褚泰伟《应用化学基础》第二章应用化学研究方法.ppt

1,第二章 应用化学研究方法,2,2.1 化学合成路线的选择和优化2.1.1 原子经济反应的选择和优化在化学合成中，以起始原料计，反应物分子中的原子很难全部进入到最终产品中去，有时大部分的原子重新组合生成了废物而被白白地浪费掉：有的是作为废物需要花费人力、物力进行处理；有的则排放到大气、土地或江河中污染环境，危害人体健康。,3,原子经济性（Atom Economy）美国Stanford大学的B.M.Trost教授在1991年首次提出了反应的“原子经济性”（Atom Economy）的概念，并因此获得了1998年美国“总统绿色化学挑战奖”中的学术奖,D这一部分的原子也是被白白浪费了，而且形成的废物对环境造成了负荷,Barry M.Trost教授进行了题为“On the Impact of New Synthetic Methods for the Synthesis of Bioactive Targets”的分子论坛报告（2009年11月北京化学所）,4,原子经济性或原子利用率原子经济性或原子利用率（%）=(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%产率或收率（%）=(目的产品的质量理论上原料变为目的产品应得产品的质量)100%前者是从原子水平上来看化学反应，后者则是从传统宏观水平上来考察和评价化学反应。例如一个化学反应，尽管反应的产率或收率很高，但如果反应分子中的原子很少进入最终产品中，即反应的原子经济性很差，那么也意味着该反应将会排放出大量的废弃物。,5,Wittig反应的原子利用率广泛地用于合成带烯键的天然有机化合物，如胆固醇母体（Cholesterol Precursor）、角鲨烯（Squalene）、番茄红素（Lycopene）和-胡萝卜素（-Carotene）等，Wittig因此于1979获得诺贝尔化学奖。,该反应的收率可达80%以上，但是溴化甲基三苯基膦分子中仅有亚甲基被利用到产物中，即357份质量中只有14份质量被利用，从原子经济性角度考虑，原子利用率仅有4%，而且还产生了278份质量的“废物”氧化三苯膦。,6,环氧乙烷的生产原子经济性反应在一些化工产品的生产中得到了较好的应用。原来是通过氯醇法二步制备,用银催化剂，改为乙烯直接氧化成环氧乙烷的一步法“原子经济”路线，原子利用率从原来的37.45%提高到100%,7,甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃单体）传统生产方法工业上生产甲基丙烯酸甲酯主要采用丙酮-氰醇法,该方法使用了剧毒的HCN和腐蚀性的硫酸，对环境造成很大的危害，原子经济性只有47%,8,新催化剂体系，将丙炔在甲醇、CO存在下于60、6MPa、9.6min反应时间条件下羰基化一步制得甲基丙烯酸甲酯，原料全部转化为产品，原子经济性高达100%，选择性高达99.9%，单程收率高达98.9%。该工艺具有原料费用低，无毒、无腐蚀、单程收率高等特点，因而得到世界甲基丙烯酸甲酯生产厂家的青睐。,甲基丙烯酸甲酯新生产方法（Shell公司）,9,几种常见反应的原子经济性,1、化合反应3H2+N2=2NH3,2、加成反应 加成反应是不饱和分子与其它分子在反应中加合生成新分子的反应，反应中同时发生不饱和分子中键的断裂和与加合原子或基团间新的键的生成。加成反应一般分为亲电加成、亲核加成、催化加氢和环加成等类型。,10,CH2=CH2+HBr-CH3CH2Br,3、重排反应 重排反应是构成分子的原子通过改变相互的位置、连接、键的形式等产生一个新的分子的反应。分子间结构互变或异构化的重排反应，是合成染料、合成药物中的重要有机合成反应，也是理想的原子经济反应。,11,12,4、取代反应 包括烷基化、芳基化、酰化、磺化等反应。其通式为：AB+CD AC+BD 例如丙酸乙脂与甲胺的取代反应,13,5、消除反应 包括脱氢、脱水、脱氨、脱卤化氢、脱醇、脱羧基、脱酰基以及降解等反应。其通式为：,取代反应和消除反应的原子利用率都不高。在化学和化工研究及生产中，有机合成占有十分重要的地位。