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1、绿色化学与化工多媒体讲义绿色有机合成,高效均相和多相催化生物催化和生物过程环境友好介质中的有机合成组合合成结束语,Content,1、固体酸碱化剂（1）固体酸催化剂 A、沸石催化最成功的应用：石油炼制与化工技术的革命性进步 催化裂化：汽油和低分子烯烃（C3、C4）生产技术的革命性进步 烷烃异构化：C5、C6的异构化异构汽油；柴油的异构降凝、润滑油的异构脱蜡 芳烃异构化：二甲苯异构化二甲苯生产 甲苯歧化和烷基转移二甲苯生产 烷基化反应：芳烃的烷基化、择形催化的成功应用Friedel-Crafts酰化反应 酰化反应相当困难：需要强而多的Lewis酸，生成的酮与路易斯酸的强配位作用。,一、高效均相和
2、多相催化,Friedel-Crafts酰化反应例子1：Beta沸石催化的苯甲醚酰化反应,A、沸石催化,酰化均相反应与多相反应的比较,Friedel-Crafts酰化反应,局限性：沸石催化的多相反应对不太活泼的芳香族的酰化不适用；原因：吸附不平衡，自抑制作用，酰化试剂的强吸附阻碍（抑制）了芳香烃的吸附。解决办法：气相反应例子：苯的乙酰化，管式反应器，H-ZSM-5催化剂，250C，0.1MPa,沸石催化的其他反应,环氧化物生成羰基化合物的重排反应、Frieo重排、Claisen重排、酚与-酮酯的Pechmann缩合反应等例子：环氧化物生成羰基化合物的重排反应，原催化剂路易斯酸，如ZnCl2；,蒎
3、烯氧化物重排生成龙脑烯醛檀香醇的前体化合物，香料制造的重要反应。,B、稀土金属盐催化的反应,稀土金属的盐水中稳定的路易斯酸，水溶液中的反应镧系元素的三氟甲磺酸盐取代TiCl4例子：甲硅烷基烯醇醚与醛的醛醇缩合反应,特点：水溶性醛，如乙醛、丙醛、氯乙醛可直接用于反应；催化剂在水中的溶解度大，容易回收（100）；Sc(OTf)3比Yb(OTf)3更活泼。,B、稀土金属的盐催化的反应,表面活性剂与路易斯酸的联合催化 少量表面活性剂使反应在水中发生，避免使用有机溶剂,B、稀土金属的盐催化的反应,表面活性剂与路易斯酸的联合催化,Mannich加成反应,B、稀土金属的盐催化的反应,路易斯酸表面活性剂复合催
4、化体系,路易斯酸与手性试剂联用不对称醛醇缩合反应,产率23，Syn/anti=3.1,58%ee在月桂酸（10mol）中，产率76，Syn/anti=2.8,69%ee,B、稀土金属的盐催化的反应,在超临界CO2中的路易斯酸催化环境友好介质与绿色试剂的结合羰基亲二烯体与二烯，亚胺与二烯的Diels-Alder反应,（2）固体碱催化剂,层状二元氢氧化物(LDHs):水滑石 通式：Mg8-xAlx(OH)16(CO3)x/2.nH2O 催化Knoevenagel反应、醛醇缩合、Claisen-Schmidt缩合、亲电烯烃的环氧化等 类水滑石：三元 M-Mg-Al M=过渡金属离子 四元 M1-M2
5、-Mg-Al 过渡金属离子分散于水滑石层状结构的层间，离子分散，分散均匀。焙烧后形成均匀分散的活性组份。键合相的有机碱将有机碱键合到中孔沸石的表面 真正意义上的有机-无机复合材料分子层次上的结合 例子：3-氨丙基(三甲氧基）硅烷处理得到氨丙基硅石；硅石表面结合胍类碱；1,5,7-三氮杂二环-5-奎烯（TBD）官能团化的MCM-41等。,（2）固体碱催化剂,例子：官能团化的MCM-41催化的反应,（2）固体碱催化剂,包封（封装）在疏水沸石超笼中的大分子有机碱：EncapsulationShip in bottle 原位合成 Packing 先填充，再封口 例子：Y型沸石，超笼中原位合成酞菁钴 可
6、以催化汽油中硫醇氧化（脱臭）应用举例：Y型沸石超笼中，原位合成N,N,N-三环己基胍，可以催化丙酮和苯甲醛的醇醛缩合反应,2、催化还原（加氢）,催化加氢广泛应用的化学反应技术难点羧酸的加氢制醛，酸腐蚀 负载的Ru-Sn合金催化剂、氧化锆、氧化铬例子：,活性碳负载的Pd催化剂催化二氯乙酸脱氯（Deggusa）二氯乙酸乙酸氯化生产氯乙酸的副产物,2、催化还原（加氢）,MPV（烃氧基铝）还原反应将醛和酮还原成醇；化学还原底物与授氢体（异丙醇）在烃氧基铝存在下的反应；Beta沸石催化的MPV反应，立体选择性，得到顺式醇香料中间体；机理：底物立体结构在Beta沸石微孔中受到限制反应过渡态择形。,3、催化
