无溶剂有机合成精.ppt

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1、无溶剂有机合成1第1页，本讲稿共30页 在有机化学物在有机化学物质质的合成的合成过过程中程中(尤其是固体物尤其是固体物质质参与参与的反的反应应)使用有机溶使用有机溶剂剂是是较为较为普遍的，普遍的，这这些有机溶些有机溶剂剂会散会散失到失到环环境中造成境中造成污污染。各国化学家染。各国化学家创创造并研究了造并研究了许许多取多取代代传统传统有机溶有机溶剂剂的的绿绿色化学方法。如：以色化学方法。如：以水水为为介介质质、以、以超超临临界流体界流体(如如CO2)为为溶溶剂剂、以、以室温离子液体室温离子液体为为溶溶剂剂等方法，而最等方法，而最彻彻底的方法是完全不用溶底的方法是完全不用溶剂剂的的无溶无溶剂剂有

2、机有机合成合成。2第2页，本讲稿共30页传统传统有机溶有机溶剂剂的的优优点：点：1、能很好地溶解有机反、能很好地溶解有机反应应物；物；2、使反、使反应应物分子在溶液中均匀分散；物分子在溶液中均匀分散；3、稳稳定地定地进进行能量交行能量交换换。传统传统有机溶有机溶剂剂的缺点：的缺点：1、毒性、毒性、挥发挥发性；性；2、难难以回收。以回收。3第3页，本讲稿共30页 无溶无溶剂剂有机反有机反应应最初被称最初被称为为固固态态有机反有机反应应，因，因为为它研究的它研究的对对象通常是象通常是低熔点有机物之低熔点有机物之间间的反的反应应。反反应时应时，除反，除反应应物外不加溶物外不加溶剂剂，固体物直接接触，

3、固体物直接接触发发生反生反应应。实验结实验结果表明，很多固果表明，很多固态态下下发发生的有机生的有机反反应应，较较溶溶剂剂中更中更为为有效和更能达到好的有效和更能达到好的选择选择性。性。因此，因此，90 年代初人年代初人们们明确提出明确提出“无溶无溶剂剂有机合成有机合成”，它，它既包括既包括经经典的典的固固固反固反应应，又包括，又包括气气固反固反应应和和液液固反固反应应。一、无溶一、无溶剂剂有机反有机反应应4第4页，本讲稿共30页 无溶剂反应机理与溶液中的反应一样，反应的发生无溶剂反应机理与溶液中的反应一样，反应的发生起源于两个反应物分子的扩散接触，接着发生反应，生起源于两个反应物分子的扩散接

4、触，接着发生反应，生成产物分子。此时成产物分子。此时生成的产物分子作为一种生成的产物分子作为一种杂质和缺杂质和缺陷陷分散在母体反应物中分散在母体反应物中，当产物分子聚集到一定大小，当产物分子聚集到一定大小，出现产物的出现产物的晶核晶核，从而完成成核过程，随着晶核的长，从而完成成核过程，随着晶核的长大，出现产物的大，出现产物的独立晶相独立晶相。二、无溶二、无溶剂剂反反应应的操作方法的操作方法5第5页，本讲稿共30页无溶剂反应主要采用如下方法：无溶剂反应主要采用如下方法：(1)室温下，用研钵粉碎、混合、研磨固体反应原料即可反室温下，用研钵粉碎、混合、研磨固体反应原料即可反应。应。(2)将固体原料搅

5、拌混合均匀之后或加热或静置即可，加热时将固体原料搅拌混合均匀之后或加热或静置即可，加热时既可采用既可采用常规加热常规加热亦可用亦可用微波加热微波加热的方法的方法(3)用用球磨机球磨机或或高速振动粉碎高速振动粉碎等强力机械方法以及等强力机械方法以及超声超声波波的方法。的方法。(4)主主-客体方法，以客体方法，以反应底物为客体反应底物为客体，以一定比例的另，以一定比例的另一种适当分子为主体形成包结化合物，然后再设法使底物一种适当分子为主体形成包结化合物，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

