有机合成实现绿色合成的基本途径

有机合成实现绿色合成的基本途径

摘要：绿色有机合成，是指利用一定的化学的技术和方法减少或消除那些对人体健康、社会安全、生态环境等有害的原料、溶剂、催化剂、产物及副产物等的使用和生产。结合笔者相关工作体会，本文主要对实现绿色合成的基本途径以及新技术、新方法进行了探讨。

关键词：绿色有机合成；基本途径

前言：随着化学工业的不断发展，现代绿色合成化学正向着生态友好型、原子经济性及高选择性的方向发展，因此，未来对绿色化学的研究的将在于寻找新的绿色合成路线和合成方法，无毒无污染的合成技术的研究和发展成为绿色化学的重要研究内容，而且基础化学实验已经在能源、资源等方面的有效利用上向新技术、新工艺方向取得了长足的进步。因此，化工实验需要改进，以合成技术为主体和突破点，寻求无污染、高利用率的绿色工艺，从实验与应用技术的出发点上把握精细化工绿色化的途径和方法。

一、实现绿色合成的基本途径

（一）运用高效的多步合成技术

在药物、农用化学品等精细化学品的合成中，往往涉及分离中间体的多步骤反应。为实现绿色合成，近年来，研究发展的串联反应是非常有效的。串联反应包括有一瓶多步串联和一瓶多组分串联。前者是仿照生物体内的多步链锁式反应，使反应在同一反应器内从原料到产物的多个步骤连续进行，无需分离出中间体，又不产生相应的废弃物，和环境保持友好；后者是涉及至少3种不同原料的反应于同一反应器中进行，而每步反应都是下步反应所必需的，而且原料分子的主体部分都融进到最终产物中，这是一类高效的合成方法。

（二）发展和应用安全的化学品

发展和应用对人和环境无毒、无危险性的试剂和溶剂，以及其他实用化学用品，是实现绿色合成最直接的一环。可以采取适当的手段使某一分子的毒性降低而不影响其功能。例如，腈类化合物的毒性，认为是由于腈类分解而生成氰离子产生的。若将腈的α位进行取代，使其难生成自由基而不产生氰离子，则可使毒性降低，而反应功能不受影响。又如，人们开发的新型化工原料碳酸二甲酯，以其较高的反应活性和低微的毒性，代替了剧毒的光气和硫酸二甲酯，从而被誉为21世纪的“绿色化工原料”。

二、绿色合成的新方法和新技术

近几十年，科学家们致力于开发新的合成方法或技术，以期实现使用安全的化学试剂和溶剂，如CO2超临界流体、等离子体态下反应，减少有机溶剂的使用，从而降低了环境污染，同时提高反应的选择性，节省能量；改变合成的环境，

引入超声、微波、电等手段使化学反应速率更快，选择性更好，原子经济性更好，也促进了绿色化学的发展。下面将对这些技术分别进行介绍：

（一）超临界合成法

超临界流体是指处于临界温度（TC）、临界压力（PC）以上的流体,其气液界面消失，体系性质均一，此时既不是气体也不是液体，呈流体状态（也被成为物质的第四态）。超临界合成是以超临界流体为介质（有时也作为反应物），而发生化学反应的一种新型合成方法。

超临界合成用超临界流体替代了传统对环境污染严重且有毒的溶剂作为介质，无毒又无污染；同时还能大大地提高反应速率，并且对目的产物的选择性也有一定程度的增加，从而减少和避免了副产物的生成；并且减去或去除后续分离单元，既节省了资源和能源同时又减少了废气、废物等的排放方面。常见的超临界流体在有机合成中的应用。