7、氧化,1、氧作氧化剂的反应醇的氧化反应伯、仲和烯丙基醇氧化为醛和酮。RuCl2(Ph3P)3和TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-N-氧化物）催化剂,（1）氧作氧化剂的反应,伯醇的氧化反应RuCl2(Ph3P)3和氢醌催化剂,负载的Ru催化剂介孔沸石和聚合物载体上的高钌盐,（2）过氧化氢作氧化剂的反应,钛硅分子筛（TS1）催化的环氧化、醇氧化、酚羟基氧化生成邻苯二酚和对苯二酚，以及酮在NH3/H2O2条件下的氨氧化反应 羟基乙酰苯氨氧化生成相应的亏，经Beckmann重排得到止痛药4-乙酰氨基酚。,4、催化碳-碳键的形成,羰基化反应，原子经济性100 Ibuprofen（止痛药）的合成Ho
8、echst-Celanese过程,酰胺羰基化反应,5、不对称催化,不对称合成的意义：手性化合物生物活性,药物分子的特异性：差之毫厘，失之千里例子：手性药物，有效成分均为一种特定的光学异构体，例如：Tholidomide,R-异构体，镇静剂,S-异构体，畸胎剂,5、不对称催化,（1）不对称醛醇缩合反应 二茂铁基-膦配体的金(I)络合物催化的-异氰酸酯与醛的不对称醇醛缩合,萘酚与Ba(opri)2生成的络合物BABM，以及三氟甲磺酸锡在手性胺存在下，均能催化醛醇缩合反应。,（2）不对称Diels-Alder反应,三氟甲磺酸镱(R)-(+)-联萘酚及叔胺制成的手性三氟甲磺酸盐催化剂,手性钛催化剂催化
9、的3-酰基-1,3-恶唑烷-2-酮与二烯的DA反应。,（3）不对称还原反应,A、碳碳不饱和键的不对称加氢 光学活性除草剂(s)-metolachlor,其他：手性二茂铁基膦-铑配合物对三取代丙烯酸的不对称加氢表现出高的立体选择性；铑与手性膦配体的络合物催化的烯酰胺生成光学活性的-氨基酸；双磷杂环戊烷配体的铑催化的烯炔基酯和二烯基酯的加氢；螺环配体的铑化合物的催化加氢。,（3）不对称还原反应,B、羰基的不对称加氢 Ru-BINAP络合物,其他：手性配体修饰的LiAlH4、NaBH4和BH3、THF的羰基化合物选择性还原；DIP-氯化物、硼杂恶唑烷对,-不饱和酮的还原；手性磷试剂催化的硼烷还原潜手
10、性的-卤代酮。,（4）不对称氧化反应,手性Salen-Mn络合物催化的烯烃的不对称环氧化,手性铜络合物催化的烯烃的不对称环氧化,（5）其他不对称催化反应,醛的不对称烷基化 树枝状BINOL配体络合物Ti-BINOL,烯丙基烷基化 手性Pd络合物催化的烯丙基取代反应和氨氧化反应,6、相转移催化,相转移催化剂：表面活性剂，水-有机相两相反应，减少有毒有害的有机溶剂的使用手性相转移催化剂合成双-氨基酸,6、相转移催化,手性相转移催化剂催化不对称氧化,6、相转移催化,手性相转移催化剂催化Michael加成,1、生物催化和仿生催化优点 高度的专一性;无需使用有毒有害的溶剂和试剂;反应条件十分缓和;可以使
11、用可再生资源;绿色化学反应,二、生物催化和生物过程,酶的分类,（1）酶催化和微生物催化,根据催化性能分类：1997年论文比例 氧化还原酶氧化/还原反应；12.5/13%水解酶水解反应；25 转移酶官能团的转移反应；异构酶异构化反应；裂(合)解酶在sp2杂化羰上加成或消除小分子；5 连接酶sp3杂化碳的形成或裂解。,酶的分类,对映体过量(enantiomeric excess,ee)手性分子的两个对映体中，各对映体都把平面偏振光旋转到一定的角度，其数值相同但方向相反，这种性质称为光学活性。化合物样品的对映体组成可用术语“对映体过量(enantiomeric excess)”或“e.e.”来描述。
12、它表示一个对映体对另一个对映体的过量，通常用百分数表示。,e.e值,酯水解 酶催化的酯的水解反应一般比较缓和，而且具有立体选择性或保护底物原有的立体选择性。,A、水解反应,酯水解 在有机合成中，利用酶对外消旋体或潜手性双酯进行立体选择性水解，可以得到对映体。,酯水解,PPI猪胰脂肪酶,酰胺的水解制备氨基酸的反应,酰胺的水解,环氧化物的水解：制备高光学活性的二元醇,环氧化物的水解,腈的水解：腈水解酶将腈直接转化为酸；先转化为酰胺，在酰胺酶的作用下进一步转化为酸。,腈的水解,问题：如何合成上述原料腈？有无绿色的技术路线？,酶催化的酯化反应不对称合成例子：茉莉酮甲酯植物生长调节素,B、酯化反应,-氨
