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1、绿色化学与化工多媒体讲义绿色有机合成高效均相和多相催化生物催化和生物过程环境友好介质中的有机合成组合合成结束语Content1、固体酸碱化剂（1）固体酸催化剂 A、沸石催化最成功的应用：石油炼制与化工技术的革命性进步 催化裂化：汽油和低分子烯烃（C3、C4）生产技术的革命性进步 烷烃异构化：C5、C6的异构化异构汽油；柴油的异构降凝、润滑油的异构脱蜡 芳烃异构化：二甲苯异构化二甲苯生产 甲苯歧化和烷基转移二甲苯生产 烷基化反应：芳烃的烷基化、择形催化的成功应用Friedel-Crafts酰化反应 酰化反应相当困难：需要强而多的Lewis酸，生成的酮与路易斯酸的强配位作用。一、高效均相和多相催化
2、Friedel-Crafts酰化反应例子1：Beta沸石催化的苯甲醚酰化反应A、沸石催化酰化均相反应与多相反应的比较均相反应多相反应催化剂AlCl3的使用量多于1mol，不可再生H-Beta，催化量，可再生溶剂卤代烃，回收无溶剂后处理产品经水解过程无需水参与产品分离相分离蒸馏蒸馏有机相蒸馏产品收率8595%95%，纯度高废水4.5kg/1kg0.035kg/1kg单元操作12步2步腐蚀严重小Friedel-Crafts酰化反应局限性：沸石催化的多相反应对不太活泼的芳香族的酰化不适用；原因：吸附不平衡，自抑制作用，酰化试剂的强吸附阻碍（抑制）了芳香烃的吸附。解决办法：气相反应例子：苯的乙酰化，管
3、式反应器，H-ZSM-5催化剂，250C，0.1MPa沸石催化的其他反应 环氧化物生成羰基化合物的重排反应、Frieo重排、Claisen重排、酚与-酮酯的Pechmann缩合反应等例子：环氧化物生成羰基化合物的重排反应，原催化剂路易斯酸，如ZnCl2；蒎烯氧化物重排生成龙脑烯醛檀香醇的前体化合物，香料制造的重要反应。B、稀土金属盐催化的反应稀土金属的盐水中稳定的路易斯酸，水溶液中的反应镧系元素的三氟甲磺酸盐取代TiCl4例子：甲硅烷基烯醇醚与醛的醛醇缩合反应特点：水溶性醛，如乙醛、丙醛、氯乙醛可直接用于反应；催化剂在水中的溶解度大，容易回收（100）；Sc(OTf)3比Yb(OTf)3更活泼
4、。B、稀土金属的盐催化的反应表面活性剂与路易斯酸的联合催化 少量表面活性剂使反应在水中发生，避免使用有机溶剂催化剂/%(mol)表面活性剂/%(mol)时间/h产率/%Yb(OTf)3/20Yb(OTf)3/20Sc(OTf)3/10Sc(OTf)3/10Sc(OTf)3/10SDS/20SDS/20Tritonx-100/20CTAB/204848460417508889一定量B、稀土金属的盐催化的反应表面活性剂与路易斯酸的联合催化Mannich加成反应B、稀土金属的盐催化的反应路易斯酸表面活性剂复合催化体系路易斯酸与手性试剂联用不对称醛醇缩合反应 产率23，Syn/anti=3.1,58%
5、ee在月桂酸（10mol）中，产率76，Syn/anti=2.8,69%eeB、稀土金属的盐催化的反应在超临界CO2中的路易斯酸催化环境友好介质与绿色试剂的结合羰基亲二烯体与二烯，亚胺与二烯的Diels-Alder反应（2）固体碱催化剂层状二元氢氧化物(LDHs):水滑石 通式：Mg8-xAlx(OH)16(CO3)x/2.nH2O 催化Knoevenagel反应、醛醇缩合、Claisen-Schmidt缩合、亲电烯烃的环氧化等 类水滑石：三元 M-Mg-Al M=过渡金属离子 四元 M1-M2-Mg-Al 过渡金属离子分散于水滑石层状结构的层间，离子分散，分散均匀。焙烧后形成均匀分散的活性组
