水作为有机反应绿色催化剂和绿色溶剂的若干基本问题研究

Motivated by the desire of finding more environmentally benign chemical processes, chemists continuously found that some organic reactions could take place in water effectively but proceeded slowly or not at all in organic solvents. This means that water can act as a green catalyst to promote these organic reactions rather than only acting as an inert reaction medium. Our previous studies showed that water, as an acid or dual acid/base catalyst, could promote organic reactions such as epoxide-opening reactions, Friedel-Crafts reactions, the rearrangement reactions and substitute reactions of allylic alcohols. This proposal try to demonstrate the role of water in these water-promoted organic reactions based on the methodology works and mechanistic works previous performed in this group. We will design several controlled reactions to study the role of water in a certain water-promoted organic reaction. Water exhibit various unique chemical properties and it is possible that more than one factors contribute to the observed rate enhancement in a specific water-promoted organic reaction. It is very important to determine the contribution from each factor. In addition, we will also look into the question about if the hydrophobic effect between water and organic molecule can fold the organic molecule into certain stable conformation. The conclusion of this mechanistic study will help to find more applications of aqueous phase organic reactions.

近年来研究发现一些有机反应在水溶液中可以高效地进行，但是在有机溶剂中却不发生或者进行得非常缓慢，这说明水在反应中不仅仅是惰性的反应介质，水本身作为催化剂可以促进这些有机反应的进行。我们在之前的研究中发现，水可以作为绿色催化剂和绿色溶剂有效地促进包括环氧开环反应、Friedel-Crafts 反应，烯丙醇的重排反应和直接亲核取代反应等多个重要的有机反应，本基金申请在本组之前大量的方法学和初步开展的机理研究的基础上，计划精心设计多个对照反应，观察多种因素对以一个水促进的有机反应的反应速率的影响来从侧面探究水促进有机反应的机制问题，搞清水的各种化学性质在一个水促进有机反应中所起作用以及各种作用贡献的划分，另外，我们还计划研究有机分子和水之间的疏水作用是否能使长链有机分子例如角鲨烯发生构象折叠。我们所获得的结论对更好地将安全又便宜的水用于有机反应中将具有理论指导意义。

我们已经能够回答关于水促进有机反应的问题：（1）应用范围：热水能够促进一般质子酸催化的有机反应，随着反应温度的上升，水的催化能力增强，对于水溶性好的反应物，反应速度非常快，对于水溶性不好甚至完全不溶于水的反应物，需要加入少量的与水混溶的有机溶剂，例如二氧六环，以促进反应底物的溶解，但是加入有机溶剂的量应当尽可能少，否则会影响水的催化效应。（2）特点：水在常温下是一个中性的溶剂，但是当温度升高达到100度时，可以作为一个弱酸催化剂使用，但是当温度下降回到室温时，水又回到了中性，这样通过变温就可以调整水的催化活性。对于一般弱酸催化的有机反应，如果用热水作为催化剂，因为没有使用质子酸，反应的后期不需要中和反应，也就不会产生废物盐，符合绿色合成的理念。(3)工作机制：（a）我们认为在高温下水是作为质子酸促进有机反应的，而不是通过氢键作用。（b）同时该反应是在“水中”进行的，而不是在“水上”进行的，之前文献中报道的“水上”的反应，有可能是在无溶剂条件下的反应，或者是反应物少量溶解于水后转化成产物再从水中析出，我们目前还没有观察到真正意义上的“水上”反应。（c）长链烃类分子在水中或有机-水混合溶剂中并不会因为疏水作用呈现之前文献所猜测的卷曲构象。我们也尝试开展了一些氟代醇促进的有机反应研究，发展了氟代醇促进的高效的环氧引发的分子内多烯串联环化反应，并以氟代醇促进的endo选择性串联环氧开环环化反应，快速构筑多个赤潮藻毒素核心骨架，特别要指出的是具有五环结构的brevenal没有神经毒性，之前的多个研究已证实该化合物可以作为其他赤潮藻毒的解毒剂使用。