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有机物合成方法范文1
关键词: 最优化方法 合作博弈 分配模型
在社会发展过程中,水资源已成为影响区域发展的重要资源,流域范围内水资源利用的冲突,归根就是各利益主体的水资源开发利用和水环境保护合作问题。解决流域环境问题冲突时,排污权分配是一个重要问题,一般以多目标优化模型为技术手段,以达到流域全局最优策略;但各个主体的既得利益也不能忽视,如何通过谈判达到多赢效果也是一个重要问题。因此,博弈论也被广泛应用于流域内的排放、分配问题的研究。污水处理厂作为我国常见的排污个体,由于种种原因仍处粗放式管理,同一流域的污水处理厂,可能存在地域性的不公平,未能达到整体的最优化。本研究从这个角度切入,通过建立最优化-合作博弈模型,研究了同一流域内不同污水处理厂的排污量分配及利益分配方案,实现区域整体最优化,并通过利润再分配减少了各参与主体的成本。
1 文献综述
目前我国在控制改善环境质量方面,污染物总量控制制度发挥着重要作用。基于总量控制下的河流排污权分配,我国学者利用优化模型进行研究,如陈阳[1]等研究了一种基于相互补偿的协商分配模型。刘首文[2]等、黄国如[3]等以基本遗传算法求解多个排放口的最优化处理问题。王艳[4]运用最优控制原理与博弈论,研究了流域水环境管理的区域间自愿合作协商促进机制。刘红刚[5]等采用合作博弈论方法,建立了在给定污染物总削减比例条件下各区域环境合作的博弈模型。在国外方面,Deininger[6]使用线性规划方法研究了在保证预设水质要求的条件下污染负荷的最优分布。Liebman和Lynn[7]、Shih[8]使用动态规划识别了污染负荷沿着一条河流的最优分布。Loucks等[9]建议对于同一类问题推广线性规划方法。Ecker[10]提出了一个几何规划模型,并用于在维持现状溶解氧水平的基础上优化河流污染负荷分配,以达到处理费用最小化。CardweIJ和Ellis[11]提出了一种最优化模型,用于在考虑参数不确定性和模型不确定性的清况下,进行多个点源的污染负荷分配。总体来说,国外对环境冲突问题的研究日渐深入,博弈论在国外环境科学领域的研究成果非常丰富,提出过包括流域污染微分博弈的旁支付方法、流域污染多阶段超级博弈模型等方法,几乎博弈论的每一个最新成果,在环境问题中都能找到应用实例。
2 区域污染物排放量最优化分配模型
2.1 问题提出
假设某一流域存在n个排污口,如n个污水处理厂。将每个排污口作为整个博弈系统的一个参与者,则所有的参与者形成一个集合I 。在给定集合I排放总量情况下,如何分配集合内部各参与者(排污口)之间污染物排放量,并尽可能使其节约成本。其中,不同的参与者用i(i =1, 2, ..., n)表示,其排放量用s表示,各排污口的处理率为η。
由于η为各排污口的处理率,因此可将ηi称为各个参与者(排污口)i的处理策略,将I=(n1,n2,...,nn)称为参与者的策略集。
通常,各污水处理厂的污水处理费用,也就是参与者i的成本可以用下式来表达:
区域内总排污成本为:
其中,M表示处理成本,η表示污水厂的处理率,q表示流量,a、b、c分别为参数,具体由于各地区不同工艺设备、成本控制、排污流量等因素而产生差异,需通过具体调查确定。对于同一污水处理厂,若当地管理者要求污染物削减量越大时,则要更大幅度地提高污染物的处理率,以达到更高的治理要求,则处理成本Mi越高。
一般来说,在形成合作联盟之前,各个参与者间无好的信息交流或合作协议,较为公正的排污分配方案是统一采用平均分摊法,例如,每个排污口都采取相同处理率。此时则有:
其中,上标N代表为非合作状态。式2-4即为采用平均分摊方案情况下的总成本。
平均分摊对于每个参加者来说或许是公平的,但这其实是因各参与者间缺乏信息共享、没有形成统一联盟,而形成一个整体高成本的Nash均衡的博弈结果,即所谓的“囚徒困境”。根据合作博弈理论,其结果必定符合Pareto最优,通过形成协议联盟进行合作,降低总体成本,获得额外利益,并进一步将收益公平合理分配,从而使各个参与者合作后的成本都低于合作前的成本,这种做法是完全可以实现的。