13、基腈在Candida antarctica脂肪酶催化的对映体选择性酰化反应中，得到高光学活性的产品。,C、酰胺的制备,由Candida antarctica脂肪酶A（CAL-A）得到高光学活性的-氨基酯。,酮的还原：潜手性羰基官能团的不对称还原是合成手性有机化合物的有效方法。应用还原酶的特异生物还原：对映体将羰基转化成醇，循环再用昂贵的辅因子。,D、还原反应,NADP烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯,假单胞菌属Pseudomonas fluorescens的醇脱氢酶重组体（PFADH)能够有效地还原芳基酯基酮为相应的光学活性(R)-醇。,酮的还原,发面酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化还原结构为RCO
14、CH3（RPh，PhOCH2，COOH）的酮，得到光学纯度为100的产品。对于结构为RCOCH2OCOCH3（RMe，Ph，n-Bu）的酮，在加入L-半胱氨酸或苯基乙烯基硫醚的情况下，得到相应的(S)-醇，e.e.值为6799%。酮硫醚和酮砜的还原：,酮的还原,环酮砜的还原：,酮的还原,酮酯的还原：,双酮的还原：,酮的还原,其它还原反应：N-氧化物、叠氮化物、亚砜、过氧化物、双键等的还原,羟基化作用：CH的氧化是生成醇或酚的反应，即将烃催化氧化的反应。微生物催化氧化的特点不对称羟基化。过去的工作甾族化合物、萜烯和复杂天然产物的羟基化。芽孢杆菌属Bacillus megaterium对烃的不对称
15、羟基化,E、氧化反应,奇特：活性远远超过化学或催化氧化！,豌豆属植物（Pisum sativum）的-氧化酶对羧酸的羟基化反应，得到高对映体选择性的2-羟基羧酸,E、氧化反应,二羟基化反应假单胞菌P.testosteroni A3C催化2-萘甲酸生成二醇,奇特：以上反应化学或催化氧化根本无法实现！,Baeyer-Villiger氧化 3-(4-氯苯基)环丁酮的氧化用Acinetobacter calcoaceticus得到(S)-内酯（e.e.85%)，用Cunninghamella echinulata得到(R)-内酯（产率30，e.e.99%)。C.echinulata的静止细胞可将3-苄
16、氧甲基-环丁酮转变为(R)-内酯（产率30，e.e.97%)。,E、氧化反应,腈醇的制备 光学活性腈醇是合成2-氨基醇的重要原料，(1R)-2-氨基醇（肾上腺素功能药物）可以直接从(R)-腈醇制备，也可以由其氧保护衍生物与氢化试剂反应制备。,F、碳碳键的形成,(R)-醇腈酶催化的HCN对羟基苯甲醛的加成反应,酶催化醛醇缩合合成碳水化合物的有效方法 细菌D-果糖-1,6-双磷酸酯醛缩酶（FruA）催化的醛醇缩合。,醛醇缩合,细菌D-,L-苏氨酸醛缩酶重组体（E.Coli)合成-羟基-氨基酸,醛醇缩合,酶和微生物催化存在的问题（缺点）：酶蛋白质；稳定性差对热、强酸、强碱、有机溶剂等不够稳定，催化活
17、性会逐步降低或丧失；分离困难水溶液中的反应，酶难以回收。,（2固定化酶和微生物在合成中的应用,固定化酶技术保持酶特有的催化活性，克服酶催化的缺点。可重复使用，降低成本；易与反应体系分离；具有一定的机械强度；稳定性显著提高；催化反应更易控制；适合于多酶体系。,固定化酶技术的优点,干佃一郎固定化酶，萨克林酶化学：影响与应用 葡萄糖、聚核苷酸、D-氨基酸、果糖、光学活性扁桃腈、6-氨基青霉烷酸等的生产应用，氨基酸光学拆分 固定于磁性聚(2-羟乙基异丁烯酸酯）微球上的核糖核酸酶A（RNase A），使RNA降解。己烷中的固定化酵母对酮的不对称还原异丙醇作还原剂。,A、固定化酶在合成中的应用,固定于琼脂
18、糖上的L-阿糖异构酶用于生产D-塔格糖,A、固定化酶在合成中的应用,固定于AccurelMP1000上的Cardide rugosa酯酶对映选择性合成药物中间体（S)Ibuprofen的酯,A、固定化酶在合成中的应用,固定化青霉素G酰基转移酶（PGA）对-烷基-氨基酸的拆分,A、固定化酶在合成中的应用,依靠微生物中的酶体系（单一酶或复L-瓜氨酸合酶）进行有机合成 已有的应用：加热法固定化链霉菌，依靠其葡萄糖异构酶制备果糖；固定化假单孢菌变株，依靠其脂肪酶分解脂肪；包埋法固定大肠杆菌，依靠其天冬酶制备L-天冬氨酸；固定化羞怯假单孢干株，依靠其精氨酸脱亚胺酶制备L-瓜氨酸；固定化液体无色杆菌，依靠
