绿色有机合成课件.ppt

1、 绿色有机合成绿色有机合成 Green Organic Synthesis Peng Gui-hua School of Chemistry and Chemical Engineering,Guangxi Normal University 原子经济性原子经济性 绿色原料绿色原料 溶剂革命溶剂革命 绿色催化绿色催化 原子经济性的概念原子经济性的概念原子利用率（原子利用率（%）=预期产物的分子量预期产物的分子量反应物质的原子量总和反应物质的原子量总和100%环氧乙烷的传统生产方法环氧乙烷的传统生产方法改进的技术改进的技术绿绿 色色 原原 料料绿色原料绿色原料 在有机合成反应中在有机合成反应中,

2、有许多原料是有毒的甚有许多原料是有毒的甚至是剧毒的至是剧毒的,如光气、氢氰酸、硫酸二甲酯如光气、氢氰酸、硫酸二甲酯等，大量使用这些原料将危害从业人员的身等，大量使用这些原料将危害从业人员的身体，并对环境造成严重污染。体，并对环境造成严重污染。因此，绿色有机合成的一个重要任务是采用因此，绿色有机合成的一个重要任务是采用无毒无害的或低毒的原料代替毒性大的原料。无毒无害的或低毒的原料代替毒性大的原料。一一 用碳酸二甲酯代替硫酸二甲酯用碳酸二甲酯代替硫酸二甲酯 硫酸二甲酯是一种常用的甲基化试剂，硫酸二甲酯是一种常用的甲基化试剂，但有剧毒且具有致癌性。目前，在甲基但有剧毒且具有致癌性。目前，在甲基化反应

3、中，可用非毒性的碳酸二甲酯代化反应中，可用非毒性的碳酸二甲酯代替硫酸二甲酯。替硫酸二甲酯。二二 用用CO、CO2代替光气代替光气 光气是一种剧毒的气体，曾在军事上用光气是一种剧毒的气体，曾在军事上用作化学武器。但它是合成碳酸二甲酯、作化学武器。但它是合成碳酸二甲酯、异氰酸酯、氨基甲酸酯等重要工业原料异氰酸酯、氨基甲酸酯等重要工业原料的试剂的试剂1 碳酸二甲酯的合成碳酸二甲酯的合成 目前，碳酸二甲酯的工业生产中，已目前，碳酸二甲酯的工业生产中，已可用可用CO代替光气，与代替光气，与CH3OH和和O2在在铜催化下制得。以铜催化下制得。以CO2为原料合成碳为原料合成碳酸二甲酯的方法正在研究中。酸二甲

4、酯的方法正在研究中。2 氨基甲酸酯的合成氨基甲酸酯的合成 氨基甲酸酯是毒性较低的农药，也是重氨基甲酸酯是毒性较低的农药，也是重要的中间体，传统工艺以胺和光气合成要的中间体，传统工艺以胺和光气合成Riley,McGhee等用等用CO2和胺反应直接生成和胺反应直接生成异氰酸酯和氨基甲酸酯。异氰酸酯和氨基甲酸酯。三三 用安全的原料代替氢氰酸用安全的原料代替氢氰酸 氢氰酸（氢氰酸（HCN）沸点为）沸点为25.7，在室温下，在室温下是液体或气体，剧毒，空气中最高容许浓是液体或气体，剧毒，空气中最高容许浓度为度为0.3毫克毫克/立方米立方米,当浓度达到当浓度达到300毫克毫克/立方米时立方米时,可使人立即

5、死亡。但氢氰酸是常可使人立即死亡。但氢氰酸是常用的化工原料，有机玻璃的单体用的化工原料，有机玻璃的单体-甲基丙烯甲基丙烯酸甲酯和晴纶的单体酸甲酯和晴纶的单体-丙烯晴传统的合成方丙烯晴传统的合成方法要以氢氰酸为原料。法要以氢氰酸为原料。反应以氢氰酸为原料，经三个步反应以氢氰酸为原料，经三个步骤得甲基丙烯酸甲酯，第二步反骤得甲基丙烯酸甲酯，第二步反应的副产物也是氢氰酸，因此是应的副产物也是氢氰酸，因此是环境不友好的。环境不友好的。美国壳牌公司用丙炔美国壳牌公司用丙炔-钯催化甲氧碳基化钯催化甲氧碳基化合成甲基丙烯酸甲酯合成甲基丙烯酸甲酯新合成路线避免使用氢氰酸和浓硫酸，新合成路线避免使用氢氰酸和浓硫

6、酸，且原子利用率达到且原子利用率达到100%，是环境友好，是环境友好的的四四 以以CO2为原料的有机合成为原料的有机合成 由于以煤和石油为主要能源的现代工业的由于以煤和石油为主要能源的现代工业的高速发展，使大气中高速发展，使大气中CO2迅速增加，其结迅速增加，其结果是造成地球的温室效应，随之而来的是果是造成地球的温室效应，随之而来的是南极冰川融化、海平面升高，这是南极冰川融化、海平面升高，这是21世纪世纪面临的严重的环境问题之一。面临的严重的环境问题之一。其次，有机合成工业多以石油为基本原料，其次，有机合成工业多以石油为基本原料，而地球上石油的储藏量是有限的。所以，而地球上石油的储藏量是有限的

