专题绿色催化的技术共22页文档
绿色催化
有机合成中的绿色催化徐碧蛟100110051摘要：从有机功能小分子催化、高分子负载催化剂、新型过渡路易酸催化、生物质催化、离子液体和超临界流体为介质的催化来介绍有机合成中的一些绿色反应。
关键字：绿色，有机合成，催化前言：化学作为自然科学的一个重要领域，在丰富人类知识宝库,但由于在化学过程中以适当地使用对人类健康和对环境有害的原料和溶剂以及污染性废物的大量排放，一些化学过程也给人类的健康和生活环境带来了严重的不利影响。
为此，人们相继提出了绿色化学理念，其目的是在继续发挥化学的积极作用的同时而将其危害人类健康和人类生存环境的负面影响减少到最小。
有机合成作为化学合成的重要组成部分，在绿色化学中居于举足轻重的地位；在绿色化学及其理念指导下，最终要实现绿色合成。
绿色合成的目标应当是实现符合绿色化学要求的理想合成。
目前，绿色合成方法一般两个方面着手：一方面是变有毒、易燃、易挥发的有机溶剂为不易挥发、低毒甚至无毒的溶剂—水相体系、离子液体介质、超临界流体。
另一方面将昂贵及有毒的催化剂或改为适用于前面提到的绿色溶剂体系的化合物，易实现催化过程的“绿色化”和催化剂/试剂的回收，一些有毒物质固载以后还可以降低气味和毒性，减少废液的排放。
这样，从经济和环境保护两个方面都获益。
而催化在绿色有机合成中占有举足轻重的地位。
正文：由于目前有机合成中所用的原材料、溶剂、催化剂等大部分是有害、有毒、腐蚀性的,给人类及环境造成了危害，不符合现在流行的绿色化学原理，所以，本文要介绍现在有机合成的方向，那就是“绿色”。
主要从以下四个方面阐述。
一.利用有机功能小分子催化的反应从源头解决由应用金属络合物或金属催化剂而带来的污染问题。
二.利用高分子负载的催化剂在有机合成化学的作用，由均相催化剂转为非均相催化剂，这样解决了对产物和反应后处理过程造成污染和催化剂难回收的问题。
三. 利用新型过渡路易酸在水中的稳定性这一性质，以廉价的水为溶剂，符合绿色化学的本质。
绿色催化反应的机制与应用
绿色催化反应的机制与应用在当今社会，可持续发展已成为全球关注的焦点，而绿色化学作为实现可持续发展的重要途径，正日益受到广泛的重视。
绿色催化反应作为绿色化学的核心领域，其机制的深入研究和广泛应用对于解决环境问题、提高资源利用效率以及推动化学工业的可持续发展具有至关重要的意义。
绿色催化反应，顾名思义，是指在化学反应过程中采用环境友好的催化剂，以减少或消除有害物质的产生，提高反应的选择性和转化率，从而实现资源的高效利用和环境的最小化污染。
与传统的催化反应相比，绿色催化反应具有诸多优势，如使用无毒无害的溶剂、可再生的原料、低能耗的反应条件等。
绿色催化反应的机制主要涉及催化剂与反应物之间的相互作用。
催化剂通过提供特定的活性位点，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。
常见的绿色催化剂包括金属有机框架（MOFs）、酶、纳米材料等。
以 MOFs 为例，其独特的孔隙结构和可调的化学组成使得它们能够有效地吸附和活化反应物分子，促进反应的进行。
酶作为一种高效的生物催化剂，具有极高的选择性和催化效率，能够在温和的条件下催化复杂的生物化学反应。
纳米材料则凭借其高比表面积和独特的电子结构，展现出优异的催化性能。
在绿色催化反应的应用方面，众多领域都取得了显著的成果。
在有机合成领域，绿色催化反应为合成复杂有机分子提供了更加高效和环保的方法。
例如，钯催化的交叉偶联反应在药物合成中得到了广泛应用。
通过使用绿色的溶剂和配体，以及优化反应条件，可以显著减少废弃物的产生，提高反应的原子经济性。
在能源领域，绿色催化反应在燃料电池、太阳能电池等方面发挥着重要作用。
例如，在燃料电池中，铂基催化剂被用于促进氢气和氧气的电化学反应，产生电能。
然而，铂的稀缺性和高成本限制了其大规模应用。
因此，研究人员致力于开发新型的非贵金属催化剂，如过渡金属氮化物、碳化物等，以降低成本并提高性能。
