Organic synthesis in water

以水为介质的有机合成

王建基 李汝雄
(北京石油化工学院 102617)

2002年10月18日收稿。

1 引言        
    近年来，为实现可持续发展，实现环境友好的有机合成成为迫切的课题，是绿色化学的重要内容。传统的有机合成往往要以有机溶剂为介质，因而造成有机溶剂对环境的污染。各国的化学家研究了许多取代传统有机溶剂的方法，如无溶剂反应、以水为介质的反应、以超临界流体为溶剂的反应、以氟两相体系为介质的反应、以室温离子液体为溶剂的反应等等^[1,2]。这些方法除了可取代传统有机溶剂、减少污染外，还因为它们为反应分子提供了新的分子环境，因而使反应的选择性、转化率得到改变和提高，或使分离提纯等过程较容易进行等。相对来说无溶剂或以水为介质的有机合成反应，因为溶剂的成本最低，在其它条件相近时，应当成为首选。本文综述以水为介质的有机合成反应的研究进展。
1.1有机合成反应以水为介质的优点
☉水是与环境友好的绿色溶剂。
☉与其它溶剂相比水在地球上分布广,来源丰富,价格便宜。
☉水不会着火,安全可靠。
☉反应的处理和分离容易,可循环使用。
☉为反应提供了新的分子环境，有可能造成不同于传统溶剂的新的反应，例如反应物中有的官能团在传统溶剂中需要保护的，以水为介质时可能不用保护也可以，从而缩短合成路线。
1.2有机合成反应以水为介质的问题
☉有机反应物一般不溶于水，通常要用表面活性剂或者共溶剂打破分层反应才可能顺利进行，许多反应根本不能进行。
☉若反应的触媒、中间体或生成物在水中不稳定时，也会造成反应不能进行。
☉在水中进行有机电解合成，则可能分解放出H₂和O₂。

2 以水为介质的有机合成反应方法及实例^[3-12]
2.1 均一系统和非均一系统的反应^[3,4]      
(1)自由基反应，以Et₃B为自由基引发剂
反应1：12 过去用苯为溶剂
反应2：34 转化率78%，用苯为溶剂则为0
反应3： 5 6 转化率98%，用苯为溶剂则为14%
(2) 非均一系统的反应

平均产率95%

(2)水中发生的插入反应
一般反应式为：

例如：

    L=PEG-C₆H₄·PPh₂时30次平均转化率为97%, L=PS-C₆H₄·PPh₂时转化率为13%, L=PPh₃时转化率为0%。在实验中，有碱的水溶液、有机相、固相触媒、CO气体共四相，反应完成后分离容易，触媒可以回收再用，产品为钾盐，酸化后得到酸。
    又如如下两反应：

                                转化率78%                                              转化率92%
(3)偶合反应
反应1：

R=H、2-CH₃、4-CH₃等,R’=H、CH₃、OCH₃等,X=I、Br。
反应2：

R=H、CH₃、C₂H₅、n-C₆H₁₃、CH(CH₃)₂等。

2.3 以水为介质使用界面活性剂的反应^[7-10]
    对多数反应，由于反应物、触媒与介质水的溶解问题，因此反应速度慢，为了使反应系统分散均匀，常使用界面活性剂。如反应：

   使用非离子表面活性剂Triton X-100(比用其它类型表面活性剂反应速度快)转化率达92%。但一般使用表面活性剂的量必需大，反应操作烦杂，而且产物中混入表面活性剂，产生分离精制问题。
    小林修等人^[7]研制了表面活性剂-Lewis酸一体化触媒，如十二烷基硫酸钪〔记为Sc(DSa)₃〕和十二烷基磺酸钪〔记为Sc(DSo)₃〕，其阴离子是表面活性剂，阳离子是Lewis酸作为触媒。当有机反应物、水及一体化触媒形成O/W乳状液时，作为触媒的阳离子Sc³⁺分布在有机液滴周围；而上例中使用Triton X-100和Pd催化剂时，催化剂是均匀分散于水中。显然使用一体化触媒时，触媒效率高。另外，当反应完成后经离心分离，水、一体化触媒、有机液体可以分为三层，易于分离。使用一体化触媒研究的反应有：
(1)Aldol反应

