碳酸二甲酯在有機(jī)合成中的應(yīng)用

余孔強(qiáng) 郭猛(正大天晴藥業(yè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 連云港 222062)

0 引言

石化原料仍然是燃料、化學(xué)品和聚合物工業(yè)功能性碳的主要來源，使用可再生原料如生物質(zhì)和二氧化碳作為替代工業(yè)原料和發(fā)展環(huán)保生產(chǎn)路線越來越受到人們的關(guān)注。近幾年二氧化碳已被用于生產(chǎn)各種化學(xué)品，例如甲醇、甲酸、碳酸二甲酯(DMC)等[1-3]。如今DMC 的大規(guī)模生產(chǎn)可通過清潔工藝(即無光氣工藝)進(jìn)行，將二氧化碳插入環(huán)氧化合物制備DMC[4]，原則上可以實(shí)現(xiàn)二氧化碳的循環(huán)利用，減少因使用石化原料導(dǎo)致的溫室氣體排放；DMC 在大氣氛圍中容易被生物降解(根據(jù)OECD 301C 生物降解性測試指南28 天降解超過90%)，且對金屬沒有腐蝕性，可以實(shí)現(xiàn)安全處理，在有機(jī)合成中能夠替代劇毒的鹵代烷、硫酸二甲酯和光氣等反應(yīng)試劑[5,6]。因此，對DMC 在有機(jī)合成中的應(yīng)用進(jìn)行探討和深入研究，有利于推動化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)性和綠色發(fā)展。

1 碳酸二甲酯(DMC)作為安全、綠色溶劑

碳酸二甲酯(C3H6O3，分子量90.08g/mol，沸點(diǎn)90.3℃，熔點(diǎn)4.6℃，閃點(diǎn)21.7℃，密度1.069g/ml)簡稱DMC，為無色透明液體，有類似甲醇的氣味，接觸或吸入不會產(chǎn)生刺激或誘變作用，安全低毒；能以任意比例與醇、酮、酯等幾乎所有的有機(jī)溶劑混合，微溶于水[7]。

DMC 作為最綠色的溶劑之一可以替代鹵代烷、甲基乙基酮、乙酸乙酯、甲基異丁基酮、乙酸丁酯、乙二醇醚和大多數(shù)其他酮。相比經(jīng)典溶劑，DMC、異丁醇、1,3-丙二醇和甘油等新型溶劑在藥物中間體合成中的應(yīng)用受到關(guān)注。DMC 用于制備脫水異山梨糖醇的反應(yīng)溶劑，使用催化量堿，實(shí)現(xiàn)了無氯、一鍋法、環(huán)境友好的工業(yè)化生產(chǎn)。H2O2/DMC 作為對環(huán)境無害的氧化劑和溶劑系統(tǒng)，應(yīng)用于由N-烷基胺和芳香醛一鍋法制備N-烷基噁唑烷，實(shí)現(xiàn)高收率[8]。DMC 是過渡金屬催化反應(yīng)的合適溶劑：在DCM 中釕催化的末端烯烴和炔烴的交叉復(fù)分解反應(yīng)以化學(xué)計量比例進(jìn)行；在DCM 中醋酸鈀催化的選擇性環(huán)羰基化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)由烯丙基苯酚衍生物制備內(nèi)酯[9]。

DMC 還被應(yīng)用于萃取溶劑。甲酸作為重要的工業(yè)化學(xué)品可以由DMC 從稀水溶液中提取得到；DMC 對甘油三酸酯也表現(xiàn)出良好的提取性能[10,11]。

2 碳酸二甲酯應(yīng)用于生物來源平臺化學(xué)品的升級

生物來源的化學(xué)品通常用于替代現(xiàn)有石化產(chǎn)品，有利于降低化工生產(chǎn)過程中的有毒性、減少溫室氣體排放、實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)性發(fā)展。然而目前生物來源的平臺化學(xué)品清單中大部分仍為最初鑒定的化合物，例如乙醇、功能化的一元和二元羧酸(乳酸、乙酰丙酸、羥基丙酸和琥珀酸)、呋喃類產(chǎn)品(糠醛、羥甲基糠醛和呋喃二羧酸)、異戊二烯的生物碳?xì)溲苌铩⒏视图捌溲苌铩⑵渌穷?山梨糖醇和木糖醇)等。DCM 作為甲基化試劑和甲氧羰基化試劑已經(jīng)被應(yīng)用于一些生物來源平臺化學(xué)品的升級[12]。