6、至变成只有一种选择。主体的作用而有所改变或改善，甚至变成只有一种选择。6第6页，本讲稿共30页 利用上述方法反应之后，再根据原料及产物的溶解利用上述方法反应之后，再根据原料及产物的溶解性能，选择适当的溶剂，将产物从混合物中提取出来或性能，选择适当的溶剂，将产物从混合物中提取出来或将未反应完原料除去，即可得较纯净产品。所用溶剂为将未反应完原料除去，即可得较纯净产品。所用溶剂为无毒或毒性较低的水、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等。无毒或毒性较低的水、乙醇、丙酮、乙酸乙酯等。显然，上述方法中，显然，上述方法中，室温下的反应能耗最少室温下的反应能耗最少，最为简单。最为简单。其次是加热方法其次是加热方法，能耗较高

7、的是机械方法能耗较高的是机械方法。7第7页，本讲稿共30页无溶无溶剂剂有机反有机反应应可在可在固固态态、液、液态态及及熔融状熔融状态态下下进进行，也行，也可以可以超声波超声波、微波微波协协助反助反应应，或通，或通过过机械能机械能完成。完成。三、无溶剂有机反应的优点和不足三、无溶剂有机反应的优点和不足无溶无溶剂剂固固态态有机合成中由于没有溶有机合成中由于没有溶剂剂的参与，减的参与，减少了溶少了溶剂剂的的挥发挥发和和废废液的排放，也就降低了液的排放，也就降低了污污染；同染；同时时，熔点在，熔点在150 以下的有机固体原料只需以下的有机固体原料只需室温室温搅搅拌、研磨，不需要加拌、研磨，不需要加热热

8、操作，因此操作，因此节节能、能、方便；由于不用溶方便；由于不用溶剂剂降低了生降低了生产产成本。成本。（一）无溶剂合成的优点无溶剂合成的优点1）低）低污污染、低能耗、操作染、低能耗、操作简单简单：8第8页，本讲稿共30页 无溶无溶剂剂合成合成为为反反应应提供了与提供了与传统传统溶液反溶液反应应不不同的新的分子同的新的分子环环境，境，有可能使反有可能使反应应的的选择选择性、性、转转化率得到提高。化率得到提高。因因为为在固体状在固体状态态下，固下，固态态分子受到晶分子受到晶格的束格的束缚缚，分子的构象被分子的构象被冻结冻结，反，反应应分子有序排列，分子有序排列，可可实现实现定向反定向反应应，提高了反

9、，提高了反应应的的选择选择性。性。生物体内生物体内的的酶酶催化有序反催化有序反应应兼有固液相反兼有固液相反应应的双重特征。的双重特征。因此，因此，研究固研究固态态有机反有机反应应不不仅对仅对有机化学的有机化学的发发展有重要的理展有重要的理论论和和实际实际意意义义，也将，也将为为生命科学的研究提供理生命科学的研究提供理论论依据。依据。2)较较高的高的选择选择性性:9第9页，本讲稿共30页在固体中，反在固体中，反应应物分子物分子处处于受限状于受限状态态，分子构象相，分子构象相对对固定，固定，而且，可利用形成而且，可利用形成包包结结物物、混晶混晶、分子晶体分子晶体等手段控制等手段控制反反应应物的分子

10、构型，尤其是通物的分子构型，尤其是通过过与光学活性的主体化合与光学活性的主体化合物形成包物形成包结结物控制反物控制反应应物分子构型，物分子构型，实现实现了了对对映映选择选择性性的固的固态态不不对对称合成。称合成。3）控制分子构型控制分子构型:无溶无溶剂剂的固的固态态或液或液态态有机反有机反应应，由于没有溶，由于没有溶剂剂分子分子的介入，反的介入，反应应体系的微体系的微环环境不同于溶液，造成了反境不同于溶液，造成了反应应部位的部位的局部高局部高浓浓度度，提高了反，提高了反应应效率。效率。同同时时没有溶没有溶剂剂，可使，可使产产物的分离提物的分离提纯过纯过程程变变得得较较容易容易进进行。行。(4)

11、提高反提高反应应效率效率:10第10页，本讲稿共30页特特别别是是对对以往使用有机溶以往使用有机溶剂较为剂较为普遍的固体物普遍的固体物质质参与参与的反的反应应，会存在如下一些，会存在如下一些问题问题。（二）无溶（二）无溶剂剂有机合成的不足有机合成的不足1）反）反应应能否能否进进行？行？并非所有有机反并非所有有机反应应都能在无溶都能在无溶剂剂条件条件下下进进行，因行，因为为固体反固体反应应物粉末混合物粉末混合时时，异种分子，异种分子间难间难以接以接近到一个小距离近到一个小距离(如如 1nm)，碰撞几率降低；需要，碰撞几率降低；需要进进一步研一步研究采用什么方法促究采用什么方法促进进反反应应的的进