7、。所以，若能以若能以CO2作为有机合成的碳源，将是一作为有机合成的碳源，将是一举两得。举两得。1 CO2为原料合成甲醇、甲烷为原料合成甲醇、甲烷 不少化学家致力于不少化学家致力于CO2的利用，探索以的利用，探索以CO2为原料催化合成甲醇、乙醇的方法：为原料催化合成甲醇、乙醇的方法：CO2加氢时，上述三个反应同时进行。但加氢时，上述三个反应同时进行。但在相同条件下，以钌和镍为催化剂，生成在相同条件下，以钌和镍为催化剂，生成较高产率的甲烷；而以铂和钯为催化剂，较高产率的甲烷；而以铂和钯为催化剂，生成较高产率的甲醇。生成较高产率的甲醇。2 CO2催化氢化合成甲酸及其衍生物催化氢化合成甲酸及其衍生物

8、CO2催化氢化合成甲酸及其衍生物是一种催化氢化合成甲酸及其衍生物是一种利用利用CO2为有机合成原料的有效途径。在为有机合成原料的有效途径。在超临界超临界CO2中溶入中溶入H2、一种三级胺以及催、一种三级胺以及催化剂如化剂如RuCl2P(CH3)34和促进添加剂如水、和促进添加剂如水、甲醇或甲醇或DMSO等，能快速、有选择性、高等，能快速、有选择性、高产率地产生甲酸产率地产生甲酸:3 CO2催化氢化制低碳烃催化氢化制低碳烃 中科院成都有机所陈栋梁等，研究了中科院成都有机所陈栋梁等，研究了在微波等离子体下，在微波等离子体下，CO2催化氢化制催化氢化制甲烷和甲烷和C2烃，其中甲烷和乙炔是主要烃，其中

9、甲烷和乙炔是主要产物。随微波输入功率的增加和产物。随微波输入功率的增加和(H)/(CO)的减少，产物中乙炔的比率的减少，产物中乙炔的比率增加。实验证明以增加。实验证明以CO2催化氢化制低催化氢化制低碳烃是可行的碳烃是可行的4 CO2高分子的合成高分子的合成 近近20多年来，多年来，CO2已逐渐被开发成一种高分子合成的已逐渐被开发成一种高分子合成的单体，在合适的条件下，单体，在合适的条件下，CO2可固定于高分子单体上，可固定于高分子单体上，得到各种缩聚或加聚产物。得到各种缩聚或加聚产物。CO2作单体的反应，关键是要有合适的催化剂。作单体的反应，关键是要有合适的催化剂。陈立班等研制成含锌的高分子负

10、载双金属催化陈立班等研制成含锌的高分子负载双金属催化剂（剂（PBM），不经过高耗能的反应，可从），不经过高耗能的反应，可从CO2与环氧化物共聚制备系列脂肪族聚碳酸酯；与环氧化物共聚制备系列脂肪族聚碳酸酯；Supper等发展了高活性的氟化锌催化剂，合成等发展了高活性的氟化锌催化剂，合成了了CO2与氧化环己烯（与氧化环己烯（CHO）的共聚物；此外，）的共聚物；此外，CO2与烯类单体形成环内酯，与乙烯醚或二烯烃与烯类单体形成环内酯，与乙烯醚或二烯烃生成低分子量的聚酯，与环硫化物、环氮化物生成低分子量的聚酯，与环硫化物、环氮化物也能形成相应的共聚物。也能形成相应的共聚物。一一 用碳酸二甲酯代替硫酸二甲

11、酯用碳酸二甲酯代替硫酸二甲酯 二二 用用CO、CO2代替光气代替光气 三三 用安全的原料代替氢氰酸用安全的原料代替氢氰酸 四四 以以CO2为原料的有机合成为原料的有机合成 溶溶 剂剂 的的 革革 命命 有机溶剂由于挥发性大、毒性大而成为有机溶剂由于挥发性大、毒性大而成为有机合成工业的主要污染源，环境友好有机合成工业的主要污染源，环境友好的有机合成应该尽量不用或少用有机溶的有机合成应该尽量不用或少用有机溶剂。剂。美国总统绿色化学挑战奖的奖项之一就美国总统绿色化学挑战奖的奖项之一就是改进溶剂和反应条件奖。是改进溶剂和反应条件奖。(一一)超临界流体超临界流体超临界流体超临界流体 物质有气、液、固等相

12、态，此外，在临界点以上还存物质有气、液、固等相态，此外，在临界点以上还存在一种无论温度和压力如何变化都不凝缩的流体相，在一种无论温度和压力如何变化都不凝缩的流体相，称此种状态的物质为超临界流体。称此种状态的物质为超临界流体。临界点是指气、液两相共存线的终结点，此时气液两临界点是指气、液两相共存线的终结点，此时气液两相的相对密度一致，差别消失。在临界温度以上压力相的相对密度一致，差别消失。在临界温度以上压力不高时与气体性质相近，压力较高时则与液体性质更不高时与气体性质相近，压力较高时则与液体性质更为接近。为接近。超临界流体性质介于气液之间，并易于随压力超临界流体性质介于气液之间，并易于随压力调节

