无溶剂有机合成yd13519

李汝雄 王建基 北京石油化工学院化工系北京 102617

收稿：2002-08-20 修回：2002-11-14

作者介绍：李汝雄 男 56 岁教授硕士从事绿色化学与环境保护的研究

原载：http://www.hxtb.org 化学通报 2003 年第 66 卷w020；1-7

【摘要】许多有机合成反应可以在无溶剂条件下进行 无溶剂有机合成具有反应过程及后处理

简单成本低无污染等优点本文介绍了综述无溶剂有机合成反应的方法和类型

【关键词】无溶剂 有机合成 反应

1 无溶剂有机合成概念

由于人口增加生产发展人类活动加剧使地球生态环境受到的污染日益严重其中许多问题与人类合成的化学物质的生产和使用有关20 世纪90 年代兴起的绿色化学力图克服在生产和使用化学物质的过程中对环境造成的污染在有机化学物质的合成过程中(尤其是固体物质参与的反应)使用有机溶剂是较为普遍的这些有机溶剂会散失到环境中造成污染各国化学家创造并研究了许多取代传统有机溶剂的绿色化学方法如以水为介质以超临界流体(如CO2)为溶剂[1] 以室温离子液体为溶剂等方法[2,3] 而最彻底的方法是完全不用溶剂的无溶剂有机合成。

其实从前并不是没有无溶剂有机合成反应许多气体或液体参加的反应便是在无溶剂下进行的但明确地有意识地提出无溶剂有机合成概念还是20 世纪90 年代无溶剂有机合成是绿色化学中的一个新概念新提法

1.1 无溶剂有机合成的优点

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不用溶剂有利于降低生产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如有的反应完成后用少量水或有机溶剂洗净即可有的反应当加入计量比的反应物且转化率达到100%时得到的是单一的纯净产物不必进行分离提纯因此无溶剂有机合成应当成为选择反应介质时首先加以考虑的方法值得大力加以研究和提倡

1.2 无溶剂有机合成的问题

无溶剂有机合成也有其固有的缺点特别是对从前使用有机溶剂较为普遍的固体物质参与的反应,会有如下一些问题(1)反应能否进行因为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对所占比例很小,因而许多反应无溶剂不能进行需要要研究采用什么方法促进反应的进行(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又要使用有机溶剂(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较难

各国学者进行了大量的无溶剂有机合成研究主要集中在各类固体反应采用多种方法促进反应使之能平稳进行

2 无溶剂有机合成的反应方法及实例

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比如有些反应只要加热静置或加热搅拌混合即可进行又如用研钵研磨,起粉碎加压混合作用用球磨机或高速振动粉碎等强力机械方法以及用超声波照射使反应进行等机械方法还有用光照射使反应进行用主体-客体方法以反应底物为客体以一定比例的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这时反应的定位选择性或光学选择性等都会因主体的作用而有所改变或改善,甚至变成只有一种选择

2.1 用球磨法反应

在圆筒形金属制反应器中加入金属球和要进行反应的物质使反应器旋转进行研磨以实现反应，为除去环境污染物中的有害有机氯化物如DDT PCB 氯苯二恶英等把污染物与Mg或Ca CaO 等混合用球磨法研磨6h 可脱氯[4]，又如烯胺类物质1 与物质2 用球磨法反应3h 再加热到80°C 5min 150°C 5min 系统经一系列反应得产物3[5]

2.2 用高速振动粉碎法反应

是比球磨法更强的机械作用方法在密封的不锈钢制反应器中加入不锈钢球反应器以3500rpm 的转速旋转使加入的物质发生反应。如C60 的(2+2)加成生成二聚体C120 的反应是将C60 与KCN 或KOAc K2CO3 及微量的Li或Na K 等碱金属一起进行高速振动粉碎条件下的反应无机物是作触媒的反应30min 达到平衡二聚体含量为30%[6,7]

2.3 用离子液体催化反应

以离子液体(BMIM)AlCl4 为催化剂((BMIM)表示1-丁基-3-甲基咪唑阳离子) 进行醇或酚的四氢吡喃化反应四氢吡喃化是多步有机合成中最常用的保护与去保护方法

