無溶劑有機合成ppt課件

1、第五講第五講無溶劑有機合成無溶劑有機合成 在有機化學物質(zhì)的合成過程中在有機化學物質(zhì)的合成過程中(尤其是固體物尤其是固體物質(zhì)參與的反響質(zhì)參與的反響)運用有機溶劑是較為普遍的，這些運用有機溶劑是較為普遍的，這些有機溶劑會散失到環(huán)境中呵斥污染。各國化學家有機溶劑會散失到環(huán)境中呵斥污染。各國化學家發(fā)明并研討了許多取代傳統(tǒng)有機溶劑的綠色化學發(fā)明并研討了許多取代傳統(tǒng)有機溶劑的綠色化學方法。如：以水為介質(zhì)、以超臨界流體方法。如：以水為介質(zhì)、以超臨界流體(如如CO2)為溶劑、以室溫離子液體為溶劑等方法，而最徹為溶劑、以室溫離子液體為溶劑等方法，而最徹底的方法是完全不用溶劑的無溶劑有機合成。底的方法是完全不用溶

2、劑的無溶劑有機合成。傳統(tǒng)有機溶劑的優(yōu)點：傳統(tǒng)有機溶劑的優(yōu)點：1、能很好地溶解有機反響物；、能很好地溶解有機反響物；2、使反響物分子在溶液中均勻分散；、使反響物分子在溶液中均勻分散；3、穩(wěn)定地進展能量交換。、穩(wěn)定地進展能量交換。傳統(tǒng)有機溶劑的缺陷：傳統(tǒng)有機溶劑的缺陷：1、毒性、揮發(fā)性；、毒性、揮發(fā)性；2、難以回收。、難以回收。 無溶劑有機反響最初被稱為固態(tài)有機反響，無溶劑有機反響最初被稱為固態(tài)有機反響，由于它研討的對象通常是低熔點有機物之間的由于它研討的對象通常是低熔點有機物之間的反響。反響。 反響時，除反響物外不加溶劑，固體物反響時，除反響物外不加溶劑，固體物直接接觸發(fā)生反響。直接接觸發(fā)生反響

3、。 實驗結(jié)果闡明，很多固態(tài)實驗結(jié)果闡明，很多固態(tài)下發(fā)生的有機反響，較溶劑中更為有效和更能下發(fā)生的有機反響，較溶劑中更為有效和更能到達好的選擇性。因此，到達好的選擇性。因此，90 年代初人們明確提年代初人們明確提出出“無溶劑有機合成，它既包括經(jīng)典的固無溶劑有機合成，它既包括經(jīng)典的固固固反響，又包括氣反響，又包括氣固反響和液固反響和液固反響。固反響。一、無溶劑有機反響一、無溶劑有機反響 無溶劑反響機理與溶液中的反響一樣，反響無溶劑反響機理與溶液中的反響一樣，反響的發(fā)生來源于兩個反響物分子的分散接觸，接著的發(fā)生來源于兩個反響物分子的分散接觸，接著發(fā)生反響，生成產(chǎn)物分子。此時生成的產(chǎn)物分子發(fā)生反響，生

4、成產(chǎn)物分子。此時生成的產(chǎn)物分子作為一種雜質(zhì)和缺陷分散在母體反響物中，當產(chǎn)作為一種雜質(zhì)和缺陷分散在母體反響物中，當產(chǎn)物分子聚集到一定大小，出現(xiàn)產(chǎn)物的晶核，從而物分子聚集到一定大小，出現(xiàn)產(chǎn)物的晶核，從而完成成核過程，隨著晶核的長大，出現(xiàn)產(chǎn)物的獨完成成核過程，隨著晶核的長大，出現(xiàn)產(chǎn)物的獨立晶相。立晶相。二、無溶劑反響的操作方法二、無溶劑反響的操作方法無溶劑反響主要采用如下方法：無溶劑反響主要采用如下方法：(1) 室溫下，用研缽粉碎、混合、研磨固體反響原室溫下，用研缽粉碎、混合、研磨固體反響原料即可反響。料即可反響。(2) 將固體原料攪拌混合均勻之后或加熱或靜置即可，將固體原料攪拌混合均勻之后或加熱或