13、，有近似于气体的流动行为，粘度小、传调节，有近似于气体的流动行为，粘度小、传质系数大，但其相对密度大，溶解度也比气相质系数大，但其相对密度大，溶解度也比气相大得多，又表现出一定的液体行为。大得多，又表现出一定的液体行为。PcTcBrennecke认为，在认为，在1T/Tc11和和1P/Pc2超超临界范围内，超临界流体的专有性质表现突出临界范围内，超临界流体的专有性质表现突出超临界流体作为反应介质具有以下特性超临界流体作为反应介质具有以下特性 高溶解能力高溶解能力 只需改变压力，就可控制反应的相只需改变压力，就可控制反应的相态。既可使反应呈均相，又可控制反应呈非均相。态。既可使反应呈均相，又可控

14、制反应呈非均相。超临界流体对大多数固体有机化合物都可以溶解，超临界流体对大多数固体有机化合物都可以溶解，使反应在均相中进行。特别是对使反应在均相中进行。特别是对H2等气体具有等气体具有很高的溶解度，提高氢的浓度，有利于加快反应很高的溶解度，提高氢的浓度，有利于加快反应速率；速率；高扩散系数高扩散系数 一般固体催化剂是多孔物质，对一般固体催化剂是多孔物质，对液液固相反应，液态扩散到催化剂内部很困难，固相反应，液态扩散到催化剂内部很困难，反应只能在固体催化剂表面进行。然而，在超临反应只能在固体催化剂表面进行。然而，在超临界状态下，由于组分在超临界流体中的扩散系数界状态下，由于组分在超临界流体中的扩

15、散系数相当大，对气体的溶解性大，对于受扩散制约的相当大，对气体的溶解性大，对于受扩散制约的一些反应可以显著提高其反应速率；一些反应可以显著提高其反应速率；有效控制反应活性和选择性有效控制反应活性和选择性 超临界流体超临界流体具有连续变化的物性具有连续变化的物性(密度、极性和粘度密度、极性和粘度等等)，可以通过溶剂与溶质或者溶质与溶质，可以通过溶剂与溶质或者溶质与溶质之间的分子作用力产生的溶剂效应和局部之间的分子作用力产生的溶剂效应和局部凝聚作用的影响有效控制反应活性和选择凝聚作用的影响有效控制反应活性和选择性；性；无毒性和不燃性无毒性和不燃性 超临界流体超临界流体(如如CO2，H20等等)是无

16、毒和不燃的，有利于安全生产，是无毒和不燃的，有利于安全生产，而且来源丰富，价格低廉，有利于推广使而且来源丰富，价格低廉，有利于推广使用，降低成本用，降低成本。在超临界条件下化学反应具有特点在超临界条件下化学反应具有特点 加快受扩散速率控制的均相反应速率，这是因为超加快受扩散速率控制的均相反应速率，这是因为超临界相态下的扩散系数大于液相；临界相态下的扩散系数大于液相；克服界面阻力，增加反应物的溶解度；克服界面阻力，增加反应物的溶解度；实现反应和分离的耦合，在超临界流体中溶质的溶实现反应和分离的耦合，在超临界流体中溶质的溶解度随相对分子质量、温度和压力的改变而有明显的解度随相对分子质量、温度和压力

17、的改变而有明显的变化，可利用这一性质及时地将反应产物从反应体系变化，可利用这一性质及时地将反应产物从反应体系中除去，以获得较大的转化率；中除去，以获得较大的转化率；延长固体催化剂的寿命，保持催化剂的活性；延长固体催化剂的寿命，保持催化剂的活性；在超临界介质中压力对反应速率常数的影响在超临界介质中压力对反应速率常数的影响增强；增强；酶催化反应的影响增强，酶能在非水的环境酶催化反应的影响增强，酶能在非水的环境下保持活性和稳定性，因此，采用非水超临界下保持活性和稳定性，因此，采用非水超临界流体作为一种溶剂，对酶催化反应具有促进作流体作为一种溶剂，对酶催化反应具有促进作用。用。超临界超临界CO2用作有

18、机合成的溶剂用作有机合成的溶剂 Burk小组以超临界小组以超临界CO2 作溶剂，提高不作溶剂，提高不对称氢化的选择性。对称氢化的选择性。聚合反应 自由基反应 氧化反应超临界萃取超临界萃取 超临界萃取与传统萃取工艺比较，具有萃取超临界萃取与传统萃取工艺比较，具有萃取时间短、萃取费用少、萃取更彻底、可进行时间短、萃取费用少、萃取更彻底、可进行热敏感样品及痕量组分萃取等优点，特别适热敏感样品及痕量组分萃取等优点，特别适合于不稳定天然产物和生物活性物质的提取、合于不稳定天然产物和生物活性物质的提取、分离，生产出近于完美的绿色产品分离，生产出近于完美的绿色产品 在其它条件完全相同的情况下，液体的密度在其