12、进行。行。2）散热问题：散热问题：有些无溶有些无溶剂剂反反应应在固体状在固体状态态下下进进行，反行，反应应系系统统无流无流动动性，反性，反应应放出的放出的热热量量难难以散失，大以散失，大规规模的生模的生产产比比较较困困难难。3）分离）分离问题问题：如果反如果反应应不是定量完成，仍有分离不是定量完成，仍有分离问题问题，又有可能使用有机溶又有可能使用有机溶剂剂。11第11页，本讲稿共30页四、无溶四、无溶剂剂有机合成的反有机合成的反应应方法及方法及实实例例（一）用球磨法反（一）用球磨法反应应 在在圆圆筒形金属制反筒形金属制反应应器中加入器中加入金属球金属球和要和要进进行行反反应应的物的物质质，使反

13、，使反应应器旋器旋转转，进进行研磨以行研磨以实现实现反反应应。为为除去除去环环境境污污染物中的有害有机染物中的有害有机氯氯化物，如化物，如DDT（双双对氯对氯苯基三苯基三氯氯乙乙烷烷(ClC6H4)2CH(CCl3)）、PCB（多多氯氯化化联联(二二)苯苯）、氯氯苯、二苯、二恶恶英等把英等把污污染物与染物与Mg、或或Ca、CaO 等混合用球磨法研磨等混合用球磨法研磨6h 可脱可脱氯氯。12第12页，本讲稿共30页又如又如烯烯胺胺类类物物质质1 与物与物质质2，用用球磨法球磨法反反应应3h，再，再加加热热到到80C、5min，150C、5min，系，系统经统经一系一系列反列反应应得得产产物物3：

14、13第13页，本讲稿共30页是比球磨法更是比球磨法更强强的机械作用方法的机械作用方法，在密封的不，在密封的不锈钢锈钢制反制反应应器中加入不器中加入不锈钢锈钢球，反球，反应应器以器以3500rpm 的的转转速速旋旋转转，使加入的物，使加入的物质发质发生反生反应应。（二）用高速振（二）用高速振动动粉碎法反粉碎法反应应如如C60 的的(2+2)加成生成二聚体加成生成二聚体C120 的反的反应应，是将，是将C60 与与KCN 或或KOAc、K2CO3 及微量的及微量的Li或或Na、K 等碱金属等碱金属一起一起进进行高速振行高速振动动粉碎条件下的反粉碎条件下的反应应，无机物是作触媒的，无机物是作触媒的，

15、反反应应30min 达到平衡，二聚体含量达到平衡，二聚体含量为为30%。14第14页，本讲稿共30页以离子液体以离子液体(BMIM)AlCl4 为为催化催化剂剂(BMIM：1-丁基丁基-3-甲基咪甲基咪唑唑阳离子阳离子)，进进行醇或酚的四行醇或酚的四氢氢吡喃化反吡喃化反应应，四，四氢氢吡喃化是多步有机合成中最常用的保吡喃化是多步有机合成中最常用的保护护与去保与去保护护方法。方法。（三）用离子液体催化反（三）用离子液体催化反应应当当ROH 为环为环已醇已醇时时，在，在25 反反应应5min，转转化率达化率达100%。共研究了。共研究了9 种醇或酚的反种醇或酚的反应应，其中，其中8 种种转转化率化

16、率达达100%，离子液体可用乙，离子液体可用乙醚醚萃取并循萃取并循环环使用。使用。15第15页，本讲稿共30页使用有光学活性的主体使用有光学活性的主体进进行固相不行固相不对对称称还还原反原反应应。光学活。光学活性的性的7 或或8作作为为主体与主体与酮酮9(客体客体)的包接化合物的包接化合物结结晶粉末，晶粉末，与硼与硼烷烷乙二胺乙二胺(2BH3 NH2CH2CH2NH2)的配合物粉末混合，的配合物粉末混合，反反应应可得到光学活性的醇可得到光学活性的醇R-(+)-10，反，反应应的收率及光学活的收率及光学活性性见见表表1。（四）（四）应应用主体用主体-客体包接化合物的方法客体包接化合物的方法1、不