5、靜置即可，加熱時既可采用常規(guī)加熱亦可用微波加熱的方法加熱時既可采用常規(guī)加熱亦可用微波加熱的方法(3) 用球磨機或高速振動粉碎等強力機械方法以及用球磨機或高速振動粉碎等強力機械方法以及超聲波的方法。超聲波的方法。(4) 主主- 客體方法，以反響底物為客體，以一定比例客體方法，以反響底物為客體，以一定比例的另一種適當分子為主體構(gòu)成包結(jié)化合物，然后再的另一種適當分子為主體構(gòu)成包結(jié)化合物，然后再設(shè)法使底物發(fā)生反響，這時反響的定位選擇性或光設(shè)法使底物發(fā)生反響，這時反響的定位選擇性或光學選擇性等都會因主體的作用而有所改動或改善，學選擇性等都會因主體的作用而有所改動或改善，甚至變成只需一種選擇。甚至變成只需

6、一種選擇。 利用上述方法反響之后，再根據(jù)原料及產(chǎn)物利用上述方法反響之后，再根據(jù)原料及產(chǎn)物的溶解性能，選擇適當?shù)娜軇?，將產(chǎn)物從混合物的溶解性能，選擇適當?shù)娜軇?，將產(chǎn)物從混合物中提取出來或?qū)⑽捶错懲暝铣ィ纯傻幂^純中提取出來或?qū)⑽捶错懲暝铣?，即可得較純真產(chǎn)品。所用溶劑為無毒或毒性較低的水、乙醇、真產(chǎn)品。所用溶劑為無毒或毒性較低的水、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等。丙酮、乙酸乙酯等。 顯然，上述方法中，室溫下的反響能耗最少，顯然，上述方法中，室溫下的反響能耗最少，最為簡單。其次是加熱方法，能耗較高的是機械最為簡單。其次是加熱方法，能耗較高的是機械方法。方法。無溶劑有機反響可在固態(tài)、液態(tài)及熔融形狀下進

7、無溶劑有機反響可在固態(tài)、液態(tài)及熔融形狀下進展，也可以超聲波、微波協(xié)助反響，或經(jīng)過機械展，也可以超聲波、微波協(xié)助反響，或經(jīng)過機械能完成。能完成。三、無溶劑有機反響的優(yōu)點和缺乏三、無溶劑有機反響的優(yōu)點和缺乏無溶劑固態(tài)有機合成中由于沒有溶劑的參與，減無溶劑固態(tài)有機合成中由于沒有溶劑的參與，減少了溶劑的揮發(fā)和廢液的排放，也就降低了污少了溶劑的揮發(fā)和廢液的排放，也就降低了污染；同時，熔點在染；同時，熔點在150 以下的有機固體原料只需以下的有機固體原料只需室溫攪拌、研磨，不需求加熱操作，因此節(jié)能、室溫攪拌、研磨，不需求加熱操作，因此節(jié)能、方便；由于不用溶劑降低了消費本錢。方便；由于不用溶劑降低了消費本錢

8、。一無溶劑合成的優(yōu)點1低污染、低能耗、操作簡單：低污染、低能耗、操作簡單： 無溶劑合成為反響提供了與傳統(tǒng)溶液反響無溶劑合成為反響提供了與傳統(tǒng)溶液反響不同的新的分子環(huán)境，有能夠使反響的選擇性、不同的新的分子環(huán)境，有能夠使反響的選擇性、轉(zhuǎn)化率得到提高。由于在固體形狀下，固態(tài)分轉(zhuǎn)化率得到提高。由于在固體形狀下，固態(tài)分子遭到晶格的束縛，分子的構(gòu)象被凍結(jié)，反響子遭到晶格的束縛，分子的構(gòu)象被凍結(jié)，反響分子有序陳列，可實現(xiàn)定向反響，提高了反響分子有序陳列，可實現(xiàn)定向反響，提高了反響的選擇性。的選擇性。 生物體內(nèi)的酶催化有序反響兼有固生物體內(nèi)的酶催化有序反響兼有固液相反響的雙重特征。液相反響的雙重特征。 因此

9、，研討固態(tài)有機反因此，研討固態(tài)有機反響不僅對有機化學的開展有重要的實際和實踐響不僅對有機化學的開展有重要的實際和實踐意義，也將為生命科學的研討提供實際根據(jù)。意義，也將為生命科學的研討提供實際根據(jù)。2) 較高的選擇性較高的選擇性:在固體中，反響物分子處于受限形狀，分子構(gòu)象相在固體中，反響物分子處于受限形狀，分子構(gòu)象相對固定，而且，可利用構(gòu)成包結(jié)物、混晶、分子晶對固定，而且，可利用構(gòu)成包結(jié)物、混晶、分子晶體等手段控制反響物的分子構(gòu)型，尤其是經(jīng)過與光體等手段控制反響物的分子構(gòu)型，尤其是經(jīng)過與光學活性的主體化合物構(gòu)成包結(jié)物控制反響物分子構(gòu)學活性的主體化合物構(gòu)成包結(jié)物控制反響物分子構(gòu)型，實現(xiàn)了對映選擇性

