交换:绿色化学合成的方法

基础有机化学,简单的碳碳键的最稳定的共价键。化学合成依赖于反应试剂形成产品,与邦德打破作为基本组件作为键的形成。碳碳键的效用和普及使他们对现代生活至关重要:从工业和农业化学品,生物过程和医药产品。碳碳键的稳定性使其必要的生活正如我们所知,但也意味着债券打破大力要求和特定的反应途径是必要的。许多形成碳碳键的方法依赖于打破这些债券第一,一个艰难的过程对于这样一个稳定的债券。

但简单的烷烃和烯烃链在化工产品是如此重要,多年的研究一直在进行环保的形成方法。两个最明显的任何有机化学家维蒂希¹或格氏反应。然而,这两种方法需要高度基本条件和许多感兴趣的基板是不相容的。在维蒂希反应的情况下,每摩尔所需的碳碳双键出现相当于三苯基膦氧化物,这可能会产生问题,消除大规模除了浪费原材料。这些更传统的方法不适合许多商业应用程序,因此需要替代的清洁方法。此外,迫切需要监控和减少对环境的影响任何工业需要的不断发展新的化学反应。这通常涉及使用绿色合成方法,目的是实现最简单、最有效的化学合成方法。

一个答案的问题发展中碳碳双键形成的一个有效方法是发现在50年前当科学家罗伯特·格拉布Yves Chauvin和理查德·施洛克开始了他们的开创性研究metal-catalysed反应。他们没有意识到,这将是一段旅程的开始,最终在他们的联合收到2005年诺贝尔化学奖。²当然,他们著名的催化反应是催化烯烃(或烯烃)。反应包括ruthenium-based金属络合物与不同的配体代替。

他们结合科学实力拥有先进的化学研究到商业领域。在化学工业的共同愿望是创建有用的化工产品从常见和廉价的试剂。特别是,碳碳双键的形成通过烯烃复分解已经应用到许多基本chemistry-enabled行业:从医药的发展,农药、长链聚合物,信息素或derivatising oleochemicals。合成是看似无穷无尽的可能性。

追求绿色化学

催化是其中一个绿色化学的十二原则。它取代化学活化方法与途径,往往导致减少浪费和温和的条件。例如,当两个烯烃基板与交换,乙烯副产物(C₂H₄)。对比这一维蒂希烯化作用的副产物是三苯基膦氧化物和摩尔质量的10倍废物产生。甚至其他催化反应等导致烯烃产品到底反应依赖于preactivation底物之一,例如卤化物离去基团。然而,这种preactivation结果生成卤化物副产品的废物流。即使在这种比较,烯烃置换作用可能是最atom-efficient选项,包括十二个绿色的另一个原则:尽可能多的反应物原子转化为产品的原子。

多年来,烯烃置换作用已被证明是一个有用的合成工具在提高反应效率,减少废物的数量,同时增加收益的理想的化合物;或打开新的反应途径之前被认为是不可能的。烯烃复分解开辟了新的可能性,绿色化学合成方法的好处高活性催化剂和潜在的减少能源消耗和碳足迹。

实现困难的反应

有时合成化学不会做你想做的事情。任何有机化学家会告诉你,当按下化学反应的可行性。这可以支持提交造成的反应,或反应的问题不会导致所需的产品在一个足够高的收益率。

当然,替代路线的反应可以设计。这样的一个替代方法可能包括额外的步骤问题从不同的角度。然而,这种方法可能是一个可以很容易地避免不必要的并发症。相反,通过烯烃复分解催化剂,对基质可以设计新的合成路线。一个例子是多功能的合成多环内酰胺药物化学具有广泛的应用前景。这里,格拉布的催化剂有缩短的步骤实现高产反应合成受阻。³

这仅仅说明了如何将一个复杂的多环内酰胺的一个例子合成在一个高收益的两步过程中,涉及的第二ring-closing复分解反应。这里,健壮的置换作用催化剂展示他们的才能从根本上实现困难的反应在紧张和复杂的试剂。此外,这里使用的催化剂是多才多艺,忍受各种官能团,包括叔胺。在以前的合成方法内酰胺产品降级到低浓度的对象,ring-closing交换现在形式为主要产品。

加速和选择性的效率

Cross-metathesis反应,两个无关的烯烃进行交换,得到一种臭名昭著的名声无法控制的反应。虽然这无疑是真正的第一代置换作用的催化剂,现代创新解决这个问题通过调整反应条件和配体。通过改变属性,如空间体积-占用的物理空间配体催化剂复杂可以影响反应途径指导产品的形成。改变这些属性也有强烈的反应对产量的影响。说明影响各种催化剂对一个给定的反应,一系列的竞争力的研究已经由美国研究人员与各种置换作用的催化剂。⁴

在这种情况下,较小的氮杂卡宾配体的反应了一个特定的途径,有利于形成所需的产品。除了提高收益率,烯烃置换作用也可能提供综合的解决方案,这些反应的立体选择性-化学键的精确方向必须控制。反应生成化合物的混合物需要广泛切除技术,通常涉及浪费大量的溶剂,除了减少有用的化合物合成的总量。

像许多催化方法,交换催化剂可以影响给定的精确立体化学反应。的方式与前面的示例相似,配体的空间影响可以定位试剂要求精确的债券形成的特定构象。所示,交叉复分解反应是用于直接合成成功独联体烯烃,通常被认为是积极不利的比较反式烯烃。这些产品已经证明用于各种各样的应用程序,包括在目前的情况下,作为昆虫性信息素的前体分子,用于阻止昆虫和保护农作物。⁵

支撑两个过程的基本性质是催化剂。通过设计和筛选各种与各种不同的功能配体催化剂,反应的问题可以生产更高产量的影响所需的化工产品,和不必要的副产品形成是减轻。

设计一个可持续发展的未来

化工行业对环境的影响最近受到关注的多个方面,例如所带来的影响溶剂使用的可持续性。如今,行业和机构必须努力确保任何过程不仅仅是有成本效益的和有效的,而且还环保。这里讨论的例子说明三情况交换催化剂应用于学术研究,但工业应用也是可行的。然后挑战在于创造和生产优化plant-scale水平最有效和可持续的方式。

新的催化剂应用程序不断被研究人员发现。例如,最近发表在高分子化学、Umicore催化剂应用于促进和简化回收天然橡胶的以前艰难的过程,所有通过交换的过程成为可能。⁶这是一个例子的角色置换作用催化剂可以在推动未来的研究和产业创新。

可持续发展和绿色化学实践是支柱,构建一个更美好的未来。Umicore,这些支柱形成不可分割的组成部分,与商业和学术合作者合作,创造一个更可持续的世界。与世界越来越依赖化工材料的生产,任何流程开发人员必须不断问这个问题:我们怎样才能减少垃圾数量或优化必要条件进行反应?答案在于协同的科学家可以提供经验克服或避免反应可持续发展瓶颈和做任何化学反应,是优化催化剂载荷减少潜在的废金属,或调查潜在的替代反应路线,可以通过使用催化剂如Umicore-Grubbs组合。通过提供质量催化剂在工业应用所需的数量,这种可能性是,再一次,没完没了的。

碳碳键是无处不在的,而且相当普遍。广泛的实用程序将化学的一个重要组成部分,和交换反应可以帮助把它在一个更绿色的方式。

杰西卡·Gomes-Jelonek Umicore的均相催化技术销售经理PMC