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[使用环境友好溶剂及无溶剂有机合成]无溶剂有机合成

时间:2019-02-06 来源:东星资源网 本文已影响 手机版

   摘要:以往那些陈旧的化学工业在近百年见给我们的生存环境带来了非常严重的的污染,如今全世界人类生产出的有害废物高达3到4亿吨,这些有害废物给地球的环境造成某些不可挽回的伤害,并且直接威胁着人类在地球上的长久生存。严峻的态势使化学领域必须要寻找出一条既能保护我们的生存环境,又能同时为人类的生活带来方便的化学之路。
  于是环境友好型的绿色化学应运而生。
  环境友好溶剂是分子水平上的重点。化工领域分子水平需要使用计算机技术进行精密的分子设计及溶剂选择。因此,使用计算机技术在惊醒实验的设计时不仅仅要考虑到环境友好溶剂的分离性,同时还要考虑到这些溶剂对环境各个方面的影响。
  一、对环境友好溶剂的实验测定筛选的方法。
  1.使用平衡釜法进行溶剂实验
  实验必须选择在特定的条件下,首先要依据对以往实验的经验来选定一组候选的实验溶剂,然后将利用使用气液平衡装置逐一的对候选溶剂中的样品进行测定,对样品中的待分离体系在各个环境友好溶剂萃取液中的气液平衡数据进行记录和测定,并且要注意对样品的体系轻重与关键组之间相对的挥发度,选择测试数值优秀的溶剂样品,最后使用实验室所具备的小型精馏塔上对测验样品进行验证。平衡釜实验法在环境友好溶剂的实验中具有的优点是数据的检测非常直接可靠,能够给检测人员带来最直观的测验结果。
  2.使用惰性气体进行环境友好溶剂的实验
  将拥有稳定流速的惰性气体通入气体平衡釜里,让釜内已被无限稀释了的溶剂与通入的惰性气体完全接触,溶剂的组分被汽相化,如果容器中测量出的液相与汽相能够达到平衡,再测定汽相的组成跟随惰性气体通入时变化的速率来进行计算得出γ。使用这种气提法来进行测定,实验的数据误差都能够控制在3%以下,如烷烃和烯烃以及醇类等24种环境友好型溶剂都能得到稳定的实验数据。使用惰性气提法来进行试验的缺点是对实验所使用的设备要求过高,许多地方无法进行普及因此成本比较高昂,测定的过程非常复杂,对能够进行试验的人员素质及水平也有较高的要求。
  3.使用活度系数法进行实验
  活度系数法指的是通过对各种精馏物系中的关键组分精确计算出其在各种溶剂中准确的活度系数值,从这些得出的准确值中对各个候选溶剂的相对挥发度数以及溶剂溶解度的参数等进行合理的推断,然后在经过对各个候选样品的比较从中选出最适合的环境友好溶剂。
  这种方法进行细分时分为有限和无限活动系数法。在这其中无限活度系数法指的是:对候选检测的环境友好溶剂在被无限稀释溶质中的无限稀释活度系数运用简单的实验经验以及运算公式对其进行预测,再利用溶剂测定出的无限稀释活度系数来进行计算,得出候选溶剂的相对挥发度,最后通过对相互挥发度数比较从中选出最适合的环境友好溶剂。在测定中一般使用较多的是PDD方法以及溶剂溶解度参数法。在运用PDD方法来对候选溶剂的无限稀释活度系数进行合理预测时,不但要考虑到溶剂中碳原子数对其的影响,而且还要考虑化合物中在支链上的碳原子数和上面不同种类的碳原子数以及极性基团对γ的造成的影响,使用这种方法时有太多需要考虑方程式数目,因此不具备广泛的适用性。另外一种溶解度参数法是对溶剂的无限稀释活度系数运用纯组分的性质来进行预测的一种方法。这种方法能够用于测定各种极性或者非极性的物质。使用溶解度参数大的优点是,对候选溶剂的预测的结果相对比较准确;而缺点则是测定后参数的数据库建设不完备,无法很快的从中进行鉴别,这样的情况对溶解参数法的推广应用造成了很大的限制和阻碍。
  有限活度系数法主要指的是ASOG方法(英文名位Analytical Solutions of Groups Method)和UNIFAC的方法。其中以UNIFAC的方法得到了最广泛的应用。UNIFAC方法又称作‘UNIFAC基团贡献法’,这种方法最早是在1975年由Fredenslund等人提出的一种新的测定法。在其后的研究发展中,各国的科学家们又对这种方法进行了不断的修订和内容上的补充,在原有的基团上增加新的基团,对原先缺少的交互作用参数进行了完善的增补,并且将温度对交互作用参数的影响纳入了方法的考虑中等等。目前UNIFAC基团贡献法对活度系数具有非常良好的预测效果,对无限稀释的活度系数也可以运用UNIFAC模型进行预测。现如今使用的的计算机辅助设计对环境友好溶剂的萃取大部分也是以UNIFAC贡献法为基础建立起来的。
  二、运用计算机对溶剂进行选择
  1.溶剂筛选的优化
  
