绿色有机合成是指采用无毒、无害的原料、催化剂和溶剂,选择具有高选择性、高转化率,不生产或少生产副产品的对环境友好的反应进行合成,其目的是通过新的合成反应和方法,开发制备单位产品产污系数最低,资源和能源消耗最少的先进合成方法和技术,从合成反应入手,从根本上消除或减少环境污染。

不对称催化、酶催化、电化学合成、无溶剂有机合成、超临界流体中的有机合成、离子液体中的有机合成等合成技术是近年来发展迅速的几种主要绿色合成技术。

1.　绿色催化技术

60%以上的化学品,90%的化学合成工艺均与催化有着密切的联系,具有优势的催化技术可

成为当代化学工业发展的强劲推动力。

   1.1　不对称催化

手性是自然界的基本属性,生物活性物质与受体作用时大多都以手性方式进行,因此不对称合成在各个领域,尤其是药物、农药和香料化学等领域受到了高度重视。

不对称催化(Asymmetric Catalysis),即在手性催化剂的存在下,通过前手性底物的各种不对

称转换反应得到旋光活性化合物。在不对称催化合成中,手性催化剂与反应底物和试剂作用生成高价态的反应过渡态(氧化加成),继之这种反应过渡态经历分子内重排,在发生还原消除之后给出所期望的光活性产物。手性催化剂,在绝大多数情况下由过渡金属、手性配体、非手性配体和(或)配基组成。手性配体是手性诱导的来源。

1.2　膜催化技术

膜催化技术是近年来多相催化领域中出现的一种新技术,该技术是将催化材料制成膜反应器或将催化剂置于膜反应器中操作。反应可选择性地穿过膜而离开反应区域,有效地调节某一反应物或产物在反应器中的区域浓度,打破化学反应在热力学上的平衡状态,实现反应高选择性和提高原料的利用率。

膜催化技术将膜技术应用于催化反应领域, 使催化反应和分离过程同时进行,其突出的优点为:(1)催化活性好。由于膜的比表面积比较大,单位表面积上原子(或分子)占有率高,活性中心多,所以能有效地与反应分子接触,显示出很高的催化活性。(2)选择性高。膜的微孔多,其孔径分布范围广,孔径、孔体积以及空隙分布等均可采用不同方法加以有效控制,有利于分子扩散,提高催化剂的选择性,尤其是生物膜催化剂,其选择性可达到100%。(3)载体型的膜催化剂呈现出耐高温、耐化学稳定性,机械强度提高、催化寿命延长的特点。

膜催化研究中存在的一些问题:(1)高选择性膜的制备;(2)高温下的设备密封;(3)膜的污染与稳定性问题;(4)膜催化反应过程的数学模拟[3]。膜催化技术在加氢、脱氢、氧化、酯化、生化等许多领域得到应用,如芳烃加氢、丙烷脱氢环化、丙烯氧化制丙烯醛等。

1.3　酶催化技术

酶是存在于生物体内且具有催化功能的特殊蛋白质,通常所讲的生物催化主要指酶催化,其具有以下特点。

(1). 催化的高效性

对于同一反应,酶催化比一般化学催化效率高106~1013倍。酶催化剂用量少,一般化学催化剂的摩尔分数是0.1%~1%,而酶催化反应中酶的摩尔分数为10^-6~10^-5。

(2). 选择性高

每种酶只能加速一种特定结构的底物或结构相似底物的化学反应。例如,酯酶只能催化酯类化合物的水解,过氧化氢酶只能催化过氧化氢的分解。这种高选择性也就是酶催化的专一性,包括结构专一性和立体异构专一性。

(3). 反应条件温和

酶催化可在室温常压和近中性介质环境下进行,可以降低能耗,减少不必要的副反应。由于酶催化的反应条件往往相同或相似,因此,一些连续反应可采用多酶复合体系,使这些酶催化反应在同一反应器中进行,以简化工艺操作步骤,尤其是省去一些不稳定中间体的分离过程。同时应用连续的酶催化反应体系,可以使反应过程中某些化学平衡上不利的反应朝生成所需产物的方向进行。