10、的固態(tài)不對稱合成。型，實現(xiàn)了對映選擇性的固態(tài)不對稱合成。3 控制分子構(gòu)型控制分子構(gòu)型:無溶劑的固態(tài)或液態(tài)有機反響，由于沒有溶劑分無溶劑的固態(tài)或液態(tài)有機反響，由于沒有溶劑分子的介入，反響體系的微環(huán)境不同于溶液，呵斥子的介入，反響體系的微環(huán)境不同于溶液，呵斥了反響部位的部分高濃度，提高了反響效率。了反響部位的部分高濃度，提高了反響效率。 同時沒有溶劑，可使產(chǎn)物的分別提純過程變得較同時沒有溶劑，可使產(chǎn)物的分別提純過程變得較容易進展。容易進展。(4) 提高反響效率提高反響效率:特別是對以往運用有機溶劑較為普遍的固體物質(zhì)特別是對以往運用有機溶劑較為普遍的固體物質(zhì)參與的反響，會存在如下一些問題。參與的反響

11、，會存在如下一些問題。二無溶劑有機合成的缺乏二無溶劑有機合成的缺乏1反響能否進展？反響能否進展？ 并非一切有機反響都能在無溶劑并非一切有機反響都能在無溶劑條件下進展，由于固體反響物粉末混合時，異種分子條件下進展，由于固體反響物粉末混合時，異種分子間難以接近到一個小間隔間難以接近到一個小間隔(如如 1nm)，碰撞幾率降低；，碰撞幾率降低；需求進一步研討采用什么方法促進反響的進展。需求進一步研討采用什么方法促進反響的進展。2散熱問題：有些無溶劑反響在固體形狀下進展，反散熱問題：有些無溶劑反響在固體形狀下進展，反響系統(tǒng)無流動性，反響放出的熱量難以散失，大規(guī)模響系統(tǒng)無流動性，反響放出的熱量難以散失，大

12、規(guī)模的消費比較困難。的消費比較困難。3分別問題：分別問題： 假設(shè)反響不是定量完成，仍有分別問假設(shè)反響不是定量完成，仍有分別問題，又有能夠運用有機溶劑。題，又有能夠運用有機溶劑。四、無溶劑有機合成的反響方法及實例四、無溶劑有機合成的反響方法及實例一用球磨法反響一用球磨法反響 在圓筒形金屬制反響器中參與金屬球和要在圓筒形金屬制反響器中參與金屬球和要進展反響的物質(zhì)，使反響器旋轉(zhuǎn)，進展研磨以進展反響的物質(zhì)，使反響器旋轉(zhuǎn)，進展研磨以實現(xiàn)反響。實現(xiàn)反響。 為除去環(huán)境污染物中的有害有機氯化物，為除去環(huán)境污染物中的有害有機氯化物，如如DDT雙對氯苯基三氯乙烷雙對氯苯基三氯乙烷 (ClC6H4)2CH(CCl3

13、) 、PCB多氯化聯(lián)多氯化聯(lián)(二二)苯苯 、氯苯、二惡英等把污染物與、氯苯、二惡英等把污染物與Mg、或、或Ca、CaO 等混合用球磨法研磨等混合用球磨法研磨6h 可脫氯。可脫氯。 又如烯胺類物質(zhì)又如烯胺類物質(zhì)1 與物質(zhì)與物質(zhì)2， 用球磨法反響用球磨法反響3h ，再加熱到再加熱到80C 、5min，150C、5min ，系統(tǒng)經(jīng)，系統(tǒng)經(jīng)一系列反響得產(chǎn)物一系列反響得產(chǎn)物3：是比球磨法更強的機械作用方法，在密封的不銹是比球磨法更強的機械作用方法，在密封的不銹鋼制反響器中參與不銹鋼球，反響器以鋼制反響器中參與不銹鋼球，反響器以3500rpm 的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使參與的物質(zhì)發(fā)生反響。的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使參與的物質(zhì)發(fā)生

