精細(xì)有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)基本方法與評(píng)價(jià)-合成路線的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（有機(jī)合成課件）

Contents目錄精細(xì)有機(jī)合成技術(shù)精細(xì)有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)安全生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)在許多精細(xì)有機(jī)合成反應(yīng)中，經(jīng)常遇到易燃、易爆和有劇毒的溶劑、原料和中間體。為了確保安全生產(chǎn)和操作人員的人身健康和安全，避免國(guó)家和人民財(cái)產(chǎn)受到不必要的損失，在進(jìn)行合成路線設(shè)計(jì)和選擇時(shí)，應(yīng)盡量少用或不用易燃、易爆和有劇毒的原料和試劑，同時(shí)還要密切關(guān)注合成過(guò)程中一些中間體的毒性問(wèn)題。若必須采用易燃、易爆和有劇毒物質(zhì)時(shí)，則需要提出妥善的安全技術(shù)要求，并就勞動(dòng)保護(hù)、安全生產(chǎn)制定相應(yīng)的技術(shù)措施和規(guī)定，防止事故的發(fā)生、避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。安全生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)在生產(chǎn)操作中，合成操作人員必須嚴(yán)格遵守工藝操作規(guī)程、安全防范規(guī)定和勞動(dòng)紀(jì)律，按照科學(xué)規(guī)律，以高度認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度進(jìn)行操作，避免和減少不必要的事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。合成路線和方法的選擇，要優(yōu)先考慮廢物排放量少、容易處理的路線，對(duì)于“三廢”（即廢氣廢水廢渣）排放量大、危害嚴(yán)重、處理困難的合成路線應(yīng)堅(jiān)決摒棄。在設(shè)計(jì)合成路線時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮“三廢”的處理方法?！叭龔U”的處理過(guò)程不應(yīng)產(chǎn)生新的污染。近年來(lái)，在有機(jī)合成中提出了原子利用率和E-因子的分析和估價(jià)，以此綜合考慮對(duì)原料的選取、能量的消耗，以及廢料的環(huán)境商值EQ等，探索新的合成工藝。所謂E-因子，其定義是每生產(chǎn)1kg目的產(chǎn)品的同時(shí)，產(chǎn)生的廢物的量，即E-因子=廢料質(zhì)量／產(chǎn)品質(zhì)量。表15-3列出了不同生產(chǎn)部門(mén)生產(chǎn)中環(huán)境所能接受E-因子的大小。

環(huán)境商值EQ是綜合考慮廢物的排放量和廢物在環(huán)境中的毒性行為，用以評(píng)價(jià)各種合成方法相對(duì)于環(huán)境的好壞。環(huán)境商值EQ＝E×Q式中E即E-因子，Q是根據(jù)廢物在環(huán)境中的行為，給出的對(duì)環(huán)境的不友好度。

例如，若無(wú)害的NaCl和(NH4)2SO4的Q定為1，則有害的重金屬離子的鹽類(lèi)基于其毒性的大小，其Q為100～1000。環(huán)境商值越高，廢物對(duì)環(huán)境的污染也就越嚴(yán)重。環(huán)境商值的大小是衡量和選擇合理的有機(jī)合成工藝的重要因素。第四節(jié)

合成路線的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

降低EQ值，就要減少生產(chǎn)工藝過(guò)程中廢物的排放量，提高合成工藝中的原子利用率。例如環(huán)氧乙烷生產(chǎn)的原子利用率的計(jì)算如下所示。氯乙醇生產(chǎn)法：原子利用率=44／(44＋111＋18)=5%乙烯催化氧化生產(chǎn)法：總反應(yīng)式：原子利用率=100%。

因此，除理論產(chǎn)率外，還需要考慮和比較不同的合成方法和途徑的原子利用率，這是有關(guān)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境產(chǎn)生潛在影響的又一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。Contents目錄精細(xì)有機(jī)合成技術(shù)精細(xì)有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)1合成步數(shù)與反應(yīng)總收率3中間體的分離與穩(wěn)定性合成路線的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)2原料和試劑的選擇4過(guò)程裝備條件合成路線的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

