绿色有机合成方法简介

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绿色有机合成方法简介绿色有机合成方法简介

讲座人讲座人：：李敬芬李敬芬

EnvironmentallyEnvironmentally

benign ways of organic benign ways of organic synthesissynthesis

EnvironmentallyEnvironmentally

benign ways of organic benign ways of organic synthesissynthesis 2CH2=CH2

Cat OO2+ 2

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上世纪顺口溜：“ 70 年代淘米洗菜， 80 年代引水灌溉， 90年代鱼虾绝代”，反映出河流污染日趋严重的窘状。工业污染，生活垃圾和危险废物污染等等，严重威胁人民群众的身心健康。

第 1 部分引言难古诗吟

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全球普遍存在水环境污染人类疾病 80% 与水有关

时间： 2005-11-28 13:49:00

11 月 28 日电据《瞭望新闻周刊》报道，现代医学发现，人的疾病 80% 与水有关。垃圾、污水、农药、石油类等废弃物中的有毒物质，很容易通过地下水或地表水进入食物链系统。当被污染的动植物食品和饮水进入人体后，就可能使人体患癌症或其他疾病。国内外学者一致公认， 80% 的癌症是由环境污染引起的。环境中的有毒污染物增多是我国近年来各类怪病发病率递增的根本原因。环境中的有毒有机物及铅、汞、镉、铬、铜、镍等重金属类，经过呼吸道、消化系统、皮肤等途径被人或动物所吸收。有些与体内黏液中的有机分子结合成络合物附着在体壁上，阻碍氧和二氧化碳的交换，抑制细胞的生长发育，破坏细胞内含物，降低酶

第 1 部分引言解了你请

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类活性，引起急慢性中毒，致使细胞畸变，或引发癌变，以致死亡。有些重金属，当饮用水含量达到 ppb( 浓度单位，以 10 的 -9次方为一单位 ) 量级时，会对物质代谢起催化作用，使肝、肺、心脏等发生病变。有毒物是人体发生畸变、癌变的直接元凶。尤其是那些难降解的有毒物质，能在其迁移途径中在人体内不断积累，使人体发病的机会逐渐增多，发病率也就必然会增加。因此，发病率尽管与遗传和饮食卫生习惯等有关，但其最根本的因素应是环境污染所致。

我国河南林州每年因食道癌死亡人数为 150/10万左右，同时发现该地区的鸡也有很高的食道癌死亡率 (175/10万 )；江苏省启东县肝癌发病率较高，而当地鸭子的肝癌发病率也高。这种人畜共患病现象，更加揭示出健康对环境的依赖性。因此可以说，制约健康的最重要因素是环境，尤其是水环境。

第 1 部分引言在球地哭

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尽管水环境污染在全球普遍存在，但我国水环境污染状况更加严重。全国 745个地表水国控断面中，多数达不到Ⅲ类标准，流经城市的河段 90% 以上受到严重污染，大多数湖泊出现富营养化，蓝藻泛滥，湖水出现绿粥状污染物，气味难闻，令人不堪入目，被当地称作生态癌。全国城镇集中式饮用水源地有不同程度的超标，近三亿农村人口在饮用不合格的水。近岸海域赤潮频发，面积在增加，大部分已超标。淡水在变绿，海水在变红，我国的江河湖海已向人类发出了危险信号。更加可怕的是地下水的污染。由于它比大气污染和地表水污染难以映入眼帘，更容易被忽视、被搁置、被回避，甚至干脆被当作垃圾筒。目前在我国平原地区，要寻找出一块未被污染的地下水地段，竟成了一件很不容易的事情。如京津唐地区地下水有机污染物种类达百余种之多。北京市地下水污染问题更加突出，即使是市政管道的自来水，二次污染现象也时有发生。水污染对首都广大人民群众的健康已形成了较大威胁。

第 1 部分引言吗道知你

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据 2003 年《中国地质环境公报》材料，全国 31个省、自治区、直辖市不同程度地存在着与饮用水水质有关的地方病。如淮河流域出现的高癌村 -- 河南省沈丘县东孙楼村、周营乡，大批村民因癌症去世；天津市北辰区西堤头村、刘快庄村，癌症患者多达 120多人；有些石化工业地区，癌症发病率高出周围十几倍；河北、山东沿海有些村庄恶性肿瘤的发病率也已超过半数。北京市某些垃圾填埋场地下渗漏污染已造成周围十几平方公里范围内的地下水不能饮用，即使是在上风上水的北京小汤山地区，也竟然出现了高发病村。在藻类暴发的江河湖海附近，由于有些藻种具有毒性，故由藻类引发人畜中毒现象时有发生。怪病、瘟疫的暴发，虽是突发事件，却与长期的环境污染密切相关。大自然一次又一次地在向人类漫不经心地制造污染行为给予报复。 ( 瞭望新闻周刊赵章元）

