引入绿色合成技术，改进精细化工实验

徐国梅，谢红璐，常文贵，张媛媛

（1.皖西学院 材料与化工学院，安徽 六安 237012；2.宁德师范学院 化学与环境科学系，福建 宁德 352100；3.安徽医科大学 生命科学学院，安徽 合肥 230032）

引入绿色合成技术，改进精细化工实验

徐国梅1，谢红璐2，常文贵1，张媛媛3

（1.皖西学院 材料与化工学院，安徽 六安 237012；2.宁德师范学院 化学与环境科学系，福建 宁德 352100；3.安徽医科大学 生命科学学院，安徽 合肥 230032）

以绿色化学基本理论审视精细化工试验方法，探寻绿色原料，强调“原子经济性”，发展高性能催化剂，并简化反应步骤和条件。在精细化工试验中引入微波无溶剂照射技术、电化学合成技术和声化学合成技术和有机光化学合成等绿色合成技术，实现减少以至消除副产物或废弃物的生成，从而达到降低能耗、保护环境的目的。

绿色合成；精细化工；实验改革

化学工业的发展始终贯穿于现代社会与环境的相互作用之中，与能源和资源的开发、利用息息相关，而精细化工作为现代化学工业的重要组成部分，其产品在国民经济中的地位日益显著，精细化工学科也正在全国高校蓬勃发展。进入21世纪，随着绿色化学成为化工生产可持续发展的方向，要求化学工作者以环境友好为出发点，提出新的化学理念，改进传统合成路线。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。精细化工也正面临过程复杂和环境保护的严峻挑战。要高效、理性地推进精细化工的发展，就要走可持续发展的道路。但精细化工实验的绿色化要比基础化学实验难于实现，尚不能在高校全面展开。因此，精细化工实验需要改进［1］，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。

1 以绿色化学基本理论审视和改进精细化工实验方法

1.1 探寻绿色原料

只有原料绿色了才能从源头上实现绿色化学。原料绿色化不仅是指采用无毒、无害的原料更重要是利用取之不尽、用之不竭的可再生性植物资源。将廉价的生物质转化为精细化工产品，将是精细化工实验的重要研究方向之一，目前在这方面已经有了尝试。我们采用当地农副产品红薯淀粉为原料，同低碳醇在酸性复合催化剂存在下脱水先生成低碳糖苷产物，再和高碳醇发生转糖苷化反应，生成长碳链多苷化合物alkyl polyglycosides（APG），产物经红外光谱表征证明确实是烷基糖苷［2］。烷基糖苷是上世纪90年代以来国际上致力开发的一种绿色、温和、无毒的新型非离子表面活性剂。为进一步证明烷基糖苷的性能我们把这一产物按照一定比例添加到农药草甘膦中，然后进行农药喷洒实验，实验结果表明添加APG与没有添加的农药喷洒效果差别显著。

1.2 强调“原子经济性”

“原子经济性”的概念是绿色化学反应所要求的根本原则，是绿色化学的核心内容。在理想的“原子经济性”反应体系中，反应物能够百分之百地转化到最终产物中去，而没有副产物生成。这种反应的效率最高，最节约能源和资源，同时也避免了废物或副产物的分离与处理等过程。传统的精细化工合成反应重视反应产物的收率，而较多地忽略了副产物或废弃物的生成，导致“原子经济性”很差［3］。因此，在改进精细化工实验时，应优先考虑尽量达到或接近原子经济反应这一理想目标。而提高“原子经济性”可从新原料、简化合成步骤以及开发新型催化剂等途径进行改善。如重要有机化工原料——甲基丙烯酸甲酯，其最初是以丙酮、HCN、甲醇为原料进行合成，原子利用率仅为47%，后来Shell公司开发一种新工艺，以甲基乙炔、甲醇、一氧化碳为原料，二价钯化合物作为催化剂，一步制得，原子利用率为100%。

1.3 发展高性能催化剂

达到绿色化学反应所要求的“零排放”，进而实现“原子经济性”，需要发展高选择性、高效、环境友好的催化剂［4］。特别是精细化工实验制备的结构复杂的目标分子，因应用范围不同需要配备多个官能团，且要求纯度高，因此催化剂的选择尤其重要。在催化性能上，催化剂的活性和各种选择性要高于一般反应，其对精细化工合成反应作用十分显著，提高产品收率，减少副产品；催化剂的重复使用性也应值得注意，重复使用性越好，反应能力越强，不必对贵金属等价格昂贵的催化剂另外采取提纯或回收措施。河北工业大学绿色化工研究所从1995年开始进行绿色化工工艺和环境友好固体催化剂的开发研究。围绕绿色化学品碳酸二甲酯的合成与应用，在国内率先开展了由碳酸二甲酯代替光气合成甲苯二异氰酸酯（TDI）和二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）的研究工作。“碳酸二甲酯及其系列产品甲苯二异氰酸酯的合成”和“由碳酸二甲酯催化合成二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）”项目已通过小试鉴定。目前，正在进行苯酚氧化羰基化直接催化合成碳酸二苯酯、双酚A氧化羰基化直接催化合成聚碳酸酯、脂环基异氰酸酯洁净催化合成及尿素醇解催化合成碳酸二甲酯等研究。这些研究均涉及了精细化工学科的众多方向，集中反映了催化剂对精细化学品的制备过程的革新，为精细化工实验改进催化剂提供了参考和指导。