（二）微波无溶剂照射技术

微波无溶剂照射从兴起以来，已成功应用到官能团转化、酯化、氧化、还原、杂环化合物合成、缩合及多组分反应等方面。它利用了微波频率与分子转动时间所存在的相差造成偶极分子因无规碰撞而损失能量，产生了介电加热现象，因而较传统的热传导和热对流加热更为迅速，而且是空间辐射加热，体系受热均匀。精细化工实验在普通加热方式下反应时间一般是从几小时到几天，有的反应甚至需要借助于溶剂实现体系分散因而更缓慢。引入微波无溶剂照射技术，精细化工实验得到四方面改进：一是在大量离子存在下能快速加热；二是快速提高到反应温度；三是达到分子水平上的搅拌；四是反应体系无需溶剂分散。微波促进反应的产物在重结晶、萃取、层析、蒸馏等分离过程上也大为简化。聚已酸内酯是一种重要生物相溶和生物降解物质，在生物医药和环保中都具有广泛的应用如绑带、假体等等。正是由于聚已酸内酯用途广泛因而其合成技术越来越受关注。

（三）等离子体有机合成

对于气态物质来说释放电流或使其温度提升，气体的内部微粒便会发生电离作用或解离作用，当带电粒子的浓度到达一定程度的时候，新的聚集状态将会生成，这便是等离子体态。

长程力作为带电粒子间的常见库仑力，普遍存在于等离子体中当带电粒子运动的作用效果远远低于库仑力时，将导致电荷的局部集中进而引发电场；电流是有电荷的定向运动产生的，电流引发磁场。带电粒子的运动状态受这一电场和磁场的影响。当今学术领域已熟练通过产生电场和磁场约束等离子体。例如，焊工们用高温等离子体焊接金属、温度降低的等离子体用来处理无机物上进行沉淀涂层、变性、氧化等。

（四）电化学合成

采用电化学的方法合成化合物的技术叫做电化学合成。其相对于传统的合成具有显著的优势：一是电化学反应是通过反应物在电极两端上得失电子而实现的，一般不用加上其他试剂，故减少了物质消耗，从而减少了环境污染；二是选择性很高，增加了产品纯度和收率，减少了副反应，较大程度的简化了产品分离和提纯工作；三是工艺流程简单，反应容易控制；四是反应的条件一般较温和，通常在常温常压或低温低压下进行，大大的节省了能源，同时又降低了设备投资。值得一提的是在电化学合成中，电极材料的选择很重要，因为即使是相同的原料试剂，在不同的电极材料上反应，会生成不同的产物。

（五）超声辅助合成

频率范围在20kHz—1000MHz 的声波被为超声波。近来年，伴随着科学技术有所进展，合成化学中引入了超声波这一领域，超声辅助合成化学应运而生。超声波可以通过加速传热和传质、反应体系分散等过程，在一定的程度上促进化学反应的进行，与此同时，由于超声空化效应会产生局部高温，引起分子离子化、自由基的产生、分子热解离等，因此加快、加深了一系列化学反应的进行。

超声波辅助化学反应具有以下特点：

1、超生产生的空化泡爆裂可产生促进化学反应的高能环境，并使溶剂和反应试剂产生活性物质；

2、超声波能产生机械作用，并且使溶液吸收部分超声波，进一步产生一定加热效果；

3、超声使许多有机反应(特别是非均相反应)的速度明显加快，并且一般可提高反应得率；

4、使反应条件更加温和，大多数情况下使反应不需要另加搅拌和减少甚至可不用催化剂，故简化了实验操作；

5、在金属参与的反应中，超声波的加入，可及时除去金属表面形成的产物、中间产物及杂质等，使其一直暴露出清洁的反应表面，从而对化学反应起到促进作用。

正是由于超声化学不产生二次污染，环境友好，而且设备简单且易于操作控制，应用面也越来越广，所以引起了人们广泛的关注。然而，目前还有一些问题有待解决，超声波辐射对有些化学反应有抑制作用，甚至降低了某些反应的选择性，使副产物增加。相信通过化学和物理学者的努力，超声化学必将日渐成熟并为人类造福。

结语：总之，绿色合成作为新的科学前沿已逐步形成，但真正发展还需要从观念上、理论上、合成技术上等，对传统的、常规的有机合成进行不断的改革和