第 1 部分引言想样怎你

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开发区工业园引进投资项目，大多数都是高耗能企业，工厂一但投入生产，环境就遭到污染。浓黄色的毒烟从炼焦炉里滚滚冒出，随着西风向东飘散。

第 1 部分引言染气空污

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拉僧庙工业园区每天大量的工业污水流向河滩。

第 1 部分引言染污流河

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旗盘工业园区正在向农田附近倾倒大量化工废料。

第 1 部分引言地土污染

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石嘴山河滨工业园区西部聚氯乙烯有限公司生产离子膜、烧碱等化工产品。工厂没有对污水处理就直接排放到 The Yellow River

第 1 部分引言河黄污染

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这些工业园都是在近五年内建起来的，一边建设一边生产一边污染


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用于农业灌溉的闸门内充满了污水（摄于 10 月 9

日）

第 1 部分引言心惊目触

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天津市西青区张家窝镇西琉城村一家化工厂的酱油色化工废水依然从排污管内不断排出（摄于 2005 年 8 月 19

日）


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饱受污染之害的人民发出呼唤：不要污染！要生存！！！

第 1 部分引言

意民声民

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有机合成化学的发展和进步，在更大程度上提高了人类的生活质量，改变了人类的生活方式。例如，药品的发展减轻人类的病痛，延长了人类的寿命；农药、化肥的大力发展使人类得以增产增收，减轻了人口增长对食物需求的压力；聚合物技术的创新促进了制衣等日用产品和建筑材料以及电视、电话、计算机等高科技产品部件的更新换代。然而不可否认，传统的化学合成方法已经对整个人类赖以生存的生态环境造成了严重的污染和破坏，人类也正面临着有史以来最严峻的环境危机。人口激增，资源消耗殆尽，大气污染，臭氧层破坏，全球变暖，海洋污染，土壤退化和沙漠化，森林锐减，生物多样性减少，环境公害，有毒化学品和危险废物等都是威胁人类生存的环境问题。


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如此严重的问题，有机化学尤其是有机化学合成工业应负主要责任。因为事实证明，苯胺曾经是合成染料的重要中间体，但是他强烈的致癌作用当时并未认识到；酯化反应中使用的催化剂——无机酸的使用向环境排放了大量的有害废水；傅 - 克反应中AlCl3 等 Lewis酸催化剂的使用对设备腐蚀严重，对人身造成伤

害；有机反应使用的有机溶剂如苯、醚、氯仿等通常挥发性较大，他们是严重的大气污染源。近年来受到极大关注的环境污染元凶二口恶英也是制备许多有用的工业助剂和农用化学品的副产物。诸如此类，有机合成化学工业带来的污染随处可见。


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以往解决污染问题的主要手段是治理、停产甚至关闭生产线，国家也曾为此花费了大量的人力、物力和财力。但是多年来治理污染的经验告诉人们，只注重末端治理的方法投资大、收效小。到20 世纪 90 年代，污染治理的观念才由末端治理深化到以预防为主，防患于未然的理念。尤其是近年来，可持续发展的理念得到了社会、经济、环境等多方面足够重视，化学家提出了与传统治理污染不同的“绿色化学”概念。绿色化学不是治理污染，而是防止污染产生的一种新观念。他是开发从源头解决污染问题的一门科学。对环境保护及社会的可持续发展具有重大意义。


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绿色化学的定义

绿色化学又称为（ environmentally benign chemistry ）、

环境友好化学（ environmentally friendly chemistry ）、清洁化学（ clean chemistry ）。绿色化学的定义是利用化学的技术和方法去消灭那些对人体健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物及副产物等的使用和生产。绿色化学的理想在于不使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。它是一门从源头上防止污染的化学，是一种能最大限度地从资源合理利用、环境保护及生态平衡等方面满足人类可持续发的化学。因此，绿色化学的研究成果对解决环境问题是有根本意义的。

第 1 部分引言

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绿色化学的主要特点

绿色化学的主要特点是原子经济性，也就是说，在获取性物质的转化过程中充分利用每个原料的原子，实现“零排放”。因此，它既可以充分利用资源，又不产生污染。传统化学向绿色化学的转变可以看做是化学从“粗放型” 向“ 集约型”的转变。