6、份。键合相的有机碱将有机碱键合到中孔沸石的表面 真正意义上的有机-无机复合材料分子层次上的结合 例子：3-氨丙基(三甲氧基）硅烷处理得到氨丙基硅石；硅石表面结合胍类碱；1,5,7-三氮杂二环-5-奎烯（TBD）官能团化的MCM-41等。（2）固体碱催化剂例子：官能团化的MCM-41催化的反应（2）固体碱催化剂包封（封装）在疏水沸石超笼中的大分子有机碱：EncapsulationShip in bottle 原位合成 Packing 先填充，再封口 例子：Y型沸石，超笼中原位合成酞菁钴 可以催化汽油中硫醇氧化（脱臭）应用举例：Y型沸石超笼中，原位合成N,N,N-三环己基胍，可以催化丙酮和苯甲醛的
7、醇醛缩合反应2、催化还原（加氢）催化加氢广泛应用的化学反应技术难点羧酸的加氢制醛，酸腐蚀 负载的Ru-Sn合金催化剂、氧化锆、氧化铬例子：活性碳负载的Pd催化剂催化二氯乙酸脱氯（Deggusa）二氯乙酸乙酸氯化生产氯乙酸的副产物2、催化还原（加氢）MPV（烃氧基铝）还原反应将醛和酮还原成醇；化学还原底物与授氢体（异丙醇）在烃氧基铝存在下的反应；Beta沸石催化的MPV反应，立体选择性，得到顺式醇香料中间体；机理：底物立体结构在Beta沸石微孔中受到限制反应过渡态择形。3、催化氧化1、氧作氧化剂的反应醇的氧化反应伯、仲和烯丙基醇氧化为醛和酮。RuCl2(Ph3P)3和TEMPO（2,2,6,6-
8、四甲基哌啶-N-氧化物）催化剂（1）氧作氧化剂的反应伯醇的氧化反应RuCl2(Ph3P)3和氢醌催化剂负载的Ru催化剂介孔沸石和聚合物载体上的高钌盐（2）过氧化氢作氧化剂的反应钛硅分子筛（TS1）催化的环氧化、醇氧化、酚羟基氧化生成邻苯二酚和对苯二酚，以及酮在NH3/H2O2条件下的氨氧化反应 羟基乙酰苯氨氧化生成相应的亏，经Beckmann重排得到止痛药4-乙酰氨基酚。4、催化碳-碳键的形成羰基化反应，原子经济性100 Ibuprofen（止痛药）的合成Hoechst-Celanese过程酰胺羰基化反应5、不对称催化不对称合成的意义：手性化合物生物活性药物分子的特异性：差之毫厘，失之千里例子
9、：手性药物，有效成分均为一种特定的光学异构体，例如：TholidomideR-异构体，镇静剂S-异构体，畸胎剂5、不对称催化（1）不对称醛醇缩合反应 二茂铁基-膦配体的金(I)络合物催化的-异氰酸酯与醛的不对称醇醛缩合萘酚与Ba(opri)2生成的络合物BABM，以及三氟甲磺酸锡在手性胺存在下，均能催化醛醇缩合反应。（2）不对称Diels-Alder反应 三氟甲磺酸镱(R)-(+)-联萘酚及叔胺制成的手性三氟甲磺酸盐催化剂手性钛催化剂催化的3-酰基-1,3-恶唑烷-2-酮与二烯的DA反应。（3）不对称还原反应A、碳碳不饱和键的不对称加氢 光学活性除草剂(s)-metolachlor 其他：手性
10、二茂铁基膦-铑配合物对三取代丙烯酸的不对称加氢表现出高的立体选择性；铑与手性膦配体的络合物催化的烯酰胺生成光学活性的-氨基酸；双磷杂环戊烷配体的铑催化的烯炔基酯和二烯基酯的加氢；螺环配体的铑化合物的催化加氢。（3）不对称还原反应B、羰基的不对称加氢 Ru-BINAP络合物 其他：手性配体修饰的LiAlH4、NaBH4和BH3、THF的羰基化合物选择性还原；DIP-氯化物、硼杂恶唑烷对,-不饱和酮的还原；手性磷试剂催化的硼烷还原潜手性的-卤代酮。（4）不对称氧化反应手性Salen-Mn络合物催化的烯烃的不对称环氧化 手性铜络合物催化的烯烃的不对称环氧化（5）其他不对称催化反应醛的不对称烷基化 树
11、枝状BINOL配体络合物Ti-BINOL 烯丙基烷基化 手性Pd络合物催化的烯丙基取代反应和氨氧化反应6、相转移催化相转移催化剂：表面活性剂，水-有机相两相反应，减少有毒有害的有机溶剂的使用手性相转移催化剂合成双-氨基酸 6、相转移催化手性相转移催化剂催化不对称氧化 6、相转移催化手性相转移催化剂催化Michael加成1、生物催化和仿生催化优点 高度的专一性;无需使用有毒有害的溶剂和试剂;反应条件十分缓和;可以使用可再生资源;绿色化学反应二、生物催化和生物过程酶的分类（1）酶催化和微生物催化根据催化性能分类：1997年论文比例 氧化还原酶氧化/还原反应；12.5/13%水解酶水解反应；25 转