(2)Michael反应


(3)Mannich型反应
    Cu(DSa)₃催化剂：

Sc(DSa)₃催化剂：

质子酸催化剂：

DBSA为 对-十二烷基苯磺酸,H⁺为催化剂。
2.4 用稀土类催化的水溶液中的反应^[11]
    研究表明，稀土类金属的三氟甲基磺酸盐作为催化剂，如Sc(OTf)₃、Y(OTf)₃、Ln(OTf)₃等 (OTf=CF₃SO₂，Ln代表镧系) ，可以使许多有机化学反应在水溶液中进行：
(1)Aldol反应

(2)烯丙基化反应

(3)Mannich型反应

(4)Michael反应

(5)Diels-Alder反应

(6)Streker反应(用于合成α氨基酸的中间体)

2.5 以水为介质的有机电解合成^[12]
    有机电解合成早己有之。近年的应用之一是与环境保护有关的含卤素化合物的电解还原,以除去废水中的微量卤代烃等。因为有机反应物大多不易溶于水,因此在二十世纪七十年代又发明了乳液系统的有机电解合成，O/W乳液系统的电导率一般比有机溶液高，因而乳液系统的有机电解合成比用有机溶液时耗电量会下降，有的反应产率高,且选择性好。例如近年研究的电环化合成反应：

在CTAB(C₁₆H₃₃NMe₃Br)-H₂O-十二烷组成的微乳液中(10-100nm)产率为90%，且产物中trans：cis=14:1。而在0.1mol/dm³Bu₄NBr的DMF溶液中反应产率低，为74%，产物中trans：cis=2.5：1

3 结语      
    有机合成反应在有机溶剂中进行几乎是常识,但进入二十一世纪的今天，对有机溶剂对环境的污染，几乎是不能容忍的。而自然界中的有机物，都是在生命过程中以水为介质合成的，这种合成对生态环境不造成污染。在生态环境保护形势日益严重的今天，研究把在有机溶剂中进行的有机合成反应改为以水为介质进行，应当是很自然的事。
    但将有机合成反应改为以水为介质并不是顺利的，由于反应物、触媒等在水中的溶解度问题，中间体或产物在水中不稳定等问题，许多反应不能简单地在水中进行。需要创造一些新的方法，使反应不但能进行，而且比在有机溶剂中进行有更高的产率、更好的选择性，产品的分离提纯不至于太难等。过程太复杂也不好，不利于工业应用。本文提到的就是一些以水为介质的有机合成反应方法,更多的内容请参见文献[13-15]。
    总之,以水为介质的有机合成是化学家们努力探索的新的有机合成方法之一。

REFERENCES     
[1] Kong F, Tian J, Jin Z. Petrochemical Technology (Shiyou Huagong)，2002, 31 (5): 387-392.
[2] Li Ruxiong, Wang Jianji. Chemical Industry and Engineering Progress (Huagong Jinzan), 2002, 21 (1): 43.
[3] Shinokubo H. Chemistry and Chemical Industry (In Japanese), 2002, 55 (2): 133-136.
[4] Yorimitsu H, Nakamura T, Shinokubo H et al. J.Am.Chem.Soc., 2000, 122 (45): 11041-11047.
[5] Uozumi Y. Kagaku To Kogyo (In Japanese), 2001, 75 (11): 540-545.
[6] Uozumi Y, Shibatomi K. J.Am.Chem.Soc., 2001, 123 (12): 2919-2920.
[7] Kobayashi S, Manabe K. PETROTECH (In Japanese), 2001, 24 (8): 641-645.
[8] Manabe K, Mori Y, Wakabayashi T et al. J.Am.Chem.Soc., 2000, 122 (30): 7202-7207.
[9] Mori Y, Kakumoto K, Manabe K et al. Tetrahedron Letters, 2000, 41 (17): 3107-3117.
[10] Kobayashi S, Lam W, Manabe K. Tetrahedron Letters, 2000, 41 (32): 6115-6119.
[11] Kitazume T. Function & Materials (In Japanese), 2000, 20 (1): 54.
[12] Tokuda M. Electrochemistry (In Japanese), 2002, 71 (1): 33-37.
[13] Oshima K. Kikan Kagaku Sosetsu (In Japanese), 2000, (47): 115-125.
[14] Siskin M, Katritzky A. Chem.Rev., 2001, 101 (4): 825-834.
[15] Katritzky A, Nichols D, Siskin M et al. Chem.Rev., 2001, 101 (4): 837-892.

[ Back ] [ Home ] [ Up ] [ Next ]Mirror Site in USA  Europe  China  GBNet