绿色化学研究进展及其中GAP化学举例赵宝晶2011201154摘要：在能源、环境日趋紧张的新世纪，传统化学向绿色化学的转变已经成为历史的必然。

本文全面介绍了绿色化学的定义、原则以及研究方法（原子经济、E指数）、并按照目前通用的分类方法从原料、催化剂、溶剂、合成方法、产品的绿色化五个方面对绿色化学进展作了全面的综述。

最后以李桂根教授最新提出的GAP（Group-Assistant-Purification）化学为绿色化学的实例，做了具体的分析。

关键词：绿色化学、GAP化学Abstract: Growing tension in the energy, the environment in the new century , the traditional chemical shift to green chemistry has become a historical necessity. A comprehensive introduction to the definition of green chemistry principles and research methods ( atom economy and E index) , and in accordance with the classification of the current Green Chemistry from the five aspects of green raw materials, catalysts , solvents , synthetic methods , products a comprehensive overview . Finally, Professor Li Guigen latest GAP (Group - Assistant - Purification ) Chemistry for Green Chemistry instance , to do a specific analysis .Key words: green chemistry, GAP chemical1绿色化学1.1绿色化学定义绿色化学又称环境无害化学、环境友好化学、清洁化学。

绿色化学即用化学的技术和方法去减少或停止那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用与产生[1]，使污染消除在生产的源头，使整个合成过程和生产过程对环境友好、不再使用有毒、有害的物质、不再产生废物、不再处理废物。

它是治本、治根、是从根本上消除污染的对策。

1.2绿色化学原则美国科学家、绿色化学的倡导者阿纳斯塔斯( Anastas )和韦纳(Waner )提出绿色化学的12条原则[2]。

(1)防止废物的生成比在其生成后处理更好。

(2)设计的合成方法应使生产过程中所采用的原料最大量地进入产品之中。

(3)设计合成方法时, 只要可能, 不论原料、中间产物和最终产品，均应对人体健康和环境无毒、无害。

(4)设计的化学产品应在保持原有功效的同时，尽量无毒或毒性很小。

(5)应尽可能避免使用溶剂、分离试剂等助剂如不可避免，也要选用无毒无害的助剂。

(6) 合成方法必须考虑反应过程中能耗对成本与环境的影响, 应设法降低能耗, 最好采用在常温常压下的合成方法。

(7) 在技术可行和经济合理的前提下，采用可再生资源代替消耗性资源。

(8) 在可能的条件下，尽量不用不必要的衍生物。

( 9) 合成方法中采用高选择性的催化剂比使用化学计量助剂更优越。

(10) 化工产品要设计成在终结其使用功能后, 不会永存于环境中, 要能分解成可降解的无害物质。

(11) 进一步发展分析方法,，对危险物质在生成前实行在线监测和控制。

(12) 一个化学过程中使用的物质或物质的形态，应考虑尽量减小实验事故的潜在危险，如气体释放、爆炸和着火等。

1.3绿色化学研究方法1991年，美国斯坦福大学的化学教授Trost [3]首先提出化学反应中的“原子经济性”( Atom Economy) 思想，即化学反应中究竟有多少原料分子进入到了产品之中，有多少变成了废弃的副产物。

最理想的原子经济当然是全部反应物的原子嵌并入期望的最终产物中，不产生任何废弃物。

这时的原子经济便是100%。

原子经济的定量表述就是原子利用率：原子经济性或原子利用率= ( 预期产物的分子量/全部反应物的原子量总和) ×100%。

利用“原子经济性”思想，仅从反应方程式出发，就可简单快捷地评价反应路径的合成效率和环境友好程度，因而在绿色化学领域，成为合成化学家评估筛选最优反应路径的重要筛选指数。

E指数是化学家Sheldon[4]提出来的。

它是从化工生产中的环保、高效、经济角度出发，通过化工流程的排废量来衡量合成反应的。

E指数( 或称E因子) =废弃物( kg) /预期产物( kg)这里的废弃物是指预期产物之外的任何副产物，包括反应后处理过程产生的无机盐。

要减少废弃物使E指数较小, 很重要的一方面是改变许多经典有机合成中以中和反应进行后处理的常规方法。

以上两种研究方法在评价一个反应是否“绿色”方面具有极为重要的作用。

2绿色化学研究内容2.1原料的绿色化原料的绿色化主要表现在利用可再生资源作为原料以及采用低毒或无毒无害的原料代替高毒原料方面。

目前的有机化学品及化学工业主要是基于不可更新的化石燃料石油的基础上的，但从长远的角度而言, 寻找可更新的用于取代化石燃料的资源势在必行。

目前相关的研究主要集中在农业生物质( 生物原料、Biomass) 和二氧化碳等等,这些可更新资源的一个显著优点是具有极其广泛的来源。

现有化工生产中往往使用剧毒的光气和氢氰酸等作为原料, 为了人类健康和环境安全, 需要用无毒无害的原料代替它们来生产所需的化工产品。

在代替剧毒的光气作原料生产有机化工原料方面, 碳酸二甲酯( DMC) 起到了重要的作用。

DMC无毒而且在无光气的环境中合成, 如由甲醇和氧气或由甲醇与二氧化碳为原料合成[5]。

Figure 1西维因的绿色合成2.2催化剂的绿色化正确地选用催化剂,不仅可以加速反应的进程,极大地改善化学反应的选择性,提高转化率、提高产品质量、降低成本、而且从根本上减少或消除副产物的产生、减少污染、最大限度地利用各种资源、保护生态环境,这正是绿色化学研究所追求的目标。