1.4 简化反应步骤和条件

精细化学品的多功能性决定了其合成路线需多个实验步骤完成，包括原料试剂的精制、中间体的生成、靶标产物的合成、产物分离和提纯等。每一操作步骤累积的副产物、废弃试剂和溶剂等是产生累计污染效应的根源，必须加以除去或回收，后处理较为困难。从绿色化学理论出发，简化反应步骤，降低反应条件，可以有效减少污染的发生。依据教学大纲要求，充分考虑整个实验过程中所产生的三废污染和试剂回收情况，重复性反应内容视情况删减或合并，冗余的反应步骤予以适当简化，难处理的繁杂反应，可考虑改变合成路线或取消。这样，在减少有害物质的同时，降低了实验成本，节省了实验时间。

2 在精细化工实验中引入绿色合成技术

2.1 微波无溶剂照射技术

微波无溶剂照射是20世纪80年代以来兴起的绿色有机合成技术，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。D.Barbier－Baudry等［5］利用微波照射技术合成了聚已酸内酯。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。这种聚合物是通过ε－已内酯开环聚合得到，反应如路线一：

路线一：ε－已内酯的开环聚合反应（终端的H和OH都已经加上）

D.Barbier－Baudry等采用镧系卤化物作为催化剂，在微波无溶剂照射下合成了聚已酸内酯，这一工艺路线不仅是一种清洁工艺而且大大缩短了反应时间（2－90分钟）、提高了产率、得到产品纯度高。最近，赵胜芳等［6］研究了以β－萘酚、无水乙醇为原料，浓硫酸为催化剂，采用微波照射方法合成β－萘乙醚，实验结果表明，采用微波辐射法合成β－萘乙醚较常规加热方法合成β－萘乙醚具有反应时间较短（由6h缩至40min），产率较高（71%，常规加热方法合成产率约为60%），粗产品易提纯，操作简单，节能省时等优点。在二甲基二烯丙基氯化铵的合成实验中［7］，微波法生成叔胺的反应时间缩短为7min，产率增加了25%，显示出微波对阳离子表面活性剂的合成有良好的促进作用。

2.2 电化学合成

电化学合成属于电化学、合成化学及化学工程的交叉学科，研究历史较早。其中，有机电化学合成有其独特的优点和优势，是通过反应物在电极上得失电子实现的，一般无需加入氧化还原试剂，可在常温常压下进行，通过调节电位、电流密度等来控制反应，便于自动控制。这样，既简化了反应步骤，减少物耗和副反应的发生，又不产生大量三废。已用于合成医药、染料、香料、农药、植物生长调节剂及特殊高分子材料等产品，在精细化学品生产上更显示了巨大潜力。间接电化学合成可能具有更好的应用前景，它不受电极的局限，氧化媒介和支持电解质循环使用，理论上没有三废排放。李彤等［8］在总结前人经验的基础上，尝试了采用间接电氧化法——由铈盐氧化邻硝基甲苯制备邻硝基苯甲醛，使用甲基磺酸铈（IV）作为氧化媒质，电解液为甲磺酸，电极为价廉易得的PbO2／Pb电极，对间接电氧化合成邻硝基苯甲醛进行了研究，并对电解及化学氧化过程中的部分影响因素进行了分析。邻硝基苯甲醛是一种重要的精细有机化工中间体，是硝基吡啶、尼索地平、恩卡胺等药物的原料，可用于合成邻硝基苯乙烯类及邻硝基肉桂酸类系列产品等。这一路线方法为绿色制备邻硝基苯甲醛提供了参考。