原子经济化概念可以引导人们如何去设计有机合成，在设计合成的途径中，如何经济地利用原子，避免使用保护基，这样设计的合成方法就不会有废物，而且是对环境友好的。一个有效的有机合成反应不但要有高度的选择性，而且必须具备较好的原子经济性。,14,目前的研究领域在目前的条件下还不可能将所有的化学反应的原子经济性都提高到100%，因此，不断寻找新的反应途径来提高化学反应的选择性，仍然是十分重要的手段。这就要求开展从包括新合成原料、新催化材料、到新合成加工途径、新反应器设计等应用化学领域的研究。,15,原子经济性反应的特点,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，适应了社会的要求。原子经济性反应是合成方法发展的趋势，也是整个社会努力的方向。,16,零排放新工艺,在许多场合,要用单一反应来实现原子经济性十分困难,甚至不可能.但我们可以充分利用相关化学反应的集成,即把一个反应排出的废物作为另一个反应的原料,从而通过“封闭循环”实现零排放。磷酸磷铵生产作为化肥工业的一个重要组成部分,已成为主要的环境污染源之一。磷石膏是湿法制磷酸过程中产生的废渣(生产中还有含氟废气、含磷的酸性废水产生),随着国内外对磷酸磷铵和重过磷酸钙的需求量的不断增长,产生的三废亦随之大幅度增加。在磷铵生产中开发了用磷石膏制硫酸铵并联产硫酸钾铵和氮、磷、钾复肥的工艺,初步实现了零排放的绿色新工艺。,17,中国绿色化学的拓荒者冯怡生山东鲁北化工企业集团董事长,18,冯怡生，1943年10月生。主持开发出50项重大科技成果、12项专利，技术跻身世界前沿。创造了石膏制硫酸联产水泥和海水“一水多用”、清洁发电与盐碱电联产三条高科技绿色产业链、科技与环保相结合，实现了经济、社会、环境效益的有机统一，成为国家绿色产业楷模。鲁北化工前些年的成就，是许多科技人员集体攻关的结果。鲁北曾经的辉煌，关键在于核心技术领先，但那是10年前。如今，鲁北化工面临退市的危险，从一个侧面反映了，一个企业还是需要勇于创新。一项技术，10年前是世界领先，10年后呢？,19,2.1.2 高选择性、高产率路线的选择和优化研究的目的：要求随着应用化学理论、应用化学技术的不断发展，变更合成路线，变更反应溶剂和反应条件，即对化学合成路线进行选择和优化。需从化学反应的选择性及产率、原子利用率等诸多方面进行设计和研究。谋求以尽可能低的成本，尽可能少的三废。,20,研究应用新型催化剂 化学工业是当今世界各国重要的基础工业，它涉及大量的日用化学品和石油化工产品的生产。首要考虑合成路线的高选择性（化学选择性、区域选择性和立体选择性）和高产率，二者是决定化学过程经济性的重要因素。催化剂在化学工业中提高产率、原子利用率，降低成本，减少三废等起重要的作用。,21,催化剂的定义催化剂是一类能够改变化学反应的速度而其自身在反应前后不被消耗掉的物质。如：酶催化各种生物反应，醋、酒二氧化锰催化高锰酸钾分解制备氧气,22,强酸催化剂硫酸、氢氟酸和三氯化铝-烷基化、酯化、水合、烃类异构化、酰化等反应。40-50年代，硅铝混合氧化物、八面沸石分子筛、阳离子交换树脂等各种固体酸催化剂来代替上述腐蚀污染严重的液体酸不足：酸量和酸强度不如液体酸60-70年代，二氧化硅等载体负载液体酸制备负载型的固体酸不足：存在活性组分易流失，腐蚀问题未根本消除，只能用在气相反应中，活性低且选择性较差90年代后，各种新型分子筛催化剂，使得固体酸代替液体酸在苯与烯烃烷基化制取各种烷基苯的生产中获得成功应用。,23,分子筛催化剂分子筛有时也称为沸石或沸石分子筛，它们是一类结晶型的硅铝酸盐，具有均一的孔结构。重要性：分子筛在催化领域中占有重要地位。合成分子筛的类型：A、X、Y、ZSM-5、Beta等性质：分子筛具有较强的离子交换性能，经氢离子或稀土金属离子交换可制得酸性较强的固体酸。意义：采用分子筛代替无定型硅铝氧化物催化剂用于催化裂化过程，被誉为炼油工业的革命，由于分子筛催化剂裂化效率的提高，仅美国每年就可以节约4亿桶原油。,24,乙苯和异丙苯的制备应用领域：乙苯用于合成苯乙烯，以制造电器（如电视、冰箱、计算机）外壳、电子线路板、日常用品（如瓶盖、一次性饭盒）和工程材料等。