药物合成中的绿色化学

化学合成中的绿色化学绿色化学B应用实例A基本概述C结语PartA基本概述绿色化学和绿色制药工业20世纪初，化学家提出了与传统的“治理污染”不同的“绿色化学”的概念，即如何从源头上减少甚至消除污染的产生。绿色化学：指设计和生产没有或者只有尽可能小的环境负作用并且在技术上和经济上可行的化学品和化学过程。绿色制药工业：将绿色化学的原理和技术运用于制药工业，以达到绿色工艺的要求。绿色化学的12条基本原理和特点（1）预防（prevention)（2）原子经济性（atomeconomy)(3)无害（或少害）的化学合成（4）设计无危险的化学品（5）安全的溶剂和助剂（6）设计要讲求能效（7）使用可再生的原料（8）减少衍生物(9)催化作用（10）设计要考虑降解（11）为了预防污染进行实时分析（12）防止事故发生的固有安全化学Trost提出，以原子利用率衡量反应的原子经济性。Enichem公司开发的用钛硅分子筛催化剂进行己酮肟化的新工艺,使环己酮转化达99.9%。某些有机产品的生产,如甲醇碳化制醋酸、丙烯腈甲酰化制丁醛等,也都属于“原子经济”反应。这说明人类已能在原子水平上进行化学品的合成,使化工生产更加高效、节能和绿色化原子经济性产品的质量原子利用率=———————————X100%全部反应物的质量采用无毒、无害的原料为使制得的中间体具有进一步转化所需的官能团和反应性，在现有化工生产中仍使用剧毒的光气和氢氰酸等作为原料。为了人类健康和社区安全。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有：►Riley等报道了工业上已开发成功一种由胺类和二氧比碳生产异氰酸酯的新技术。►Tundo报道了用二氧化碳代替光气生产碳酸二甲酯的新方法。►Komiya研究开发了在固态熔融的状态下。采用双酚A和碳酸二甲酯聚合生产聚碳酸酯的新技术。它取代了常规的光气合成路线。并同时实现了两个绿色化学目标。一是不使用有毒有害的原料，二是由于反应在熔融状态下进行。不使用作为溶剂的可疑的致癌物一甲基氯化物。►关于代替剧毒氢氰酸原料，Monsanto公司从无毒无害的二乙醇胺原料出发。经过催化蜕氢。开发了安全生产氨基二乙酸钠的工艺，改变了过去的拟氨、甲醛和氢氰酸为原料的二步合成路线。采用无毒、无害的溶剂大量的与化学品制造相关的污染问题不仅来源于原料和产品，而且源自在其制造过程中使用的物质。当前广泛使用的溶剂是挥发性有机化合物(VOC)。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。需要限制这类溶剂的使用。在无毒无害溶剂的研究中。最活跃的研究项目是开发超临界流体（SCF)。特别是超临界二氧化碳作溶剂。超临界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点(3llC、7477.7gkPa)以上的二氧化碳流体。它通常具有液体的密度，它又具有气体的粘度，因而又具有很高的传质速度。超临界二氧化碳的最大优点是无毒、不可燃、价廉等。除采用超临界溶剂外。还有研究水或近临界水作为溶剂以及有机溶剂/水相界面反应。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，如用微波来促进固、固相有机反应。采用无毒无害的催化剂目前烃类的烷基他反应一般使用氧氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂。这些液体催化剂共同缺点是，对设备的腐蚀严重、对人身危害和产生废渣、污染环境。为了保护环境。多年来国外正从分子筛、杂多酸、超强酸等新催化材料中大力开发固体酸烷基化催化剂。在固体酸烷基化的研究中，还应进一步提高催化剂的选择性。以降低产品中的杂质含量;提高催化剂的稳定性，以延长运转周期;以提高经济效益。