19、它条件完全相同的情况下，液体的密度在相当程度上反应了它的溶解能力，而超临在相当程度上反应了它的溶解能力，而超临界流体的密度与压力和温度有关，随着压力界流体的密度与压力和温度有关，随着压力的增大，介电常数和密度增大，超临界流体的增大，介电常数和密度增大，超临界流体对物质的溶解能力增大。对物质的溶解能力增大。超临界萃取就是利用超临界萃取就是利用SCF在临界点附近体系在临界点附近体系温度和压力的微小变化，使物质溶解度发生温度和压力的微小变化，使物质溶解度发生几个数量级的突变性质来实现其对某些组分几个数量级的突变性质来实现其对某些组分的提取和分离。通过改变压力或温度来改变的提取和分离。通过改变压力或温

20、度来改变SCF的性质，达到选择性地提取各种类型的的性质，达到选择性地提取各种类型的化合物的目的。化合物的目的。超临界萃取技术主要有两类萃取过程：恒温超临界萃取技术主要有两类萃取过程：恒温降压过程和恒压升温过程。降压过程和恒压升温过程。(二二)以水为溶剂以水为溶剂以水作溶剂以水作溶剂 有机化合物多数极性较低，水溶性很小，有机化合物多数极性较低，水溶性很小，所以，多数有机合成反应都在有机溶剂中所以，多数有机合成反应都在有机溶剂中进行。然而，水无疑是最廉价、无毒、环进行。然而，水无疑是最廉价、无毒、环境友好的。因此，水相反应成为绿色有机境友好的。因此，水相反应成为绿色有机合成的一个热点，而且研究结果

21、表明，用合成的一个热点，而且研究结果表明，用水作溶剂在某些反应中，比有机相中反应水作溶剂在某些反应中，比有机相中反应可得到更高的产率或立体选择性。可得到更高的产率或立体选择性。2000年，年，T.A.Bryson报道以甲酸钠为还报道以甲酸钠为还原剂，在原剂，在250350，约，约1300Psi,以水为以水为溶剂，不需要其他共溶剂或催化剂，可溶剂，不需要其他共溶剂或催化剂，可把醛和一些酮还原成醇。把醛和一些酮还原成醇。反应只需要简单的装置就可完成，副产反应只需要简单的装置就可完成，副产物是物是CO2和和H2O或或NaOH,因此是环境友好因此是环境友好的。的。而以环己烯或环己二烯为还原剂在醇而以环

22、己烯或环己二烯为还原剂在醇-水水混合溶剂中把醛还原成醇，则产生毒性混合溶剂中把醛还原成醇，则产生毒性大的副产物苯，且产物分离困难，是环大的副产物苯，且产物分离困难，是环境不友好的。境不友好的。（三）离子液体（三）离子液体 与典型的有机溶剂不一样，在离子液体里与典型的有机溶剂不一样，在离子液体里没有电中性的分子，没有电中性的分子，100%是阴离子和阳离是阴离子和阳离子，在负子，在负100摄氏度至摄氏度至200摄氏度之间均呈摄氏度之间均呈液体状态，具有良好的热稳定性和导电性，液体状态，具有良好的热稳定性和导电性，在很大程度上允许动力学控制；在很大程度上允许动力学控制；对大多数无机物、有机物和高分子

23、材料来对大多数无机物、有机物和高分子材料来说，离子液体是一种优良的溶剂；说，离子液体是一种优良的溶剂；表现出酸性及超强酸性质，使得它不仅可表现出酸性及超强酸性质，使得它不仅可以作为溶剂使用，而且还可以作为某些反以作为溶剂使用，而且还可以作为某些反应的催化剂使用，这些催化活性的溶剂避应的催化剂使用，这些催化活性的溶剂避免了额外的可能有毒的催化剂或可能产生免了额外的可能有毒的催化剂或可能产生大量废弃物的缺点；大量废弃物的缺点；离子液体一般不会成为蒸汽，所以在化学实离子液体一般不会成为蒸汽，所以在化学实验过程中不会产生对大气造成污染的有害气验过程中不会产生对大气造成污染的有害气体；体；价格相对便宜，

24、多数离子液体对水具有稳定价格相对便宜，多数离子液体对水具有稳定性，容易在水相中制备得到；性，容易在水相中制备得到；离子液体还具有优良的可设计性离子液体还具有优良的可设计性,可以通过分可以通过分子设计获得特殊功能的离子液体。子设计获得特殊功能的离子液体。总之，离子液体的无味、无恶臭、无污染、总之，离子液体的无味、无恶臭、无污染、不易燃、易与产物分离、易回收、可反复多不易燃、易与产物分离、易回收、可反复多次循环使用、使用方便等优点，是传统挥发次循环使用、使用方便等优点，是传统挥发性溶剂的理想替代品。性溶剂的理想替代品。1.氯代铝酸盐离子液体氯代铝酸盐离子液体 Franklin酸性氯代铝酸盐离子液体