绿色化学的核心问题

研究反应体系，包括研究新合成、方法和路线、寻找研究新的化学原料、探索新的反应条件、设计和研制绿色产品等。

第 1 部分引言

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绿色化学的十二项原则（一）

（ 1 ）确立源头杜绝理念 (prevention) 。从源头避免废弃物的产生，而不是在废弃物形成后再行治理；

（ 2）发展原子经济性合成 (atom economy ) 。尽可能设计使用具有原子经济性合成方法，最大限度使反应过程所涉及原料和试剂的所有原子融入产物中；

（ 3 ）降低合成的风险 (less hazardous chemical synthesis ) 。尽可能设计使所采用和产生的化学物质对人类健康和环境低毒或无毒的合成方法；

（ 4 ）设计安全的化学品 (designing safer chemicals ) 。尽可能设计具有所需功能且低毒安全的化学品；

Anastas 和Warner 在其专著《绿色化学：理论与实践》一书中提出实现绿色化学的十二项原则。

第 1 部分引言

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绿色化学的十二项原则（二）

（ 5）使用安全的反应介质 (safer solvents and auxiliaries chemicals ) 。尽可能减少溶剂、分离剂等辅助剂的使用，即使使用也应是安全低毒无害的。

（ 6）设计低能耗过程 (design for energy efficiency ) 。合成方法和化学过程的设计需要考虑其能耗及其对环境和经济的影响，尽可能在常温常压下进行，以降低能耗。

（ 7）使用可再生原料 (use of renewable feedstocks ) 。尽可能使用可再生的原料或资源。

（ 8）减少辅助步骤。避免或尽量减少保护 /去保护等辅助步骤。因为这些辅助步骤不但增加试剂的使用也增加废弃物。

第 1 部分引言

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绿色化学的十二项原则（三）

（ 9）使用催化过程。尽可能发展使用高选择性的催化过程，因为使用催化试剂显然优于化学计量试剂。

（ 10）设计可降解化学品 (design for degradation ) 。尽可能设计在完成其功能后可降解为无害物，不会在环境中残留的化学品。

（ 11）实施源头监控污染物。尽可能发展用于对有害物质实时在线监控的分析方法，以杜绝其产生。

（ 12）发展安全的化学品。尽可能减少用于化学过程的物质及其形态的潜在危险性，包括溢流、爆炸性和燃烧性，发展内在安全的化学品。

第 1 部分引言

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吉林石化公司爆炸目击：巨大蘑菇云笼罩城市上空

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苯是一种易燃易爆的剧毒化学气体，对这种化学品，有关部门有专门的处理办法，且对它的保管有明确的操作规范，必须用高压罐严格保护起来。遇到苯等剧毒气体扩散时，一定要先注意保护呼吸道和眼睛。由于苯在水中难以降解，因此，即使将水烧熟，苯的有毒物质依然存在。吸入或经皮肤吸收可引起中毒，可强烈作用于中枢神经而很快引起酒醉状、痉挛。严重者可因呼吸中枢痉挛而死亡。

苯在燃烧前有较强的毒性，但在燃烧、爆炸后就在瞬间分解成二氧化碳和水，对人体没有毒副作用。

由于气体主要是随风飘动的，因此遇到苯等剧毒化学气体大面积扩散的事件时，首先要观察风向，要尽量避开风口，看自己是处于上风口还是下风口，如果处于下风口，就需要紧急向上风口撤离。要尽量用湿毛巾捂住自己的口、鼻和眼睛，尽量不要使呼吸系统和眼睛受到伤害，如果有防毒面具佩戴上就更好了。此外，尽量不要出门，以减少被毒气侵害的危险。

第 1 部分引言道知你要苯

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污染来源：硝基苯是有机合成的原料，最重要的用途是生产苯胺染料，还是重要的有机溶剂。环境中的硝基苯主要来自化工厂、染料厂的废水废气，尤其是苯胺染料厂排出的污水中含有大量硝基苯。贮运过程中的意外事故，也会造成硝基苯的严重污染。

硝基苯在水中具有极高的稳定性。由于其密度大于水，进入水体的硝基苯会沉入水底，长时间保持不变。又由于其在水中有一定的溶解度，所以造成的水体污染会持续相当长的时间。硝基苯的沸点较高，自然条件下的蒸发速度较慢，与强氧化剂反应生成对机械震动很敏感的化合物，能与空气形成爆炸性混合物。倾翻在环境中的硝基苯，会散发出刺鼻的苦杏仁味。 80℃以上其蒸气与空气的混合物具爆炸性，倾倒在水中的硝基苯，以黄绿色油状物沉在水底。当浓度为 5mg/L时，被污染水体呈黄色，有苦杏仁味。当浓度达 100mg/L 时，水几乎是黑色，并分离出黑色沉淀。当浓度超过 33mg/L 时可造成鱼类及水生生物死亡。

