专题讲座绿色有机合成.pptx

为什么反应时要使用溶剂?溶解反应物质.减慢或加速反应进程.作为热浴和传热介质 防止反应时热的散失1有机反应溶剂的选择要比离子液体和氟溶剂廉价挥发性-它需要较少的能源，以消除溶剂蒸发。溶剂可以通过蒸馏回收，较少废物.调节-大多数国家已经有限制释放挥发性有机化合物的工业要求。有机溶剂的优点0403809 Green Chemistry Chapter 4:Green Chemistry in Organic Synthesis Z.WengJune 2010有机溶剂的缺点 有机溶剂在化工行业受到广泛关注，因为在合成、加工以及分离时都用到大量的溶剂：有机溶剂价格昂贵有机溶剂需要严格监管。许多有机溶剂易挥发，易燃，有毒.溶剂选择A.无溶剂反应B.非有机溶剂体系C.加工技术 什么是绿色溶剂?低毒性 容易回收(无废弃物)进一步应有的特点:-容易从反应物中分离 -低反应活性 驱动力:残留溶剂使用时被患者接触吸收 决不能使用的溶剂:苯,死氯化碳,1,2二氯乙烷，1,1二氯乙烷,如果不可避免时，可以使用得溶剂(残留在产品中):正己烷，甲苯，二氯甲烷，二恶烷，吡啶，甲醇,.首选溶剂：水，超临界co2，庚烷，甲基叔丁基醚，乙酸乙酯，叔丁醇，乙醇，.医药行业溶剂使用的限制绿色溶剂例如：乳酸乙酯 低毒，生物降解;被FDA批准作为食品添 加剂Bennett,J.S.Green Chem.2009,11,166.ROHOMeH2NROMe90-94%Ethyl lactate+r.t.orgentle heatORH2NEthyl lactate/H2Or.t.NR+4:197-98%Preparation of Aryl Aldimines没有任何反应介质需要收集，净化，回收.可以极大地缩短反应时间.降低所需的能量.大大减少批量的次数和量。.价格低廉.无溶剂的Diels-Alder反应 Hendrix College 二烯烃与烯烃反应(top left).不需要溶剂或加热，搅拌作用下10分钟有晶体出现。.Ritter,S.K.Chem.Eng.News 2007,85(22),38.2 无溶剂有机合成优点无溶剂反应的方法整洁-一起始反应试剂中没有液相。.固相合成-两个宏观固体直接互动，形成第三种固态产物，没有一个液态或气态的参与交叉羟醛缩合The Crossed-Aldol Condensation无溶剂的原子经济性反应:Hutchison,J.E.et al.J.Chem.Educ.2009,86,488.Examples-NeatExamples 固相反应 氧化 还原卤代反应 and氢卤化作用 s Michael 加成 and Aldol加成 消除反映 2+2,4+2,and 6+2环加成反应 交叉羟醛缩合See:Tanaka,K.;Toda,F.“Solvent-Free Organic Synthesis”Chem.Rev.2000,100,1025-1074.固相反应的限制并非所有反应都能在无溶剂条件下进行.需要功能化催化剂.放热反应有潜在的危险某些反应需专门设备 如果需要用水或有机溶剂提取产物则反应的绿色化作用受到限制3.1 液态以及超临界液态以及超临界 CO23.2 离子液体离子液体3.3 Fluorous Phase Chemistry3.4 水水3 使用非有机溶剂体系McKenzie,L.C.;et al.Green Chem.2004,6,355.3.1 液态 CO2 作为绿色萃取溶剂超临界 CO2超临界的含义?Supercriticalregion 兼具气态以及液态的特性.在液体状密度，超临界co2具有低粘度，高扩散率。超临界相有高的可压缩性，溶剂性能受到温度和压力的微小变化而发生变化。可在标准高压设备制备，无论在实验室或工业规模。无毒，不易燃，廉价的.非质子，一般不起化学反应。产品分离，干燥可通过简单的减压实现。CO2 重复回收和使用.scCO2的性质scCO2商业应用 天然产物提取 合成高分子 干洗利用超临界co2脱除 茶、咖啡、可可含有的咖啡因 由于健康或其他理由可以选择不含咖啡因的咖啡Decaffeinated超临界二氧化碳来代替从咖啡豆中提取咖啡因二氯甲烷是一种绿色化学实践相较于二氯甲烷,二氧化碳无毒，不会造成环境问题 加氢 烯烃醛化 光化学和自由基反应 Dies-Alder 环化反应 氧化钯介导的偶合生物转化 在有机合成化学超临界CO2 作为溶剂的例子For a review,see:Oakes,R.S.et al.“The Use of Supercritical Fluids in Synthetic Organic Chemistry”J.Chem.Soc.,Perkin Trans.1,2001,917941.很多物质在scCO2中溶解受到限制.加入有机溶剂可增加溶解能力，但这回会使绿色化程度降低。亲二氧化碳表面活性剂正在开发 比较昂贵而且反应后需要从产物中除去scCO2的限制3.2 离子液体有机盐的熔点低于 100 C,经常低于室温.离子液体的性质对于有机和无机材料的均是应用广泛的良好溶剂 有成为具有高度极性但非配位性溶剂的潜力 通过改变阳离子和阴离子，离子液体可以根据具体应用调整.可能使反应速率的提高，选择性提高和产量提高 热稳定性高通常与有机溶剂和/或水不混溶无蒸汽压不易燃 可回收疏水疏水1-乙基乙基-3-甲基二甲基二（三氟甲基）（三氟甲基）-磺酰磺酰酰胺（瓶底相）通过蓝色水与同样疏水的壬酰胺（瓶底相）通过蓝色水与同样疏水的壬烷分开。烷分开。Heck 反应1 Friedel-Crafts 反应2 Diels-Alder反应3加氢反应4 离子液体已被用于各种反应1.Carmichael,A.J.;Earle,M.J.;Holbrey,J.D.;McCormac,P.B.;Seddon,K.R.Org.Let.1999,1,997.2.Adams,C.J.;Earle,M.J.;Roberts,G.;Seddon,K.R.Chem.Commun.1998,2097.3.Earle,M.J.;McCormac,P.B.;Seddon,K.R.Green Chem.1999,1,23.4.