原子經濟

併發聯繼催化

2015/05/16
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併發聯繼催化(Concurrent Tandem Catalysis)
國立臺灣師範大學化學系碩士班一年級 薛園馨

在講究效率與原子經濟 (Atom Economy) 的現在，一鍋化 (one pot) 的合成策略可以達到減少溶劑、省下繁複的純化時間與管柱層析時所使用的沖堤液、避免因純化步驟中造成產物流失而使產率下降等等的優點，是合成化學家努力的目標，這次要介紹的併發聯繼催化 (Concurrent Tandem Catalysis) 便是其中一種方法。

併發聯繼催化指的是在單一個反應容器內有兩個或多個催化循環結合使反應物順利的進行多步反應來產生預期的產物，這當中必須考慮到每個催化劑與基質、與中間產物的選擇性才能有好的產率，併發聯繼催化可細分為以下幾種主要類型。1

  • 第一型
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圖一、第一型的反應(作者繪製)

如圖一，反應物經催化劑甲催化後產生中間產物 C，中間產物 C 在與反應物 B 經催化劑甲催化下得到產物 P。1如圖二，首先銥金屬配位在反應物 4-戊炔-1-胺(I) 的參鍵上，配位後參鍵被氮的孤對電子攻擊而進行分子內合環反應，再脫去金屬得到的中間產物 2-甲基吡咯啉(II)，此時溶劑內的三乙基矽烷 (III) 與中間產物 (II) 經過銥金屬催化下進行矽氫加成反應 (Hydrosilylation)，得到最終產物含矽的吡咯烷 (IV)。2

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綠色化學（Green Chemistry）與原子經濟（Atom Economy）

2009/07/08
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綠色化學（Green Chemistry）與原子經濟（Atom Economy）
國立臺灣大學化學系李俊毅/國立台灣大學化學系林雅凡博士責任編輯

在「化學反應式」文中，提到了原子經濟（atom economy）一詞，原子經濟又稱作原子效率（atom efficiency），是判定化學反應轉換效率的指標，其計算方法是將欲得到的產物（desired product）總質量除以反應物的總質量（見圖一，參考資料一）。


(圖一）

原子經濟越高就代表反應浪費掉的質量越少。以高中化學實驗製備阿斯匹靈為例，水楊酸與過量的醋酸酐反應在酸催化下可得阿斯匹靈與醋酸（圖二，參考資料二），在這個反應中阿斯匹靈是我們所要的產物，假設產率為100%，用1克的水楊酸與3.24克的醋酸可以得到1.30克阿斯匹靈，那原子經濟的百分比是1.30 ÷ (1+3.24) = 31% （此處計算忽略催化量的硫酸）

（圖二）

在合成中主要影響原子經濟的三項因素是試劑當量、保護與活化。如前段所提的阿斯匹靈合成，為使反應完全，醋酸酐在反應中添加過量，若我們能用等當量或略過當量的試劑就可達到完全反應，會大幅提升原子經濟。製藥廠生產的化合物幾乎都比阿斯匹靈複雜，分子中有多個、多種官能基，反應的試劑不見得能夠很專一地與特定官能基反應（例：烯與炔在催化劑作用下都有可能被氫氣還原)，這時候就需要將不想要反應的官能基保護住，等反應結束後再去保護。在保護、去保護，一來一往間既費時費工，也會損耗一部分的基團（因為保護基不存在於最後產物）與產率。2007年，Scripps研究中心的Baran在期刊「自然（Nature）」上發表首次不用保護基進行的複雜天然物全合成（參考資料三），所伴隨的設計概念使得有機合成往前邁進一大步。

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