绿色溶剂中有机化学反应的研究

刘雅晶

北京市人大附中，北京，100000

绿色溶剂中有机化学反应的研究

刘雅晶

北京市人大附中，北京，100000

随着我国市场经济的快速发展，社会经济活动与环境之间的冲突越来越明显，可持续发展模式是解决这一矛盾的有效途径。化学工业是现代基础工业的主要组成部分，化学工业已经应用于各行各业，但化学工业对环境的影响也最明显，化学工业的放弃物可以直接随着环境循环进入自然界。有机溶剂是十分重要的化学工业制品，全世界每年消耗的有机溶剂超过40亿美元，但大多数有机溶剂对环境的危害较大。传统的化学工业污染防治措施主要针对污染物的传播途径、污染后的治理等，但这些传统措施并未从源头上消除化学工业造成的污染。绿色化学溶剂是我国化学工业可持续性发展的重要组成部分，可以从根本上消除化学工业污染，本文将深入研究两种常见的绿色溶剂中的有机化学反应。

化学工业；绿色；溶剂；化学反应

化学工业经历了两百多年的历史，19世纪初，随着人们对自然化学反应的研究不断深入，人们逐渐发展出规模化的化学产品生产行业，现代化学工业已经进入到了一个崭新的时期，各种催化剂技术、化学仿生技术、分子设计技术等应用，最大限度提升了化学工业的产量。化学工业的产品有很多，包括药剂、合成纤维、橡胶、染料、能源、农药等，但传统化学存在着一定局限性，难以控制化学工业对环境的污染，21世纪的化学工业已经进入到一个全新的时期，绿色化学工业已经成为发展的主旋律，而绿色溶剂则是绿色化学工业的重要组成部分，最大限度消除了化学工业对环境的影响，下面将详细阐述绿色溶剂中的有机化学反应，探究绿色溶剂的反应机理，为绿色溶剂生产提供可靠的理论基础。

1 过氧化氢水溶液的应用

过氧化氢是一种十分经典的化学工业产品，19世纪50年代，过氧化氢制品已经实现量产，且广泛应用于各种社会生产中，随着科学技术的快速发展，人们对过氧化氢的价值进行了进一步挖掘。过氧化氢无毒无害，且还原之后的产物为水，对环境没有污染，除此之外，过氧化氢的制取成本较低，可以用作多种有机反应的催化剂，目前，国内化学工业研究领域已经对过氧化氢氧化醇、酮、醛、酚等有机化合物进行了深入研究，下面将重点研究过氧化氢对烯键、醇、醛酮等的氧化过程。

1.1 烯键氧化

在不同环境下，过氧化氢可以对将烯烃氧化成不同的产物，包括醛、酮、邻二醇、羧基、环氧化物等，而烯键的断裂开环反应则是其中十分重要的反应机理，下面将结合实际反应分析过氧化氢的烯键的断裂开环反应。在WPA和氯化十六烷基吡啶（CPC）组成的催化体系（CWP）催化作用下，可以利用过氧化氢氧化1一甲基环己烯，除此之外，现有的研究内容还包括了其他催化剂，如，国内研究界已经研究了30%过氧化氢氧化环戊烯制戊二酸的过程，并详细阐述了反应机理。过氧化氢氧化的产率最高为81.7%，过氧化氢氧化氢氧化环戊烯制戊二酸的产率可以超过93%。

1.2 醇氧化

根据相关研究，过氧化氢可以将伯、仲醇氧化成为羰基化合物，而且这一反应的催化物以金属化合物为主。目前，国内已经有人研究了以过氧化氢氧化醇的反应，该反应以为催化剂，以甲基三辛基硫酸氢铵作为转移剂，同时应用该种反应氧化多种醇，之后有人对过氧化氢的氧化反应进行修改，通过微波照射来辅助反应，有效缩短了氧化反应的时间。另外过氧化氢可以在的催化作用下顺利氧化伯、仲醇。

1.3 醛酮氧化

醛的还原性十分强，因此很容易被氧化，以Tollen试剂为例，Tollen试剂可以将醛氧化，除此之外，很多其他种类的氧化剂均可与醛进行反应，例如过氧酸、重铬酸吡啶、CrO3、Ag2O等，但现有的醛氧化剂的成本较高，且产物分离的难度较大。目前，研究界已经尝试了将合成杂多酸、SeO2等作为催化剂，用过氧化氢氧化芳香类醛以及脂肪类醛，除此之外，有机催化剂下的过氧化氢氧化反应也取得了较好的效果。酮的氧化难度高于醛，但过氧化氢可以在酸性条件下将酮氧化成酯，以手性铂作为催化剂也可以实现过氧化氢氧化酮的反应。

2 微波照射的应用

微波是自然界中十分常见的现象，自从微波被发现以来，微波已经广泛应用于各行各业，包括通讯领域、农业生产、医学领域等，这些领域对微波的作用发掘已经十分深入，但微波在化学工业中的应用较晚。上世纪80年代，Gedye等人发现了微波对4-氰基苯氧离子与氯苄的 SN2亲核取代反应的催化作用，可以将4-氰基苯氧离子与氯苄的SN2亲核取代反应的速率提高数百倍，同时有效提高了4-氰基苯氧离子与氯苄的 SN2亲核取代反应的产率。Gedye等人的发现已经引起化学界的高度重视，随后数十年间，人们不断加大微波在化学反应中的应用研究，随着研究的不断深入，微波在化学反应中的研究越来越深，微波化学已经成为一门新兴的科学技术，人们将这种化学学科定义为微波有机化学。