25、是一酸性氯代铝酸盐离子液体是一个强效的个强效的Lewis酸。它可以促进传统上由酸。它可以促进传统上由AlCl3促进的反应，而且不像三氯化铝在促进的反应，而且不像三氯化铝在许多溶剂中溶解性不好。许多溶剂中溶解性不好。氯代铝酸盐离子液体是一个优秀的溶剂，氯代铝酸盐离子液体是一个优秀的溶剂，它可以溶解油母质、它可以溶解油母质、C60和许多聚合物。和许多聚合物。2.中性离子液体中性离子液体 氯代铝酸盐离子液体虽然在很多过程中氯代铝酸盐离子液体虽然在很多过程中是优秀的催化剂和溶剂，它也有缺陷，是优秀的催化剂和溶剂，它也有缺陷，它对湿气敏感，含杂原子的产品不易从它对湿气敏感，含杂原子的产品不易从离子液体中

26、分离而影响离子液体。离子液体中分离而影响离子液体。中性离子液体中性离子液体 中性离子液体在氢化反应中的应用研究中性离子液体在氢化反应中的应用研究较多，如环己烯的氢化，苯环的氢化。较多，如环己烯的氢化，苯环的氢化。最近，最近，Monteiro等人报道了离子液体中等人报道了离子液体中的不对称氢化反应来合成的不对称氢化反应来合成(S)Naproxen 绿色催化绿色催化催化剂研究的进展催化剂研究的进展 自自20世纪世纪20年代催化剂大规模应用于化学工业以来，年代催化剂大规模应用于化学工业以来，催化剂的品种和需求量与日俱增。目前使用催化剂催化剂的品种和需求量与日俱增。目前使用催化剂的化工过程占全部石油化

27、学工业的的化工过程占全部石油化学工业的80以上，而且以上，而且已扩展到精细化工、国防化工、环境化学以及其他已扩展到精细化工、国防化工、环境化学以及其他领域。领域。随着可持续发展战略的实施，解决当前资源和生态随着可持续发展战略的实施，解决当前资源和生态环境危机的重要出路之一，是大力研制新一代催化环境危机的重要出路之一，是大力研制新一代催化剂，开发新型催化技术。剂，开发新型催化技术。固体超强酸催化剂固体超强酸催化剂 不对称合成用催化剂不对称合成用催化剂 沸石分子筛择形催化沸石分子筛择形催化 在合成化学中，有许多反应是在酸催化作用在合成化学中，有许多反应是在酸催化作用下进行的，例如，酯化、水解、醚化

28、、氧化、下进行的，例如，酯化、水解、醚化、氧化、异构化、酰基化、烷基化、聚合等异构化、酰基化、烷基化、聚合等-最初酸催最初酸催化剂所用的酸多为化剂所用的酸多为H2SO4、H3PO4、HF等。等。液体酸对设备腐蚀严重，危害人体健康，排液体酸对设备腐蚀严重，危害人体健康，排出大量含酸废水污染环境，加之产物分离后出大量含酸废水污染环境，加之产物分离后处理麻烦处理麻烦,于是于是固体酸固体酸便应运而生。便应运而生。固体超强酸催化剂固体超强酸催化剂 （Solid Superacid Catalyst）固体酸和固体超强酸的优点固体酸和固体超强酸的优点 无腐蚀性无腐蚀性 易与产物分离易与产物分离 反应可以在较

29、温和的条件下反应反应可以在较温和的条件下反应 固体酸的分类固体酸的分类 固体超强酸催化剂固体超强酸催化剂 （Solid Superacid Catalyst）超强酸超强酸,指酸度比指酸度比100%硫酸更强的酸。硫酸更强的酸。酸度函数酸度函数Ho表示酸的强度，表示酸的强度，100%硫酸硫酸 Ho为为-11.93,Ho-11.93为超强酸为超强酸 固体超强酸是液体或液体超强酸处理酸固体超强酸是液体或液体超强酸处理酸性或中性载体而制成的。性或中性载体而制成的。固体超强酸的分类固体超强酸的分类以固体酸代替液体酸以固体酸代替液体酸做催化剂的重要酸催化过程做催化剂的重要酸催化过程 固体超强酸催化剂固体超强

30、酸催化剂 不对称合成用催化剂不对称合成用催化剂 沸石分子筛择形催化剂沸石分子筛择形催化剂手性化合物手性化合物 手性化合物存在两种互为镜像的对映异手性化合物存在两种互为镜像的对映异构体。构体。具有生理活性的手性分子，在光学活性具有生理活性的手性分子，在光学活性的环境中，构型不同的对映体往往呈现的环境中，构型不同的对映体往往呈现出截然不同的作用。出截然不同的作用。常常常常左旋的左旋的具有特定的具有特定的生理活性生理活性，而其，而其对映体无活性对映体无活性或或具有相反作用具有相反作用。一般化学方法生产的手性化合物都是一般化学方法生产的手性化合物都是两对映体等量的两对映体等量的外消旋体外消旋体，需要进

31、行，需要进行光学拆分光学拆分才能得到具有生理活性的旋才能得到具有生理活性的旋光物。光物。既消耗了大量的拆分试剂，又丢失了既消耗了大量的拆分试剂，又丢失了50的资源。的资源。所以在手性化合物的合成方法中，最所以在手性化合物的合成方法中，最有效和最具有应用开发价值的是有效和最具有应用开发价值的是不对不对称催化称催化合成，又称合成，又称手性配位催化手性配位催化。不对称催化合成不对称催化合成 不对称催化合成，又称手性配位催不对称催化合成，又称手性配位催化，即用具有化，即用具有不对称结构的配位化不对称结构的配位化合物作为催化剂合物作为催化剂，由结构对称的原，由结构对称的原料直接合成结构不对称的手性产物料