甘油與DMC 通過酯交換反應(yīng)制備碳酸甘油酯(GC)或甘油二碳酸酯(GDC)[13]。在催化劑的作用下，通常在40-80℃下只需要幾個小時會以非常高的選擇性和90%以上的收率生成GC，而GDC 產(chǎn)生需要過量的DMC 和更長的反應(yīng)時間。甘油縮醛也可與DMC 通過甲氧羰基化或甲基化反應(yīng)制備其衍生物。

采用陽離子交換樹脂吸附水相發(fā)酵液中的琥珀酸二鈉鹽，然后被吸附的琥珀酸鹽在季銨離子催化下與DMC 發(fā)生O-甲基化反應(yīng)生成琥珀酸二甲酯。在堿催化下，乙酰丙酸與DMC反應(yīng)可以制備多種衍生產(chǎn)品，包括乙酰丙酸甲酯、4,4-二甲氧基戊酸甲酯和琥珀酸二甲酯[14]。

在固定化脂肪酶B 的催化下，羥甲基糠醛與DMC 反應(yīng)生成甲氧羰基化衍生物。使用大孔樹脂吸附含2,5-呋喃二甲酸二鈉的微生物發(fā)酵液，然后在100℃高壓釜中與過量的DMC 進(jìn)行甲基化制備2,5-呋喃二甲酸二甲酯[15]。

在堿性催化劑存在下，D-山梨糖醇與DMC 直接反應(yīng)制備異山梨醇，也可一鍋法進(jìn)一步制備二甲基異山梨醇。首先將反應(yīng)混合物在90℃加熱以允許定量D-山梨糖醇環(huán)化為異山梨醇，然后在200℃下進(jìn)行甲基化反應(yīng)得到二甲基異山梨醇[16]。

3 碳酸二甲酯在聚合物合成中的最新應(yīng)用

聚氨酯(PU)種類繁多，作為商業(yè)化應(yīng)用廣泛的塑料家族，僅2014 年在歐洲的年產(chǎn)量就達(dá)到四百多萬噸。這些塑料具有重量輕、強(qiáng)度/重量比優(yōu)異、能量吸收性能好、舒適特性和廣泛的可調(diào)性，已在生物醫(yī)學(xué)、汽車和建筑行業(yè)等眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。PU 的常規(guī)工業(yè)制備工藝：在叔胺催化下，二醇或多元醇與二異氰酸酯通過聚合反應(yīng)生成PU。一方面、二異氰酸酯具有高毒性和高有害性；另一方面、二異氰酸酯單體通常是以劇毒的光氣與相應(yīng)的胺反應(yīng)合成的，并且伴隨副產(chǎn)物無機(jī)酸產(chǎn)生，顯然它的合成是高碳足跡的過程。開發(fā)聚氨酯(PU)的綠色合成工藝是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，氨基甲酸酯可被視為聚氨酯的環(huán)保前體，替代劇毒的二異氰酸酯。近年來已經(jīng)開發(fā)出低碳足跡制備氨基甲酸酯的工藝，即采用碳酸二甲酯(DCM)與伯胺或仲胺經(jīng)縮合反應(yīng)制備，避免了使用異氰酸酯(示例如圖1)[13]。

圖1 使用碳酸二甲酯(DMC)可持續(xù)制備聚氨酯(PU)