当ROH 为环已醇时在25 反应5min 转化率达100%[8] 该作者共研究了9 种醇或酚的反应其中8 种转化率达100% 离子液体可用乙醚萃取并循环使用

2.4 应用主体-客体包接化合物的方法

2.4.1 不对称还原反应[9,10]

使用有光学活性的主体进行固相不对称还原反应 光学活性的7 或8作为主体与酮9(客体)的包接化合物结晶粉末与硼烷乙二胺(2BH3 NH2CH2CH2NH2)的配合物粉末混合反应可得到光学活性的醇R-(+)-10 反应的收率及光学活性见表1

表1 无溶剂不对称还原酮为醇的反应中产物的产率和光学纯度

主体	9 中Ar	产物10
		产率/%	光学纯度/ee%
(-)7	Ph	96	44
(-)7	o-tolyl	57	59
(-)7	1-naphthyl	20	22
(-)8a	1-naphthyl	32	22

对环状的酮分子11 与主体8a 以1:1 的包接化合物粉末用NaBH4 还原混合两种粉末放置3d 使之反应得到100ee%光学纯的(R,R)-(-)-12 分子收率54% 55% 反应物11 分子左下角的O 原子与主体8 形成氢键故未还原

2.4.2 不对称合成中的 Wittig 反应[11]

以分子 8b 或8c 为主体与酮形成的包接化合物结晶粉末与Wittig 试剂14 的粉末反应不对称构型选择性很高见下列反应式

2.5 光化反应

以吡啶酮18 为客体化合物19 为主体形成的1:1 包接化合物经光照吡啶酮18 发生分子内环加成反应得到光学纯度为100%的内酰胺20[12]

2.6 用研钵研磨反应

2.6.1 二苯乙二酮(21)与2 倍量的KOH 用研钵混合研磨在80 反应12min 后混合物用稀酸洗净得酸22,产率90% 苯环上有吸电子基时反应加快有供电子基时反应变慢[13]

2.6.2 醛酮缩合反应[14]

当23 中Ar 为p-MeC6H4 和24 中Ar'为Ph 时与NaOH 在室温下用研钵混合研磨5min 最初的液状物变为淡黄色固体加水过滤得26(对甲基查耳酮) 收率97% 文献[14]共研究了7个具体的反应多数情况无溶剂比在50%乙醇水溶液中反应收率要高

2.7 用超声波照射反应

文献[15]报道用蒙脱土K-10 担载的Fe(NO3)3 为氧化剂使伯醇仲醇氧化为醛和酮的反应用超声波照射反应时间15 60s 醛或酮的产率达87% 96%

文献[16]报道用Al2O3 担载的醋酸钾KAc 与1-溴辛烷反应用超声波照射反应时间2min醋酸酯的产率达99%

2.8 在干燥器中反应

文献[17]报道用醇27 之粉末在干燥器中与HCl 气体接触反应5h 得烯28 产率达99-100%

2.9 加热静置或室温下静置反应[18]

如2-甲基环己酮(29)与甲基乙烯基甲酮(30)在无溶剂条件下发生Robinson 缩环反应如下

在室温下放置3h 产物31 的产率为25%显然室温下静置能耗最少最为简易其次是加热静置或加热搅伴相比之下其它机械方法能耗较高或仪器多操作较复杂

3 无溶剂有机合成反应的类型

文献中报道过的研究成功的无溶剂有机合成反应很多几乎包括大多数有机合成反应的类型下面列举其中一些较为典型的反应类型 (不再一一写出具体的反应实例)[19~22]

3.1 热反应

(1)氧化反应如Baeyer-Villiger 氧化反应

(2)还原反应如用NaBH4 使酮还原为醇

(3)Cannizzaro 歧化反应如将醛歧化为醇和酸

(4)加成反应如卤素和卤化氢加成,Michael 加成

(5)消去反应如醇消去变为烯

(6)C-C 偶合反应[2+2] [4+2] [6+2]环加成反应,包括Diels-Alder 加成醛酮缩合反应Dieckmann 缩合反应Grignard,Reformasky,Luche 反应Wittig 反应叶立德反应Claisen 反应Robinson 缩环反应Pinacol 偶合反应酚之间的偶合反应炔化合物的氧化偶合反应C60 的加成与偶合反应