异丁烷与丁烯的烷基化是炼油工业申提供高辛烷值组分的一项重要工艺。近年新配方汽油的出现，限制汽油中芳烃和烯烃含量更增添了该工艺的重要性。目前这种工艺使用氢氟酸或硫酸为催化剂。利用可再生的资源合成化学品利用生物量(生物原料)(Biomass)代替当前广泛使用的石油，是保护环境的一个长远的发展方向。1996年美国总统绿色化学挑战奖中的学术奖授予TaxaA大学M.Holtzapp教授，就是南于其开发了一系列技术。把废生物质转化成动物饲料、工业化学品和然料。物质主要由淀粉及纡维素等组成。前者易于转化为葡萄糖。而后者则由于结晶及与木质素共生等原因，通过纤维素酶等转比为葡萄糖，难度较大。Frost报道以葡萄糖为原料，通过酶反应可制得己二酸、邻苯二酚和对苯二酚等。尤其是不需要从传统的苯开始采制运作为尼龙原料的己二酸取得了显著进展。另外,Gfoss首创了利用生物或农业废物如多糖类制造新型聚合物的工作。由于其同时解决了多个环保问题，因此引起人们的特别兴趣。具优越性在于聚合物原料单体实现了无害化;生物催化转化方法优于常规的聚合方法，Gross的聚合物还具有生物降解功能。PartB应用实例甲醇羰基化法合成乙酸丁烷液相氧化制乙酸乙醛氧化法1.乙酸合成1968年美国Monsanto公司的Paulick和Roth发现了新的可溶性羰基铑-碘化物催化剂体系。它们对甲醇羰基化合成乙酸有更高的催化活性和选择性（催化速1.1×103molAcOH/molRh·h,羰基化选择性大于99%。）；反应条件变得十分缓和，反应温度降至175~200oC，反应压力降至6MPa以下，产物以甲醇计收率为99%。意义：从工业生产上实现了原子经济反应，成为近代羰基合成技术发展道路上的里程碑；消除了氧化法合成乙酸的环境污染问题；开辟了可以不依赖石油和天然气为原料的合成路线。我国中科院化学所蒋大智等对甲醇羰基化合成乙酸的催化剂和催化反应体系进行改进，他们采用高分子负载型铑催化剂，使催化反应速度明显提高，达到了1.2~6.6×103molAcOH/molRh·h,时空产率高达15mol/L，羰基化产物选择性保持在99%以上，形成具有自己特色的催化反应体系。2.替代氢氰酸的合成美国Shell公司用丙炔、甲醇为原料，钯催化体系存在下化合成甲基丙烯酸甲酯。是环境友好的。氢氰酸是常用的化工原料，有机玻璃的单体-甲基丙烯酸甲酯传统的合成方法要以氢氰酸为原料。3.环氧丙烷的生产——分子筛催化原生产工艺新生产工艺原子利用率31%原子利用率76%5.从葡萄糖合成邻苯二酚OHOHOHH+O2OHOHH2O2+Cat.Benzene6.从葡萄糖合成己二酸OHON2OO2HNO3+H2OOHOOHNi或PdCatCu,NH4VO3adipicacid+Draths和Frost已经研制出另一种基因修饰的大肠杆菌，可抑制DHS（一种抗氧化剂BHT的潜在替代物）和邻苯二酚的进一步反应，故可将这些化合物作为产品分离出来。因此，从葡萄糖出发通过生物合成DHS和邻苯二酚的合成路线与传统合成方法相比，不仅可利用再生资源，而且可以避免有毒的苯及其加工过程中生成的N2O等造成的环境影响和对人体健康的危害。9.硝酸铈铵硝酸铈铵是一种氧化性很强的橘扛色络台物,属于绿色化学品,主要用作有机合成的催化剂、硝化剂,氧化剂、聚合反应的引发剂。硝酸铈铵在有机合成中的应用,可以降低引发剂重铬酸钾的用量,减少铬的环境污染.作为催化剂,氧化剂和引发剂,硝酸饰铵具有反应活性高、反应条件温和,反应速度快、时间短,产率高、选择性好、用量少、毒性低、污染小等优点。