在环境保护领域，绿色催化反应为污染物的治理提供了有效的解决方案。
例如，光催化技术可以利用半导体材料（如二氧化钛）在光照条件下产生的活性氧物种，将有机污染物分解为无害物质。
绿色催化
OH
O H
OH
CH2OH
(a) HO OH O CH3
OH (b) O Cl
•
ห้องสมุดไป่ตู้
作为人工酶模型的主体分子虽有若干种，但 迄今被广泛采用且较为优越的还是环糊精。CD 分子和底物的结合常数可达104mol-.L，但不及 某些酶对底物的结合常数大，CD羟基的催化能 力也有限。为了增加环糊精的仿酶效果，人们对 环糊精的化学修饰进行了大量的研究，并相继出 现了桥联环糊精和聚合环糊精，以它们为仿酶模 型可以得到双重或多重疏水结合作用和多重识别 作用，其结合常数可达108mol-.L或更高。这样 的结合常数已经超过了一些酶对底物的结合常数， 而且相当于中等亲和力的抗体对抗原的结合常数， 为环糊精的仿酶研究创造了有利条件。
H2N n X m NH n=1,2,3,5 m=0,1,2 β X=NH
β
N
N OH HO
N
β
二（多）胺环糊精模型
桥联环糊精模型
• (2) 咪唑环番仿酶 • 环番(Cyclophane，简称CP)指一类以亚甲 基和杂原子为骨架将苯等芳香环桥联起来的环状 大分子。环番不仅具有环糊精、冠(穴)醚和多齿 配体的疏水性空腔等特点，还具有合成方法和结 构修饰的灵活多样性，能更好地发挥氢键作用、 静电作用、疏水作用、π-π和阳离子-π的协同作 用可望成为性能更优异的仿酶。咪唑作为重要的 生物配体，具有优异的质子授-受、共轭酸碱、 选择性络合等性能。因此，将咪唑基引入环番能 进一步改善其性能。 • 苯偶姻的传统合成工艺需要使用剧毒的氰化 钠作催化剂，虽然工艺简单，产率较高，但对环 境污染严重。谢如刚等设计合成了一系列咪唑环 番类化合物，见图8-3。
• 8.1.2 各类仿酶催化剂简介 • 8.1.2.1 主客体酶 • 主-客化学和超分子化学的迅速发展极大地促进了人 们对酶催化的认识，同时也为构建新的模拟酶创造了条 件。除天然存在的宿主酶模型(如环糊精)外，人们已设 计合成了冠醚、穴醚、环番、杯芳烃、酞菁、卟啉、大 环多胺等大环配体用于构筑酶模型。下面对几个重要的 品种作一简单介绍。 • (1) 环糊精仿酶 • 对底物的疏水识别和结合作用是酶催化的重要因素。 因此，模拟酶的疏水识别和结合作用是仿酶研究的重要 内容。也就是说，模拟酶除了模拟酶的活性中心外，还 必须模拟酶催化的疏水性微环境。环糊精 (cyclodextrin，简称CD)是由多个D-葡萄糖以1,4-糖 苷键结合而成的一类环状低聚糖。根据葡萄糖单元的数 量不同可分为6个、7个及8个环糊精三种，它们均是略 呈锥形的圆筒，其伯羟基和仲羟基分别位于圆筒较小和 较大开口端。这样，CD分子外侧是亲水的，其羟基可 与多个客体形成氢键，而其内侧是C3、C5的氢原子和
绿色催化
O
+
Oቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Se(OTf)3 (10%) THF-H2O (9:1)
HO
H O
以下是几个例子： （1）转统化学法由丙烯腈合成丙烯酰胺，转化率 仅为97%~98%，由化学法合成的丙烯酰胺聚合生 成的聚丙烯酰胺分子质量很难超过1200万，而采 用生物法即采用丙烯腈水合酶催化合成，其转化 率达99.9%以上，比化学法成本低10%以上，聚合 生成聚丙烯酰胺分子质量达2000万。 （2）利用酶法生产的氨基酸有很多，若利用顺酐 和富马酸等为原料经化学法生产天门冬氨酸，转 率仅为80~85%，而采用酶法生产，天门冬氨酸的 转化率可达99%以上。
极富生命力。
把此工艺变成了真的绿色工艺。
例：
HO
OH
HO
+
COOH zeolite
catalyst
OO
+ CH2CN
Cax--zeolite CH3OH
+ CH3
CN
OH2
H
过渡金属催化的环加成反应
O
(ph3p)3RhCl HO
OH Et(OH),25'C
