么产率是100%。（1）“产率”的缺陷在生成每一摩尔产物的同时，也可能会产生一摩尔或更多摩尔的废物；而且，所得废物的分子量可能会比所要产物的分子量大许多倍。只用百分产率来计算时体现不出这些废物的产生的。2020/11/512用一个传统的例子，即Wittig反应（1979年诺贝尔化学奖成果）来说明这种计算产率的方法的缺点。Wittig反应:利用羰基化合物合成烯烃-环外双键的方法2020/11/513在Wittig反应中，虽然引入基团的分子量（CH2，14）远远低于生成废物的分子量（Ph3P=O，278），而这个反应的产率仍有可能达到100%。OCH2Ph3P=CH2Ph3P=O++neededwasteproduct9896（总）276（总）278正是因为存在着这样一个矛盾，原子经济的概念被应用。2020/11/514——比E-因子更便于理论判断。（2)原子经济性衡量标志——原子利用率原子利用率=（预期产物的分子量／反应物质的原子量总和）×100%原子利用率越高，反应产生的废弃物越少，对环境造成的污染也越少。2020/11/515理想“原子经济性”反应：原子利用率为100%。最大限度利用原料；最大限度减少废弃物的生成，减少了环境污染2020/11/516（3）高效催化、设计新的合成路线、采用新的合成原料是提高原子经济性的有效方法2020/11/517A+B=C+D主产物副产物绿色有机合成应该是原子经济性的，即原料的原子100%转化成产物，不产生废弃物。如Diels-Alder反应就是一个原子经济性的反应:原子利用率=[82／(28+54)]×100%=100%它往往是废物，可成为环境的污染源2020/11/5186.2绿色原料6.2.1用碳酸二甲酯(非毒性)代替硫酸二甲酯(剧毒)硫酸二甲酯(CH3)2SO4：一种常用的甲基化试剂，有剧毒且具有致癌性。目前，在甲基化反应中，可用非毒性的碳酸二甲酯代替硫酸二甲酯(剧毒)。2020/11/5196.2.2用CO、CO2代替光气光气(学名：二氯化碳酰,有干草味)是一种剧毒的气体，曾在军事上用作化学武器。但它是合成碳酸二甲酯、异氰酸酯、氨基甲酸酯等重要工业原料的试剂。2CHCl3+O2=2HCl+2COCl2(光气)光气泄露后用水雾吸收，光气很容易水解：COCl2+H2O=2HCl+CO22020/11/5206.2.2.1碳酸二甲酯的合成老方法新方法2020/11/5216.2.2.2氨基甲酸酯的合成氨基甲酸酯是毒性较低的农药，也是重要的中间体，传统工艺以胺和光气合成。Riley,McGhee等用CO2和胺反应直接生成异氰酸酯和氨基甲酸酯。异氰酸酯氨基甲酸酯2020/11/5226.2.3用安全的原料代替氢氰酸氢氰酸（HCN）沸点为25.7℃，在室温下是液体或气体，剧毒，空气中最高容许浓度为0.3mg/m3,当浓度达到300mg/m3时,可使人立即死亡。以氢氰酸为原料的传统合成:1)有机玻璃的单体-甲基丙烯酸甲酯反应经三个步骤得甲基丙烯酸甲酯，其中第二步反应的副产物也是氢氰酸，因此是环境不友好的。2)晴纶的单体-丙烯晴传统的合成方法2020/11/523美国壳牌公司用丙炔-钯催化甲氧碳基化合成甲基丙烯酸甲酯。新合成路线避免使用氢氰酸和浓硫酸，且原子利用率达到100%，是环境友好的。甲基丙烯酸甲酯2020/11/5246.2.4CO2为原料合成甲醇、乙醇不少化学家致力于CO2的利用，探索以CO2为原料催化合成甲醇、乙醇的方法。CO2加氢时，上述三个反应同时进行。但在不同催化剂条件下，主产物不同。如：钌和镍铂和钯2020/11/5256.2.5以生物质为原料的有机合成今天，95%以上的有机化学品来自石油，但是，地球上的煤和石油是有限的和不可再生的。因此，如何利用生物质为原料生产人类需要的化学品就成为绿色有机合成的战略任务。很久以前，人类就懂得用淀粉发酵制酒，这是最古老的以生物质为原料的合成。地球上最多的生物质是木质纤维素，如农作物的稻杆、麦杆、高粱杆、玉米杆等，单中国每年就有15亿吨，其中除少量用于造纸外，大部分都烧掉，既污染环境又造成浪费。2020/11/526如果能把它们转化成化学品，可制取1）2～3亿吨乙醇;2）8000万吨糠醛;3）3亿吨木质素，创造数百亿元的价值，既保护环境又造福社会。1999年，美国的Biofine公司获得美国总统绿色化学挑战奖之小企业奖。他们的获奖项目是把废纤维转化成乙酰丙酸。