传统工艺合成硝酸铈铵Ce2(CO3)3+6HNO3=2Ce(NO3)3+3CO2↑+3H2O(1)2Ce2(NO3)3+3H2O2+4H2O=2Ce(OH)3O·OH↑+6HNO3(2)HNO3+NH3H2O=NH4NO3+H2O(3)2Ce2(OH)3O·OH=2Ce(OH)4↑+O2↑(4)Ce(OH)4+6HNO3=H2[Ce(NO3)6]+4H2O(5)H2[Ce(NO3)6]+2NH4NO3=(NH4)2[Ce(NO3)6]+2HNO3(6)由此可知,在传统工艺合成硝酸铈铵的过程中,在合成氢氧化铈时,产生硝酸铵废液污染;在热的浓硝酸溶解前驱体氢氧化铈时,产生硝酸雾和二氧化氮污染;同时,产生副产物氧气、水和二氧化碳。因此,在工业生产中该工艺方法存在资源消耗大,生产成本高,环境污染严重,作业条件差等不足绿色化学工艺Ce2(CO3)3+6HAc=2CeAc3+3CO2←+3H2O(7)2CeAc3+3H2O2+4H2O=2Ce(OH)3O·OH↑+6HAc(8)HAc+NaOH=NaAc+H2O(9)2Ce(OH)3O·OH=2Ce(OH)4↑+O2←(10)Ce(OH)4+6HNO3=H2[Ce(NO3)6]+4H2O(11)H2[Ce(NO3)6]+2NH4NO3=(NH4)2[Ce(NO3)6]+2HNO3(12)由此可知,绿色化学工艺合成硝酸铈铵的过程中,选用对环境不产生危害的碳酸铈、乙酸、过氧化氢和氢氧化钠为原料,反应体系为乙酸体系,最后获得氢氧化铈与乙酸钠两种绿色产品,只有少量的对自然环境影响较轻的二氧化碳和氧气未能利用,不产生废水和废渣,实现了“零排放”,乙酸钠广泛用于制药工业、染料工业、饲料工业、化学试剂、贮热材料等领域,具有广阔的市场前景绿色化学工艺与传统工艺的对比传统工艺合成硝酸铈铵的总方程式为:Ce2(CO3)3+14HNO3+3H2O2+6NH3H2O+4NH4NO3=2(NH4)2[Ce(NO3)6]+6NH4NO3+O2↑+3CO2↑+13H2O(12)绿色化学工艺的总方程式为:Ce2(CO3)3+6HAc+3H2O2+6NaOH+8HNO3+4NH4NO3=2(NH4)2[Ce(NO3)6]+6NaAc+O2↑+3CO2↑+13H2O(13)结论从上表可知,传统工艺的原子利用率和原子效率因于分别为40.23%和55.52%,绿色化学工艺的原子利用率和原子效率因子分别为70.24%和79.96%,与传统的工艺相比,绿色化学工艺的原子利用率提高30.01个百分点,原子效率因子提高24.44个白分点,大幅度地提高了资源的利用率。充分说明,绿色化学工艺合成硝酸铈铵对环境的影响远远小于传统工艺。变更合成路线奖改变反应条件奖学术奖小企业奖设计更安全化学品奖总统绿色化学挑战奖10.阿瑞匹坦的原子经济性合成新工艺生产商：Merck&Co.Inc.公司药效:预防及控制化疗所致的恶心及呕吐，还有治疗急迫性尿失禁的潜力。含有2个杂环和3个手性中心老方法：需要化学计量的、昂贵的、复杂的手性酸作为试剂来确立阿瑞匹坦的绝对立体构型。新方法：使用4个大小和复杂性相当的片断为原料，经过3步高原子经济性的步骤，以创新性的会聚式合成策略，组装出阿瑞匹坦这个复杂的目标分子。新老对比新方法的产率几乎是老方法的2倍，也大大改善了阿瑞匹坦生产对环境的影响。新方法消除了老方法中所有的操作危害，包括消除了氰化钠、二茂钛和气态氨等的使用。新方法更短的合成路线和更温和的反应条件，大大减少了能量消耗。新方法原料用量只是原来的15％，水的用量只是原来的20％，即通过采用新技术，每生产1000kg阿瑞匹坦，大约减少了340000L废水，废物排放总量减少了85％，生产成本降低了75％。E因子从原来的477下降到66。PartC结语结语为减少或消除化工污染对人类和环境的危害,实现无害化、无废物“绿色”生产,需选择节能、低耗、无污染的化学工艺过程,采用无毒无害的原料、催化剂和溶剂,应用清洁生产技术,生产与环境和生态相容、友好的产品。开发和应用绿色化学工艺,已成为现代化学工业的发展趋势和前沿技术,是实现可持续发展的关键。可以预见,在21世纪,高效、低耗、节能、安全、洁净的化工———绿色化工将全面取代传统化工,使化学工业真正走上可持续发展。谢谢聆听！