有机合成实现绿色合成的途径

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一、绿色合成的目标及其研究方向

化学作为自然科学的一个重要领域，在丰富人类知识宝库和满足人们衣食往行等各方面需求中，发挥着积极的和不可替代的重要作用。然而无可讳言的是，由于在化学过程中以适当地使用对人类健康和对环境有害的原料和溶剂以及污染性废物的大量排放，一些化学过程也给人类的健康和生活环境带来了严重的不利影响。为此，人们相继提出了绿色化学理念，其目的是在继续发挥化学的积极作用的同时而将其危害人类健康和人类生存环境的负面影响减少到最小。有机合成作为化学合成的重要组成部分，在绿色化学中居于举足轻重的地位；在绿色化学及其理念指导下，最终要实现绿色合成。绿色合成的目标应当是实现符合绿色化学要求的理想合成。

实现理想合成，有三个定量指标：原子经济性、环境因子和环境商。

1．原子经济性

原子经济性概念认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每个原子，使之结合到目标分子中，以实现最低排放甚至零排放。原子经济性可用原子利用率来衡量：

原子利用率＝（预期产物的分子量／全部生成物的分子量总和）×100％

原子经济性的特点是最大限度地利用原料和最大限度地减少废物的排放。

2．环境因子（Ｅ）

环境因子和环境商都是由荷兰有机化学家ｓｈｅｌｄｏｎ提出来的。Ｅ—因子是以化工产品生产过程中产生的废物量的多少来衡量合成反应对环境造成的影响。

Ｅ－因子＝废弃物的质量（ｋｇ）／预期产物的质量（ｋｇ）

这里的废弃物是指预期产物之外的所有副产物，包括反应后处理过程产生的无机盐等。显然，要减少废弃物使Ｅ—因子较小，其有效途径之一就是改变经典有机合成中以中和反应进行后处理的常规方法。

3．环境商（ＥＱ）

环境商（ＥＱ）是以化工产品生产过程中产生的废物量的多少、物理、化学性质及其在环境中的毒性行为等综合评价指标来衡量合成反应对环境造成的影响。

ＥＱ＝Ｅ×Ｑ

式中Ｅ为Ｅ—因子，Ｑ为根据废物在环境中的行为所给出的对环境不友好度。ＥＱ值的相对大小可以作为化学合成和化工生产中选择合成路线、生产过程和生产工艺的重要因素。

为此，Ｗｅｎｄｅｒ教授认为：一种理想合成是指用简单的、安全的、环境友好的、资源有效的操作，快速、定量地把价廉、易得的起始原料转化为天然或设计的目标分子。这正是绿色合成的目标。

目前，绿色合成研究的方向是清洁合成、提高反应的原子利用率、取代化学计量反应试剂（如在催化氧化过程中只以空气中的氧气作为氧源）、新的溶剂和反应介质、危险性试剂替代品（如使用固态酸以取代传统的腐蚀性酸）、充分的反应过程、新型的分离技术、改变反应原料、新的安全化学品和材料、减少和最小化反应废弃物的产生等。

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二、有机合成实现绿色合成的途径

绿色合成的目标已为有机合成实现绿色合成指明了方向。近年来，实现绿色合成的研究工作在不断进行，几种可行的途径已隐约可见。

1．使用环境友好催化剂，提高原子利用率

有机合成中，减少废物的关键是提高原子利用率，所以在选择合成途径时，除了考虑理论产率外，还应考虑和比较不同途径的原子利用率。如环氧乙烷的合成：

两步完成，原子利用率为25％。

催化方法：

一步完成，原子利用率为100％。

又如二联苯的合成，常规方法是以ＰｄＣｌ２为催化剂，以含苯基的有机汞化合物为原料在吡啶中进行，但操作过程较为复杂，原子利用率低。若以具有高反应活性的ＧａＰ纳米晶为催化剂，就可以直接以苯为原料，一步合成得到二联苯。

再如对硝基苯甲酸乙酯的合成，常规方法是以浓硫酸为催化剂来合成的。这种方法，虽然催化剂（浓硫酸）价廉、活性高，但反应复杂，副产物多，且浓硫酸腐蚀设备、污染环境。如果以价廉易得、性质稳定安全的苯磺酸为催化剂来合成就可以克服这些缺点，且产率可达98．6％。