当采取合作时,则总体成本存在最优化模型:
其中,约束条件(2-6)表示进行区域合作后的排污量必须到达规定排污量削减指标。约束条件(2-7)表示处理率的范围在0-1之间。
此外,根据合作博弈的定义,该联盟合作后的成本必须小于合作前各成员单干的成本,否则该联盟的形成就没有意义。因此还有下式成立:
2.2 优化模型解析解
3 合作博弈分配模型
3.1 优化模型存在问题
经过优化模型分配后的排放量,虽然在整体经济效益上最优的,但对于参与的各个成员来说,则未必最优。最优化的结果通常为大部分参与成员成本下降,某些参与成员反而成本上涨。因此对这些成员来说,他们没有真正参与合作的动机,联盟也就不能成立。因此,要保证联盟成立,统一优化过程可行,还需进一步对联盟得到的利润进行科学合理的分配,使每个参与成员的成本在参与联盟后都比参与前有所降低,确保联盟合作的可行性。
在这个联盟中,Z(I)是所有参与者都参与的大联盟,同时,任意参与者都可能会形成一个子联盟,该子联盟是大联盟集合I的真子集。因此,若存在n个参与者,则共可以形成2n个子联盟。设某个参与者的子集合K形成的博弈联盟为Z(K)。
定义V为联盟所获得的收益,则V(I)为大联盟所获得的收益,V(K)为子联盟所获得的收益。用pi表示参与成员i从联盟最大收益值中V(I)应获得的利润,集合P=(p1,p2,…pi)称为该合作博弈的分配策略。根据合作博弈的定义,pi应同时满足以下两个条件:
(1)整体合理性:
即每个参与者所分配到的额外收益,等于整个合作联盟比合作前增加的额外收益的总和。
(2)个体合理性:
即每个参与者参与联盟后得到的收益,应当高于他未参加合作时(即单干时)所获得的收益,否则该成员没有参与联盟的动机。
3.2 博弈模型的求解
因此,要对合作联盟得到的利润进行合理分配,就是要求解满足上述条件的pi的过程。合作博弈模型的求解方法比较多,本文主要选择Shapley值法与核心法,分别进行求解。
对于一个联盟来说满足式(3-1)及式(3-2)的分配方案有很多种,在一般情况下,或在强有力的约束协议下,只要满足上述两式条件的分配方案都可以被参与成员接受。但是如果联盟协议的约束力并不强,并假设所有参与者都追逐最大利益的情况下,则还要考虑子联盟的情况。若有数个参与者发现当他们组成一个小联盟后,获得的收益比参与大联盟时要更高,这样他们就不会参与大联盟,而形成收益更高的小联盟了,而大联盟也就随之不能成立。因此,在这种情况下,大联盟的分配必须保证每个成员的的收益都高于他任何可能参与的小联盟的收益,才能保证大联盟的稳定性。
由于核心是满足以上所有条件的解集,因此理论上来说核心内的解才是最符合联盟收益最大化的。从满足整体合理性及个人合理性的角度来说,以核心作为分配策略才最为合理。但遗憾的是,由于要求过高,核心的解集往往是空集,从而大大限制了核心法的运用,因此只能寻求其他的妥协方法进行求解,从而求得到相对公平的分配策略。
Shapley值法是一个重要的求解方法之一,其可确保得到合作博弈的唯一解。其结果可能在核心集合内,也可能在核心集合外,但能保证存在唯一解。事实上,Shapley值法是对于该博弈联盟的每个参与者,考察其对所有可能存在的子联盟的贡献率及其概率大小,按照该贡献率给出参与者在联盟博弈中的一个分配方式。Shapley值由特征函数V确定,特征函数V即该联盟合作后获得的额外利润。由于当联盟中仅存在一人时,即相当于该参与者单干,因此他采取的策略仍为平均分摊法时的策略,即η。由此可知,当联盟K为单参与者i时,V(i)= 0。
综上所述,根据最优化结果得到的分配方案建立的博弈模型,是以求解分配方案P=(p1,p2,…pi)为目标。首先必须求得联盟的特征函数V,包括大联盟I的特征函数,以及所有子联盟K的特征函数。随后根据式(3-3)(3-4)(3-5),寻找该博弈模型的核心,看是否为空集。
一般情况下都采用Shapley值法进行求解博弈模型,因其是根据成员贡献来进行收益分配,且一定有解,解可能在核心集合内。Shapley值法可根据以下公式进行求解:
上式中,Pi即为Shapley值。|K|为博弈联盟K所含的元素个数,V(K)表示包含参与者i的联盟K的博弈特征函数,V(K\i)表示在联盟K中,若将参与者i除去后,剩余参与者组成的博弈联盟的特征函数。
4 研究案例
4.1 案例现状及参数选取
本研究选用粤西阳春市漠阳江流域。参考《粤西水质保护规划》,根据不同规划年限城镇生活污水处理率的要求,综合考虑水污染源预测结果、污水处理厂建设规划现状、削减量,提出的漠阳江流域城镇污水处理工程建设方案中的重点规划项目,漠阳江上游的春湾污水处理厂于2010年新建,处理规模1.0万t/d,2020年将扩建至2.5万t/d;合水污水处理厂于2010年新建,处理规模1.0万t/d,2020年将扩建至1.5万t/d;春城污水处理厂与2010年扩建至规模4万t/d,2020年将扩建至8.0万t/d。本研究将采用以上污水处理厂2020年数据。
根据上级单位分配给阳春市的“十一五”COD排放总量,规划提出近年内COD目标总量控制方案,见下表。
表4-1 漠阳江阳春市流域COD总量控制目标
本研究采用2020年COD允许排放量数据进行计算。
此外,由2.1节可知,污水处理厂的处理率参数a、b、c,具体由于各地区不同工艺设备、成本控制、排污流量等因素而产生差异。根据文献调查,式(2-5)中的污水处理参数a=200,b=1000,c=0.8,污水处理厂进水COD浓度为650mg/L。
4.2 最优化方法求解排污量分配
根据上节,至2020年时三个污水处理厂运行规模,可以算出每个污水处理厂的平均排污流量(春湾污水处理厂为1,合水污水处理厂为2,春城污水处理厂为3,下同)及COD产生量。又根据表3-2,由于2020年该流域内COD允许排放量为6686t,因此总的COD处理率应至少达到0.77。在形成合作之前,为公平起见,每个污水处理厂都采取相同的处理效率,即都采取77%的削减率,这能达到管理者的要求。在这种情况下,根据式(2-1),各厂的成本分别为:
即,1号参与者采用0.56的处理率,2号参与者采用0.52的处理率,3号参与者采用0.88的处理率时,可以使总成本达到最小。相比起采用平均分摊法的策略,总体成本共节省了45.45万元。
但是如果直接采用这种方法的话,会使1号、2号参与者的成本有较大的降低,而使3号参与者的成本有较大的提升,这样3号参与者必定不会同意这种联盟的实现。因此,为了使得合作顺利实现,必须对合作带来的收益(即经集体规划后节省下来的资金)用合作博弈模型重新进行分配,使各个参与者在参加联盟后都有所收益,才能保证联盟的顺利进行,保证最优化分配的可行性。
4.3 合作博弈模型求解分配方案
5 结语
本论文对在同一流域的不同排污口之间的排污量最优化分配模型及成本分配的合作博弈模型上进行了研究。以同一流域内的不同排污口为基础,为改变平均分摊法导致成本较高的弊端,在达到管理者要求的处理率的前提下,以总体成本最小为目标,建立了排污口处理率分配优化模型,并通过数学方法,求得了该二次规划问题的解析解。由于最优化的结果通常为大部分参与成员成本下降,而某些参与成员反而出现成本上涨,因此这些成员没有真正参与合作的动机,联盟也就不能成立。为保证联盟成立使得统一优化过程可行,通过建立合作博弈的模型,并使用核心解法及Shapley值法,进一步对联盟得到的额外收益进行科学合理的分配,使得每个参与联盟成员的成本都比参与前降低。根据粤西漠阳江流域阳春市范围内的春湾、合水、春城三家污水处理厂,以当地管理者提出的COD排放总量控制要求,用合作实例用模型进行了验证分析。在满足COD最大允许排放量的情况下,通过组成统一联盟,进行处理率最优化,以及采用合作博弈进行收益分配后,春湾、合水、春城三家污水处理厂分别采用56%、52%及88%的处理率,取代之前的平均分摊法,使得处理成本分别比合作前降低了11.79、10.69及22.97万,分别占总成本比例的4.01%、5.56%和3.86%。可见,通过合作降低成本的做法是有效的。
【参考文献】
[1] 陈阳,赵勇,肖江文.激励机制下污染物允许排放总量的分配模型[J].华中科技大学学报,2006,34(6)
[2] 刘首文,冯尚友.遗传算法及其在水污染控制系统规划中的应用,武汉水利电力大学学报,1996.29 (4):95-99.