19、其L-组氨酸氨解酶制备尿狗酸；固定化月形弯孢，依靠其胶体11-羟化酶制备可的松；固定化谷酰胺棒状杆菌，依靠其复合酶系制备L-谷氨酸；固定化产氨短杆菌，依靠其复合酶系制备辅酶A；固定化于聚半乳糖醛酸钙微球上的菌（Propioibacterium acidipropionici)制备丙酸。,B、固定化微生物在合成中的应用,利用固定化微生物的对映选择性还原反应拆分外消旋的氢过氧化物 固定化枯草杆菌（Bacillus subtillis)过氧化物中的（S）构型转化为醇，（R)构型为拆分产物。真菌黑曲霉（Aspergillus niger)及辣根过氧化物酶还原，（R)构型还原为醇，（S)构型保留下来。,
20、B、固定化微生物在合成中的应用,（1）催化抗体 催化抗体比酶具有更多可适用性的底物，在化学合成中具有极大的应用潜力。抗体能对更多的底物具有有效的催化作用，通过与底物的弱相互作用形成抗体-底物活化过渡态，加快反应，或者在半抗原分子中引入非特异元素。,（3）模拟酶,例子：抗原为B，抗体4A1对与A结构不同的碳酸酯C的水解有明显的催化效果,催化抗体应用举例,抗体IgG2D10用于外消旋化合物的拆分,A、催化抗体,单克隆抗体催化的水解反应,A、催化抗体,抗体催化的醛醇缩合反应醛醇缩合酶抗体38C2催化4-取代-2,6-庚二酮经醛醇缩合、环化脱水得到具有光学活性的5-取代-3-甲基-2-环己烯-1-酮。
21、,A、催化抗体,La主体催化的反应：La主体由蒽双间苯二酚（A)与La(Opr)3在THF中得到的1:2缩聚物，在水中形成的(A)4-2(LaOH)2+6(H2O)，即烯醇酶模拟。可以催化烯醇化和醛醇反应。,B、其它模拟酶,生物转化：指利用细菌、植物细胞、植物组织、动物等进行有机化合物的转化。多种酶参与、多步骤反应，是一个细胞或组织整体作用的结果。胡萝卜素的固载化细胞能将潜手性羰基底物酮酯、芳香酮和杂环酮还原为相应的（S)-仲醇，转化率为3060%，e.e.为5299%。糖蛾的幼虫对底物的转化(R)-萜烯-4-醇经糖蛾幼虫代谢为(R)-对1-萜烯-4,7-二醇，（S)-萜烯-4-醇则转化为（S
22、)-构型的类似物。萜类化合物香料原料，生物活性物质。-萜烯，(+)、(-)竺烯，(+)、(-)薄荷醇均可由糖蛾的幼虫代谢制备。,2、生物转化,糖蛾幼虫的生物代谢构型的保持,糖蛾幼虫的生物代谢萜烯和水芹烯的转化,-萜烯,对薄荷-1,4-二烯-7-酸,对异丙基苯甲酸,对异丙基苯甲酸,(4R)-对薄荷-1,5-二烯-7-酸,水芹烯,锦鸡儿属植物细胞悬浮培养物对罗汉柏烯的转化,罗汉柏烯转化为mayurone及3-羟基-4-罗汉柏烯和3-环氧罗汉柏烯-5-醇。,薄荷细胞悬浮培养物对异薄荷烯酮的转化,(-)-(4R)异薄荷烯酮,环境友好的溶剂：水或水溶液；超临界流体，如CO2；离子液体；固定化溶剂；两亲的
23、星型高聚物等。,三、环境友好介质中的有机合成,（1）超临界CO2参与的不对称催化超临界CO2的应用：化工废物处理；萃取：咖啡脱咖啡因、啤酒花萃取、香精油制备、香料提取、中药成分提取、人参成分提取、色素提取、石油馏分的超临界萃取等；超临界CO2中的反应发展迅速、前景广阔。,1、超临界流体作为有机合成溶剂,超临界二氧化碳中的不对称催化,美国Los Alamos国家实验室的科学家发现，在超临界二氧化碳中不对称加氢和氢转移反应，与有机溶剂有相当或更高的选择性。Ru催化的烯酰胺氢转移反应，对映体选择性超过在常规溶剂中的反应。,（2）超临界CO2中的聚合反应,利用二氧化碳表面活性剂技术，开发出一系列与二氧
24、化碳匹配的表面活性剂体系，以增强超临界二氧化碳对烃类大分子的溶解能力。皂化CO2即可一用作有机反应的溶剂，也可以替代卤代烃用作清洁、萃取介质。替代苯和甲苯用于聚丙烯酸牙膏和食品增稠剂的合成。,（2）超临界CO2中的聚合反应,超临界二氧化碳中降冰片烯和环辛烯的开环复分解聚合，形成重要的聚合物Norsorex和Vestenamer。超临界二氧化碳中缩水甘油异丁烯酸酯的分散聚合。,（2）超临界CO2中的聚合反应,超临界二氧化碳中-己内酯的开环聚合。,（3）在超临界二氧化碳中的自由基反应,在超临界二氧化碳中可以进行自由基氯化、溴化反应，选择性不低于传统溶剂。甲苯的自由基溴代反应：溴代试剂的影响,（4）
25、在超临界二氧化碳中的氧化反应,超临界二氧化碳作为氧化反应溶剂的优点：能与氧气完全混溶；CO2对氧化反应的惰性。超临界二氧化碳中取代酚在Co的希夫碱络合物催化下的自由基氧化反应：超临界二氧化碳有助于将酚完全转化为醌,（1）水相中的Diels-Alder反应 A、水介质中DA反应的特点水中可以进行的有机反应：烯丙基化反应；醛醇缩合；Michael加成；Mannich反应；铟介入的烯丙基化反应；Grignard型加成反应；苯偶姻反应；Claisen重排；1,3-两极环加成反应等。,2、以水为溶剂的合成反应,DA反应在不同溶剂中的速率常数,原因：氢键和加强的疏水作用。,水相中的DA反应可提高选择性,A