以前醇类的氧化通常采用六价铬等有毒重金属作为催化剂, Sheldo和其合作者[6]设计了许多绿色催化系统用来将醇转化为醛或酮。

其中一条路线即是采用钌催化剂和2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物( TEMPO)在给氧条件下氧化一大类的醇,氧化能在无溶剂条件下进行且唯一的副产物是水。

Figure 2环己醇催化氧化制备环己酮2.3溶剂的绿色化当前广泛使用的溶剂是挥发性有机化合物,其在使用过程中有的会引起地面臭氧的形成,有的会引起水源污染,因此减少溶剂的使用,改进传统的溶剂,选择对环境无害的溶剂以及开发无溶剂反应是绿色化学的重要研究领域。

越来越多的反应正广泛使用超临界流体、离子液体、水或无溶剂条件作为反应媒介并取得了较好的效果。

超临界流体用于溶剂的反应有催化氢化、Diels- Alder反应、烯键易位反应、环化反应、傅克烷基化反应、酯化反应、氧化反应、烷基化反应、重排反应和水解反应等。

2.3.1超临界流体为溶剂最近Leitner已经证明在SCCO2中反应比用二氯甲烷作溶剂更能提高氢化亚胺的催化效率,采用手性iridium催化剂得到胺产物的收率为80%,转化率为99%[7]。

Figure 3超临界流体为手性亚胺的选择性催化氢化2.3.2以离子液体为溶剂离子液体的出现为液相反应提供了一个新的绿色溶剂,它在常温下蒸气压几乎为零,而且容易设计合成,只需改变阴阳离子即可,既不造成环境污染,又不会导致产品中含溶剂杂质;并且由于离子液体通常对有机金属化合物有较好的溶解性,因此它尤为适合用作以过渡金属配合物为催化剂的反应溶剂。

2.3.3以水为溶剂水作为溶剂有其独特的优越性,因为水是地球上自然丰度最高的溶剂价廉、无毒、不危害环境此外。

水溶剂特有的流水效应对一些重要的有机反应是十分有益的,有时可提高反应速率和选择性。

在化学和制药行业广为使用的Heck反应, 亦能够通过一种钯催化剂的催化在水中进行。

使用一种IRA-400离子交换树脂作为碱, 然后将之转化为季铵盐。

该盐能够稳定钯催化剂, 进而加快反应速率[8]。

Figure 4水相钯催化Heck反应2.3.4固态反应采用无溶剂的固相反应也是避免使用挥发性溶剂的一个研究动向, 固相化学反应实际上是在无溶剂化作用的新颖化学环境下进行的反应, 有时比在溶液中反应更为有效。

二氢嘧啶酮在钙离子通道阻抗剂、抗高血压试剂以及抗癌药物方面应用广泛, 最近该类药物可以通过无溶剂条件合成。

将1, 3-二羰基化合物与醛和脲充分混合, 在无溶剂和无催化剂的条件下加热1 h, 产物用热乙醇重结晶和过滤得到分析纯产品。

该方案避免了Lewis酸催化剂的使用以及丙酮和二氯甲烷之类的溶剂。

Figure 5固相合成二氢嘧啶2.4绿色合成方法将绿色化学原则运用于合成方法的设计能够得到更有效的化学反应, 不仅大大减少副产物的产生, 而且提高了生产者的安全性,当然受益最大的还是环境。

在重新设计一种抗抑郁sertraline的合成路线后,新的生产工艺使产物的收率加倍的同时还每年减140 t TiCl4,440 tTiO2废弃物, 150 t 35%的盐酸, 以及100 t 50%的氢氧化钠的使用。

提高产量的主要步骤只是将第一步中原来使用四种有机溶剂的混合物改变为使用单一溶剂乙醇。

因而溶剂的使用量由以前的每吨产品需要60000 L溶剂降为每吨只需6000 L。

新的商化路线在提供安全的操作环境减少能耗和废弃物。

Figure 6Sertraline重新设计合成路线3 GAP化学研究内容3.1 GAP化学的定义GAP是Group-Assistant-Purification[9]的缩写，GAP化学指的是基团辅助纯化化学。

对于这方面研究最多的是李桂根教授（美国亚利桑那大学博士，现任美国德州理工大学化学与生物化学系教授），我们主要通过讨论李桂根教授发现的包括引入手性N-phosphonyl (N -膦)以及N-phosphinyl imines(N -膦亚胺)辅助基团的一系列反应来阐述GAP化学。

反应中分离纯化包含N-phosphonyl 或N-phosphinyl imines基团手性氨基异构产品只需要简单的通过正己烷或乙酸乙酯清洗就能够实现。

而且，产物中手性或非手性的N-phosphonyl辅助基团能够很容易的在很温和的条件下除去，脱下来的N-phosphonyl辅助基团能够通过正丁醇经过一次萃取重新收集，循环使用。