第 1 部分引言

道知你要硝基苯

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吸入、摄入或皮肤吸收均可引起人员中毒。中毒的典型症状是气短、眩晕、恶心、昏厥、神志不清、皮肤发蓝，最后会因呼吸衰竭而死亡。

危险特性：遇明火、高热或与氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险。与硝酸反应强烈。燃烧 ( 分解 )产物：一氧化碳、二氧化碳、氧化氮。

侵入途径：吸入、食入、经皮吸收。健康危害：主要引起高铁血红蛋白血症。可引起溶血及肝损害。急性中毒：有头痛、头晕、乏力、皮肤粘膜紫绀、手指麻木等症状；严重时可出现胸闷、呼吸困难、心悸，甚至心律紊乱、昏迷、抽搐、呼吸麻痹。有时中毒后出现溶血性贫血、黄疸、中毒性肝炎。慢性中毒：可有神经衰弱综合征；慢性溶血时，可出现贫血、黄疸；还可引起中毒性肝炎。

第 1 部分引言


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应急处理处置方法 :

一、泄漏应急处理

迅速撤离泄漏污染区人员至安全区，并进行隔离，严格限制出入。切断火源。建议应急处理人员戴自给正压式呼吸器，穿防毒服。不要直接接触泄漏物。尽可能切断泄漏源。防止进入下水道、排洪沟等限制性空间。当硝基苯洒在地面时，立即用沙土、泥块阻断漏液的温延，配戴好面具、手套，将漏液或漏物收集在适当的容器内封存，用沙土或其它惰性材料吸收残液，转移到安全地带。立即仔细收集被污染土壤，转移到安全地带。当硝基苯倾倒在水面时，应迅速切断被污染水体的流动，以免污染扩散。中毒人员立即离开现场，到空气新鲜的地方，脱去被沾染的外衣，用大量的水冲洗皮肤，漱口，大量饮水，催吐，即送医院。着火时用大量水和干粉、泡沫、二氧化碳等灭火器灭火。接触硝基苯的人员严禁饮酒，以免加重加速毒性作用。沿地面加强通风，以驱赶硝基苯蒸气。

第 1 部分引言道知你要硝基苯

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二、防护措施

呼吸系统防护：可能接触其蒸气时，佩戴过滤式防毒面具(半面罩 )。紧急事态抢救或撤离时，建议佩戴自给式呼吸器。

眼睛防护：戴安全防护眼镜。身体防护：穿透气型防毒服。手防护：戴防苯耐油手套。其它：工作现场禁止吸烟、进食和饮水。及时换洗工作服。工作前后不饮酒，用温水洗澡。注意检测毒物。实行就业前和定期的体检。

第 1 部分引言


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三、急救措施

皮肤接触：立即脱去被污染的衣着，用肥皂水和清水彻底冲洗皮肤。就医。眼睛接触：提起眼睑，用流动清水或生理盐水冲洗。就医。吸入：迅速脱离现场至空气新鲜处。保持呼吸道通畅。如呼吸困难，给输氧。如呼吸停止，立即进行人工呼吸。就医。食入：饮足量温水，催吐，就医。

灭火方法：消防人员须佩戴防毒面具、穿全身消防服。灭火剂：雾状水、抗溶性泡沫、二氧化碳、砂土。

第 1 部分引言


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苯胺毒性比较高，仅少量就能引起中毒。主要

是通过皮肤、呼吸道和消化道进入人体，从而

破坏血液造成溶血性贫血，损害肝脏引起中毒

性肝炎，甚至导致各种癌症。

第 1 部分引言

道知你要

苯胺

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合成效率

合成效率包括两个方面：一是选择性（包括化学、区域、非对映和对映选择性）；另一个就是原子经济性，即原料分子中究竟有百分之几的原子转化到产物中去了。一个高效的合成反应不但要有高选择性而且必须具备较好的原子经济性。理想的原子经济性反应是原料分子中的原子百分之百地变成期望的产物，同时不需要其他试剂或仅需要无损耗的促进剂。

第 1 部分引言

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原子经济性

为了衡量合成的效率，美国 B.M.Trost于 1991 年提出原子经济（ atom economy ）概念，并将它与选择性一起归结为合成效率的两个方面。认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子中的每一个原子，使之结合到目标分子中（如完全的加成反应：A + B→ C ），达到零排放。原子经济性可以用原子利用率来衡量：

原子利用率 =预期产物的相对分子质量 / 所有生成物质的相对分子质量之和 ×100%

第 1 部分引言

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理想合成的定义

P.A.Wender 认为：一种理想的（最终是实效的）合成指的是用简单的、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。