32、直接合成结构不对称的手性产物 均相不对称催化均相不对称催化 多相不对称催化多相不对称催化均相不对称催化均相不对称催化 均相不对称催化利用手性配体与金属相互作均相不对称催化利用手性配体与金属相互作用形成可溶于反应体相的用形成可溶于反应体相的金属配合物金属配合物和和 配位配位不饱和中间体不饱和中间体，成为不对称催化的活性中心。，成为不对称催化的活性中心。催化剂作为模板控制反应物的对映面，将手催化剂作为模板控制反应物的对映面，将手性大量增殖到产物中。性大量增殖到产物中。目前人们研究比较多的是手性膦配位配合物目前人们研究比较多的是手性膦配位配合物催化剂，其中影响不对称效率的主要因素是催化剂，其中影响不

33、对称效率的主要因素是膦配体。膦配体。均相不对称催化均相不对称催化 例如例如L多巴胺多巴胺(LDopa)是目前治疗帕金森病的是目前治疗帕金森病的特效药。采用酶催化法生产特效药。采用酶催化法生产L Dopa，需要十，需要十几步操作，关键一步是以手性催化剂实现烯烃几步操作，关键一步是以手性催化剂实现烯烃不对称氢化反应。现在采用双膦手性配体不对称氢化反应。现在采用双膦手性配体DIPAMP，对称体超量已达，对称体超量已达95。分离问题是阻碍均相不对称催化向前发展的重分离问题是阻碍均相不对称催化向前发展的重要因素要因素多相不对称催化多相不对称催化 易分离易分离 催化剂易回收催化剂易回收 简化生产流程简化生

34、产流程 将均相不对称催化剂和多相催化技术将均相不对称催化剂和多相催化技术相结合，研究均相催化剂的多相化相结合，研究均相催化剂的多相化(1)固相化手性金属配合物催化剂固相化手性金属配合物催化剂(2)手性配体修饰型金属催化剂手性配体修饰型金属催化剂(3)手性夹层催化剂手性夹层催化剂(4)手性沸石分子筛催化剂手性沸石分子筛催化剂多相不对称催化多相不对称催化固相化手性金属配合物催化剂固相化手性金属配合物催化剂 利用物理或化学的方法，将均相催化剂与利用物理或化学的方法，将均相催化剂与载体相结合，以制备固相化均相催化剂。载体相结合，以制备固相化均相催化剂。一般固相化手性金属配合物催化剂所采用一般固相化手性

35、金属配合物催化剂所采用的载体为无机氧化物和有机高分子化合物。的载体为无机氧化物和有机高分子化合物。通过载体表面羟基等功能团与配体活性功通过载体表面羟基等功能团与配体活性功能团发生反应，形成化学键合固相化。能团发生反应，形成化学键合固相化。手性配体修饰型金属催化剂手性配体修饰型金属催化剂 在多相催化剂中引入手性修饰分子在多相催化剂中引入手性修饰分子作为不对称催化反应的立体控制功作为不对称催化反应的立体控制功能团，是制备手性固相催化剂的又能团，是制备手性固相催化剂的又一重要方法。一重要方法。手性夹层催化剂手性夹层催化剂 将手性金属配合物嵌入层状化合物的层将手性金属配合物嵌入层状化合物的层间而制成的

36、一种多功能催化剂，集手性间而制成的一种多功能催化剂，集手性金属配合物催化剂的高催化活性和高选金属配合物催化剂的高催化活性和高选择性以及择性以及夹层催化剂的分子择性催化夹层催化剂的分子择性催化等等优点之大成，是实现手性金属配合物催优点之大成，是实现手性金属配合物催化剂固相化的一种全新技术，已引起合化剂固相化的一种全新技术，已引起合成化学和催化化学工作者的极大关注。成化学和催化化学工作者的极大关注。以天然层状化合物为基础的夹层催化剂。例如以天然层状化合物为基础的夹层催化剂。例如层状粘土矿层状粘土矿(hectorite)是由是由SiO2、Al2O3、MgO组成的，层与层间保持一定间距组成的，层与层间

37、保持一定间距(经过加工处理经过加工处理后层柱粘土层间距离一般在后层柱粘土层间距离一般在14nm之间之间)，中间，中间夹有水和钠离子，整体保持电中性夹有水和钠离子，整体保持电中性 合成的层状结构磷酸盐合成的层状结构磷酸盐M(HPO4)2H2O(M=Zr、Ti、Hf、Ge、Sn、Pb)。手性沸石分子筛手性沸石分子筛 以沸石分子筛为主体，通过桥键引以沸石分子筛为主体，通过桥键引入手性金属有机配合物。入手性金属有机配合物。利用分子筛和手性活性中心进行不利用分子筛和手性活性中心进行不对称催化对称催化 固体超强酸催化剂固体超强酸催化剂 不对称合成用催化剂不对称合成用催化剂 沸石分子筛择形催化剂沸石分子筛择