可见，在有机合成中，选择合适的、环境友好的催化剂，则可以开发新的合成路线，缩短反应步骤，提高原子利用率。

2．使用环境友好介质，改善合成条件

传统的有机合成中，有机溶剂是最常用的反应介质，但是有机溶剂的毒性和难以回收又使之成为对环境有害的因素。理想的有机合成，可以水为介质进行；可用超临界液体为介质进行；可在无溶剂存在下进行；可以离子液体为介质进行等。

①在有机合成中，用来代替有机溶剂是一条可行的途径。这是因为水是地球上广泛存在的一种天然资源，它价廉、无毒、不危害环境。尽管大多数有机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应不仅可以在水相中进行，而且还具有很高的选择性。最为典型的例子是环戊二烯与甲基乙烯酮发生的Ｄ－Ａ环加成反应，在水中进行较之在异辛烷中进行速率快700倍。

②超临界流体是当物质处于其临界温度和临界压力以上所形成的一种特殊状态的流体，是一种介于气态与液态之间的流体状态。这种流体具有液体一样的密度、溶解能力和传热系数，具有气体一样的低粘度和高扩散系数，同时只需改变压力或温度即可控制其溶解能力并影响它为介质的合成速率。在有机合成中，ＣＯ２由于其临界温度和临界压力较低、且具有能溶解脂溶性反应物和产物、无毒、阻燃、价廉易得、可循环使用等优点而迅速成为最常用的超临界流体。

③固态化学反应的研究，使有些反应可在无溶剂存在的环境下进行，且比在溶液环境中的反应能耗低、效果更好、选择性更高，又不用考虑废物处理问题，有利于环境保护。例如，手性1，γ联二萘酚的合成，常规方法是由β萘酚与ＦｅＣｌ３在液相氧化偶联制得，但会产生醌类副产物。而以ＦｅＣｌ３—6Ｈ２Ｏ为氧化剂反应就可以在固相进行，且可得到产率为95％的联二萘酚。

④离子液体，简单地说就是安全离子组成的液体。目前研究最多的是在室温左右呈液态的含有机正离子的一类物质。例如，含Ｎ－烷基咪唑正离子的离子液体等。它们不仅可以作为有机合成的优良溶剂，且具有难挥发等优点，对环境十分友好。

3．采用洁净的有机电合成

电化学过程是洁净技术的重要组成。由于电解一般无需使用危险或者有毒试剂，且通常在常温、常压下进行，所以在绿色合成中独具魅力。例如，实现自由基环化反应，常规的方法是使用过量的三丁基锡烷，过程中存在的问题是原子利用率低、使用和产生着有毒的锡试剂。然而，利用天然、无毒、手性的维生素Ｂ12为催化剂进行催化反应，可在温和、中性条件下完成。

4．运用高效的多步合成技术

在药物、农用化学品等精细化学品的合成中，往往涉及分离中间体的多步骤反应。为实现绿色合成，近年来，研究发展的串联反应是非常有效的。串联反应包括有一瓶多步串联和一瓶多组分串联。前者是仿照生物体内的多步链锁式反应，使反应在同一反应器内从原料到产物的多个步骤连续进行，无需分离出中间体，又不产生相应的废弃物，和环境保持友好；后者是涉及至少3种不同原料的反应于同一反应器中进行，而每步反应都是下步反应所必需的，而且原料分子的主体部分都融进到最终产物中，这是一类高效的合成方法。

5．发展和应用安全的化学品

发展和应用对人和环境无毒、无危险性的试剂和溶剂，以及其他实用化学用品，是实现绿色合成最直接的一环。可以采取适当的手段使某一分子的毒性降低而不影响其功能。例如，腈类化合物的毒性，认为是由于腈类分解而生成氰离子产生的。若将腈的α位进行取代，使其难生成自由基而不产生氰离子，则可使毒性降低，而反应功能不受影响。又如，人们开发的新型化工原料碳酸二甲酯，以其较高的反应活性和低微的毒性，代替了剧毒的光气和硫酸二甲酯，从而被誉为21世纪的“绿色化工原料”。

综上所述，绿色合成作为新的科学前沿已逐步形成，但真正发展还需要从观念上、理论上、合成技术上等，对传统的、常规的有机合成进行不断的改革和创新。

参考文献 2 周虹屏，于金文，杨开炳，等．苯磺酸催化合成对硝基苯甲酸乙酯．化学世界，2001，

（9）：484～485 4 Ｗｅｎｄｅｒ Ｐ Ａ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．，1996，96

（1）：1～2