12、移酶官能团的转移反应；异构酶异构化反应；裂(合)解酶在sp2杂化羰上加成或消除小分子；5 连接酶sp3杂化碳的形成或裂解。酶的分类 对映体过量(enantiomeric excess,ee)手性分子的两个对映体中，各对映体都把平面偏振光旋转到一定的角度，其数值相同但方向相反，这种性质称为光学活性。化合物样品的对映体组成可用术语“对映体过量(enantiomeric excess)”或“e.e.”来描述。它表示一个对映体对另一个对映体的过量，通常用百分数表示。e.e值酯水解 酶催化的酯的水解反应一般比较缓和，而且具有立体选择性或保护底物原有的立体选择性。A、水解反应酯水解 在有机合成中，利用酶对
13、外消旋体或潜手性双酯进行立体选择性水解，可以得到对映体。酯水解PPI猪胰脂肪酶酰胺的水解制备氨基酸的反应酰胺的水解环氧化物的水解：制备高光学活性的二元醇环氧化物的水解腈的水解：腈水解酶将腈直接转化为酸；先转化为酰胺，在酰胺酶的作用下进一步转化为酸。腈的水解问题：如何合成上述原料腈？有无绿色的技术路线？酶催化的酯化反应不对称合成例子：茉莉酮甲酯植物生长调节素B、酯化反应 -氨基腈在Candida antarctica脂肪酶催化的对映体选择性酰化反应中，得到高光学活性的产品。C、酰胺的制备由Candida antarctica脂肪酶A（CAL-A）得到高光学活性的-氨基酯。酮的还原：潜手性羰基官能
14、团的不对称还原是合成手性有机化合物的有效方法。应用还原酶的特异生物还原：对映体将羰基转化成醇，循环再用昂贵的辅因子。D、还原反应NADP烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸酯 假单胞菌属Pseudomonas fluorescens的醇脱氢酶重组体（PFADH)能够有效地还原芳基酯基酮为相应的光学活性(R)-醇。酮的还原RH4-Me2-OMe3-OMe4-OMe4-F4-ClCon.95823189389129e.e.%92429992459179发面酵母醇脱氢酶和马肝醇脱氢酶能催化还原结构为RCOCH3（RPh，PhOCH2，COOH）的酮，得到光学纯度为100的产品。对于结构为RCOCH2OCOCH3
15、（RMe，Ph，n-Bu）的酮，在加入L-半胱氨酸或苯基乙烯基硫醚的情况下，得到相应的(S)-醇，e.e.值为6799%。酮硫醚和酮砜的还原：酮的还原环酮砜的还原：酮的还原酮酯的还原：双酮的还原：酮的还原其它还原反应：N-氧化物、叠氮化物、亚砜、过氧化物、双键等的还原羟基化作用：CH的氧化是生成醇或酚的反应，即将烃催化氧化的反应。微生物催化氧化的特点不对称羟基化。过去的工作甾族化合物、萜烯和复杂天然产物的羟基化。芽孢杆菌属Bacillus megaterium对烃的不对称羟基化E、氧化反应奇特：活性远远超过化学或催化氧化！豌豆属植物（Pisum sativum）的-氧化酶对羧酸的羟基化反应，得
16、到高对映体选择性的2-羟基羧酸E、氧化反应二羟基化反应假单胞菌P.testosteroni A3C催化2-萘甲酸生成二醇奇特：以上反应化学或催化氧化根本无法实现！Baeyer-Villiger氧化 3-(4-氯苯基)环丁酮的氧化用Acinetobacter calcoaceticus得到(S)-内酯（e.e.85%)，用Cunninghamella echinulata得到(R)-内酯（产率30，e.e.99%)。C.echinulata的静止细胞可将3-苄氧甲基-环丁酮转变为(R)-内酯（产率30，e.e.97%)。E、氧化反应腈醇的制备 光学活性腈醇是合成2-氨基醇的重要原料，(1R)-2-氨基醇（肾上腺素功能药物）可以直接从(R)-腈醇制备，也可以由其氧保护衍生物与氢化试剂反应制备。F、碳碳键的形成(R)-醇腈酶催化的HCN对羟基苯甲醛的加成反应酶催化醛醇缩合合成碳水化合物的有效方法 细菌D-果糖-1,6-双磷酸酯醛缩酶（FruA）催化的醛醇缩合。醛醇缩合细菌D-,L-苏氨酸醛缩酶重组体（E.Coli)合成-羟基-氨基酸醛醇缩合酶和微生物催化存在的问题（缺点）：酶蛋白质；稳定性差
