無溶劑有機反應的研究

無溶劑有機反應的研究

合成藥物為人類提供了豐富多彩的染料、優(yōu)質肥料和農藥、療效藥物、優(yōu)良材料和各種功能材料。但是,許多有機化學品在生產過程中不斷給大氣。土壤和水中排放大量的有毒物質,污染了環(huán)境,給人類健康和社會的和諧發(fā)展帶來了危害。同時,企業(yè)因治理污染消耗了巨額資金,制約了企業(yè)自身的發(fā)展,而這種先污染后處理的效果往往不佳。因此,20世紀90年代初,化學家提出與傳統(tǒng)的“治理污染”不同的“綠色化學”概念,在源頭上減少甚至消除污染的產生,這就是綠色化學的主要內涵。在傳統(tǒng)的有機化合物合成過程中,有機溶劑是最常用的介質,可以使反應物分散到同相中,降低粘度等,但是其毒性和試劑難回收對環(huán)境有不利影響。近年來綠色合成應運而生,產生了許多取代傳統(tǒng)有機溶劑的綠色化學方法,如以水和二氧化碳作為超臨界流體溶劑及以室溫離子液體為溶劑的方法,而最徹底的方法還是完全不用溶劑的無溶劑有機反應。無溶劑有機反應最初被稱為固態(tài)有機反應,主要是通過研磨、光、熱、微波以及超聲等方法,在不加溶劑或加入微量溶劑并且固體物直接接觸的條件下,來進行化學反應。實驗結果表明,有機無溶劑反應,具有更高效的反應選擇性。因此,90年代初人們明確提出“無溶劑有機合成”,它既包括經典的固—固反應,又包括氣-固反應和液-固反應。本文就無溶劑反應的主要類型作-概括性總結。1固體研磨法固態(tài)研磨法最早被用于制備混合晶體,從而得到不同光學性質的光學材料1.1機械振蕩研磨法反應是一個原子經濟性反應,由一分子缺電子烯烴和一分子芳香醛在三級胺(DABCO或DBU)催化下反應(如圖1所示)。本反應在溶液中進行,需要7d,而產率僅為70%-87%。若采用機械震蕩研磨方法僅需0.5h,間隔反應防止升溫過快,而產率高達98%以上,產物為多官能化,在有機反應中十分重要。芳環(huán)上連接吸電子基團時產率較好(大于95%),連接給電子基團時產率低(30%左右)1.2機械振蕩研磨如今有機小分子催化的不對稱合成發(fā)展迅速,如脯氨酸催化的不對稱Aldol反應,其反應多在高極性的非質子溶劑(如DMSO)中進行。Bolm及其同事采用機械震蕩研磨方法將芳香醛和酮混合均勻在催化量(S)-脯氨酸(10%)催化下(如圖2所示)高速(250-400rpm)間隔研磨(防止升溫過快影響ee值),芳環(huán)上連接吸電子基團時可得到高產率(99%)高對映選擇性(>99%ee)的反式Aldol產物,而芳環(huán)上連接給電子基團時產率較低(60%)對映選擇性也較差(60%ee)。機械震蕩研磨方法使反應時間大大減少,用時1d即可,而傳統(tǒng)方法則需攪拌5-7d此外還有Michael、Wittig、Suzuki、Heck等反應,都比有溶劑狀態(tài)下大大提高產物產率、縮短反應時間,同時減少副反應的發(fā)生。綜上所述,無溶劑機械震蕩研磨件在許多類型的反應中都展現出了反應速度快.產率高等優(yōu)勢,但同時也有很多缺點,高濃度(對很多反應不適用),沒有溶劑幫助散熱,可能導致熱積聚。因此反應前要先對其熱效應進行檢測?？梢姛o溶劑機械震蕩研磨方法還有很多問題要解決,這對我們來說是挑戰(zhàn),但也是發(fā)展機遇。2微波加熱反應微波技術是二戰(zhàn)期間用于雷達探測而發(fā)展起來的一種技術。二戰(zhàn)以后,微波作為一種傳輸介質和加熱方式被廣泛用于各個學科領域。微波化學作為化學領域中一門新興的邊緣學科,近幾年獲得蓬勃發(fā)展。微波最早用于有機合成是上世紀60年代,美國科學家Vanderhoff利用家用微波爐進行丙烯酸酯、丙烯酸和a-甲基丙烯酸的乳液聚合,發(fā)現微波加熱使聚合速度明顯加快。但由于各種原因并未引起人們的重視。1986年Gedye等在微波中進行的酯化反應是現代微波有機合成化學開始的標志微波照射不同于傳統(tǒng)的加熱方式,它是直接加熱反應的溶劑和反應物,而不是通過反應容器傳熱;微波照射是更有效的能量利用和加熱方式。加熱速度比傳統(tǒng)的加熱方式快很多。很多反應可以在無溶劑條件下進行,產率高、副反應少,還可以避免使用各種昂貴或有毒的試劑、節(jié)省時間、節(jié)約能源等,符合當今方興未艾的綠色化學的要求而無溶劑微波反應是將反應物分散擔載在氧化鋁或蒙脫土上,這些無機載體不吸收微波,可以使負載在其上的有機分子充分吸收微波能量,激活分子從而大大加快反應速度。近年來微波照射法發(fā)展十分迅速,如圖3所示,2001年以來平均每年發(fā)表文章數達到了400篇(1a相當于20世紀的總和)下面以Michael加成反應為例介紹微波照射法的應用。1996年,Boruah等利用α,β-不飽和酮分別與硝基烷烴、丙二酸二乙酯、乙腈和乙酰丙酮反應,在堿性氧化鋁做載體、無溶劑條件下,一般家用微波爐中,高產率地得到所要的產物(見圖4)Ranu等將微波應用于普通條件下較難反應的環(huán)烯酮和取代烯酮的Michael加成,將反應物吸附于中性氧化鋁表面,在無溶劑條件下普通家用微波爐中反應4-7min,產率達到65%-90%(見圖5)通常采用強堿催化Michael加成的方法,往往同時有自縮合、雙加成、重排和聚合等副反應。后來發(fā)展起來的相轉移催化劑、過渡金屬催化劑、氧化鋁、SnCl3電子流激發(fā)作用光促反應通過一定波長的汞燈或陽光激發(fā)下電子流激發(fā)稀有氣體,氣體把能量傳遞給汞原子將其激發(fā),汞原子由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)并放出光子,激發(fā)有機分子來促使反應發(fā)生4無溶劑操作與反應無溶劑操作?？梢院喕磻襟E,加快反應速度,提高產率和選擇性。因為其轉化率高,副產物少,所以后處理也比傳統(tǒng)反應較為容易。另外,無溶劑操作還可與超臨界二氧化碳萃取等方法相結合,進行后處理,減少有機溶劑使用量。但是無溶劑反應還有一些局限