异丙苯的主要用途是用于合成苯酚，制备农药、医药、炸药及合成树脂等需求量：分别达到每年1700万吨和1000万吨，并且还在以3%-5%的速度增长苯+乙烯乙苯苯+丙烯异丙苯催化剂：传统的乙苯和异丙苯的生产均采用AlCl3为催化剂,实例1：,25,（1）催化剂AlCl3，助催化剂盐酸具有很强的腐蚀性。（2）利用大量的氢氧化钠中和废酸。（3）生产过程产生大量的废水、废酸、废渣、废气，环境污染十分严重。,传统异丙苯的生产工艺流程,26,以各种分子筛为催化剂的乙苯和异丙苯合成新工艺,（1）省去催化剂分离、水洗和中和。（2）大大降低投资而提高生产效率。（3）产品收率和纯度均大于99.5%。（4）分子筛催化剂无毒无腐蚀性且可以完全再生。（5）彻底避免了盐酸和氢氧化钠等腐蚀性物质的使用，基本消除了三废的排放。分子筛催化剂用于合成乙苯、异丙苯的成功，是目前固体酸代替液体酸取得显著经济效益和环境效益最为成功的实例之一。,分子筛改造AlCl3装置三废排放对比,高活性、高选择性+过程简化投资、过程效率；分子筛催化剂无毒无腐蚀性、可完全再生；取得显著经济效益和环境效益。,27,实例2:苯甲醛清洁生产 苯甲醛是一种重要的中间体，其在有机合成上极为有用，能够可以合成许多含苯化合物。但是传统的苯甲醛生产方法对环境造成了严重的污染。其所用的原料是甲苯，生产路线有两条：二氯代苄水解法以及甲苯直接氧化法。,28,（1）二氯代苄水解法是进行甲苯的侧链氧化，得到以二氯代苄为主，还有部分三氯代苄，经过二度水解和精馏得到苯甲醛，副产品是苯甲酸和苯甲醇。缺点是有大量的氯气、硫酸和碱参与反应，同时伴随光热，难于控制又造成严重的污染。,29,（2）甲苯液相氧化法 此方法的产品不含氯，但主要产品是甲苯酸，目标产物产率很低。,30,间接电氧化法的基本原理是：,在电解槽内将用硫酸过饱和的MnSO4中的Mn2+电解氧化成Mn3+。然后利用Mn3+/Mn2+的电极电势在槽外反应器中，以Mn3+将甲苯侧链定向氧化生成苯甲醛，Mn3+被还原为Mn2+。,(3)甲苯间接电化学氧化法制苯甲醛 经国内外专家多年研究，提出了甲苯间接电化学氧化法制苯甲醛的绿色清洁生产工艺，已经小规模工业化。,31,经油、水、固三相分离，水相经处理后与固相MnSO4一起返回电解槽，补充适量硫酸后再进行电解氧化，使之转化为Mn3+氧化剂，再返回氧化反应器继续与甲苯反应，构成水相循环；油相经精馏分出没有反应的甲苯，让其返回反应器与Mn3+继续反应，构成油相循环；余下的馏分继续蒸出苯甲醛。整个过程实质上只消耗了原料甲苯、电能和少量的硫酸即得到了产品苯甲醛。,32,其反应式如下：,1)电解阳极 Mn2+Mn3+e-阴极 2H+2eH2,(2)氧化反应,33,间接电氧化法生产苯甲醛的工艺流程如图所示。,34,由上述流程可看出该工艺路线不仅解决了传统生产法的严重污染问题。而且还优化了生产过程和生产设备，减少了投资和能耗。达到了清洁生产之目的。,35,实例3：环氧丙烷的清洁生产,环氧丙烷是有机合成的重要原料，是丙烯的三大衍生物之一。他主要用于生产聚醚、丙二醇、聚氨酯等，同时它也是第四代洗涤剂非离子表面活性剂、油田破乳剂、农药乳化剂等的主要原料。,36,最近，开发出的环氧丙烷的清洁工艺是：在催化剂Ts沸石分子筛上利用过氧化氢直接氧化丙烯生产环氧丙烷。具有反应条件温和，反应原料安全、易得而廉价，反应速率快，选择性高，反应过程无污染的特点，被誉为环氧丙烷的绿色生产工艺。,37,丙烯与过氧化氢的环氧化反应式如下：,由上述反应式可见惟一的副产物是水，完全可以实现零排放的化工过程。,38,具体做法为：先将溶剂甲醇、过氧化氢(30)和Ts-1催化剂投入反应器，用氮气置换反应器内的空气，并升温至40，通入冷却水保持恒温，此时通入丙烯进行氧化反应，并维持反应器内压力为0.4MPa(表压)反应30min后，物料通过闪蒸室，使未反应的丙烯返回氧化系统，反应液进入蒸馏塔蒸出产品环氧丙烷和部分水分，含水的甲醇液体再与过氧化氢混合后进入氧化反应器参与循环。可见该过程工艺简单、环境友好。,39,丙烯过氧化氢氧化生产环氧丙烷的工艺流程如图所示：,2,40,实例4：二氯苯胺的清洁生产,3,5-二氯苯胺是生产农药和染料的原料，我国传统的生产工艺是以硝基苯胺为起始原料，经氯化得2,6-二氯-4-硝基苯胺；再经重氮化反应，然后用硫酸铜回馏水解脱重氮基得3,5-二氯硝基苯，最后催化加氢还原得到产品3,5-二氯苯胺。