17、、不对对称称还还原反原反应应16第16页，本讲稿共30页17第17页，本讲稿共30页对环对环状的状的酮酮分子分子11 与主体与主体8a 以以1:1 的包接化合物粉末，的包接化合物粉末，用用NaBH4 还还原，混合两种粉末，放置原，混合两种粉末，放置3d，使之反，使之反应应，得到得到100ee%光学光学纯纯的的(R,R)-(-)-12 分子，收率分子，收率54%55%。反。反应应物物11 分子左下角的分子左下角的O 原子与主体原子与主体8 形成形成氢键氢键故未故未还还原。原。18第18页，本讲稿共30页2、不、不对对称合成中的称合成中的Wittig 反反应应以分子以分子8b 或或8c 为为主体与

18、主体与酮酮形成的包接化合物形成的包接化合物结结晶粉末，晶粉末，与与Wittig 试剂试剂14 的粉末反的粉末反应应，不，不对对称构型称构型选择选择性很高，性很高，见见下列反下列反应应式：式：19第19页，本讲稿共30页以吡以吡啶酮啶酮18 为为客体，化合物客体，化合物19 为为主体形成的主体形成的1:1 包接包接化合物，化合物，经经光照吡光照吡啶酮啶酮18 发发生分子内生分子内环环加成反加成反应应，得到，得到光学光学纯纯度度为为100%的内的内酰酰胺胺20。（五）光化反（五）光化反应应20第20页，本讲稿共30页1、二苯乙二、二苯乙二酮酮(21)与与2 倍量的倍量的KOH 用研用研钵钵混合研磨

19、，在混合研磨，在80 反反应应12min后，混合物用稀酸洗后，混合物用稀酸洗净净，得酸，得酸22，产产率率90%。苯。苯环环上有吸上有吸电电子基子基时时反反应应加快，有供加快，有供电电子基子基时时反反应变应变慢。慢。（六）用研（六）用研钵钵研磨反研磨反应应21第21页，本讲稿共30页2、醛酮缩醛酮缩合反合反应应当当23 中中Ar 为为p-MeC6H4 和和24 中中Ar为为Ph 时时，与，与NaOH 在室温下用研在室温下用研钵钵混合研磨混合研磨5min，最初的液状，最初的液状物物变为变为淡黄色固体，加水淡黄色固体，加水过滤过滤得得26(对对甲基甲基查查耳耳酮酮)，收率，收率97%。文献共研究了

20、。文献共研究了7个具体的反个具体的反应应，多数，多数情况无溶情况无溶剂剂比在比在50%乙醇水溶液中反乙醇水溶液中反应应收率要高。收率要高。22第22页，本讲稿共30页文献文献报报道用道用蒙脱土蒙脱土K-10 担担载载的的Fe(NO3)3为为氧化氧化剂剂，使伯醇、，使伯醇、仲醇氧化仲醇氧化为醛为醛和和酮酮的反的反应应。用超声波照射，反。用超声波照射，反应时间应时间15 60s 醛醛或或酮酮的的产产率达率达87%96%。文献文献报报道用道用Al2O3 担担载载的醋酸的醋酸钾钾KAc 与与1-溴辛溴辛烷烷反反应应，用，用超声波照射，反超声波照射，反应时间应时间2min，醋酸，醋酸酯酯的的产产率率达达

21、99%。（七）（七）用超声波照射反应用超声波照射反应23第23页，本讲稿共30页蒙脱土蒙脱土K-10K-10为试剂级纳米蒙脱土为试剂级纳米蒙脱土,系蒙皂石粘土（包括系蒙皂石粘土（包括钙基、钠基、钠钙基、钠基、钠-钙基、镁基蒙粘土）经剥片分散、提钙基、镁基蒙粘土）经剥片分散、提纯改型、超细分级、特殊有机复合而成，平均晶片厚纯改型、超细分级、特殊有机复合而成，平均晶片厚度小于度小于25nm25nm，蒙脱石含量大于，蒙脱石含量大于95%95%。具有良好的分散。具有良好的分散性能，可以广泛应用高分子材料行业作为纳米聚合物高性能，可以广泛应用高分子材料行业作为纳米聚合物高分子材料的添加剂，提高抗冲击、抗