合成路線的長(zhǎng)短直接關(guān)系到合成路線的價(jià)值，所以對(duì)合成路線中反應(yīng)步數(shù)和反應(yīng)總收率的計(jì)算是評(píng)價(jià)合成路線的最直接、最主要的標(biāo)準(zhǔn)。這里，反應(yīng)的總步數(shù)指從所有原料和試劑到達(dá)目標(biāo)分子所需反應(yīng)步數(shù)之和；總收率是各步收率的連乘積。通常預(yù)測(cè)或計(jì)算一個(gè)合成路線的反應(yīng)總收率應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

一、合成步數(shù)與反應(yīng)總收率第一，在對(duì)合成反應(yīng)的選擇上，要求每個(gè)單元反應(yīng)盡可能具有較高的收率。第二，應(yīng)盡可能減少反應(yīng)步驟。因?yàn)槊恳徊椒磻?yīng)都有一定的損失，反應(yīng)步驟增多，則總收率必將大大降低，若各步反應(yīng)收率不高時(shí)，其總收率將降低得更為嚴(yán)重；同時(shí)合成中原料和人力消耗也將增大。反應(yīng)步驟的增多還會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)周期的延長(zhǎng)、操作步驟的繁雜，甚至?xí)ズ铣傻膬r(jià)值。第四節(jié)

合成路線的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)每步反應(yīng)收率較高，經(jīng)過(guò)5步以上的總收率已相當(dāng)?shù)停虼?，在有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)上，一般說(shuō)來(lái)超過(guò)5步的反應(yīng)，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值已不大，需另選其他路線，除非是特殊需要的產(chǎn)品。第四節(jié)

合成路線的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

第三，在合成反應(yīng)的選擇上，必須盡可能避免和控制副反應(yīng)的發(fā)生。因?yàn)楦狈磻?yīng)不但降低收率，而且會(huì)造成分離和提純上的困難。

第四，在合成路線中，反應(yīng)的排列方式也直接影響總收率。例如：某化合物ABCDEF有兩條合成路線，第一條路線是由原料A經(jīng)5步反應(yīng)制得ABCDEF，這種反應(yīng)排列方式稱(chēng)連續(xù)法（也稱(chēng)線性法）；第二條路線分別從原料A和D出發(fā)，各經(jīng)2步得中間體ABC和DEF，然后相互反應(yīng)得ABCDEF，這種反應(yīng)排列方式稱(chēng)平行法（也稱(chēng)匯合法或收斂法）。假定兩條路線的各步收率都為90%，則從總收率的角度考慮，顯然選擇第二條路線較為適宜。因此，要提高總收率就要減少連續(xù)反應(yīng)數(shù)，反應(yīng)排列方式盡可能采用平行法。路線一：A→(B)AB→(C)ABC→(D)ABCD→(E)ABCDE→(F)ABCDEF總收率=(90%)5=59%路線二：

總收率=(90%)3=73%原料和反應(yīng)試劑是有機(jī)合成的基礎(chǔ)，原料和試劑選擇適當(dāng)，有機(jī)合成才具有實(shí)際意義。因此，選擇合成路線時(shí)，首先應(yīng)考慮每一合成路線所用的原料和試劑的來(lái)源、價(jià)格及利用率。