脂肪族聚碳酸酯(APCs)具有生物降解性和可回收性，因此被認(rèn)為是有前途的可持續(xù)材料。APCs 的使用相關(guān)的優(yōu)勢之一是它們在水中的水解速率相對較低，并且具有更多的無定形性質(zhì)；其二，APCs 在體內(nèi)降解時不會形成二羧酸，避免了局部組織酸度的升高引起明顯的炎癥反應(yīng)有關(guān)[17]。應(yīng)用高活性和穩(wěn)定的均相催化劑，通過環(huán)氧乙烷和二氧化碳聚合制備APCs 的工藝具有原子經(jīng)濟(jì)性，但是僅限于制備兩個碳原子(來自環(huán)氧乙烷)的APCs。Li 和他的同事研究報道了脂族二醇與碳酸二甲酯(DMC)之間連續(xù)酯交換/縮聚反應(yīng)制備APCs(如圖2)，該反應(yīng)是在TiO2/SiO2基催化劑(TS-44)作用下進(jìn)行的，收率在85%以上；所得聚合物的特征在于高分子量(≥16.6×104g/mol)和窄分散度(≤1.86)，具有較高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率，足以滿足可生物降解塑料的機(jī)械要求[18]。

圖2 使用碳酸二甲酯(DMC)高產(chǎn)率制備脂肪族聚碳酸酯(APCs)

4 碳酸二甲酯作為綠色化學(xué)試劑應(yīng)用于官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化

DMC 具有多種反應(yīng)性，可以參與到許多化學(xué)轉(zhuǎn)化中，例如甲基化、羰基化和甲氧基羰基化；并能替代常規(guī)試劑，例如碘甲烷、硫酸二甲酯和光氣。

DMC 分子中含有兩個反應(yīng)活性中心(甲基碳和羰基碳)，其反應(yīng)性可隨溫度調(diào)節(jié)，也取決于具體的實(shí)驗(yàn)條件。在回流溫度(90℃)下，DMC 主要作為甲氧羰基化試劑，親核試劑進(jìn)攻DMC 的羰基碳生成酯交換產(chǎn)物；在較高溫度下(通常為160℃)，DMC 主要作為甲基化試劑，親核試劑進(jìn)攻DMC 的甲基碳，生成甲基化產(chǎn)物。DMC 參與上述反應(yīng)不會產(chǎn)生無機(jī)鹽，有利于工業(yè)化清潔生產(chǎn)和產(chǎn)品分離[19]。

圖3 碳酸二甲酯(DMC)參與的官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化途徑

DMC 作為綠色反應(yīng)試劑，在有機(jī)合成中有著廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)多種官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化，如圖3 所示[13]。DMC 反應(yīng)的化學(xué)選擇性取決于幾個因素，包括親核試劑的性質(zhì)、反應(yīng)條件和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。DMC 的一些可能的反應(yīng)路徑在圖3 中從上到下順時針列出：與苯酚反應(yīng)生成茴香醚，與醇反應(yīng)生成烷基甲基碳酸酯或烷基甲基醚，與芳胺反應(yīng)生成N-甲基芳胺，與叔胺反應(yīng)生成碳酸甲酯季銨鹽，與酯反應(yīng)生成甲酯，與伯胺反應(yīng)生成氨基甲酸酯，與1,2-二醇反應(yīng)生成五元環(huán)狀碳酸酯，與環(huán)戊酮反應(yīng)生成二元羧酸甲酯，與羥基亞胺反應(yīng)生成惡唑烷酮，與活性亞甲基化合物反應(yīng)生成其甲基化產(chǎn)物。

5 結(jié)語

DMC 新生產(chǎn)工藝的前景始于CO2，可以實(shí)現(xiàn)無光氣的綠色清潔生產(chǎn)和擺脫石化原料的可持續(xù)生產(chǎn)。DMC 具有廣泛的反應(yīng)活性，這使DMC 成為了CO2和甲基官能團(tuán)的理想載體，可用于可再生生物基衍生物的升級和增值；DMC 通常同時充當(dāng)反應(yīng)物和可循環(huán)使用的反應(yīng)介質(zhì)，避免使用其他有毒溶劑或石化來源的溶劑；DMC 可以實(shí)現(xiàn)聚合物生產(chǎn)的無毒和低碳足跡工藝；DMC 還可以替代碘甲烷、硫酸二甲酯和光氣等劇毒常規(guī)試劑，實(shí)現(xiàn)多種官能團(tuán)的轉(zhuǎn)化。顯然，DMC 的應(yīng)用開發(fā)是綠色有機(jī)合成的重要發(fā)展方向之一，在實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好和資源可持續(xù)性方面意義重大。