问题：绿色化学与有机合成化学[转]
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时间：2005-01-16 09:14:19 编辑加入/取消收藏订制/取消短消息举报该贴

作者:李朝军，王东

众所周知，有机化学特别是有机合成化学是一门发展得比较完备的学科。在人类文明史上，它对提高人类的生活质量作出了巨大的贡献．然而，不可否认，“传统”的合成化学方法以及依其建立起来的“传统”合成化学工业，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。以往解决问题的主要手段是治理、停产、甚至关闭，人们为治理环境污染花费了大量的人力、物力和财力。20世纪90年代初，化学家提出了与传统的“治理污染”不同的“绿色化学”的概念，即如何从源头上减少、甚至消除污染的产生。通过研究和改进化学化工过程及相应的工艺技术，从根本上降低、以至消除副产品或废弃物的生成，从而达到保护和改善环境的目的．“绿色化学”的目标要求任何一个化学的活动，包括使用的化学原料、化学和化工过程、以及最终的产晶，对人类的健康和环境都应该是友好的。因而，绿色化学的研究成果对解决环境问题是有根本意义的。对于环境和化工生产的可持续发展也有着重要的意义。十几年来，关于绿色化学的概念、目标、基本原理和研究领域等已经迈步明确，初步形成了一个多学科交叉的新的研究领域。具体来说，绿色化学的基本原理可以有以下几个方面：1)防止污染的产生优于治理产生的污染；2)原子经济性；3)只要可行，应尽量采用毒性小的化学合成路线：4)更安全的化学晶的设计应能保留其功效，但降低毒性；5)应尽可能避免使用辅助物质(如溶剂、分离剂等)，如用时应是无毒的；6)应考虑到能源消耗对环境和经济的影响，并应尽量少地使用能源；7)原料应是可再生的，而非将耗竭的；8)尽量避免不必要的衍生化步骤；9)催化性试剂(有尽可能好的选择性)优于当量性试剂；10)化工产品在完成其使命后，不应残留在环境中，而应能降解为无害的物质：11)分析方法必须进一步发展，以使在有害物质生成前能够进行即时的和在线跟踪及控制：12)在化学转换过程中，所选用的物质和物质的形态应能尽可能地降低发生化学事故的可能性。1995年美国设立了总统绿色化学挑战奖，旨在奖励在创造性地研究、开发和应用绿色化学基本原理方面获得杰出成就的个人、集体或组织。共有五个奖项：学术奖(Academic Award)、中小企业奖(Small Business Award)、新合成路线奖(Alternative Synthetic Pathways Award)、新工艺奖(Alternative Solvent／Reaction Conditions Award)和安全化学品设计奖(Designing Safer Chemicals Award)。从设立的奖项和历届获奖的研究成果也可以大致了解绿色化学所涵盖的范围。从根本上说，绿色化学是要求化学家从一个崭新的角度来审视“传统”的化学研究和化工过程，并以“与环境友好”为基础和出发点提出新的化学问题，创造出新的化工技术。
作为一个多学科交叉的新的研究领域，绿色化学尚有许多基本的科学问题需要深入研究。这里，仅就作者比较熟悉的绿色化学中的有机合成方面的问题提出看法，供大家参考和讨论。
二、以绿色化学的原理审视和发展有机合成方法学
1．原子经济性
1991年，著名化学家B．M．Trost提出以“原于经济性”的观念来评估化学反应的效率，也就是，要考察有多少反应物分子进入到最后的产物分子。理想的“原子经济性”反应，应该是有100％的反应物转化到最终产物中，而没有副产物生成。显然， “原子经济性”的观念是绿色化学的基本原理之一。传统的有机合成化学比较重视反应产物的收率，而较多地忽略了副产物或废弃物的生成。例如，Wittig成烯反应是一个应用非常广泛的有机反应，但从绿色化学的角度来看，它生成了较多的副产物，“原子经济性”很差。在B．M．Trost提出“原予经济性”观念的初始并没有被学术界和工业界所接受和重视。但是，经过多年的实践，许多化学家，包括一些企业界的人士都认识到“原子经济性”原则的重要性。B．M．Trost教授也因此获得了1998年美国总统绿色化学挑战奖学术奖。
