综述：碳酸丙烯酯作为溶剂在可持续有机合成中的近期应用

《ChemSusChem》：Recent Applications of Propylene Carbonate as a Solvent in Sustainable Organic Synthesis

　　

本综述评估了碳酸丙烯酯（PC）作为一种非毒性绿色溶剂在有机合成中的应用，重点阐述了其在关键反应中的性能表现，包括交叉偶联反应、不对称氢化反应、多肽合成及生物催化。在这些过程中，PC能够提供与传统溶剂及其他替代绿色溶剂相当的产率。研究人员结合PC的物理化学性质对其性能进行了考量，同时讨论了其局限性、可放大性及未来展望。溶剂是有机合成中不可或缺的组成部分，广泛应用于各类工业领域。然而，传统溶剂多为有毒的挥发性有机化合物（VOCs），会显著增加废弃物排放并造成环境污染。这一现状推动了开发既能保持效能又不具备相关危害特性的可持续替代品的需求。碳酸丙烯酯（PC）已成为可持续有机合成领域中一种前景广阔的绿色替代溶剂。作为一种极性非质子溶剂，PC具有与乙腈和丙酮相似的物理化学性质，已被证明在多种合成转化中可获得与传统溶剂相当的高产率和选择性。PC具有低毒性、高介电常数和溶解能力、可生物降解性以及低蒸气压等有利特性。其高热稳定性使其能够在多个反应循环中实现有效回收利用且效率损失极小，这对于反应的规模化放大至关重要。此外，PC可通过环氧丙烷与二氧化碳（一种丰富的废弃温室气体）经100%原子经济性过程便捷制备。鉴于相关报道日益增多，本文对PC的制备及其应用进行了最新综述，涵盖了方法学进展和新转化反应。

1 引言

溶剂在有机合成中不可或缺，广泛用作各领域的反应介质，通常占工艺质量的大部分。然而，许多传统溶剂是挥发性有机化合物（VOCs），会向大气释放污染物并间接导致全球变暖。这些溶剂的易燃性和毒性还可能带来严重的健康风险。在此背景下，遵循Anastas提出的绿色化学原则，亟需开发传统有机溶剂的可持续替代品，在不产生有毒有害特性的前提下保持有效性。理想的绿色溶剂应无毒、不挥发、可生物降解，并能兼容广泛的转化反应。在涌现的绿色溶剂中，环状碳酸酯，特别是碳酸丙烯酯（PC），因其商业可得性、低生产成本和有利特性而受到关注。PC是一种极性非质子溶剂，具有与乙腈（MeCN）和丙酮相似的特性，可生物降解、无腐蚀性、蒸气压低、沸点高且毒性低。PC可由环氧丙烷通过CO₂增值化过程制备，这符合绿色化学中100%原子经济性和可再生原料利用的原则。

1.1 极性非质子溶剂在有机合成中的应用

极性非质子溶剂因其优异的溶解能力而被广泛使用。这种溶解能力源于高介电常数，能稳定带电物种并有效溶剂化离子和极性分子。与非质子溶剂不同，它们不发生氢键给体作用，从而防止与亲核试剂形成强氢键，使亲核试剂在溶液中保持较高活性。常见极性非质子溶剂包括二甲基甲酰胺（DMF）、二甲亚砜（DMSO）、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、乙腈（MeCN）、丙酮和碳酸丙烯酯（PC）。传统有机溶剂存在显著的环境、健康和安全（EHS）问题，例如DMF、DMSO和NMP被归类为危险物质，具有毒性、致癌性和环境持久性。因此，向绿色溶剂转型的努力正在增加。

1.2 碳酸丙烯酯的性质

碳酸丙烯酯是无色、可生物降解的液体，无腐蚀性且经济可行。其环状强极性结构使其成为需要稳定极性环境的化学转化的可持续介质。PC的介电常数（ε）在20°C时为64，远高于乙腈（ε=37）和丙酮（ε=21），具有出色的离子溶解和支持极性反应的能力。PC还具有高沸点（243°C）和低蒸气压，可防止有毒蒸气产生，适用于高温或长反应时间的转化，同时降低可燃性风险。PC与水部分互溶，便于后处理和产物分离。尽管存在一些实际限制，如高沸点可能阻碍产物去除、相对较高的粘度可能减缓传质以及在强碱性条件下易水解，但其综合优势使其成为一种优良的绿色溶剂。