38、形催化剂沸石分子筛择形催化剂沸石分子筛择形催化剂 沸石分子筛最突出的特点是它具有沸石分子筛最突出的特点是它具有形状选择性，简称形状选择性，简称择形性择形性，使之成，使之成为沸石分子筛的催化活性和选择性为沸石分子筛的催化活性和选择性的控制因素。的控制因素。沸石分子筛的择形性表现对反应物、沸石分子筛的择形性表现对反应物、产物及其过渡态的选择性。产物及其过渡态的选择性。固体碱催化固体碱催化石墨催化剂石墨催化剂 石墨具有良好的热稳定性、膨胀性、层状结构石墨具有良好的热稳定性、膨胀性、层状结构及允许外来分子嵌入，已成功地用作取代、加及允许外来分子嵌入，已成功地用作取代、加成、重排和氧化还原等的催化剂。成

39、、重排和氧化还原等的催化剂。双烯加成双烯加成 以石墨为支持剂，在微波作用下，以石墨为支持剂，在微波作用下，Diels-Alder反应比传统反应条件温和，速度快，反应比传统反应条件温和，速度快，产率和立体选择性高。产率和立体选择性高。电催化电催化 电催化的有机合成由于不使用化学试剂作催化剂、电催化的有机合成由于不使用化学试剂作催化剂、不需要在高温高压下进行反应，所以不存在催化不需要在高温高压下进行反应，所以不存在催化剂对环境的污染，生产过程也相对比较安全。剂对环境的污染，生产过程也相对比较安全。自由基环化的传统方法是使用三丁基锡烷作催化自由基环化的传统方法是使用三丁基锡烷作催化剂，有机锡是有毒的

40、试剂，而且反应过程原子利剂，有机锡是有毒的试剂，而且反应过程原子利用率低。采用维生素用率低。采用维生素B12催化的电还原法：催化的电还原法：酶酶 催催 化化酶的概念酶的概念 酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂物分子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts。绝大多数的酶都是蛋白质。绝大多数的酶都是蛋白质。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymatic reaction。在酶的催化下发生化。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物学变化的物质，称为底物substrate。酶的。酶的存在是

41、生物体进行新陈代谢的必要条件。存在是生物体进行新陈代谢的必要条件。酶的化学组成酶的化学组成 1）分子量：一万到几十万）分子量：一万到几十万Da（道尔顿）（道尔顿）2）从化学组成可以分为：）从化学组成可以分为：单纯蛋白质：脲单纯蛋白质：脲酶、蛋白酶、淀粉酶等；酶、蛋白酶、淀粉酶等；缀合蛋白质：缀合缀合蛋白质：缀合蛋白质的酶类，除了蛋白质外，还要结合一蛋白质的酶类，除了蛋白质外，还要结合一些对热稳定非蛋白质小分子物质或金属离子，些对热稳定非蛋白质小分子物质或金属离子，前者称为前者称为脱辅酶脱辅酶，后者称为，后者称为辅因子辅因子，脱辅酶，脱辅酶和辅因子结合后形成的复合物称为和辅因子结合后形成的复合物

42、称为“全酶全酶”。全酶全酶=脱辅酶脱辅酶+辅因子辅因子酶的辅助因子酶的辅助因子 包括：金属离子包括：金属离子 有机化合物有机化合物 a本身无催化作用；本身无催化作用；b负责运输转移电负责运输转移电子，原子等作用；有些蛋白质具此作用称子，原子等作用；有些蛋白质具此作用称蛋白辅酶蛋白辅酶 c可用透析法将辅助因子除去；可用透析法将辅助因子除去；d若辅助因子以共价键和酶蛋白牢固结合，若辅助因子以共价键和酶蛋白牢固结合，不易透析除去不易透析除去酶的分类酶的分类 氧化还原酶类氧化还原酶类-催化氧化还原反应催化氧化还原反应A2H+B A+B2H 主要包括脱氢酶主要包括脱氢酶(dehydrogenase)和氧

43、化酶和氧化酶(Oxidase)。如，乳如，乳酸酸(Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应脱氢酶催化乳酸的脱氢反应 转移酶类转移酶类 转移酶类转移酶类(transferase)催化功催化功能基团的转移反应即将一个底物分子的能基团的转移反应即将一个底物分子的基团或原子转移到另一个底物的分子上。基团或原子转移到另一个底物的分子上。AX+B A+BX 例如，丙氨酸：酮戊二酸氨基称换酶例如，丙氨酸：酮戊二酸氨基称换酶(习习惯名为谷丙转氨酶或丙氨酸氨基移换酶惯名为谷丙转氨酶或丙氨酸氨基移换酶)，S-腺苷酰蛋氨酸克酰胺甲基移换酶腺苷酰蛋氨酸克酰胺甲基移换酶(习惯习惯名为尼克酰胺转甲基酶名为尼克酰胺转甲基酶

44、)等。等。酶的分类酶的分类 水解酶水解酶 hydrolase 水解酶催化底物的加水水解酶催化底物的加水分解反应。如酯、酰胺、环氧化物、腈分解反应。如酯、酰胺、环氧化物、腈的水解的水解 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。例如，脂肪酶等。例如，脂肪酶(Lipase)催化脂的水解催化脂的水解反应反应酶的分类酶的分类 裂合酶裂合酶 Lyase 裂合酶催化从底物分子中移去裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。一个基团或原子形成双键的反应及其逆反应。AB A+B 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。例如，