酶催化作用除了决定于酶本身的结构和性质外,外界条件也有重要的影响。温度、pH值、激活剂、抑制剂以及有机溶剂、表面活性剂、紫外线、放射性辐射、超声波等均影响酶催化反应。

酶催化反应广泛应用于合成医药、香料、食品添加剂、农用化学品和功能高分子材料等。

2.　电化学合成技术

电化学合成技术是在电化学反应器(习惯称为电解池或电解槽)内进行以电子转移为主的合成有机化合物的清洁生产技术。有机电合成相对于传统的有机合成具有显著的优势:(1)电化学反应是通过反应物在电极上得失电子实现的,原则上不用加其它试剂,减少了物质消耗,从而减少了环境污染。(2)选择性很高,减少了副反应,使其产品纯度和收率均较高,大大简化了产品分离和提纯工作。(3)反应在常温常压或低压下进行,对节约能源、降低设备投资十分有利。(4)工艺流程简单,反应容易控制。有机电合成分类方法比较复杂,通常有两种分类方法:(1)按电极表面发生的有机反应的类别,分为两大类有机电合成反应:阳极氧化过程和阴极还原过程。阳极氧化过程包括:电化学环氧化反应;电化学卤化反应;苯环及苯环上侧链基团

的阳极氧化反应;杂环化合物的阳极氧化反应;含氮硫化物的阳极氧化反应。阴极还原过程包括阴极二聚和交联反应;有机卤化物的电还原;羰基化合物的电还原反应;硝基化合物的电还原反应;腈基化合物的电还原反应。(2)按电极反应在整个有机合成过程中的地位和作用,可将有机电合成分为两大类:直接有机电合成反应、间接有机电合成反应。

直接有机电合成反应:有机合成反应直接在电极表面完成;间接有机电合成反应:有机物的氧化(还原)反应采用传统化学方法进行,但氧化剂(还原剂)反应后以电化学方法再生以后循环使用。间接电合成法可以两种方式操作:槽内式和槽外式。槽内式间接电合成法是在同一装置中进行化学合成反应和电解反应,因此这一装置既是反应器也是电解槽。槽外式间接电合成法是电解槽中进行媒质的电解,电解好的媒质从电解槽转移到反应器中,在此处进行有机反应物化学合成反应。

20世纪60年代以来,现代电化学技术得到了快速的发展,各种有机电化学方法不断涌现,迄今已实现工业化或正在进行工业化试验的有机合成产品达到100多种,如:己二腈、丁二酸、乙基香兰素等的电化学合成。乙基香兰素的电化学合成[2]:电化学法合成乙基香兰素,是以邻乙氧基苯酚为原料与三氯乙醛进行缩合反应,再在碱性条件下进行水解得到相应的钠盐,然后通过氧化反应制得乙基香兰素。合成工艺中,缩合和水解反应属常规化学反应。在氧化反应中,采用隔膜电解槽,石墨作阳极,镍为阴极,以3-乙氧基-4-羟基苯乙醇水溶液为电解液,控制电解温度70℃,电流密度为200A/m²的条件下进行电氧化合成。待电氧化反应完全后,取出阳极液,冷却至室温,用稀硫酸调节pH值为3~4,用苯萃取上层溶液中的乙基香兰素,然后分离出来,可得粗品乙基香兰素。再经减压蒸馏,制得精品乙基香兰素,其产率为85%~98%。