微波的波长介于1mm—1m之间，微波的频率介于300MHz—300GHz，微波属于超高频电磁波，民用领域的微波频率介于900MHz—2450MHz之间。目前，人们对微波加速有机化学反应的机理仍然没有统一的认识，狭义观点认为微波对极性物质具有选择性加热的能力，这是微波的制热效应，极性分子实质上是由于分子内电荷分布不均衡导致的分子能量差异，能量较弱的分子在微波中吸收能量，提高了分子中的能量，从而加速了有机化学反应的速率。实际上，微波对有机化学反应的加速机理十分复杂，不仅仅包括了加热效应，还具有非加热效应，微波对有机化学反应的加速效果十分明显，且有利于产品纯化，最大限度提高了有机化学反应的产率，已经的微波化学反应已经应用于工业生产，且应用前景仍然十分广泛。

微波辐射的有机化学反应包括烷基化反应、缩合反应、成环反应以及氧化反应等。根据相关研究，微波辐射可以加速烷基化反应，具体的包括N—烃化、O—烃化、C—烃化等，微波催化下乙酸乙醋发生C一烷基化反应的收率超过60%，且反应时间介于10秒—90秒。微博辐射可以有效提高活泼亚甲基化合物与碳基化合物的缩合反应，如胡椒醛与氰基甲基苯基砜吸附在氧化铝的缩合反应。吲哚是常用的工业原料，Fischer反应是十分主要的加热过程，传统生产方式下吲哚的产率十分低，在微波作用下的吲哚合成产率超过72%。苯偶酰的制备十分复杂，且反应过程的毒性很大，因此制取的成本很高，微波作用可以有效提高苯偶酰的反应效率，在微博作用下载体表面的吸附氧被活化，可以有效加速反应，且产率较高。

3 离子液体的应用

所谓的离子液体是指只有离子存在的液体，比较常见的离子液体包括熔融状态的盐类化合物，例如熔融状态的氯化钠等，但氯化钠溶液并非离子液体，离子液体通常存在于高温下，只要材料合适，可以通过温度控制形成离子液体。上世纪90年代以来，离子液体的催化作用得到进一步认识，离子液体开始广泛应用于催化与有机合成领域，目前，离子液体的研究已经成为绿色化学的重要研究课题，而且这个课题的应用领域十分广泛。离子液体体系已经十分壮大，但现有的离子液体体系仍然以含氮有机杂环正离子与无机负离子构成，比如烷基吡啶或二烷基咪唑阳离子组成的离子液体等，1—乙基一3一甲基咪唑的分子体积大于无机离子，因此，1—乙基一3一甲基咪唑的熔点较低。

离子液体的反应第一步是胺或磷同卤代烷烃等烷基化试剂的季碱化反应，该反应将部分有机酸酯作为烷基化试剂，从而制备相应的有机阴离子液体，该反应制取的季按盐可以通过无水三氯化铝等金属卤化物进行处理，除此之外，还可以利用上述反应制取对应的金属核型离子液体。离子液体的属性随其物质差异而变化，离子液体的热稳定性、黏度、酸性、溶解性等都可以进行调节，因此，离子液体的可设计性较佳，离子液体的特点包括以下几点：液态区间温度范围大；溶解范围较广；不具备显著的蒸汽压；稳定性较好，可传热，不易燃烧；不易与其他有机溶剂溶合。

常见的离子液体反应包括Diels一Alder反应、Firedel一Carfts反应、氧化反应、不对称催化反应、缩合反应以及其它反应。Diels一Alder反应具有明显的优势，反应的蒸汽压较低，且可以循环操作，具备较高的热稳定性。Firedel一Carfts反应属于比较经典的有机合成反应，可以将醇、烯烃、酞氯等作为催化剂，得到的产物通常为有机溶剂，该反应的分离度较好，且催化剂重复使用的成本较低。氧化反应是利用酶催化脂肪酸进行过氧化，生产产物位环氧环已烯，产率超过83%。不对称催化反应充分发挥了离子液体的优越性，根据相关研究，可以加速手性salen络合物在bmim和二氯甲烷（1:4）中2,2一二甲基苯并吡喃的环氧化反应，将离子液体作为催化剂。缩合反应的代表是Peehmann反应，可以制取香豆素，以苯酚和2一酮酸酷作为催化剂，可以提高香豆素的产率。离子液体的应用十分广泛，除了上述几种反应外，还包括了碳碳结合反应、Bayils一Hllman反应等。

4 结语

绿色化学改变了传统的化学工业发展模式，最大限度地控制了化学工业对环境的影响，将原有的被动控制方式转变成为主动预防方式，绿色化学可以从源头上消除化学工业造成的环境污染，同时加大了对化学工业产物的利用，绿色溶剂是绿色化学工业的核心问题之一。绿色化学工业的重要研究方向就包括有机反应，绿色溶剂的探索路线包括离子液体、水等环境友好型物质，通过绿色有机反应减少化学工业对环境的伤害。绿色溶剂中的有机化学反应可以实现催化剂的循环使用，且参与反应的原材料均为绿色原料。绿色溶剂中的有机化学反应应该尽可能的无害化，本文深入研究了常用的两种绿色有机化学反应，包括过氧化氢以及微波照射在有机反应中的应用以及离子液体在有机反应中的应用，希望本文的研究有利于我国化学工业的可持续发展。

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刘雅晶/1998年生/女/北京人/在校学生/研究方向为有机化学