22、疲劳、尺寸稳定性分子材料的添加剂，提高抗冲击、抗疲劳、尺寸稳定性及气体阻隔性能等，从而起到增强聚合物综合物理性能及气体阻隔性能等，从而起到增强聚合物综合物理性能的作用，同时改善物料加工性能。的作用，同时改善物料加工性能。蒙脱土蒙脱土K-10K-10，比表面积，比表面积 240 m240 m2 2/g/g 用途：固体路易斯酸用途：固体路易斯酸(Solid Lewis acid)(Solid Lewis acid)催化催化剂剂 ，催化醚化，催化醚化/酯化反应。酯化反应。24第24页，本讲稿共30页文献文献报报道用醇道用醇27 之粉末，在干燥器中与之粉末，在干燥器中与HCl 气体接触反气体接触反应应

23、5h，得，得烯烯28，产产率达率达99-100%。（八）在干燥器中反（八）在干燥器中反应应25第25页，本讲稿共30页 在室温下放置在室温下放置3h，产产物物31 的的产产率率为为25%。显显然室温下静置能耗最少，最然室温下静置能耗最少，最为简为简易；其次是加易；其次是加热热静置或加静置或加热搅热搅拌；相比之下其它机械方法能耗拌；相比之下其它机械方法能耗较较高，高，或或仪仪器多、操作器多、操作较较复复杂杂。如如2-甲基甲基环环己己酮酮(29)与甲基乙与甲基乙烯烯基甲基甲酮酮(30)在无溶在无溶剂剂条件下条件下发发生生Robinson 缩环缩环反反应应如下如下（九）加（九）加热热静置或室温下静置

24、反静置或室温下静置反应应26第26页，本讲稿共30页五、无溶剂有机合成反应的类型五、无溶剂有机合成反应的类型一些一些较为较为典型的反典型的反应类应类型型(不再一一写出具体的反不再一一写出具体的反应实应实例例)（一）（一）热热反反应应(1)氧化反氧化反应应：如：如Baeyer-Villiger 氧化反氧化反应应(2)还还原反原反应应：如用：如用NaBH4 使使酮还酮还原原为为醇醇(3)Cannizzaro 歧化反歧化反应应：如将：如将醛醛歧化歧化为为醇和酸醇和酸(4)加成反加成反应应：如：如卤卤素和素和卤卤化化氢氢加成，加成，Michael 加成加成(5)消去反消去反应应：如醇消去：如醇消去变为

25、烯变为烯27第27页，本讲稿共30页(6)C-C 偶合反偶合反应应：2+2 4+2 6+2环环加成反加成反应应，包括，包括Diels-Alder 加成；加成；醛酮缩醛酮缩合反合反应应；Dieckmann 缩缩合反合反应应；Grignard，Reformasky；Wittig 反反应应；叶立德反；叶立德反应应；Claisen 反反应应；Robinson 缩环缩环反反应应；Pinacol 偶合反偶合反应应；酚；酚之之间间的偶合反的偶合反应应；炔化合物的氧化偶合反；炔化合物的氧化偶合反应应；C60 的加的加成与偶合反成与偶合反应应。(7)取代反取代反应应：氨解，水解，：氨解，水解，酯酯交交换换，醚醚

26、化。化。(8)聚合反聚合反应应。(9)重排与异构：重排与异构：Pinacol 重排，如二苯乙二重排，如二苯乙二酮转酮转位和位和邻邻二叔醇二叔醇转转位；位；Beckmann 重排；重排；Meyer-Schuster 重重排；排；Chappman 重排；异构化。重排；异构化。28第28页，本讲稿共30页(1)二聚和聚合二聚和聚合(2)环环化化(3)重排与异构重排与异构(4)醚醚化化(5)去去羰羰基化基化(6)不同分子不同分子间间的光化加成的光化加成(7)不不对对称称选择选择性光化反性光化反应应：手性分子的不：手性分子的不对对称称选择选择性光化反性光化反应应；非手性分子在手性包合物中；非手性分子在手性包合物中的不的不对对称称选择选择性光化反性光化反应应；非手性分子在其手性晶体中的不非手性分子在其手性晶体中的不对对称称选择选择性光化性光化反反应应；等等。；等等。（二）（二）光化反光化反应应29第29页，本讲稿共30页选选 题题无溶剂有机合成的反应实例无溶剂有机合成的反应实例30第30页，本讲稿共30页