原料和試劑的利用率包括骨架和官能團(tuán)的利用程度，這主要取決于原料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及所進(jìn)行的反應(yīng)。即所采用的原料盡可能少一些，結(jié)構(gòu)的利用率盡可能高一些。二、原料和試劑的選擇原料和試劑的價(jià)格直接影響到產(chǎn)品的成本。對(duì)于準(zhǔn)備選用的那些合成路線，應(yīng)根據(jù)操作方法初步列出的原料和試劑的名稱(chēng)、規(guī)格、單價(jià)算出單耗，進(jìn)而計(jì)算出各種原材料的成本和總成本，以資比較。此外，原料和試劑的供應(yīng)和貯運(yùn)問(wèn)題也不容忽視，特別是合成一些產(chǎn)量較大的品種，有些原料一時(shí)得不到供應(yīng)，則應(yīng)考慮自行生產(chǎn)。原料及試劑的性質(zhì)、規(guī)格、供應(yīng)情況和生產(chǎn)廠家，可從各種化工原料和試劑目錄和手冊(cè)查閱得到。由于有機(jī)原料數(shù)量很大，較難掌握，因此，對(duì)在有機(jī)合成上怎樣才算原料選擇適當(dāng)，通?？梢院?jiǎn)單地歸納為如下幾條。（1）一般小分子比大分子容易得到，直鏈分子比支鏈分子容易得到。脂肪族單官能團(tuán)化合物，小于六個(gè)碳原子的通常是比較容易得到的，例如小于六個(gè)碳原子的醛、酮、羧酸及其衍生物、醇、醚、胺、溴代烷和氯代烷等。至于低級(jí)的烴類(lèi)，如三烯一炔（乙烯、丙烯、丁烯和乙炔）則是基本化工原料，可由生產(chǎn)部門(mén)得到供應(yīng)。

（2）脂肪族多官能團(tuán)化合物比較容易得到，而且在有機(jī)合成中常用的有：CH2=CH—CH=CHR，（R=H或CH3）；X(CH)nX，（X=Cl或Br，n=1～6）；HO—(CH2)n—OH，（n=2～4，6）；H2N—(CH2)n—NH2，（n=2～4，6）；CH3COCH2COCH3；ROOC(CH)2～4COOR；ROOC—COOR；環(huán)氧乙烷；CH(COOR)2；XCH2COOR；CH3COCH2COOR；NCCHCOOR；CH2=CHCN；CH2=CHCOCH3。（3）脂環(huán)族化合物中環(huán)戊烷、環(huán)己烷及其單官能團(tuán)衍生物較易得到，其中常見(jiàn)的為環(huán)己烯、環(huán)己醇和環(huán)己酮。環(huán)戊二烯也有工業(yè)來(lái)源。（4）芳香族化合物中苯、甲苯、二甲苯、萘及其直接取代衍生物（—NO2、—X、—SO3H、—R、—COR等），以及由這些取代基容易轉(zhuǎn)化成的化合物（—OH、—OR、—NH2、—CN、—COOH、—COOR、—COX、—CONH2及—CHO等）均容易得到。（5）雜環(huán)化合物中含五元環(huán)及六元環(huán)的雜環(huán)化合物及其取代衍生物較易獲得。任何一個(gè)兩步以上的有機(jī)合成路線過(guò)程都會(huì)有中間體生成，一個(gè)理想的中間體應(yīng)穩(wěn)定存在且易于純化。一般而言，一條合成路線中若存在兩個(gè)或兩個(gè)以上相繼的不穩(wěn)定中間體，合成就很難成功。所以在選擇合成路線時(shí)，應(yīng)盡量少用或不用存在對(duì)空氣、水氣敏感或純化過(guò)程繁雜、純化損失量大的中間體的合成路線。三、中間體的分離與穩(wěn)定性例如：在實(shí)驗(yàn)室有機(jī)合成，有機(jī)金屬化合物是一類(lèi)非常有用的合成試劑，它們能發(fā)生許多選擇性很高的反應(yīng)，使一些常規(guī)方法難以進(jìn)行的反應(yīng)變?yōu)橐子趯?shí)現(xiàn)。但是有機(jī)金屬化合物在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用卻并不廣泛，這主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)谕ǔl件下是很活潑的。

在有機(jī)合成路線設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免采用復(fù)雜、苛刻的過(guò)程裝備條件，如需在