HO
O OH
其反应过程是先形成了金属杂环，再经烯烃或炔烃插入 碳——金属键而生成产物。
绿色催化
三 绿色化学与催化
作为绿色化学的一项重要内容，研究如何应用催化转化并开 发新的催化剂越来越受到科学家们的重视，并做出了许多新 的研究成果。
1 催化剂在原子经济性化学反应中的应用 如上面的例子可以看出，在反应物不变的前提下，
改用“绿色”催化剂，能用简单、安全、环境友好、 资源有效的操作，快速定量地把廉价易得的起始原 料转化为天然或设计的目标分子，原子利用率高， 能推绿色化学的快速发展。
绿色催化剂的设计与合成
绿色催化剂的设计与合成绿色催化剂在当今化学领域日益受到重视，其具有高效、环保的特点，被广泛应用于有机合成、环境治理等领域。
设计和合成绿色催化剂是当前化学研究的热点之一，本文将探讨绿色催化剂的设计原则、合成方法以及在有机合成中的应用。
1.设计原则绿色催化剂的设计应遵循以下原则：高效、高选择性、可循环利用、对环境友好。
在设计时，需要考虑反应底物的亲和性、反应条件的温和性以及催化剂的稳定性等因素。
此外，合成绿色催化剂还应尽量降低对有毒物质的依赖，减少废物产生，实现资源的高效利用。
2.合成方法绿色催化剂的合成方法多样，常见的包括溶胶-凝胶法、浸渍法、共沉淀法、离子交换法等。
其中，溶胶-凝胶法是一种较为常用的方法，通过溶液溶胶凝胶的形式控制催化剂的结构和形貌。
浸渍法则是将活性组分浸渍到载体表面，实现催化剂的制备。
共沉淀法和离子交换法则是通过共沉淀或离子交换的方式将活性组分负载到载体上，制备具有催化活性的复合材料。
3.有机合成中的应用绿色催化剂在有机合成中有着广泛的应用，能够促进反应的进行，提高产率和选择性。
例如，金属有机框架化合物（MOFs）是一类新型的绿色催化剂，在有机合成反应中表现出色。
MOFs具有高比表面积、可调控的孔结构和丰富的活性位点，能够有效催化有机底物的转化反应。
另外，纳米金属催化剂、杂多酸等绿色催化剂也在有机合成中得到广泛应用。
总结绿色催化剂的设计和合成是当前化学领域的重要研究方向，其具有重要的理论和应用意义。
通过合理设计和合成绿色催化剂，可以实现有机合成反应的高效、高选择性进行，为绿色化学的发展做出积极贡献。
希望未来能有更多的绿色催化剂在有机合成和环境治理领域得到应用，推动绿色化学技术的发展，为人类创造更加清洁、可持续的发展环境。
绿色催化反应研究及其应用
绿色催化反应研究及其应用绿色催化反应是当前广受瞩目的研究领域之一，其被广泛应用于有机合成、材料制备、环境保护等方面。
绿色催化反应的特点是使用绿色溶媒、低催化剂用量、高转化率等，同时对环保和可持续发展具有重要意义。
本文旨在介绍绿色催化反应的研究进展及其应用。
一、绿色催化反应的发展历程“绿色化学”作为一种新兴的化学概念，旨在寻找与环境友好的化工生产方法。
绿色催化反应则是绿色化学的一个重要分支。
催化反应作为化学反应领域中最常用、最有效的化学方法之一，与绿色催化反应的发展密不可分。
20世纪70年代后期，关于绿色催化反应的研究开始逐渐兴起。
1991年，美国化学会成立了“绿色化学工业委员会”，并出版了绿色催化反应化合物手册。
同年，诺贝尔化学奖得主艾顿·柯林斯在美国首次提出“绿色化学”的概念，推动了“绿色化学”发展的进一步加速。
21世纪以来，绿色催化反应得到广泛应用，取得了显著的研究成果。
二、绿色催化反应的应用领域绿色催化反应的应用领域非常广泛，以下介绍几个比较常见的领域：(一) 有机合成在有机合成中，绿色催化反应已经成为一种重要的合成策略，催化反应中的催化剂可以有效降低反应活化能，提高反应速率和转化率，同时使用绿色溶媒或水作为反应介质，对于减少工业污染具有积极意义。
比如醛、酮、羧酸、羧酸酯等的催化加氢、催化氧化、催化重排、催化芳香基取代等反应已经得到广泛应用。
(二) 材料制备绿色催化反应还可以用于材料制备，包括金属纳米材料、纳米结构化合物、分子筛、多孔材料等的制备。