[3] 黄国如,胡和平等基于遗传算法的水污染控制系统规划清华大学学报,2002,42(4)551―554
[4] 王艳.流域水环境管理合作促进机制博弈分析[J].系统工程,2007,25(8):54-57
[5] 刘红刚,陈新庚,彭晓春.基于合作博弈论的感潮河网区污染物排放总量削减分配模型研究[J].生态环境学报,2011,20(3):456-462
[6] Deininger,R.A.. Water quality management: the planning of economically optimal pollution control systems[D].Northwestern University, Evanston,Illinois. 1965
[7] Liebman,J.C.and Lynn,W.R. The optimal allocation of stream dissolved oxygen[J].Water Resources Research.1966.2521
[8] Shih,C.S.. System optimization for river basin management[Jl. Journal of the Water Pollution Control Federation.1970.42: 1792
[9] Loucks,D.P.,Revelle,C.S. and Lynn,W.R.. Linear programming models for waterpollution controI[J].Management Science,1967,14(B):166
有机物合成方法范文2
法定代表人:卢华林,经理。
委托人:李梅,北京市鼎铭律师事务所律师。
被上诉人(原审被告):成都兴隆房地产开发有限公司,住所地成都市双栅子街7号。
法定代表人:黎光隆,总经理。
委托人:李勇,成都市锦江律师事务所律师。
被上诉人(原审被告):四川新基业房屋开发公司,住所地成都市一环路北三段新82号灰楼436—438室。
法定代表人:孙沪勇,总经理。
一、案件基本事实
1994年7月6日,成都建川置业公司(以下简称置业公司)与成都兴隆房地产开发有限公司(以下简称兴隆公司)签订了《联合建房协议》。该协议约定:置业公司将已取得的化成寺建设项目转给兴隆公司。兴隆公司支付置业公司前期工程费及赔偿费共675万元。合同签订后,因兴隆公司资金困难,四川新基业房屋开发公司(以下简称新基业公司)提出独立投资与置业公司合作。7月13日,置业公司将化成寺项目资料交给新基业公司,同日,新基业公司付款100万元给置业公司,至同年9月28日,共付款185万元。置业公司向新基业公司出具了收款凭证。由于《联合建房协议》中没有新基业公司,新基业公司未与兴隆公司、置业公司签订任何形式的投资协议,新基业公司不愿继续付款。
另查明:化成寺建设项目用地,系成都市锦江区物资局(以下简称物资局)通过行政划拨取得的仓储用地。1993年5月,物资局与置业公司签订《联合改造危房协议》,未办理土地使用权变更手续,置业公司没有取得土地使用权。兴隆公司与置业公司签订联合建房协议》后与他人签订了《地质工程勘察合同》、《工程设计合同》,但是,没有实际履行。
二、四川省高级人民法院一审认定与判决
1994年11月,置业公司从新基业公司取走化成寺建设项目资料,新基业公司向成都市中级人民法院提起诉讼,请求置业公司返还185万元投资款。