26、、水介质中的DA反应的特点,3-苯基-1-(2-吡啶基)-2-丙烯-1-酮亲二烯体与过渡金属离子催化剂的二齿配位作用，比乙腈中的反应速率提高5个数量级。Lewis酸催化剂的存在，内向型与外向型产物的比例显著增加。,B介质中Lewis酸催化的DA反应,有机铟试剂催化的羰基缩合反应：甘露糖与-溴甲基丙烯酸甲酯的偶联反应合成(+)-KDN，突出特点是碳水化合物的多个羟基官能团在碳碳键形成步骤无需保护，从而大大减少废物排放（保护剂的去除）。,（2）水相中的铟催化,铟在乙醇氯化铵溶液中对高活性共轭二烯中CC双键的选择性还原,（2）水相中的铟催化,铟能够将芳基取代的偕二溴化物立体选择性地还原为乙烯基溴衍生
27、物,卤化铟催化下，,-环羧酸在水中由Br-或I-开环得到立体选择性的产物。,（2）水相中的铟催化,卤化铟催化下，,-环羧酸的叠氮化反应，选择性得到-叠氮基-羟基羧酸,亚胺衍生物可在水中进行自由基反应，由此可以采用一锅煮法制备-氨基酸衍生物,（3）水相中的自由基反应,水中三乙基硼诱导的卤化物对烯烃和炔烃的自由基加成反应,（3）水相中的自由基反应,三乙基硼诱导的水相中原子转移自由基环化反应,水中AlCl3催化的,-环氧乙烷羧酸的重氮化反应，具有立体选择性,（4）水相中的Lewis酸催化反应,对烷基、芳基和环烷基取代的,-环氧乙烷羧酸的重氮化反应 转化率99%，C-a产率99%易水解的金属盐AlCl
28、3、Al(NO3)3、AlF3、SnCl4、TiCl4在水相中可作为有效的催化剂；当反应介质的的pH值低于其水解的pK1时，金属盐可生成稳定的离子，表现出高催化活性。,水中AlCl3催化的,-环氧乙烷羧酸的碘化反应，具有立体选择性,（4）水相中的Lewis酸催化反应,InCl3催化剂，转化率 99%，C-a产率 2%，C-b产率 98%SnCl4催化剂，转化率 97%，C-a产率 96%，C-b产率 4%,水中Lewis酸-表面活性剂联合试剂催化的Michael加成反应,（5）水相中的聚合反应,水中的聚合反应 得益于水溶性金属配合物催化剂的突破性研究例子1：丙炔酸聚合得到顺式-反向聚炔丙酸钠，
29、带电高聚物,例子2：带电聚丙烯酰胺 Naclo化学品公司采用水溶性引发剂在水相中聚合生产出带电聚丙烯酰胺，这一技术获得1999年美国总统绿色化学挑战奖优新溶剂和反应条件奖。,3、离子液体,离子液体：基本上由阳离子和阴离子组成的液体物质，如：氯化铝(III)和N-烷基吡啶翁或1,3-二烷基咪唑翁盐组成的离子液体。,优点：温度范围大(-40300C)；对无机物、有机物和高分子的溶解度高；有Bronsted酸性、Franklin酸性和超强酸性；蒸汽压很小；有的不怕水；热稳定性好；相对便宜。离子液体中的化学反应：Diels-Alder加成反应、齐聚反应、聚合反应、烷基化反应、酰基化反应等,（1）氯代铝
30、酸盐(III)离子液体中的反应,强Lewis酸，Franklin酸性，可以代替传统的AlCl3，可以溶解油母质、C60和许多聚合物。催化Friedel-Crafts反应，如：萘的酰化，可以得到最高选择性的1-酰化产物。,（1）氯代铝酸盐(III)离子液体中的反应,裂化和异构化反应 聚乙烯在90C的离子液体中可以转化为气态烷烃(C3C5)及环烷烃。传统催化反应需要300800C的高温。,脂肪酸及其酯的异构化、裂化、二聚等反应。,（1）氯代铝酸盐(III)离子液体中的反应,多环芳烃的选择性氢化 反应在室温、常压下进行，并且只能得到热力学稳定的异构体。,（2）中性离子液体中的反应,氯代铝酸盐离子液体
31、的缺点：对湿气和水敏感；含杂原子的产品不易从离子液体中分离。中性离子液体：具有疏水性，可溶解许多有机分子，但不溶解烷烃和烷基芳烃。如，bminPF6（bmin：1-丁基-3-甲基咪唑翁）与烷烃、水形成三相混合物。优点：有利于洁净合成采用溶于离子液体的催化剂，可以实现离子液体和催化剂与反应产物的分离、循环使用。应用1：烯烃和芳烃的氢化反应，不对称氢化，如：(S)-Naproxen的合成,（2）中性离子液体中的反应,应用2：Diels-Alder反应的良好溶剂，比分子溶剂（包括水）能显著提高反应速率和选择性。,应用3：Heck反应（芳基卤代物与烯烃偶合反应）的良好溶剂。优点：钯络合物催化剂溶于离子