14、反響。二用高速振動粉碎法反響二用高速振動粉碎法反響如如C60 的的(2+2)加成生成二聚體加成生成二聚體C120 的反響，是將的反響，是將C60 與與KCN 或或KOAc、K2CO3 及微量的及微量的Li或或Na、K 等堿金屬一同進展高速振動粉碎條件下的反響，等堿金屬一同進展高速振動粉碎條件下的反響，無機物是作觸媒的，反響無機物是作觸媒的，反響30min 到達平衡，二聚體到達平衡，二聚體含量為含量為30%。以離子液體以離子液體(BMIM)AlCl4 為催化劑為催化劑(BMIM：1-丁丁基基-3-甲基咪唑陽離子甲基咪唑陽離子)， 進展醇或酚的四氫吡喃化進展醇或酚的四氫吡喃化反響，四氫吡喃化是多步

15、有機合成中最常用的維反響，四氫吡喃化是多步有機合成中最常用的維護與去維護方法。護與去維護方法。三用離子液體催化反響三用離子液體催化反響當當ROH 為環(huán)已醇時，在為環(huán)已醇時，在25 反響反響5min，轉(zhuǎn)化率，轉(zhuǎn)化率達達100%。共研討了。共研討了9 種醇或酚的反響，其中種醇或酚的反響，其中8 種種轉(zhuǎn)化率達轉(zhuǎn)化率達100% ，離子液體可用乙醚萃取并循環(huán)運，離子液體可用乙醚萃取并循環(huán)運用。用。運用有光學活性的主體進展固相不對稱復原反響。光運用有光學活性的主體進展固相不對稱復原反響。光學活性的學活性的7 或或8作為主體與酮作為主體與酮9(客體客體)的包接化合物結(jié)的包接化合物結(jié)晶粉末，與硼烷乙二胺晶粉末

16、，與硼烷乙二胺(2BH3 NH2CH2CH2NH2)的的配合物粉末混合，反響可得到光學活性的醇配合物粉末混合，反響可得到光學活性的醇R-(+)-10，反響的收率及光學活性見表反響的收率及光學活性見表1。四運用主體四運用主體-客體包接化合物的方法客體包接化合物的方法1、不對稱復原反響、不對稱復原反響對環(huán)狀的酮分子對環(huán)狀的酮分子11 與主體與主體8a 以以1:1 的包接化合物粉的包接化合物粉末，用末，用NaBH4 復原，混合兩種粉末，放置復原，混合兩種粉末，放置3d ，使，使之反響，得到之反響，得到100ee%光學純的光學純的(R,R)-(-)-12 分子，分子，收率收率54% 55% 。反響物。

17、反響物11 分子左下角的分子左下角的O 原子原子與主體與主體8 構(gòu)成氫鍵故未復原。構(gòu)成氫鍵故未復原。2、不對稱合成中的、不對稱合成中的Wittig 反響反響以分子以分子8b 或或8c 為主體與酮構(gòu)成的包接化合物結(jié)晶粉為主體與酮構(gòu)成的包接化合物結(jié)晶粉末，與末，與Wittig 試劑試劑14 的粉末反響，不對稱構(gòu)型選擇的粉末反響，不對稱構(gòu)型選擇性很高，見以下反響式：性很高，見以下反響式：以吡啶酮以吡啶酮18 為客體，化合物為客體，化合物19 為主體構(gòu)成的為主體構(gòu)成的1:1 包接化合物，經(jīng)光照吡啶酮包接化合物，經(jīng)光照吡啶酮18 發(fā)生分子內(nèi)環(huán)加成發(fā)生分子內(nèi)環(huán)加成反響，得到光學純度為反響，得到光學純度為1

18、00%的內(nèi)酰胺的內(nèi)酰胺20。五光化反響五光化反響1、二苯乙二酮、二苯乙二酮(21)與與2 倍量的倍量的KOH 用研缽混合研磨，用研缽混合研磨，在在80 反響反響12min后，混合物用稀酸洗凈，得酸后，混合物用稀酸洗凈，得酸22，產(chǎn)率產(chǎn)率90% 。苯環(huán)上有吸電子基時反響加快，有供電。苯環(huán)上有吸電子基時反響加快，有供電子基時反響變慢。子基時反響變慢。六用研缽研磨反響六用研缽研磨反響2、醛酮縮合反響、醛酮縮合反響當當23 中中Ar 為為p-MeC6H4 和和24 中中Ar為為Ph 時，時，與與NaOH 在室溫下用研缽混合研磨在室溫下用研缽混合研磨5min，最初，最初的液狀物變?yōu)榈S色固體，加水過濾得