3.　使用绿色溶剂

3.1　超临界流体中的有机合成

超临界流体(SCF)是物质处于其临界点以上时所呈现的一种无气液相界面、兼具气液两重性的流体。

在超临界流体状态下进行化学反应,由于超临界流体的高溶解能力和高扩散性,能将反应物甚至将催化剂都溶解在SCF中,可使传统的多相反应转化为均相反应,消除了反应物与催化剂之间的扩散限制,有利于提高反应速率。同时,在超临界状态下,压力对反应速率常数有较强烈的影响,微小的压力变化可使反应速率常数发生几个数量级的变化,利用超临界流体对温度和压力敏感的溶解性能,选择合适的温度和压力条件,有效地控制反应活性和选择性,及时分离反应产物,促使反应向有利于目标产物的方向进行。在超临界流体中进行的催化氢化、催化氧化、烷基化以及高分子聚合、酶催化等研究都取得了很大的进展。在超临界二氧化碳中进行丙烯酸甲酯的催化氧化反应。利用钯-酮氯化物作为催化剂,在过量甲醇存在时用氧气氧化丙烯酸甲酯得到二甲氧基丙酸甲酯,同时有副产物甲氧基丙烯酸甲酯和甲氧基丙酸甲酯生成。结果表明,反应介质和氧气压力对反应物的转化率有明显影响。在超临界二氧化碳中,反应温度40℃,氧气压力为0.1 MPa时转化率为93%,主产物二甲氧基丙酸甲酯的质量分数大于93%,当氧气压力增至1 MPa时,转化率增加至99.4%,主产物质量分数增加至99.6%,而同样的反应若在二甲基乙酰胺中进行,则转化率仅为46%。超临界催化加氢技术:超临界加氢反应中的氢气与超临界流体二氧化碳、反应物互溶,打破了气液间的传质限制,加氢速度大大加快;超临界加氢反应可在较低温度下(二氧化碳的超临界温度为31.6℃)实现加氢反应连续化,适用于高沸点物质的连续化加氢,并可提高加氢反应的选择性,简化了反应工艺;超临界流体具有溶解催化剂表面吸附物的作用,可大大延长催化剂的寿命等;超临界催化加氢反应兼具液相催化加氢反应和气固相催化加氢反应的优点,具有很大的优越性。对维生素E的中间体法尼基丙酮进行了超临界催化加氢反应研究,在40℃反应条件下,转化率可达99.9%,选择性达99.5%,比普通液相加氢速度高840倍,选择性也提高了25%。

3.2　离子液体在有机合成中的应用

离子液体是在室温或室温附近呈液态的由离子构成的物质,具有呈液态的温度区间大、溶解范围广、没有显著的蒸气压、良好的稳定性、极性较强且酸性可调、电化学窗口大等诸多优点。而且,随着离子液体中阳离子和阴离子的不同,离子液体的物化特性会发生较大变化,可以根据需要合成出不同特性的离子液体。因此,在分离过程和化学反应领域显示出良好的应用前景。

(1). Diels-Alder环加成反应

在离子液体中进行Diels-Alder环加成反应的明显优点为体系有足够低的蒸气压、可再循环、无爆炸性、热稳定且易于操作。

(2). 烷基化反应苯与链烯烃或卤化烷进行的烷基化反应是3-甲基-1-氢-咪唑(MCl)/AlCl₃离子液体可以作为新的替代催化剂。使用HCl改性过的MCl/Al-Cl₃离子液体催化苯与二氯甲烷反应,催化活性高,在常温下反应,仅用5 min转化率达99%,产率95%以上,远高于无水AICl3为催化剂时的57%和38.4%,而且较易分离出产物。

(3. )氧化反应

Howatrh首次报道了在离子液体中进行芳香醛转化芳香醇的反应。

4.　无溶剂有机合成

在传统的有机合成中,有机溶剂是最常见的反应介质,因为这些溶剂可很好地溶解有机物,保证物料混合均匀和热量交换稳定,有时反应介质与反应物之间、反应介质与催化剂的相互作用还可以增强反应效果。但有机溶剂的毒性和难以回收又成为对环境污染的主要因素。无溶剂有机合成由于反应过程完全不用溶剂,彻底克服了反应过程中溶剂对环境造成的污染;有利于降低成本;无溶剂合成为反应提供了与传统溶剂不同的新的分子环境,有可能使反应的选择性、转化率得到提高;可使产物的分离提纯过程变得较容易进行。采用无溶剂的固相反应是避免使用挥发性溶剂的一个研究动向。