32、液体，反应中的产品和副产品可以用烷烃或水萃取出，而昂贵的催化剂催化剂留在离子液体中再循环使用。可用芳酐替代卤代物，反应副产物为苯甲酸，易回收并转化为酐，不产生含卤代物的废物。传统的Heck反应：反应后催化剂完全损失，且使用有毒的偶极非质子传递溶剂。,（2）中性离子液体中的反应,应用4：烯丙基化和胺化反应的良好溶剂 bminBF4中乙酸钯(II)催化的烯丙基化和胺化反应,（2）中性离子液体中的反应,应用5：亲核取代反应的良好溶剂。在bmimPF6中，吲哚和2-萘酚与卤代烷、碱（NaOH、KOH）反应分别得到在N和O原子上的烷基化产物。反应速率与在偶极非质子传递溶剂如DMF和DMSO中相似。优点：
33、反应产物可以用有机溶剂萃取出，而副产物（卤化钠或钾）可用水萃取出，离子液体可循环使用。传统的偶极非质子传递溶剂不易与产品分离。,（2）中性离子液体中的反应,应用6：亚甲基插入反应的良好溶剂。在bmimPF6或bmimBF4中，烷基卤代烷与硫醚反应生成硫叶立德，可将亚甲基转移至醛或酮。运用手性硫醚可进行不对称亚甲基插入反应。优点：反应产物可以用有机溶剂萃取出，而副产物（卤化钠或钾）可用水萃取出，离子液体和手性催化剂可循环使用。,（2）中性离子液体中的反应,应用7：药物Pravadoline的合成 包含了Friedel-Crafts反应和亲核取代反应。在bmimPF6中，KOH存在下，室温下2-甲
34、基吲哚与1-(N-吗啉基)-2-氯乙烷发生烷基化反应，产率达到95。而其后的Friedel-Crafts酰化反应在0C下进行，无需催化剂。优点：产生的废物大大减少，主要是KCl。传统的合成方法：产生大量酸性铝废物，并使用偶极非质子溶剂。,四、固相合成,固相合成（SPS）：利用固相载体使试剂和原料反应。优点：经过过滤分离技术来纯化中间体和原料。典型例子：多肽的制备商业化的多肽合成仪。1、固相载体三个基本要求：交联的不溶解但可溶胀的高聚物材料，在使用条件下是惰性的；底物与固相连接的适当方法；与连接分子及固相相匹配的合成步骤。最常用的固相载体球状树脂珠（80200m）。,1、固相载体,（1）树脂珠交
35、联聚苯乙烯：含有约1的二乙烯苯的交联聚苯乙烯 改性交联聚苯乙烯：表面官能团化 Marshall树脂的表面官能团结构,1、固相载体,常用交联聚苯乙烯载体 氯甲基聚苯乙烯、羟甲基聚苯乙烯、氨甲基聚苯乙烯羟甲基聚苯乙烯上生成杂环的反应：6-氨基-2,4-二氧合-3,4-二氢-1,3,5-三嗪的合成,1、固相载体,以聚苯乙烯为主体的树脂接枝共聚物（PSPEG），Bayer公司 TantaGel树脂聚乙二醇接到交联聚苯乙烯上；ArgoGel树脂聚氧乙烯接到交联聚苯乙烯上；既具有聚乙二醇载体的可溶性，又具有聚苯乙烯球的易操作性。AG树脂上苯并三唑合成不对称脲,1、固相载体,（2）其它树脂 硅藻土/聚芳基酰
36、胺树脂（KPA）和可控孔度玻璃（CPG）用于低（聚）核苷酸的合成；PEGA聚乙二醇和二甲基芳酰胺的共聚物，极性极大，在水中有空前的溶胀性，骨架相当柔软，可容纳一些大分子，如：酶。（3）其它固相载体多针载体：包含辐射接枝的聚乙烯/聚丙烯酸 例子：苯并二氮杂卓的合成,2、底物与固相的连接,（1）树脂键合相的连接方式：主要有两类“硬”连接：键合相与树脂整体直接键合，构成整体的连接分子 连接分子受到空间阻碍和电子效应影响大，合成难以控制。,2、底物与固相的连接,“软”连接嫁接连接：键合相通过嫁接分子附接在树脂上 比较常用：醚键、酰胺键、碳碳键,（2）连接分子的分类,根据连接分子的断裂反应，分为7类：亲
37、电断裂型；亲核断裂型；光断裂型；金属辅助断裂型；还原条件断裂型；氧化条件断裂型；环加成及裂环释放型。,亲电断裂型,强酸裂解的连接,亲电断裂型,弱酸裂解的连接,3、几种类型的固相合成反应,（1）偶联反应 肽的合成；Pd催化的CC键的形成；例子1：以硅为连接分子的芳基溴化物与对甲酰基苯基硼酸的偶联反应,3、几种类型的固相合成反应,例子2：Mitsunobu成醚反应芳基醚的合成,3、几种类型的固相合成反应,（2）Diels-Alder反应 固相合成1,2-二嗪，2,3-二氢-4-吡啶酮等杂环化合物。例子：Diels-Alder反应形成肽电子等排物库，用来鉴别新的半胱氨酸蛋白酶重组体的抑制剂。,3、几