1.3 碳酸丙烯酯的合成

商用碳酸丙烯酯的生产聚焦于CO₂与环氧丙烷的100%原子经济性环加成反应。该过程通常采用路易斯酸性金属（M）与亲核物种（X^?）结合的催化体系。金属与环氧化物结合活化后，发生亲核攻击和开环，随后CO₂插入形成半碳酸盐中间体，最后闭环生成环状碳酸酯。传统催化路线依赖金属基均相催化剂，虽有效但存在有毒金属污染、回收困难以及需要苛刻条件等问题。为解决这些问题，研究者开发了多种新型催化体系。

1.3.1 有机催化剂（无金属、氢键给体、有机碱）

这类有机化合物取代了传统机理中金属的作用，促进环氧化物活化，消除了金属污染并降低了成本。它们通过氢键活化、布朗斯特酸碱催化或形成共价中间体等方式运作。

1.3.2 离子液体（ILs）和低共熔溶剂（DES）

离子液体是室温附近呈液态的盐，具有高热稳定性和化学稳定性、低蒸气压及可调节的结构。低共熔溶剂是由氢键受体和氢键给体组成的共晶混合物，除具有ILs的优点外，还更经济、可生物降解且毒性更低。

1.3.3 负载型离子液体（SILCs）和负载型聚合物

SILCs将离子液体固定在多孔载体上，兼具均相催化剂的高活性和选择性以及非均相催化剂易于分离和回收的特点。负载型聚合物则将催化活性物种固定在聚合物基质上，同样便于回收和重复使用。

1.3.4 金属有机框架（MOFs）和功能化沸石

MOFs是多孔晶体材料，其金属节点和有机配体可协同活化环氧化物和CO₂，在温和条件下获得良好转化率。沸石是微孔铝硅酸盐，具有明确的晶体结构和大量功能位点，可提供布朗斯特酸或路易斯酸碱位点，具有良好的CO₂吸附能力和热稳定性。

2 碳酸丙烯酯作为有机合成中的绿色溶剂

2.1 金属催化的交叉偶联反应

多项研究探索了PC在钯催化交叉偶联反应中的应用。在羰基化Sonogashira和Suzuki-Miyaura反应中，PC表现出与传统溶剂相当的产率和选择性，且由于高介电常数促进了CO溶解，在羰基化途径中显示出更高的催化效率（TON和TOF显著提高）。PC不竞争性配位钯，避免了DMF等溶剂的问题。在Suzuki-Miyaura反应中，PC的高沸点有利于微波加热，缩短反应时间。然而，当底物含有酸性N-H基团时，在碱性条件下PC可能发生开环副反应。在C-H芳基化反应中，PC和DMF均能提供高转化率，但两者产生的副产物谱不同。PC在Pd催化的1,2-二取代葡萄糖烯烃合成和苯氧羰基化反应中也优于其他溶剂，甚至可在无配体条件下进行。在氧化氨基羰基化反应中，PC同样超越了所有其他替代溶剂。

2.2 氧化反应

PC在含硫化学战剂（CWAs）的氧化解毒中表现出色。对于芥子气模拟物的氧化，PC的性能与乙腈相当，实现了完全转化和对非糜烂性亚砜的完全选择性。PC的低供体数（DN）是关键参数，使得锍中间体易于被水进攻。在Pd催化的烯丙位氧化反应中，PC比二甲基碳酸酯（DMC）、甲基异丁基酮（MIBK）甚至纯乙酸更快，且在大多数底物上选择性更高。然而，对于顺式茉莉酮，PC的高极性促进了快速异构化而非期望的烯丙基乙酸酯产物。此外，PC的应用还被拓展至有机电合成领域。