该工艺虽然具有较高的收率，较好的产品质量，但采用的原料毒性大、反应的步骤多、工艺流程长，“三废”排放量大，环境污染严重，不符合清洁生产的要求。,41,最新开发的3,5-二氯苯胺合成工艺是：以混合二氯苯为原料，在2040条件下滴加等摩尔溴的四氯化碳溶液，进行溴化反应5 h，得到混合二氯溴代苯；再将体系升温至100200，加入三氯化铝进行异构化反应得3,5-二氯溴代苯；最后在2M4MPa的压力下氨解、过滤得到产品。其反应原理如下：,42,43,根据以上合成路线设计工艺流程如图所示，由其工艺流程可以看出，该工艺选择了价廉易得的混合二氯苯原料，采用了异构化过程，大大减少了中间反应过程和其他原料，溴化反应中产生的溴化氢通过吸收制得氢溴酸产品，整个生产过程中只排放少量废水，对环境污染程度小，达到清洁生产的要求，成为绿色工艺。,44,45,46,2.2 解决产品品种，产品功能的研究方法解决生产和生活中需求的问题。针对用户对产品性能的新要求而开发新系列、新一代或新领域产品。解决产品品种和产品功能的问题。,47,2.2.1 合成和筛选具有特定功能的目标化合物切实了解对产品的功能要求、技术要求和应用性能的要求进行文献查阅运用化学理论设计并合成一系列目标化合物通过性能或有关性质的检测从中筛选出相对理想的产物跟踪已发现的构效规律，作较深入细致的研究最后筛选出目标产物。,48,举例：具生物化学功能的精细化学品 有关作用机制的资料往往比较缺乏。模拟已知功能的天然产物的结构，合成一系列类似物 进行测试，比较其功能，筛选产物 取得有关构效关系的信息以进行深入的研究，逐步逼近从除虫菊花，到除虫菊素I，再到高效氯氰菊酯。,49,除虫菊素I,高效氯氰菊酯是一种拟除虫菊酯类杀虫剂，生物活性较高，是氯氰菊酯的高效异构,确定有高效杀虫力的除虫菊花中两种主要活性成分除虫菊素和的化学结构-合成了多种结构类似物-筛选出许多比除虫菊素和更加高效低毒，而合成成本较低、物化性能更优、杀虫谱广的拟除虫菊酯。,50,动物天然香料主要存在于动物的腺囊中。,麝香的香气纯正浓郁，留香持久，是调配高级香精不可缺少的一种昂贵香料。但由于天然麝香来源稀少，近年来均用合成法制取具有麝香香气的化合物。,51,硝基麝香化合物,52,合成：,53,大环麝香香气纯真、浓郁而细腻，定香效果最好，合成难度较大。,54,合成：,55,多环麝香的香气比硝基麝香细腻，接近大环麝香的香韵。,合成：,56,2.2.2 配方研究 单一化合物常不能兼备用户所需的各种性能。很多精细化学品是以多种成分复配制成的。配方按明确的目标而设计。发挥主要活性成分的功能，赋予其他功能或抑制不良性能 调节产物的性状和物理性质以方便使用 增加产物的储存稳定性各原料的用量配比和配制工艺条件都会对产品性能有很大的影响。某种原料的用量不当，将对产品性能产生不良作用。配方研究需做大量的工作 尽量参考前人类似配方中积累的经验和文献 集中研究要解决的关键问题,配方优化设计的方法配方优化设计的系指主要性能优化，其他性能全面满足要求的配方设计。配方优化设计方法很多，常用的有单因素优选法，多因素、多水平试验设计法（包括全面试验法、正交试验法、均匀设计法等）、计算机辅助配方设计等。,58,2.2.3 产品性能的检验在合成研究工作中，产物是否达到要求是以结构分析和纯度测量的结果来衡量的。研制新型精细化学品时，化学分析结果不能作为筛选产物的依据，要从它的应用效果来评定。开发新型食品防腐剂时，产品应做抗菌试验；做防腐保鲜试验 通过各阶段的毒性试验（急性、慢性毒性试验、蓄积毒性、致突变试验，亚慢性毒性试验等）。性能检测要使用专用设备，按标准的操作程序进行。,59,2.2.4 应用技术研究 应用化学品要以适当的技术操作应用在合适的对象上，才能充分发挥它的功能，否则不会达到预想的使用效果。例如，胶粘剂的胶接强度与被粘材料的种类、表面处理情况、胶层厚薄、固化温度和时间、环境湿度、施工压力等因素有关，在最佳操作条件下才能得到满意的胶接强度。因此，开发应用化学产品应结合应用技术的研究才能最终将产品变成商品。,