无溶剂有机合成也有其固有的缺点:(1)由于参加反应的分子之间要接近到一个小距离(如<1nm)才可能发生反应,而不同固体反应物粉末混合时,达到此距离的异种分子所占比例很小,因而许多反应无溶剂不能进行,需要采用一些方法来促进反应的进行;(2)散热问题,有些反应进行时放热多,在无溶剂条件下就存在散热难的问题;(3)分离问题,反应完成后若得到的是固体混合物,进行分离时,有可能要使用有机溶剂;(4)因反应系统无流动性,组织大规模的自动化水平高的生产困难。

为使反应(特别是固体反应)在无溶剂条件下能够进行,主要采用如下一些方法:用球磨机或高速振动粉碎等强力机械方法;用超声波、微波照射方法;用光照射方法;用主体-客体方法,即以反应底物为客体,以一定的比例和另一种适当分子为主体形成包接化合物,然后再设法使底物发生反应,使反应的定位选择性或光学选择性有所改善。

如吉林大学采用尿素和三聚氰胺一步法生产氰尿酸三聚氰胺盐(MCA),以尿素和三聚氰胺为原料,在催化剂作用下,经熔融、固化、水煮得到MCA。

5.　绿色强化技术的使用

为了实现绿色氧化和还原反应,需在常规研究方法的基础上,采用新技术进行过程强化。能

应用于氧化和还原过程的强化技术包括微波、超声波、光、等离子体、激光、磁等,通过有效合理地使用这些强化技术,使某些氧化和还原效率有突破性的提高。

5.1　微波技术

微波应用于有机反应,能加快反应速率,缩短反应时间,具有产物易于分离、产率高等优点。如使用MagtrieveTM为氧化剂,在微波条件下苯丙醇氧化为苯丙醛的反应,可在5 min内完成,收率为96%,而同样条件下没有微波强化反应2 h,收率仅为78%。

5.2　超声技术

声化学反应能改变反应的进程,提高反应的选择性,增强化学反应的速率和产率,降低能耗和减少废物的排放。如在超声波的促进下,芳香硝基化合物的还原可在很短的时间内完成[15]。

5.3　激光

激光用于化学反应可以是低温过程;当催化剂失去活性时,可以用激光照射使之活性回复;用高强度短脉冲激光光照可生成短寿命的活化中心,使得反应加速,由于短寿命活性中心减少了其它二次反应的发生;由于受激光的激发很容易产生自由基,因此可以诱导自由基反应。

Bonn等在Ru(0001)上考察了在吸附一氧化碳和氧原子的前提下,其形成二氧化碳的情况。

在加热条件下,反应无法进行,但在红外激光激发下,有二氧化碳生成,表明在激光强化下产生了一个新的氧化反应途径[16]。

5.4　电场

在包含热、质量、动量传递的许多物理和化学过程中,把流体置于强的电场下,其传递系数有较大的提高。若把足够强的电场(如1 010 V/m)作用于化学反应体系,可显著地影响热力学平衡,甚至还会出现正常平衡的倒置现象。另外,电场还可以使参与反应的分子的键产生极化,使反应的活化能下降,从而提高反应的动力学特性,加快化学反应速率。

强化过程的使用往往不是单一的,即在许多反应过程中可综合使用这些强化方法的组合,从而达到良好的效果。如将电场和等离子体相结合,用于甲烷氧化偶联反应,甲烷单程转化率高达22%,C2总选择性高达90%以上。

绿色合成技术以其环境友好的特征越来越受到人们的重视。随着“走新型工业化道路”战略决策的不断实施,绿色合成技术必将得到更广泛的应用。