2.3 声化学合成

超声波是声化学中采用的激励源，在液－液或液－固体系中利用“空化效应”，产生分子热解离，分子离子化及自由基等，形成局部热点。作为一种特殊形式的能量和波动形式，能通过液体介质向四周传播，产生超声空化现象。超声波用于精细有机合成反应，不仅使很多难以进行或不能进行的反应得以顺利进行，而且反应中通常所需的机械振荡、乳化及扩散等过程亦会被超声波的次级效应所加强，大大优越于传统的搅拌、外加热等热力学手段。例如，工业上聚合物胶乳的规模生产方法是乳液聚合，所得乳胶粒的粒径偏大，乳化剂残留严重，利用超声波的“空化效应”，能使乳化剂等小分子裂解产生自由基引发反应，并具有强烈的分散、搅拌、乳化等作用，单体液滴很小，乳液聚合结果得到纳米细胶乳。徐继红［9］等利用超声辐射特殊的空化、乳化效应，实现了在不加引发剂的情况下丙烯酸丁酯的无皂乳液聚合，借助TEM、FT－IR、粒度仪观察其微观结构、粒度大小和分布，结果表明了超声辐射是一种比常规乳液聚合更有效的物理技术。合肥中科院的G.Z.WANG［10］等采用超声波技术在室温下原位合成得到硫化锌的毫微球晶体。反应是在由Zn（NO3）2、Na2S2O3、（CH3）2（OH）CH 组成的混合液而周围充满Ar的条件下，超声进行的。通过透射电子显微术（TEM）表明得到的ZnS毫微球晶体是单相、大小只有6.5nm。具体可见图1。这是一种简单而有效的产生毫微球粒的方法。这一方法同样可以制备其他的硫属元素化物。

图1 a通过超声3小时合成的硫化锌TEM照片和所选区域电子衍射图片（嵌入的）b硫化锌毫微球晶体大小分布图

2.4 有机光化学合成

从20世纪60年代后期到现在，有机光化学合成技术在天然产物、医药、香精等精细有机合成方面正以惊人的速度发展。与热化学反应不同的是，有机光化学反应分子以它们的激发态电子状态进行反应，分子从基态到激发态所吸收的光能有时远远超过一般热化学反应可以得到的能量。因此，有机光化学反应在精细有机合成中能够取代部分热化学反应，例如氯化、氯磺化、磺化氧化及亚硝化等等。利用紫外光照射固化涂料［11］是有机光化学研究的一个重要分支，通过激发分解涂料中的光引发剂，生成活性游离基，进一步与涂料分子中双键形成增长链，直至交联成膜，整个固化过程具有环保性质。

3 结束语

将绿色化学理念与精细化工实验相结合，引入绿色合成技术，改进传统实验项目，从根本上提高“原子经济性”，减少以至消除副产物或废弃物的生成，从而达到降低能耗、保护环境的目的。虽然精细化工实验改进工作会遇到种种问题和挑战，但随着绿色化反应和复配技术的不断涌现，以可再生资源为原料达到精细化工实验与应用全程绿色化，其发展空间极大。

［1］王富花，沈发治.理实一体化在《精细化工工艺学》课程教学中的应用与思考［J］.广东化工，2009，36（9）：228－238.

［2］颜红侠，黄英张，秋 禹.建立绿色化学的理念，深化精细化工实验改革［J］.高校实验室工作研究，2003，2：8－10.

［2］徐国梅，何晓梅，杜志伦，等.探讨烷基糖苷在农药草甘膦中的应用研究［J］.化学世界，2011，52（6）：359－361.

［3］吴 军.原子经济性与绿色化学［J］.高科技与产业化，2011，183：46－48.

［5］D.Barbier－Baudry，L.Brachais，A.Cretu，R.Gattin，A.Loupy，D.Stuerga.Synthesis of polycaprolactone by microwave irradiation an interesting route to synthesize this polymer via green chemistry［J］.Environ Chem Lett，2003，1：19－23.

［6］赵胜芳，陈年友，明键伟，等.β－萘乙醚的微波合成研究［J］.应用化工，2004，33（6）：25－27.

［7］田秉晖，栾兆坤，李明明，等.二甲基二烯丙基氯化铵的合成及絮凝效果研究［J］.环境化学，2006，25（1）：41－43.

［8］李 彤，郭燕文，张军良，等.新一代绿色化学——电合成邻硝基苯甲醛［J］.化学试剂，2004，26（4）：225－227.

［9］徐继红，徐国财，王贞平.超声辐射丙烯酸丁酯无皂乳液聚合［J］.化工新型材料，2006，34（3）：27－29.

［10］G.Z.WANG，B.Y.GENG，X.M.HUANG，Y.W.WANG，G.H.LI，L.D.ZHANG.A convenient ultrasonic irradiation technique for in situ synthesis of zinc sulfide nanocrystallites at room temperature［J］.Applied Physics A，2003，77：933－936.

［11］张钟宪，周荫庄，郑建华，等.“绿色”涂料——紫外（UV）固化涂料［J］.首都师范大学学报（自然科学版），2005，26（1）：57－60.

Introducing Green Synthesis Technology，Improve Fine Chemical Experiment

Xu Guomei，Xie Honglu，Chang Wengui，Zhang Yuanyuan

Combined with the characteristics of the professional experiment，fine chemical experiment methods are examined from green chemical basic theory.Some advanced heat synthesis technology is also put forward from light，electricity and sound as measures and methods to improve fine chemical greening experiment.

green synthesis；fine chemical；experiment reform

G64

A

1673-1794（2012）02-0059-03

徐国梅（1976－），女，讲师，研究方向：药物化学、精细化工的教学与研究。

安徽省高校省级教学质量与教学改革工程项目 （20100883）

2012-02-18