38、种类型的固相合成反应,（3）杂环反应 药物杂环为母体结构合成。如：苯并二氮杂卓二酮、喹诺酮等化合物库的合成-磺化酮形成大量杂环化合物（100多种）。构建组合化学化合物库。,结束语：绿色化学发展趋势,1、不对称催化合成2、酶催化和生物降解3、分子氧的活化和高选择性氧化反应4、清洁的能源5、可再生资源的利用,不对称催化合成,单一对映体的手性化合物：医药、农药、光电材料等合成（制取）方法：化学合成拆分法：费时费力、浪费大 不对称化学合成法：手性试剂昂贵、难以工业生产 发酵（生物催化）法：局限于生物原料、费时 不对称催化合成法：效率高、原料不限、适于工业生产,酶催化和生物降解,特点：条件温和、水相过程
39、、环境友好产物具有生物活性产物可生物降解适用于有机化学品的处理降低环境危害得益于生物技术和生物工程的发展 前景广阔、正在大力发展,分子氧的活化和高选择性氧化反应,50以上的化学品与氧化过程有关氧化反应的选择性低、原料利用率低、废物污染严重分子氧最清洁的氧化剂选择性氧化催化剂是关键模拟酶、金属络合物、分子筛是首选的高效选择性氧化催化剂,清洁能源,能源和食品21世纪的主要难题燃料电池能量转化效率高（可达到90）关键技术高效、廉价的燃料电池催化剂 美国化学家Lippard：“20世纪化学的最大遗憾是没能研制出优良的燃料电池催化剂”氢气最清洁的燃料：高效、廉价、低能耗、低污染的制氢技术和储存技术（储氢
40、材料）生物制氢技术“变废为宝”：废弃生物质的转化,例子制氢技术,含氢气体的分离炼厂气（FCC、焦化干气）、乙烯裂解气，释放气（加氢）；廉价、必须大力发展 技术成熟PSA、膜分离催化重整副产氢、廉价，纯度90,受制于原料煤制氢适于中国国情，大规模，成本较低 水煤气法工艺落后，耗水量大，能耗高 Shell法（半氧化法）大型化技术，能耗较低 渣油为原料原料费用高，已淘汰水蒸汽重整法 天然气为原料，比较廉价、大规模，受制于原料、能耗高 石脑油、柴油为原料原料费用高，已淘汰,例子制氢技术,副产氢氯碱工业，廉价，量太少甲醇裂解法工艺成熟，成本受甲醇价格影响电解水制氢成本高，受制于电价生物质制氢难以大规模、
41、技术不成熟,可再生资源的利用,生物质的转化化工原料和能源的重要补充生物燃料技术（乙醇汽油、生物柴油、沼气）正在大力发展，必须考虑国情废弃生物质转化为饲料和有机化学品环境效益显著，值得发展木质素的降解技术大有前途，期待催化技术（化学催化和生物催化）的进步酶催化高效固定化酶和模拟酶技术，方兴未艾,课后作业,1、高效均相和多相催化技术有哪几类？2、生物催化和仿生催化的优点。5、酶的分类。6、固定化酶技术的优点。7、环境友好的溶剂有哪几种？8、超临界CO2的应用有哪几个方面？9、水中可以进行的有机反应。10、固相合成对载体的基本要求。10、不对称催化合成有哪几种方法？有何优缺点？11、从网上查阅关于绿
42、色化学总体发展趋势的有关论文，并加以汇总评述（A4纸，5号字，1.5倍行距，12页）。12、为什么说沸石催化引起了石油炼制与化工技术的革命性进步（A4纸，5号字，1.5倍行距，12页）？,绿色化学与化工多媒体讲义催化与绿色化学,1、绿色化学2、环境友好的化学技术3、可持续发展的绿色化学4、催化化学5、绿色化学展望,绿色化学,一、二十世纪化学工业的简要回顾1、化学工业与制药*1928年第一个抗生素：盘尼西林（Penicillin）到今天一系列抗生素的开发；*从1953年DNA的双螺旋结构（double-helix structure）的发现，到今天的基因工程药物。事实上，今天制药已成为化学工业的
43、重要行业。手性化合物的催化合成，2001年Nobel Prize（化学奖）。,2、化学工业与农业*1913年人类实现肥料（氨）直接人工合成。德国的Haber，1915年获Nobel Prize。*1941年杀虫剂DDT使用。使粮食、蔬菜丰收，满足了人口增长的需求，化学的作用解决了人类生存难题。化肥、农药也成为化学工业的重要行业。,3、化学工业-化工原料*1921年天然气和轻烃蒸汽裂解制造乙烯奠定了石油化学工业发展的基础；*1930年生产聚氯乙烯；*1938年生产化纤尼龙。之后，开始生产橡胶、聚乙烯、丙烯腈等重要的化工原料。从二十世纪五十年代，开始进入石油化学工业时代。煤化学工业逐渐被石油化学工
44、业取代。,原美国化学会主席 R.Breslow:*我们生活的用品：住宅、家具、肥皂、牙膏、衣服（即使是天然纤维，也经过化学处理、染色。*我们吃的食物：需要包装、冷藏；作物生长需要肥料、农药；食品中添加维生素、防腐剂。*化妆品更是化学家制造出来的。*质量保证还需化学方法检验食品的质量。*交通工具汽车更是离不开化学产品。事实上，我们日常生活所用的产品中，很难找出那一种不是靠化学和在化学家的帮助下制造出来的。二十世纪是化学（化工）世纪,二、化学工业与环境 20世纪的后期，我们在享受化学工业为我们提供丰富物质基础的同时，由于化学产品产量的巨增，化学产品种类的增多，化学对人类健康的危害性和对环境、生态的