当然，目前真正属于高“原子经济性”的有机合成反应，特别是适于工业化生产的高“原子经济性”的有机合成反应还不多见。实现“原子经济性”的目标是一个长的过程。科学工作者应该自觉地用“原子经济性”的原则去审视已有的有机合成反应，井努力开发符合“原子经济性”原则的新反应。
2．发展高选择性、高效的催化剂
绿色化学所追求的目标是实现高选择性、高效的化学反应，极少的副产物，实现“零排放”，继而达到高“原子经济性”的反应。显然，相对化学当量的反应，高选择性、高效的催化反应更符合绿色化学的基本要求。
(1)催化的不对称合成反应
获得单一手性分子的方法中，外消旋体的拆分是一个重要的途径。但是，理想的产率也只能达到50％；另一半异构体只能废弃，而可能对环境造成污染。从绿色化学的角度看，原子经济性是很差的。因此，对于合成单一的手性分子，催化的不对称合成反应应该是首选的，也是最重要的。催化的不对称反应是有机合成化学研究的热点和前沿，也是有关手性药物研究的主要兴趣之一。2001年的诺贝尔化学奖授予了Knowles，Noyori和Sharpless三位化学家，以表彰他们在催化不对称反应的研究方面所取得的卓越成就，也说明开展催化不对称反应研究的重要意义。在催化不对称反应的研究日益发展的时候，应重视以下两个方面。
1)应重视新观念、新技术、新方法和新型手性催化剂的研究和应用例如，外消旋体的动力学拆分是合成光学活性化合物的有效手段，但是理想的产串也只能达到50％，而另一半异构体只能作为副产品废弃掉，造成低的原子经济性．近年来，报道了动态动力学拆分的方法”，即在反应体系中加入另一种催化剂，可以催化异构化反应，这样，单一光学活性化合物的产率就可以达到80％~90％，化学合成的原子经济性有了很大的提高。其他还比如，不对称活化(毒化)、不对称放大、去对称化反应等新的观念、方法和技术都是需要深入研究和发展的．至于新型手性催化剂的研制，更需要重视具有我国特色的新型手性配体和相应的手性催化剂的研究和开发。
2)注重总结规律，加强理论的研究和指导作用目前，有关的研究主要还是通过经验的积累和反复的实验来筛选和发现优良的手性配体、手性催化剂，以及新型的不对称反应，因此，其发展的方向应该是更多地注重总结规律，加强理论的研究和指导作用。
(2)生物转化反应
虽然，对于某些生物催化剂是否会导致污染还没有明确的定论，但是总的来看，生物转化反应非常符合绿色化学的要求：具有高效，高选择性和清洁反应的特点；反应产物单纯，易分离纯化；可避免使用贵金属和有机溶剂；能源消耗低；可以合成一些用化学方法难以合成的化合物。著名化学家Chi-Huey Wong以在酶促反应所取得的引入瞩目的创新性成就获得了2000年美国总统绿色化学挑战奖学术奖。Chi-Huey Wong教授指出，酶促反应在化学合成工业上的应用具有很大的潜力。设计与发展适于酶促反应的新的底物和利用遗传工程改变酶的催化性质等，都将大大有利于在制药工业中的应用[6l。我们认为，生物转化合成反应的研究可集中在以下几个方面：发现新的高活性和高选择性的酶催化剂；扩展酶促反应的适用范围；利用生物工程技术获得高效的酶催化剂；注意解决酶促反应工业中的问题；重视酶促反应的机理研究。
3．简化反应步骤，减少污染排放，开发新的合成工艺
对于那些从传统的观念看，设计和效益都是合理的工艺路线也要从绿色化学的原理给以重新审视.这对于有机合成化学提出了新的、更高的要求。