在金属纳米材料制备中，绿色催化反应可通过还原法、水热法、溶胶凝胶法等方法制备出高质量的金银铜等金属纳米材料，这些纳米材料可以用于催化反应、电子器件、生物医学等领域。
(三) 环境保护绿色催化反应在环境保护方面具有重要意义。
有机废水和有机废气的处理可以使用催化剂将有害物质转化成无害物质。
绿色溶媒和水的使用，可以减少有机溶剂、氯代溶剂等对环境的污染。
环境科学中绿色催化剂的研究
环境科学中绿色催化剂的研究随着环保意识的逐渐普及和环境问题的日益突出，绿色催化技术已经成为环境科学领域最为热门的研究方向之一。
作为一种可持续、高效、环保的新型催化技术，绿色催化剂被广泛应用于有机合成、大气污染治理、废水处理等众多领域中，取得了显著的成果。
一、绿色催化剂的概述绿色催化剂是指可以在较温和的条件下（温度、气压等低于传统催化剂）促进化学反应的一种催化剂，具有无毒性、可降解性、高效性、使用时间长等特点。
绿色催化剂可以分为生物催化剂、酶催化剂、金属有机骨架催化剂、纳米催化剂等多种类型，其中以纳米催化剂的研究最为活跃。
二、绿色催化剂的研究进展随着人们对环境问题和绿色催化技术的认识不断提高，绿色催化剂的研究也越来越受到重视。
近年来，绿色催化剂的研究涉及到很多领域，包括有机合成、大气污染治理、废水处理等。
研究者们通过设计合适的绿色催化剂，实现了一系列高效的催化反应，如环氧化、脱氢氧化、氧化脱氢等反应。
绿色催化剂的研究还涉及到纳米材料技术。
纳米催化剂是一种新型的催化剂，具有高比表面积、独特的电子结构和优异的催化性能。
研究者们通过制备不同形貌、不同元素组成的纳米材料，实现了对目标反应的高效催化，这为研究催化剂表面性质与催化性能之间的关系提供了思路。
三、绿色催化剂在广泛应用领域中的作用绿色催化剂广泛应用于有机合成、大气污染治理、废水处理等众多领域中，并取得了显著的成果。
在有机合成中，绿色催化剂可以提高反应效率，降低催化剂的使用量和温度，减少副反应的产生，提高反应选择性。
在不断优化提高催化剂性能的基础上，绿色催化剂已经成为了现代有机合成中不可或缺的重要工具。
在大气污染治理方面，绿色催化剂可以降解空气中的有害物质，减少大气污染的危害。
研究者们通过对空气中的VOCs、NOx等有害物质进行催化氧化或选择性还原等反应，使这些有害物质转化为无害的水和二氧化碳等物质，降低大气中的有害物质浓度。
在废水处理中，绿色催化剂可以加速污染物的降解和去除。
绿色化学-第五章-绿色催化剂
模板法是一种通过使用模板作为形状导向剂，制 备具有特定形貌和结构的催化剂的方法。
特点
模板法制备的催化剂具有高比表面积、高孔隙率 和良好的机械稳定性。
应用
广泛应用于制备有序介孔材料、多孔碳材料以及 多孔金属材料等。
05 绿色催化剂的未来发展与 挑战
提高催化效率与选择性
优化催化剂结构
通过调整催化剂的组成 和结构，提高其活性和 选择性，从而提高催化 效率。
绿色化学-第五章-绿色催化剂
目录
• 绿色催化剂概述 • 常见绿色催化剂的种类与特性 • 绿色催化剂的应用领域 • 绿色催化剂的制备方法与技术 • 绿色催化剂的未来发展与挑战
01 绿色催化剂概述
定义与特点
• 定义：绿色催化剂是一种在催化反应过程中能尽 可能减少或消除对人类健康、 磷酸、硅酸盐、沸石等。
特性
固体酸催化剂具有高活性、高选择 性、低腐蚀性、易回收等优点，适 用于酯化、烷基化、水解等反应。
应用
固体酸催化剂在化工、医药、农药 等领域广泛应用，如生产苯酚、异 丙醇等。
金属氧化物催化剂
01
02
03
种类
常见的金属氧化物催化剂 包括氧化铝、氧化锌、氧 化钛等。
特点
溶胶凝胶法制备的催化剂具有高活性和高选择性，同时操作简单、 条件温和。
应用
广泛应用于制备氧化物、复合氧化物以及金属氧化物催化剂。
化学气相沉积法
原理
化学气相沉积法是一种在加热条件下，使气态物质发生化学反应并 沉积在固体表面形成催化剂的方法。
特点
化学气相沉积法制备的催化剂具有高纯度、高密度和均匀的微观结 构。
药物合成
绿色催化剂在药物合成中，能够实现高效、环保 的药物合成过程，降低生产成本和减少环境污染。