这些观念、原则和标准的提出，实际上已在大的方向上指出实现绿色化学和绿色合成的主要途径，因而，也指出了绿色有机合成的若干发展趋势。

第 1 部分引言

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绿色有机合成方法简介

方法一：一瓶反应一个多步才能完成的庞大合成路线，使用的试剂或原料必定很多，且往往涉及分离提纯等过程，由此带来的污染和成本升高是不言而喻的。在一瓶内完成原来需要分两步或多步进行的反应，即“一瓶反应”（ one pot reaction ），可以减少后处理和分离、纯化步骤，是提高合成效率的一种有效途径。在一瓶内完成，所涉及的两个反应属于不同的类型，例如，去保护 -保护、去保护 - 氧化、氧化 -Wittig 反应、还原 -酰化、还原 - 碳碳键形成、活化 -取代等。这类一瓶反应成功的关键是设计这样一些条件，使得两步反应所用的试剂及中间产物能共存，互不影响。或者一种条件可进行两种反应。

第 2 部分方法介绍

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例把伯醇氧化为醛，而后在同一反应瓶里进行反应或Wittig Horner 反应，可以实现“一瓶”氧化 - 碳碳双键形成。下式为采用二氧化锰 -磷叶立德试剂将不饱和醇一瓶转化为碳链增长的双烯的实例。

Ph OHPh3P=CHR , MnO2 RPh

(R=COOEt; CN)



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催化过程，包括各种形式的化学催化和生物催化往往是“无盐”技术，是实现高原子经济反应的重要途径。例 : 用传统的氯醇法和成环氧乙烷，其原子利用率只有 25% ，而采用乙烯催化环氧化方法仅需一步反应，原子利用率达到 100% ，产率 99% 。

方法二：开发原子经济反应

CH2=CH2

Cl2

Ca(OH)2

O+ CaCl2 H2O+

相对分子质量： 44 111 18

原子利用率 = （ 44/173 ） ×100%=25%

2CH2=CH2

Cat OO2+ 2



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重排反应 (rearrangement reaction ) 是构成反应物分子的原子通过改变相互的位置、连接以及键的形成方式从而产生一个新分子的反应。重排反应是通过热、光及化学诱导等方法来控制的。这类反应的特点之一就是反应物分子中的所有原子经重新组合后均转移至产物分子中，无内在的废物产生。因此，重排反应的原子利用率达 100% ，它是原子经济性反应，是绿色化学的首选反应类型之一。

像这类结构互变的重排反应有许多，如 Beckmann 重排、 Claisen 重排等。它们在有机化合物及药物合成中都有应用，是非常重要的有机合成反应，是原子经济反应。

有机合成中常见的原子经济性反应重排反应



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加成反应 (addition reaction ) 是不饱和分子与其他分子相互加成生成新分子的反应。反应中发生了不饱和 π键的断裂和 σ键的形成。根据进攻试剂的性质或 π键断裂及 σ

键的形成的方式不同 . 由于加成反应是一种将反应物分子全部加到另一反应物分子上，因此是原子经济性反应。正像所有的反应一样，反应的实际效率最终需要实验数据来确定，即使是理论上的原子经济性反应也不能例外，因为还需要考虑反应速率等。

加成反应



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周环反应 (pericyclic reaction ) 是经过一个环状过渡态的协

同反应 (concerted reaction ) ，即在反应过程中新键的生

成与旧键的断裂是同时发生的，电环化反应、环加成反应、

σ-迁移等都是周环反应的典型例子。周环反应的正反应一

般都是原子经济性反应，但其逆反应有时就需要把一个分

子分解成两个分子，因此，逆反应往往不如正反应对环境

更友好。

周环反应



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取代反应 (substitution reaction ) 是有机分子中原子或基团被其他原子或基团取代的反应。取代反应按照化学键断裂方式分为 3种基本反应类型：亲核取代、亲电取代、或游离基取代。但无论哪一种取代，其结果都是被取代基团不再出现在目标产物中，而是作为废物被排放。因此，取代反应不是原子经济性反应。

有机合成中常见的非原子经济性反应分析取代反应



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取代反应生成副产物是不可避免的。因为副产物是合成方法的直接结果，因此，取代反应不仅不是原子经济性反应，而且在资源利用及环境污染方面均有一定的不足。但这并不意味着它绝对不可取，如果一个取代反应在设计时精心考虑和选择了离去基团，使其对环境无害，则反应也可以是方便和高效的。