19、的液狀物變?yōu)榈S色固體，加水過濾得26(對甲對甲基查耳酮基查耳酮) ，收率，收率97% 。文獻共研討了。文獻共研討了7個詳細個詳細的反響，多數(shù)情況無溶劑比在的反響，多數(shù)情況無溶劑比在50%乙醇水溶液乙醇水溶液中反響收率要高。中反響收率要高。文獻報道用蒙脫土文獻報道用蒙脫土K-10 擔載的擔載的Fe(NO3)3為氧化劑，為氧化劑，使伯醇、仲醇氧化為醛和酮的反響。用超聲波照射，使伯醇、仲醇氧化為醛和酮的反響。用超聲波照射，反響時間反響時間15 60s 醛或酮的產(chǎn)率達醛或酮的產(chǎn)率達87% 96%。文獻報道用文獻報道用Al2O3 擔載的醋酸鉀擔載的醋酸鉀KAc 與與1-溴辛烷反響，溴辛烷反響，用超聲波

20、照射，反響時間用超聲波照射，反響時間2min，醋酸酯的產(chǎn)率，醋酸酯的產(chǎn)率達達99%。七七 用超聲波照射反響用超聲波照射反響蒙脫土蒙脫土K-10K-10為試劑級納米蒙脫土為試劑級納米蒙脫土, ,系蒙皂石粘土系蒙皂石粘土包括鈣基、鈉基、鈉包括鈣基、鈉基、鈉- -鈣基、鎂基蒙粘土經(jīng)剝鈣基、鎂基蒙粘土經(jīng)剝片分散、提純改型、超細分級、特殊有機復合而片分散、提純改型、超細分級、特殊有機復合而成，平均晶片厚度小于成，平均晶片厚度小于25nm25nm，蒙脫石含量大于，蒙脫石含量大于95%95%。具有良好的分散性能，可以廣泛運用高分子資料具有良好的分散性能，可以廣泛運用高分子資料行業(yè)作為納米聚合物高分子資料的添

21、加劑，提高行業(yè)作為納米聚合物高分子資料的添加劑，提高抗沖擊、抗疲勞、尺寸穩(wěn)定性及氣體阻隔性能等，抗沖擊、抗疲勞、尺寸穩(wěn)定性及氣體阻隔性能等，從而起到加強聚合物綜合物理性能的作用，同時從而起到加強聚合物綜合物理性能的作用，同時改善物料加工性能。改善物料加工性能。 蒙脫土蒙脫土K-10K-10，比外表積，比外表積 240 m2/g 240 m2/g 用途：固體路易斯酸用途：固體路易斯酸(Solid Lewis acid)(Solid Lewis acid)催催化劑化劑 ，催化醚化，催化醚化/ /酯化反響。酯化反響。文獻報道用醇文獻報道用醇27 之粉末，在枯燥器中與之粉末，在枯燥器中與HCl 氣體氣

22、體接觸反響接觸反響5h ，得烯，得烯28 ，產(chǎn)率達，產(chǎn)率達99-100%。八在枯燥器中反響八在枯燥器中反響 在室溫下放置在室溫下放置3h ，產(chǎn)物，產(chǎn)物31 的產(chǎn)率為的產(chǎn)率為25%。 顯然室溫下靜置能耗最少，最為簡易；其次顯然室溫下靜置能耗最少，最為簡易；其次是加熱靜置或加熱攪拌；相比之下其它機械方法是加熱靜置或加熱攪拌；相比之下其它機械方法能耗較高，或儀器多、操作較復雜。能耗較高，或儀器多、操作較復雜。如如2-甲基環(huán)己酮甲基環(huán)己酮(29)與甲基乙烯基甲酮與甲基乙烯基甲酮(30)在無在無溶劑條件下發(fā)生溶劑條件下發(fā)生Robinson 縮環(huán)反響如下縮環(huán)反響如下九加熱靜置或室溫下靜置反響九加熱靜置或室溫下靜置反響五、無溶劑有機合成反響的類型五、無溶劑有機合成反響的類型一些較為典型的反響類型一些較為典型的反響類型 (不再一一寫出詳細的不再一一寫出詳細的反響實例反響實例)一熱反響一熱反響(1)氧化反響：如氧化反響：如Baeyer-Villiger 氧化反響氧化反響(2)復原反響：如用復原反響：如用NaBH4 使酮復原為醇使酮復原為醇(3)Cannizzaro 歧化反響：如將醛歧化為醇和酸歧化反響：如將醛歧化為醇和酸(4)加成反響：如鹵素和鹵化氫加