  运用计算机能够优化的方法,对现拥有的众多候选溶剂进行测定和评判,从中筛选出指标最优的溶剂。有两种方法经常被人们使用。第一种,计算机的人工神经网络(简称ANN)。这是一种极为复杂拥有并行的非线性的动力学系统,并不需要依赖十分精确的数学模型,其具有很强的自行适应能力来对非线性秉性学习进行学习和判断。使用计算机的人工神经网络和活性系数关系(简称QSAR)相互结合,建立起的模型能够针对各种物质的理化性质进行进一步的预测。第二种,使用模糊综合评价的方法对环境友好溶剂进行筛选测定。利用计算机应用最大隶属原理与模糊变换原理,对被评价事物的各个相关因素进行全面的考虑,对那些极为复杂的难以通过精确化的系统给予综合性的评价,这样稳定的准确的筛选测定出环境友好溶剂。
  2.使用计算机辅助分子设计来对环境友好溶剂进行测定
  有的时候由于给定需要测定的有机物种类过多,仅仅只依靠实验或者对溶剂性质约束方法从不计其数的有机化合物中筛选出最佳溶剂将会非常的繁琐。计算机辅助分子设计法(简称CAMD)将传统试验中对溶剂的筛选方法进行改变,对筛选的整个过程进行了极大的简化,大大的减少了实验工作者在实验室的工作量和工作的时间周期,增加大了工作的效率。计算机辅助分子设计法对环境友好溶剂进行筛选测定时,首先对一组基团进行预选,将这些基团按照某种规则进行组合成为分子结构,再对这种分子的物化性质进行计算预测,按照预先设定的目标对这些基团组成的分子进行筛选和测定,最后将数据进行对比找出最优的环境友好溶剂。
  三、无溶剂有机合成
  1.无溶剂有机合成的方法
  固态碾磨法最初是被使用在备至混合品种,从中得到不同的的光学性质的材料。Baylis-Hillman反应是一项原子经济的化学反应,由一份子的芳香醛和一份子的缺电烯烃在(DABCO DBU)就是三集胺的反应催化。此反应是在所需的溶液中进行,其需要量是7D,但是产出率仅仅是需要量的70~87%。
  如果选择采用机械震荡的碾磨方法,实验时间仅仅只需半小时,同时采取间隔反应,以防止反应升温过快,机械碾磨法的产出率能够高达98%。产出物多为官能化。在有机链的芳环上链接上吸电子基团时的产出率大于95%的情况为最好,链接电子基团是的产出率仅为30%。
  2.不对称Aldo的脯氨酸催化反应
  目前出现的有机小分子方面的不对称合成发展迅猛,例如不对称的Aldol脯氨酸催化反应,通常情况其反应都会在高极性的非质子溶剂(例如DMSO)中进行。科学家Bolm和其合作同事采用了前面所提的机械震荡碾磨法,将酮化物和芳香醛均匀的混合在催化量(S),百分之十的脯氨酸催化作用下以高速的碾磨(250-400rpm,为防止碾磨过快而导致升温影响选择对应值),这时链接在芳环上的吸电子基团能够得到99%的高出产率,链接芳环上的电子基团产出率与吸电子相比较低,仅为60%,拥有的选择对应性也相对较差仅为60%。使用机械震荡碾磨方法使所需反应的时间大幅度的减少,整个实验的时间只需一小时即可,若是使用传统方法对其进行反应,仅是搅拌一项便要花费5~7小时。
  四、无溶剂有机合成具有的优点
  1.无溶剂有机合成具有较高的可选择性
  实验中进行的无溶剂有机合成,为不同相态之间的反应提供了一个与传统溶液反应完全不同的新的反应环境和反应条件。能够使无溶剂有机反应的选择性与转化率得到极大提高。若是在固相状态下,容器中的固态分子受到反应晶体的约束,冻结了分子之间的构象,起反应的分子进行了有序的排列,因此能够实现无溶剂有机反应的定向反应从而可以提高反应在试验中具有的选择性。此外,实验中能够使用混晶及分子晶体等手段来对反应物之间的分子构型进行有效且可靠的控制,尤其是能够通过使用光学活性的主体化合物来形成的包结物,用以控制容器中反应物之间的分子构型,可以真实的实现无溶剂有机合成中的不对称合成。
  2.绝大部分的无溶剂有机合成都能够在常温下进行正常的反应,有的甚至能在较低温的情况下进行合成反应
  这种情况为企业和个人能够很好的降低生产及使用成本,并且对能源的节约以及环境的保护都有这积极的意义。
  五、无溶剂有机合成在试验中具有的缺点
  无溶剂有机化合体系具有非常差的流动性,甚至可以说是没有流动性,这种情况会导致反应中出现的放热很难从原料中排出,导热性非常差。再加上无溶剂有机合成的反应速度极快(尤其采用的是微波方法),数十秒几分钟迅速产生的大量的热就更加的难以排出。这种情况不仅仅会造成实验的冲料并且极有可能在不注意的情况下造成爆炸。无溶剂有机合成的实验在大多数的报道中实验的规模都非常小,反应所产生的热量很容易就散失掉了,对反应产生的大量的热所造成的危害不够重视。因采用无溶剂有机合成此剧烈的放热的反应无法达到绿色化学的要求。
  六、无溶剂有机合成的应用前景
  目前,无溶剂的有机合成研究还是以在实验室进行反应的研究为主,很少有将这项研究推动到规模化的工业生产当中去,相信在不久的将来,随着人们在绿色化工及环境友好方面的不断努力,在这些方面研究的步伐会逐步加大加快,将那些好的、更有利于社会环境及人类生存健康的科技能够迅速的普及到人们的生活中去。
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