45、破坏也逐渐暴露出来。,1、Thalidomide（酞咪哌啶酮）：1961年，R-异构体是镇静剂，减轻孕妇的恶心、呕吐药物。而其S-异构体是一种强的畸胎剂。,镇静剂,畸胎剂,2、农药问题：1962年海洋生物学家R.Carson：使用DDT和其他杀虫剂后，通过食物链使秃头鹰急剧减少，也危机其他鸟类。由于大气循环作用，甚至在北极海豹和南极企鹅体内也发现了DDT。为此，美国环保署在1972年禁止使用DDT。3、化学危险品：1984年印度Bhopal发生甲基异氰酸的大量泄露，死亡约4000人，伤者无数。化学为我们提供丰富的物质的同时，对环境带来了巨大的破坏。,三、环境友好-清洁生产 今天，人类大规模的生
46、产活动对全球环境的污染和生态环境的破坏发展到了足以威胁人类生存的程度。在经历了几十年的末端处理之后，以美国为首的一些西方发达国家重新审视了他们的环境保护历程，发现虽然它们在大气污染控制，水污染控水污染控制以及固体和有害废物处置方面均以取得了显著进展。,事实上，无论是空气质量还是水环境质量均要比20年前好的多，但仍有许多环境问题令人担忧，其中许多重大环保问题与化学过程有关。如酸雨、温室效应、臭氧层空洞，以及重金属和农药等污染物在环境介质间转移等。为此，人们逐渐认识到，仅依靠开发更有效的污染控制技术所能实现的环境改善是有限的，而通过使用环境友好工艺（清洁生产）才能更有效、更彻底解决污染问题。,四、
47、绿色化学 自然界有着相当丰富的生物原料（biomass，主要是纤维素：1600亿吨/年），完全可以满足有机化学品所需的全部物质。从环保角度看，和石油及天然气作为原料不同的两个首要优点是生物原料无毒、同时可完全再生。从国家安全和长期经济观点来看，可以持续提供生产有机化学品的原料和能源。,五、化学工业发展历程 从化学工业一个半世纪以来及今后的原料和加工工艺的变更看，可以确定化学工业经历大致三个阶段：1、以牺牲环境为代价的污染生产；2、环境友好的清洁生产；3、可持续发展的绿色生产。,1、以牺牲环境为代价的污染生产,从环保角度看，对以往多年来由于利用矿物资源为原料而造成的环境污染问题，看来不得不采取二
48、次防范的办法，即采用净化气体、净化污水和净化废渣的路线来解决。,2、环境友好的清洁生产,在一个相当长的历史时期，人类还不得不利用矿物资源作为化工原料，但是与以往不同的是必须开发一系列环境友好的新工艺，以改造以往污染工艺，并建立继续利用这些原料的无污染新工艺。遵循的原则是：尽可能地提高E因子和原子利用率。E因子=副产物量/目标产物原子利用率(选择性)目标产物分子量/所有产物分子量,3、可持续发展的绿色生产,原料丰富、可再生，整个过程不产生任何污染物。,六、绿色化学、化工：二十一世纪化学工业可持续发展道路 1995年3月16日：美国总统克林顿宣布设立“总统绿色化学挑战奖”日本“新阳光计划”-核心：
49、提出简单化学概念。即最大程度节约能源、资源和减少排放。最早实施清洁生产的是欧洲的荷兰与丹麦：如主要是荷兰技术评价组织（NTAO）：对荷兰工业排放物、废气物进行预防示范项目，取得较大进展。,绿色化学、化工的12条原则：1、防止废物生成比在其生成后再处理更好。2、生产过程中所采用的原料尽可能最大量地进入产品中。3、只要可能无论原料、中间产物还是最终产物，均应无毒、无害（人与环境）。4、产品的高性能和低毒性。5、尽可能地避免使用溶剂、分离试剂，如不可避免需要使用无毒、无害的溶剂。6、考虑过程中的能耗对成本与环境过程的影响，最好采用常温常压条件。,7、在技术和经济合理前提下，原料要采用可再生资源代替消
50、耗型资源。8、尽可能不用不必要的衍生物啊，如限制基团、起保护作用。9、用高选择性催化剂取代化学计量反应。10、产物要可降解或不能永远存于环境之中。11、对危险物可在实现线分析方法。12、选择过程及所需物质减少化学意外事故。,绿色化学示意图,美国“总统绿色化学挑战奖”获奖用新标准评估化学工艺过程：选择性和原子经济概念。1、变更合成路线奖：BHC公司开发合成布洛芬新工艺。6步化学计量反应变成3个催化反应，原子利用率从40%提高到80%，副产乙酸回收，99%。2、Monsanto公司从无毒无害的乙二醇胺原料出发，经过催化脱氢，开发出了安全生产氨基二乙酸钠的新工艺，避免使用剧毒氢氰酸原料。3、DOW化