(7)取代反应氨解水解酯交换醚化

(8)聚合反应

(9)重排与异构: Pinacol 重排如二苯乙二酮转位和邻二叔醇转位Beckmann 重排Meyer Schuster 重排Chappman 重排异构化

3.2 光化反应

(1)二聚和聚合

(2)环化

(3)重排与异构

(4)醚化

(5)去羰基化

(6)不同分子间的光化加成

(7)不对称选择性光化反应手性分子的不对称选择性光化反应非手性分子在手性包合物中的不对称选择性光化反应非手性分子在其手性晶体中的不对称选择性光化反应等等

4 结语

无溶剂有机合成是绿色化学中的一个新概念凡遇到有机合成反应,首先应考虑不用溶剂能否实现反应,研究不用溶剂如何实现反应在绿色化学中另一个新概念叫环境因子指生产每单位(kg 或mol)的化学产品时向环境排放的废物量环境因子应尽量减小这与尽可能使用无溶剂有机合成其原理是相同的都在于减轻人类生产活动对环境的污染与破坏当然无溶剂有机合成不仅在减轻对环境的污染与破坏方面有好处而且使用得当时在降低生产成本改进化学反应的选择性与转化率简化产物的分离提純等方面也会有好处

无溶剂有机合成是一项大有前途非常有用的技术一方面已研究过的成功实现无溶剂有机合成反应的类型和反应已经很多另一方面已发展了不少促进反应的方法(有的可能增加能耗,是不利的) 使人们有信心进一步开展无溶剂有机合成的研究乃至推广到生产中去可以说使用有机溶剂的有机合成是19 20 世纪的传统方法而无溶剂有机合成是现代的更安全更环保的绿色化学方法

目前无溶剂有机合成研究主要集中在实验室实现反应的基础研究上对产物的分离提纯研究不多对实现无溶剂有机合成反应的规律认识不足对进一步推进到生产中的应用研究更少这也是正常的现象,因为无溶剂有机合成这一概念形成时间不长可以预期今后对这些方面的研究会得到加强

参考文献

[1] 孔凡志, 田建华, 金子林. 石油化工, 2002,31(5):387~392.

[2] 李汝雄, 王建基. 化工进展, 2002, 21(1):43~48.

[3] R Li, J Wang. Chemical Journal on Internet 2002,4(4):044017rc.

[4] S A Rowlands, A K Hall, P G McCormick et al. Nature, 1994, 367:223.

[5] G Kaupp, J Schmeyers, A Kuse et al. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1999, 38:2896~2900.

[6] G W Wang, K Komatsu, Y Murata et al. Nature, 1997, 387:583~586.

[7] K Komatsu, G W Wang, Y Murata et al. J. Org. Chem., 1998, 63:9358~9366.

[8] V N Vasudevan, S V Rajender. Chem. Commun., 2002:342~343.

[9] F Toda, K Mori. Chem. Commun., 1989:1245~1246.

[10] F Toda, K Tanaka. Tetrahed. Lett., 1988, 29:1245~1248.

[11] F Toda, H Akai. J. Org. Chem., 1990, 55:3446~3450.

[12] F Toda, K Tanaka.Tetrahed. Lett., 1988, 29:4299~4302.

[13] F Toda, K Tanaka, Y Kagawa et al. Chem. Lett., 1990:373~377.

[14] F Toda, K Tanaka, K Hamai. J. Chem. Soc., Perkin Trans., 1990:3207~3209.

[15] R S Varma, R Dahiya. Tetrahed. Lett., 1997, 38:2043~2046.

[16] G Barm, A Loupy, M Majdoub et al. Tetrahedron, 1990, 46:5167~5170.

[17] F Toda, H Takumi, M Akehi. Chem. Commun., 1990:1270~1271.

[18] H Miyamoto, S Kanetaka, K Tanaka et al. Chem. Lett., 2000:888~891.

[19] K Tanaka, F Toda. Chem. Rev., 2000, 100:1025~1074.

[20] K Tanaka, N Takamoto, Y Tezuka et al. Tetrahedron, 2001, 57(17):3761~3767.

[21] 户田芙三夫. , 2001, 46(7):41~48.

[22] 小松絋一. 化学总说(日), 2000,(47):163~175._