视频-3石油的替代品——生物质能源.flv视频-4生物质能——发电.flv废纤维造纸废物、城市固体垃圾、不可循环使用的废纸、废木材和农业残留物乙酰丙酸(产率70%～90%)副产品甲酸和糠醛200～220℃处理15分钟2020/11/5276.3溶剂的革命有机溶剂由于挥发性大、毒性大而成为有机合成工业的主要污染源，环境友好的有机合成应该尽量不用或少用有机溶剂。美国总统绿色化学挑战奖的奖项之一就是改进溶剂和反应条件奖。2020/11/5286.3.1超临界CO2作溶剂超临界流体是指处于超临界温度及压力下的流体，它介于气态和液态之间，密度接近于液体而粘度与扩散系数接近于气体，因而在萃取、分离、重结晶及合成反应中表现出特有的优越性。超临界CO2尤以临界温度及压力适中、无腐蚀不燃烧、廉价无毒而得到广泛应用。2020/11/529超临界CO2流体是一种与水相似、能阻燃、溶解能力强的溶剂，被誉为“绿色环保溶剂”。下列有关它的说法错误的是A．它作为“绿色环保溶剂”能代替许多有害、有毒、易燃的有机溶剂B．超临界CO2流体是一种特殊的物质，带火星的木条可以在其中复燃C．CO2是自然界中存在的物质，它参与自然界的碳元素循环D．超临界CO2流体与干冰的组成相同2020/11/530表6.3.1超临界萃取的应用应用范围应用类别医药工业中草药有效成分的提取、分离，药品原料的浓缩、精制食品工业啤酒花、动植物油、咖啡因、植物色素的提取化妆品、香料工业天然香料、合成香料的分离和精制，化妆品原料的萃取2020/11/5316.3.1.1超临界CO2在有机物萃取中的应用超临界CO2萃取与传统萃取工艺比较，具有优点:萃取时间短、萃取费用少、萃取更彻底、可进行热敏感样品及痕量组分萃取等优点，特别适合于不稳定天然产物和生物活性物质的提取、分离，生产出近于完美的绿色产品。2020/11/5326.3.1.2超临界CO2用作有机合成的溶剂非对称烯烃加氢时得到一对旋光对映异构体，而合成的目标只是其中一个。临床上，旋光性药物往往一种对映体有效，另一种无效甚至有毒。所以，合成出消旋的药物不但原子利用率低，而且由于对映体的物理、化学性质非常接近，其分离、提纯非常困难。由此，旋光选择性在制药工业中显得特别重要。Burk小组以超临界CO2作溶剂，提高不对称氢化的选择性。对映体过量百分数2020/11/533表6.3.2以超临界CO2作介质的聚合反应反应方式反应体系相对分子质量溶液聚合均聚FOA共聚FOA+MMAFOA+St2.7×105分散聚合共聚MMA2.7×105沉淀聚合自由基型丙烯酸离子型异丁烯1.5×105乳液聚合丙烯酰胺7.1×106全氟代辛基丙烯酸酯(FOA)2020/11/5346.3.2以水作溶剂有机化合物多数极性较低，水溶性很小，所以，多数有机合成反应都在有机溶剂中进行。然而，水是最廉价、无毒、环境友好的。因此，水相反应成为绿色有机合成的一个热点，而且研究结果表明，用水作溶剂在某些反应中，比有机相中反应可得到更高的产率或立体选择性。2020/11/5352000年，T.A.Bryson报道以甲酸钠为还原剂，在250～350℃，约1300Psi，以水为溶剂，不需要其他共溶剂或催化剂，可把醛和一些酮还原成醇。2020/11/536又如醛在酮存在下，用四丁基铵氰硼化氢在酸性HMPA或NaBH(S′Bu)3中，可极好地还原，但副产物对环境有害。而以水为溶剂，用3摩尔量的甲酸钠还原醛和酮，反应结束后，只需把有机物与水分离，蒸馏可得产物。2020/11/5376.3.3固相合成水相反应避免了有机溶剂对环境的污染，但在工业生产中，废水若处理不当仍会产生环境问题。固相反应则是在无溶剂的条件下反应，能在源头上阻止污染物。目前研究成功的固相反应，显示了节省能源、无爆燃性等优点，且产率高、工艺过程简单，某些反应还具有立体选择性。固相反应包括杂环脱氢、烯烃环氧化臭氧化、醇氧化、硫醚氧化、酚氧化等；固相还原包括醌、酯、醛和环氧丙烷还原成醇，烯炔还原成烷，硝基、叠氮化合物还原成胺等都相当成功。2020/11/538β-萘酚在FeCl3的作用下，偶联成2，2-二羟基-1，1-联萘。偶联反应Jump反应在液相进行，收率低又伴随副产物醌的生成；50℃反应2小时再经稀HCl洗涤产率为95%固相反应2020/11/539长期以来，由于思想的束缚，人们一直认为固体间的化学反应必须在溶剂相中进行，直到环境的恶化给地球带来的灾难到了如此严重的地步，才反过来寻求环境友好的合成方法。今天，固相合成方法便成为有机合成的一个焦点，在组合化学中，为筛选高效的医药、农药、催化剂等作出巨大的贡献。2020/11/5406.4绿色催化剂近年来，一些价廉易得、无污染、无腐蚀性的固体支持剂如沸石、分子筛、硅胶、石墨、树脂等广泛用作有机合成的催化剂