45、例如，延胡索酸水合酶催化的反应。延胡索酸水合酶催化的反应。二磷酸酮糖裂二磷酸酮糖裂合酶合酶(习惯名为醛缩酶习惯名为醛缩酶)，苹果酶裂合酶苹果酶裂合酶(习惯习惯名为丙酮酸脱羧酶名为丙酮酸脱羧酶),柠檬酸裂合酶柠檬酸裂合酶(习惯名为习惯名为柠檬酸合成酶柠檬酸合成酶)。异构酶类异构酶类 异构酶类异构酶类(isomerases)催化各种同催化各种同分异构体的相互转变。即底物分子内基团分异构体的相互转变。即底物分子内基团或原子的重排过程。或原子的重排过程。例如，葡萄糖例如，葡萄糖-6-磷酸己酮醇异构酶磷酸己酮醇异构酶(习惯名习惯名为为6-磷酸葡萄糖异构酶磷酸葡萄糖异构酶)。合成酶合成酶 又称为连接酶，能

46、够催化又称为连接酶，能够催化C-C、C-O、C-N 以及以及C-S 键的形成反应。这类反应必键的形成反应。这类反应必须与须与ATP分解反应相互偶联。分解反应相互偶联。A+B+ATP+H-O-H=A-B+ADP+Pi 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。例如，丙酮酸羧化酶催化的反应。丙酮丙酮酸酸 +CO2草酰乙酸；草酰乙酸；UTP：氨连接酶：氨连接酶(习习惯名是惯名是CTP合成酶合成酶)；L-酪氨酸酪氨酸：tRNA连接连接酶酶(习惯名是酪氨酸合成酶习惯名是酪氨酸合成酶)等。等。酶与非生物催化剂的共性酶与非生物催化剂的共性 用量少而用量少而催化效率高催化效率高；反应前后不发生；反应前后不发生质和量的变化

47、。质和量的变化。能够改变化学反应的速度，但是能够改变化学反应的速度，但是不能改不能改变化学反应平衡变化学反应平衡。酶能够稳定底物形成的过渡状态，酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低降低反应的活化能反应的活化能，从而加速反应的进行，从而加速反应的进行酶作为生物催化剂的特点酶作为生物催化剂的特点 1酶易失活酶易失活 酶促反应一般在酶促反应一般在pH 5-8 水溶液中进行，水溶液中进行，反应温度范围为反应温度范围为20-40C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。引起酶的失活。2酶具有很高的催化效率酶具有很高的催化效率 酶的催化作用可使酶的催化作用可使反应

48、速度提高反应速度提高106-1013倍。倍。通常用酶的转换数（通常用酶的转换数（Kcat）来表示酶的催化效）来表示酶的催化效率，是指在一定条件下每秒钟每个酶分子转换率，是指在一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数，或每秒钟每微摩尔酶分子转化底物的分子数，或每秒钟每微摩尔酶分子转化底物的微摩尔数。底物的微摩尔数。酶作为生物催化剂的特点酶作为生物催化剂的特点 结构专一性结构专一性 a.绝对专一性：只作用于一个底物，而不作用绝对专一性：只作用于一个底物，而不作用于任何其他物质，这种专一性称绝对专一性于任何其他物质，这种专一性称绝对专一性 b.相对专一性：有些酶对底物的要求比专一相对专一性：有些酶

49、对底物的要求比专一性略低一些，它的作用对象不只是一种底物，性略低一些，它的作用对象不只是一种底物，这种专一性称相对专一性。这种专一性称相对专一性。族专一性族专一性or基因专一性基因专一性 具相对专一性的酶具相对专一性的酶作用于底物时，对底物键两端的基团要求作用于底物时，对底物键两端的基团要求的程度不同，对其中一个基团要求严格，的程度不同，对其中一个基团要求严格，对另一个则要求不严格，这种专一性又称对另一个则要求不严格，这种专一性又称族专一性族专一性or基因专一性。基因专一性。键的专一性键的专一性 有一些酶，只要求作用于一定有一些酶，只要求作用于一定的键，而对键两端的基团并无严格的要求。的键，而

50、对键两端的基团并无严格的要求。这种专一性称键的专一性。这类酶对底物这种专一性称键的专一性。这类酶对底物的要求最低的要求最低立体异构专一性立体异构专一性 旋光异构专一性旋光异构专一性 当底物具有旋光异构体时，当底物具有旋光异构体时，酶只能作用于其中的一种，对于旋光异构体酶只能作用于其中的一种，对于旋光异构体底物的高度专一性是立体异构专一性中的一底物的高度专一性是立体异构专一性中的一种，称为旋光异构专一性。种，称为旋光异构专一性。几何异构专一性几何异构专一性 专一性表现在对对称分子专一性表现在对对称分子中的两个等同的基团，只催化其中的一个，中的两个等同的基团，只催化其中的一个，而不催化另一个。而不