取代反应



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消除反应 (elimination reaction ) 是在有机物分子中除去两个原子或基团而生成不饱和化合物的反应。按被消去原子或基团所处的位置可分为 α- 消除、 β- 消除和 γ- 消除。由于消除或降解反应生成了其他小分子，即消除反应必然会生成副产物，所以消除反应与取代反应一样不是原子经济性反应。尤其是季铵碱热分解反应制备烯烃，其原子利用率很低。例如：

CH3CH2CH2N+(CH3)3OH- → CH3CH=CH2 + N(CH3)3 + H2O

消除反应



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有机氧化还原常用的氧化剂有KMnO4 、 K2Cr2O7 、 PbO2 、有机过氧酸等，常用的还原剂有碱金属、金属氢化物、醇铝化合物等。氧化还原反应副产物多，原子经济性很差，是化学工业环境污染最严重的反应之一。更不幸的是，环境无害的氧化剂很难寻找。从绿色化学角度看，电化学氧化还原比化学氧化还原更好一些。但从总的来说，在设计合成路线时应尽量避免氧化还原反应，这是绿色化学所要求的。

氧化还原反应



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例 1罗素 (Hoffmann-La Roche) 公司发展抗帕金森药物lazabemide提供了一个显示催化羰基化反应威力的极好例子。第一条合成路线采用传统的多步骤合成，从 2-甲基 -5-乙基吡啶出发，历经 8步合成，总产率只有 8%；而用钯催化羰基化反应，从 2 ， 5- 二氯吡啶出发，仅用一步合成了lazabemide ，其原子利用率达 100% ，且可达 3000吨的生产规模。

+ H2N(CH2)2NH2 CO+Cl

NNN

H

NH2 HCl

Pa cat Cl

N Cl

8 步

总产率 8%

65%



2-甲基 -5-乙基吡啶 lazabemide 2 ， 5- 二氯吡啶

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例 2布洛芬是一种应用广泛的抗炎药，其传统制法是采用英国诺丁汉 Boots 公司在 20 世纪 60 年代发展的专利合成路线。采用此工艺路线迄今已经生产出数百万千克的药物布洛芬，但同时也产生了千万千克的废弃物和副产物。即使不计算用于反应和纯化的试剂用量，在这一工艺路线中，每生产 1mol

（ 206克， C13H18O12 ）布洛芬所需各步投入原料分子质量总

和为 514.5克（ C20H42NO10 ClNa ），形成废弃物的量为 308.

5克。换句话说，这一工艺路线的原子经济性只有 40% 。布洛芬的年生产量为 1.36万吨，所形成的废弃物的量为 1.59万吨。



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在 20 世纪 80 年代中期，当布洛芬的专利保护期即将结束时，美国 Celanese 公司与 Boots 公司合资建立 BHC 公司，发展了一条布洛芬的绿色合成路线（下页图）。三步催化合成路线的原子经济性提高到 77%[C13H18O12 ，（ 206 ） /

C15H22O4 （ 266 ） ] ，三步所用的催化剂氟化氢和钯催化剂均可回收再使用。如果考虑到第一步形成的乙酸可以回收，则该路线的原子经济性高达 99% 。按该绿色合成路线建立的布洛芬生产线 1992 年投产，占世界布洛芬市场分额的 20%~25

% 。 BHC 公司的布洛芬绿色合成先后获得 Kirpatrick 化学工程成就奖（ 1993 ）年和美国总统绿色化学挑战奖（ 199

7）年。



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H2

CO

Pa cat

CH3

H3C

(CH3CO)2O

HF H3C

CH3 CH3

O

OH

CH3CH3

H3C

COOH

CH3

CH3

H3C

兰尼镍

布洛芬

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方法三：选用环境友好催化剂

许多传统的有机反应用到酸、碱催化剂。 Friedel-Crafts 酰化反应中，需用等化学计量腐蚀性、易水解的无水三绿化铝催化剂，依此法生产 1吨酰化产物将带来 3吨对环境有害的酸性富铝的废弃物和蒸汽。为克服传统酸催化剂带来的环境危害，学术界和化工界致力于发展环境友好催化剂，比较成功的是无毒的 evirocats4 系列。

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方法四：选用更“绿色化”的起始原料和试剂

选用对人类健康和环境危害较小的物质为起始原料去实现某一化学过程将使这一过程更安全，这是显而易见的。例如，芳香胺的合成过去通常是以氯代芳烃为原料，与氨发生亲核取代来合成。但氯代芳烃毒性大，严重地污染了环境。现在发展起所谓的 NASH (nucleophilic aromatic substitution for

hydrogen ) 方法，直接用芳烃与氨或胺发生亲核取代反应就可以达到目的。

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又如：

用碳酸二甲酯 ( DMC ) 代替硫酸二甲酯作甲基化试剂，也是绿色合成的一个实例。因为硫酸二甲酯有剧毒，使强烈的致癌物，这几年使它几乎无法应用，而碳酸二甲酯是无毒的，并在甲基化反应中已取得成功。