举个例子：Roche Colorado公司在开发抗病毒药物cytovene的初期认为，他们所采取的persilylation的路线是最好的，也是最有效的。但是，随着市场需求量的增加，扩大了生产规模，很多原有工艺的问题就暴露了。Roche Colorado公司对原有的工艺进行了大的改进，采用从鸟嘌吟三酯(guanine triester)出发的新合成路线。与旧工艺相比，新的工艺将反应试剂和中间产物的数量从22种减少到11种，减少了66％的废气排放和89％的固体废弃物，5种反应试剂中有4种不进入最终产物而能在工艺过程中循环使用，产率提高了2倍。
三、新的或非传统的“洁净”反应介质的开发利用
选择与环境友好的“洁净”的反应介质是绿色化学研究的重要组成部分。目前，除了一些个别的例子，如以甲苯代替有毒的苯作为反应介质外，大概主要有以下几种类型的反应介质；超临界和近(或亚)临界流体，液体水，高子液体等，还可以包括一些无溶剂的固态反应。
1．超临界和近临界流体
有关超临界二氧化碳作为有机反应的“洁净”介质的研究已有大量的报道，并已引起关注，成为绿色化学研究的一个热点．这里不再赘述。超临界水的工作也有些报道。但是，由于需要高压和高温，限制了其在有机反应中的应用。近来，近临界水(Near-Critical Water)的研究引起了重视。近临界水有许多优点和特点：相对来说，需要的温度和压力都较低；作为溶剂，对有机物的溶解性能相当于丙酮或乙醇；近临界水的介电常数介于常态水和超临界水之间，因此，近临界水足以既能溶解盐，又能溶解有机化合物：水与产物易分离，用于分离纯化的耗费很小。在近临界水中进行的有机反应也有一些值得注意的特点。由于近临界水具有很大的离子化常数(ionization constant)，对于某些需要酸催化或碱催化的反应，近临界水也可催化反应，而不必另加催化剂．例如，在近临界水中进行的Friedel-Crafts反应，不用像传统工业生产那样加入2倍当量的AlCl3，或其他的Lewis酸即可反应，．避免了大量的无机盐废弃物的产生．目前，已有报道在近临界水中进行烷基化反应、Aldol缩合反应、氧化反应等的研究结果。近临界水的应用更适合于小规模、高附加值的化工过程。对于“洁净”的反应介质，近临界水中的有机反应研究是一个值得注意的课题。
2．以水为介质的有机反应
以水为介质的有机反应是“与环境友好的合成反应”的一个重要组成部分。水相中的有机反应具有许多优点：操作简便，安全，没有有机溶剂的易燃，易爆等问题。在有机合成方面，可以省略许多诸如官能团的保护和去保护等的合成步骤．水的资源丰富，成本低廉，不会污染环境，因此是潜在的“与环境友善”的反应介质。从另一个角度看，长期以来，大部分有机反应是在有机溶剂中进行的，有的甚至必须在无水、无氧的条件下进行，有机合成反应的研究也是以有机反应介质为基础的。以水为介质必然会引出许多新问题，如：有机底物在水中的“疏水作用”；反应底物和试剂在水中的稳定性；水中存在的大量的氢键对反应的影响；以及水中有机反应的机理；水中反应的立体化学：适于水相反应的新试剂和新反应的发现和应用等．可以预见，水相有机反应的研究将会在有机合成化学中开辟出一个新的研究领域。2001年美国总统绿色化学挑战奖学术奖授予了李朝军教授也表明水相有机反应的研究正在受到越来越多的关注。
水相有机反应的研究己涉及多个反应类型，如：周环反应；亲核加成和取代反应；金属参与的有机反应：Lewis酸和过渡金属试剂催化的有机反应，包括聚合反应；氧化和还原反应，包括加氢反应：水相中的自由基反应等。近期的主要进展有：与水相容的Lewis酸催化剂在水相形成新C--C键反应的应用：金属参与的，特别是金属铟参与的水相形成新C--C键的反应，以及在天然产物合成中的应用；过渡金属试剂催化的水相Grignard型和共轭加成反应；金属铑试剂催化的水相有机硼酸的不对称反应等．我们认为，在近期，水相有机反应研究有以下几个方面值得重视：水相有机反应的特点和反应机理：水对反应的特殊作用，以及相关的理论问题；研究有机金属试剂或Lewis酸催化的水相反应，特别是相应的水相不对称反应：探索将水相有机反应和生物转化反应相结合的新合成方法；实现水相中的“原子经济性”反应：加强对水相有机反应工业应用中基本问题的研究。