(a)Fisher,T.;Sethi,A.;Welton,T.;Woolf,J.Tetrahedron Lett.1999,40,793.(b)Adams,C.J.;Earle,M.J.;Seddon,K.R.Chem.Commun.1999,1043离子液体的局限性 与有机溶剂相比非常昂贵(100到1000倍).经常需要制备，制备过程经常要使用溶剂.需要使用溶剂将产物从离子液体中提取出来.再重复使用前需要用水冲洗3.3 含氟溶剂FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFPerfluorous solventsPdClClPPC8F17C8F1733Perfluorous catalystFIFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFIPerfluorous tagsperfluorodecalinFFFFFFFFFFFFFFFFFF 对其它含氟化合物亲和性极好.在 scCO2中溶解性非常好.与水以及常见有机溶剂在室温下不混溶 温度升高时与常见溶剂互溶 化学活性惰性.这些性质好还是坏?氟溶剂的物理性质 用于含氟催化剂和化合物的回收以及循环使用。氟两相有机合成.含氟溶剂的使用底物催化剂加热产物催化剂底物冷却产品催化剂催化剂产品有机相氟相氟两相催化反应的机理用氟溶剂的有机反应Knochel,P.et al.Angew.Chem.Int.Ed.1997,36,1454.Pozzi,G.et al.Chem.Commun.1997,69.RunYieldTON190%854283%785381%770Gladysz,J.A.et al.J.Am.Chem.Soc.1999,121,2696.含氟溶剂中硼氢化反应反应完成后，产物分离后含氟相的催化剂可重复使用 回收昂贵催化剂比较简单 和其它两相反应互补.容易分离.设计新型催化剂和反应试剂在组合化学中可替代固相反应.无毒?含氟溶剂的优点含氟溶剂的缺点 含氟溶剂以及试剂非常昂贵.仍然需要用第二相作为反应介质 水 对于大多数有机合成是一个坏的反应介质吗？3.4 在水相进行有机反应世界上大多数的化学反应发生在水相中 Diels-Alder 反应1 Claisen-重排2 Aldol 反应3烯丙基化反应 4 氧化反应5加氢 6水相反应1.Rideout,D.C.;Breslow,R.J.Am.Chem.Soc.1980,102,7816.2.Gajewski,J.J.In Organic Synthesis in Water;Grieco,P.A.,Ed.;BlackieAcademic&Professional:London,1998.3.Kobayashi,S.In Organic Synthesis in Water;Grieco,P.A.,Ed.;BlackieAcademic&Professional:London,1998.4.Lu,W.;Chan,T.H.J.Org.Chem.2001,66,3467.5.Fokin,V.V.;Sharpless,K.B.Angew.Chem.,Int.Ed.Engl.2001,40,3455.6.Nagel,U.;Albrecht,J.Top.Catal.1998,5,3.成本 水是最廉价的溶剂.安全性 没有比水更安全的溶剂.某些反应在水中进行效果更好.为什么用水作为溶剂?有些反应在水中无法进行 对大多数有机化合物溶解性很差.使用水-有机溶剂的混合溶剂、控制pH值、加入表面活性剂、亲水性助剂等可增加溶解性水作为溶剂的局限性 产品需要在有机溶剂中进行纯化.这会产生含有有机溶剂的污水，必须妥善处置.水在绿色化学中作用4微波辅助的合成 反应速度快=缩短反应时间 反应清洁=纯化步骤减少废弃物减少 水、乙醇、丙酮等相对“绿色化溶剂”是微波辅助合成的良溶剂 溶剂用量减少 每次反应仅需0.5-5mL 低能耗 (最大=300w,典型反应功率 20w)微波辅助合成举例微波辅助合成举例 微波辅助合成举例 微波在Suzuki交叉耦合反应中的使用 Leadbeater,N.E.et al,Org.Lett.2002,4,2973.微波Sonogashira交叉耦合 微波介导的Suzuki交叉偶合反应，不需要过渡金属催化Leadbeater,N.E.et al,Angew.Chem.Int.Ed.2003,42,1407.5 点击化学“运用少数近乎完美的反应，使不同功能的分子快速，高效的组装，它保证产品具有可靠的高产量和纯度”-Sharpless,B.et al,Chem.Bio.Chem.2003,4,1246.“反应具有.产量高，反应条件简单，无需除氧气和水，产品分离简便”Frechet,J.J.Am.Chem.Soc.2004,126,15020.Sharpless,B.K.Angew.Chem.Int.Ed.2001,40,2004.符合“点击化学”标准的反应铜催化的叠氮/炔环加成反应,Huisgen的1,3偶极环加成反应Thermodynamic and kinetically favorable(50 and 26 kcal/mol,respectively)RegiospecificChemoselective107 rate enhancement over non-catalyzed reactionTriazole stable to oxidation and acid hydrolysisSharpless,B.K.et al.Angew.Chem.Int Ed.2002,41,2596.Synthesis of HIV Protease InhibitorSynthesis of HIV Protease InhibitorFolkin,V.V.et al.J.Med.Chem.2006,49,7697.Fokin,V.V.et al,Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,8285.钌催化腈氧化物和炔烃成环加成反应：异恶唑合成实践