NH2

CH3O C OCH3

O

+ +

NHCH3

CH3OH CO2+

( DMC )

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+

COCl

Cl

O

Cl

evirocats EPZG

其中异相催化 evirocats EPZG 被用于催化傅氏酰化反应合成药物中间体对 -氯二苯乙酮。用该催化剂取代传统的 AlCl3 ，催化剂用量减少为原来的十分之一，废弃物 HCl 的排放量减少了四分之三，而产率达到 70% ，且只产生极少量的邻位产物。

对 -氯二苯甲酮



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方法五：反应方式的改变（有机电合成）

电化学过程是洁净技术的重要组成部分。由于电解一般无需使用危险或有毒的试剂，通常在常温、常压下进行，在洁净合成中具有独特的魅力。有机合成中一类非常重要的碳 -碳键形成反应是自由基反应，实现自由基环化的常规方法之一是使用过量的三丁基锡氢，这样的过程不但原子使用效率低，而且使用和产生有毒的难以除去的锡试剂。这两方面的问题用维生素 B12 催化的电还原方法完全避免了。利用

天然、无毒、手性的维生素 B12 为催化剂的电化学催化反应，可产生自由基类中间体，从而实现在温和、中性条件下的自由基环化。



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方法六：溶剂的无毒化选择在传统的有机反应中，有机溶剂是最常用的反应介质，这主要是因为它们能更好地溶解有机化合物。但有机溶剂的毒性、挥发性（叫做挥发性有机物）和难回收又使之成为对环境有害的因素。因此，在无溶剂存在下进行的有机反应、使用水作为反应介质以及使用超临界流体作为反应介质或萃取溶剂将成为发展洁净合成的重要途径。采用无毒无害的溶剂代替挥发性有机化合物作溶剂已成为绿色化学的重要研究方向。目前超临界流体、水以及离子液体做反应介质甚至采用无溶剂的反应的有机合成在不同程度上已取得了一定成果和进展，它们将成为发展绿色合成的重要途径和方法。无溶剂的净相有机反应（干反应）可在固态或液态下进行。



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固态化学反应的研究吸引了无机、有机、材料及理论化学等多学科的关注，某些固态反应已获得工业应用。固态化学反应实际上是在无溶剂化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。无溶剂反应既可在超声波促进下完成，也可在微波促进下完成。无溶剂反应同样可以通过研磨在机械能作用下完成，例如，最近报道了磷叶立德和 Wittig 反应在固态、机械能诱导下完成。

无溶剂的固态化学反应



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无溶剂的液态反应可以在熔融状态或常态下进行。甲基丙烯酸酯聚合是无溶剂的工业化过程的一个重要例子。最近报道了（ S ） -脯氨酸诱导的 1 ，3- 环己二酮的非对称化，即 Hajos-Parrish 环化反应，也可以在无溶剂存在下进行，反应得到重要的手性 Wieland-Miescher 酮。

无溶剂的液态反应



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由于大多数有机化合物在水中的溶解性差，而且许多有机试剂在水中会分解，因此一般有机反应很少用水作为反应介质。然而水作为反应溶剂对很多反应又有着无可比拟的优越性，因为水是地球上自然丰度最高的“溶剂”，非常价廉，又无毒。此外，水溶剂的特有性质应对一些重要有机转化十分有益，有时可提高反应速率和选择性，更何况生命体内的化学反应大多是在水中进行的。1980 年 Breslow 重新发现水可作为有益的溶剂：环戊二烯与甲基乙烯酮的环加成反应，在水中较之以异辛烷为溶剂快了 700倍。随后 Grieco 在水相环加成反应也作了许多开创性工作。

以水作溶剂的反应



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方法七：开发可再生资源作为原料

人类社会在过去二三百年内把地球上宝贵的、经过千万年慢慢累积的石油、煤、天然气等矿物燃料过度地开发，对于子孙后代是很不负责任的，因此，成为可持续发展和绿色化学的一个重要方面， Frost 和 Draths 建立了通过生物催化把 D-葡萄糖转化为己二酸、邻苯二酚等有机物的完全的绿色合成（下页图）。尤其是不需要从传统的苯开始来制造作为尼龙原料的己二酸取得了显著进展。己二酸是一种重要基本有机化工原料，全世界每年的用量高达 190万吨，主要用于制备尼龙 -6 ， 6 等塑料和润滑剂。

