有机合成中的原子经济性探讨

有机合成中的原子经济性探讨

——重排反应

⒈“原子经济性”的提出

在人类文明的进步中，化学起着十分重要的作用，人们的衣、食、住、行都离不开化学。但是，在人类物质生活不断提高和工业化程度不断发展的同时，工业上大量污物的排放和生活中污物的堆积造成人类的生存环境迅速恶化，资源急剧减少，同时人类的可持续发展受到极大的威胁。在这种情况下，众多的化学家致力于发展对人类健康和环境仅有较少危害的化学，提高的原料利用率，一个新的学科——绿色化学开始诞生。所谓绿色化学是指用化学的技术和方法减少或消除那些对人类健康获环境有害的原料、产物、副产物、溶剂和试剂等的生产和应用。其中，提高原子经济性是绿色化学的一个重要课题。

原子经济性概念的最先由美国Stanford大学的B.M.Trost教授在1991年提出。原子经济性又称原子利用率，其计算式为：

原子经济性（％）＝（被利用原子的质量/反应中所使用的全部反应物分子的质量）×100

原子经济性这一概念引导人们在有机合成设计中如何经济地利用原子，避免用保护基团或离去基团，这样设计的合成方法就不会有废物产生，而是环境友好型的。

原子经济性反应有两个显著的优点: 一是最大限度地利用了原料; 二是最大限度地减少了废物的排放,减少了环境污染。

⒉重排反应与原子经济性

重排反应在有机化学中是一类很重要的反应。分子重排反应中有一些很好的原子经济性反应，这些反应没有什么副产物，原子经济性很高，很多都在工业上付诸了实施，例如工业上用异丙苯制丙酮和苯酚：

该反应的原子经济性为100%，这是目前生产苯酚最主要和最好的方法，得到的丙酮是重要的化工原料，未产生污染物，异丙苯可来源于石油化工产品丙烯和苯，因而经济合理。

又如片呐酮的工业合成：

该反应的原子经济性为 100%，而且步骤少成本低，简单易合成。若采用下面的合成方法，不仅步骤多，工业所需成本高，而且原料异丁烯不易获得。

⒉⒈Claisen , Cope重排

Claisen重排即烯丙基芳基醚在高温(200°C)下重排，生成烯丙基酚的反应。当烯丙基芳基醚的两个邻位未被取代基占满时，重排主要得到邻位产物，两个邻位均被取代基占据时，重排得到对位产物。对位、邻位均被占满时不发生此类重排反应。

Cope重排反应是一个被广泛研究过的有机反应，包括了一个1,5-二烯的[3,3]-σ-迁移重排，该反应是由Arthur C. Cope发现的。

Claisen 在合成香料中间体化合物中非常有用，如蒎脑次乙基（Ⅰ）的合成。在这些反应中，反应物的原子全部变为产物的，是原子经济性的。

近来，Claisen重排常用于不对称合成中，如下列手性化合物（Ⅱ）的合成。

Claisen重排可以说是 Cope重排的特例，它是史上第一个发现的 [3,3] –σ-重排反应。Cope重排的应用也很广，如合成下列香料中间体。

有文献报道，把上述两种重排结合起来就发展成了Claisen-Cpoe重排体系，该体系可更方便的合成化合物，是原子经济性反应的典范，它不需催化剂，对环境友好，如利用此体系进行β–正弦盐（Ⅶ）、柠檬醛（Ⅷ）的合成。

⒉⒉Beckmann 重排

Beckmann 重排即酮肟在酸性条件下发生重排生成N-烃基酰胺的反应，1886年由德国化学家 E.O.贝克曼首先发现。常用的贝克曼重排试剂有硫酸、五氯化磷、贝克曼试剂（氯化氢在乙酸－乙酐中的溶液）、多聚磷酸和某些酰卤等。

在对乙酰氨基酚（APAP）是一种副作用小的解热镇痛药，也是制备解热镇痛类风湿扑炎痛的主要原料。我国生产APAP大都采用对硝基氯苯水解后，再经铁屑还原、酰化而得。

但该法存在成本高，鉄泥及酸污染严重等缺点。后来有文献报道从对羟基乙酮经肟化后，再经Beckmann重排合成APAP的新方法，改进后，成本降低、操作简单、无污染。

⒉⒊Fries 重排

Fries重排（又称弗莱斯重排；弗赖斯重排；福莱斯重排）是指酚酯在路易斯酸或布朗斯特酸催化下重排为邻位或对位酰基酚的反应。Fries重排反应会随着反应条件的不同而得到不同的产物。

Fries 重排反应催化剂通常为AlCl

3、HF、BF

3

等，HF有剧毒、沸点低（15℃），

而AlCl

3、BF

3

与水反应剧烈，同时BF

3

是一种有毒物质，进来人们对其进行改进，

使用干净友好的催化剂CH

3SO

3

H（MSA）仍能得到理想结果。

此外，还有人设计用Hf(OSO2-CF3)4作催化剂用在苯酚和萘酚衍生物的Fries重排中：

⒉⒋Fisher-Hepp 重排

Fisher-Hepp重排即N-亚硝基芳胺在乙醚或乙醇等溶剂中与盐酸作用发生亚硝基重排，生成对位亚硝基芳胺的反应。用方程式可以表示为：

HCl

322N R 1R 2NO R 1

NHR 2NO

有研究者在该反应中用粘土做催化剂，取得了理想的结果。

⒊提高原子经济性的途径

以上都是一些原子经济性反应的介绍，通过简单探讨，我们不难可以得出，目前提高原子经济性主要从以下方面考虑：一是发现新合成方法提高反应的原子经济性；二是开发新催化剂提高反应的原子经济性。

探索既具有选择性又具有原子经济性的合成成了今后合成方法法学的焦点，

发展原子经济性反应，将会推动化学合成技术的发展，这也是化学家们未来的光荣任务。化学家们有理由相信，原子经济性反应将以其独特的特色在化学中发挥其独有的作用，将给人类带来更大的利益。