3．离于液体的应用
高子液体(ionic liquid)是指室温或低温下为液体的盐，由含氮、磷有机阳离子和大的无机阴离子(如；BF4，PF6等)组成。离子液体对有机、金属有机、无机化合物有很好的溶解性，无可测蒸气压，无味，不燃，易与产物分离，易回收，可循环使用。可见，离子液体在作为与环境友好的“洁净”溶剂方面有很大的潜力。
离子液体兼有极性和非极性有机溶剂的溶解性能，溶解在离子液体中的催化剂，同时具有均相和非均相催化剂的优点，催化反应有高的反应速度和高的选择性。因此，以离子液体为溶剂的有机反应也表现出许多特点，井有可能在工业生产中得到应用。例如，在传统的有机溶剂中，烯烃与芳烃的烷基化反应是不能进行的；而在离子液体中，在sc(OTf)3的催化下，反应在室温下则能顺利进行，收率为96％，催化剂还能重复使用。某些离子液体还具有Lewis酸性，可以不另加催化剂就能催化反应。已报道的离子液体中的有机反应有：Fiedel-Crafts反应；烯烃的氢化反应；氢甲酰化反应：氧化、还原反应：形成C--C键的偶联反应等．另外，为解决酶的固定化和其在有机溶剂中失活的问题，用离子液体进行酶促反应是一个很好的办法。离子液体的应用正受到越来越多的重视。当然，这方面的工作还刚刚开始，以离子液体为反应介质的优点、适用范围和不足，还要不断地深入研究和挖掘。离子液体对环境和生物的影响还需要更深入的评估。
四、替代有毒、有害的化学品
1．选择无毒、无害的化学原料
这方面的工作已有很多报道，重要的有：以二氧化碳代替光气合成异氰酸酯：催化的硝化反应，可少用或不用强酸；以二甲基碳酸酪代替硫酸二甲酯进行选择性甲基化反应；以二苯基碳酸酪代替光气与双酚A进行固态聚合等。特别应该指出的是，最近我国科学家利用自行设计的催化剂，在过氧化氢的作用下，直接从丙烯制备环氧丙烷。整个过程只消耗烯烃、氢气、分子氧，实现了高选择性、高产率、无污染的环氧化反应，替代或避免了易造成污染的氧化剂和其他试剂，被认为是一个“梦寐以求的(化学)反应”和“具有环境最友好的体系”。
2．绿色产品——无公害的替代品
氯氟烃和杀虫剂DDT的使用对人类生活都起到过很大的作用，但是随着社会的发展，它们对人类环境的危害也日渐暴躇。发现和开发无公害的替代品已成当务之急。设计更安全的替代的化学产品可大大降低所合成物质的危害性，而使其对环境更加友好。这里将涉及分子结构与活性的关系、活性的作用机理、人体致毒机理等的研究。例如，美国Dow AgroSci公司开发了一种杀白蚁的杀虫剂(hexaflumuron)。其作用机理是通过抑制昆虫外壳的生长来杀死昆虫。该化合物对人畜无害，是被美国EPA登录的第一个无公害的杀虫剂。预计不久的将来，原有的杀白蚁药物将会完全被hexaflumuron所代替。
3．材料的再利用和无害化
将生物质(biomass)转化成动物饲料、工业化学品及燃料的技术是一个十分活跃的研究领域。美国的M．Holtzapple教授在这方面取得了杰出的成就，而获得了1996年美国总统绿色化学挑战奖学术奖。其他如：将木质素作为原料的化学品制造技术；通过生物合成的方法，用葡萄糖制造商用化学品的研究；用生物质制造氢气的技术等，都是在材料的再利用方面很有意义的工作。生物质的利用以及人类生活中废弃物的再利用，有利于形成一个良性的生态循环。
另一方面，材料和化学产品的无害化问题也值得注意：为主要的化学污染源之一。因此，能控制其寿命，无毒害，无害物质的化学化工产品的研制和开发也是重要的课题。目前，许多化学品难以降解，成并在完成其功能后能自动分解为
绿色化学是一门新的交叉学科。绿色化学的内涵、原理、目标和研究内容需要不断地充实和完善。它的发展对保持良好的环境，社会和经济的可持续发展都有重要的意义，应该得到充分重视和大力支持。同时，我们也希望，在国内能加强有关绿色化学知识的普及宣传。

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