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尼龙 -66 D-葡萄糖

H2O+n

NH

(CH2)6

NH

O

(CH2)4

H2N(CH2)6NH2

OH

OH

O

OHOH

OH

OOH

OH

COOHHOOC

COOH

Pt, H2

COOH

O

HOOC

+酶催化反应

酶催化反应

缩聚反应

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另外， Gross 首创了利用生物或农业废物如多糖类制造新型聚合物的工作，由于同时解决了多个环保问题，由此引起了人们的特别兴趣。其优越性在于：聚合物原料单体实现了无害化；生物催化转化方法优于常规的聚合方法；Gross聚合物还具有生物降解功能。不久的将来，有可能不再使用生态循环链以外的能源和化工原料（如煤、石油和天然气），而做到生产和使用的一切东西都来自生态循环链，所有原料和产物也都可在生态循环链中降解。总之，利用生物原料（ biomass）代替当前广泛使用的煤和石油，是保护环境的一个长远的发展方向。

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方法八：采用尽可能短、对环境污染小的合成路线

发展和应用对任何环境无毒和无危险性的试剂和溶剂以及其他实用化学品是绿色化学的重要一环，需要多学科的共同努力。甲基丙烯酸甲酯是一个重要的高分子单体，其传统商业制法是通过丙酮腈醇途径实现的，反应中用到剧毒的氢氰酸和过量的浓硫酸，反应产生大量的硫酸氢铵废弃物，无疑是一个对环境有害的流程，其原子利用率只有 47% 。

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O OO

HCN HOCN

H2SO4

H2N

MeOH

H2SO4 MeO

+COMeO

OHCC CH CH3OH+Pd cat

6×10 Pa/60℃6

壳牌（ Shell）公司发展的丙炔 -钯催化甲氧羰基化一步合成法，其区域选择性，反应收率均大于 99% ，原子利用率高达 100% ，催化剂的转化活性高达每小时每克催化剂催化 10万摩尔底物，无疑是一种对环境无害的流程。

例

原始方法

改进方法

甲基丙烯酸甲酯

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有机玻璃的制备（以甲基丙烯酸甲酯为单

体）有机玻璃的制备（以甲基丙烯酸甲酯为单

体）

有机玻璃是甲基丙烯酸甲酯通过聚合方法所得制品。最突出性能是具有很高透明度，透光率达 92% ，其密度小，耐冲击强度高，低温性能优异，是光学仪器和航空工业的重要原料。又因其具有着色后色彩鲜艳夺目特点，被广泛用做装饰材料。此外，还可用做外科手术用具、绝缘材料。

CH3

CH2 C COOCH3nAIBN

nCH2 C

CH3

COOCH3

甲基丙烯酸甲酯在引发剂（偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰）引发下，按自由基聚合机理进行反应。反应表达

式


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（有机玻璃画）有机玻璃制品有机玻璃制品

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产品的安全性是绿色化学的另一个问题。船舶在灾害中停留会引起海藻、贝壳等海洋生物和微生物的附着，为此需要在船舶吃水部分涂上防垢剂。在过去所用的防垢剂中三丁基锡氧化物[ （ Bu3Sn ） 2O]占了 70% 。三丁基锡氧化物在海水中的半衰期为 5个月，在泥浆中的半衰期为 6~9个月。较长的半衰期，慢性毒性尤其在海洋生物链中的富集对海洋微生物和生物产生极大的危害。为此发展了 4 ， 5- 二氯 -2- 正辛基 -4- 异噻唑 -3- 酮（ DCOI）作为替代物。 DCOI 在海水中降解速度较快，在海洋环境中保持低浓度，因而不会产生慢性毒性。 Rohm&Haas

公司因成功开发这一环境友好防垢剂而获得美国总统绿色化学挑战奖。

方法九：合成安全性更高的产品

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发展生物可降解的高聚物是绿色化学的重要内容之一，这方面的发展很快，全世界的消费量已从 1996年的 1 400万千克增加到 2001 年的 6 800万千克，聚羟基丁酯、聚乳酸和聚天冬氨酸是其中的三例。

绿色化学时代的到来对合成化学提出了新的要求，这是严峻的挑战，也是一个良好的机遇。绿色化学的主旋律是合成化学尤其是有机合成化学，它强调反应的原子经济性和选择性。绿色合成方法的研究和成功应用将推动本学科的进一步发展，也将为传统化学工业带来一场革命，造福于人类。

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2005 年 4 月 22 日是第 36个“世界地球日”。日前，国土资源部已确定今年“世界地球日”的主题为

“ 善待地球——科学发展 , 构建和谐”。


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再见

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绿色有机合成 方法简介

绿色有机合成方法简介