置业公司则于1995年6月向四川省高级人民法院提起诉讼称:1994年7月6日,建川公司与兴隆公司签订《联合建房协议》,该协议约定,兴隆公司支付675万元给建川公司,建川公司即将已取得的化成寺建设项目全部资料交兴隆公司,由兴隆公司立项开发。之后,在一次有兴隆公司、建川公司、新基业公司参加的会议上,兴隆公司常务副总经理杨正乾向建川公司介绍,化成寺建设项目由兴隆公司与新基业公司一起开发,具体由新基业公司执行,新基业公司法人代表亦表示认可。1994年7月13日,按协议约定及兴隆公司杨正乾的便条所示,建川公司将化成寺建设项目的ll份资料交给新基业公司,新基业公司即付款100万元至建川公司帐上,后陆续付款至185万元。兴隆公司于同年7月30日、8月24日签订了工程地质勘察合同,工程设计合同等。但新基业公司尚欠490万元投资款,虽经催促,仍不履约。
为此,请求判令两被告继续履行合同及支付逾期付款的资金利息。
兴隆公司答辩称:兴隆公司未与新基业公司建立联合投资开发化成寺的任何关系,在杨正乾引见了建川公司和新基业公司后,上述双方即具体执行建川公司和兴隆公司的联合建房协议,兴隆公司的权利义务即转移给新基业公司,即建川公司与兴隆公司的法律关系变更为建川公司与新基业公司的法律关系。兴隆公司不应对此案承担任何经济上的义务。
新基业公司答辩称,新基业公司与建川公司、兴隆公司三者之间就开发化成寺项目从未形成明确的权利义务关系,因此,新基业公司根本不存在享有权利、履行义务、承担民事责任的问题,原告建川公司对新基业公司的诉讼请求不能成立。新基业公司付款185万元给建川公司是在不明真像的情况下作出的错误的意思表示,新基业公司已就要求建川公司返还185万元,向成都市中级人民法院提起诉讼。
案经四川省高级人民法院审理认为:置业公司与兴隆公司签订的(联合建房协议),名为联合建房,实为转让建设项目。置业公司没有依法办理建设用地使用权变更手续,该协议无效。置业公司、兴隆公司对该协议无效均有过错,因协议无效造成的损失由各自承担。兴隆公司依协议接收的化成寺项目建设场地,应当返还置业公司。兴隆公司与新基业公司没有联合投资的合作关系,新基业公司不是置业公司与兴隆公司转让建设项目协议关系的权利义务主体,置业公司请求兴隆公司与新基业公司继续履行《联合建房协议》的主张不能成立。该院(1995)川民终字第67号民事判决,已经确认新基业公司支付置业公司185万元的行为无效。并已判令置业公司返还新基业公司。兴隆公司提出,已将其与建川公司《联合建房协议》中的权利、义务转移给新基业公司,兴隆公司已退出该协议,此项主张没有证据证明,不予认定。根据最高人民法院《关于审理房地产管理法施行前房地产开发经营案件若干问题的解答》第7条、第9条、第45条的规定,经该院审判委员会讨论决定,据此判决:
(一)建川置业公司与兴隆房地产开发有限公司签订的《联合建房协议》无效。因协议无效而造成的损失,由各自承担;
(二)驳回建川置业公司的诉讼请求。
本案案件受理费46000元,其他诉讼费9200元,共计55200元。由建川置业公司承担27600元,兴隆房地产开发有限公司承担27600元。
三、当事人上诉请求与答辩理由
置业公司不服一审判决,向本院提起上诉称:一审判决认定置业公司与兴隆公司签订的《联合建房协议》为建设项目转让不妥:《联合建房协议》是置业公司与兴隆公司双方真实意思表示,并已实际履行,应当认定有效;兴隆公司与新基业公司已经合作履行《联合建房协议》,应当继续履行。
兴隆公司、新基业公司答辩称:一审法院判决认定的置业公司与兴隆公司签订的《联合建房协议》为转让建设项目的性质,并认定该协议无效正确。对过错分担及损失相抵的认定亦符合客观实际,请求二审法院驳回置业公司的上诉请求,维持一审法院判决四、最高人民法院认定与判决
最高人民法院经审理认为:置业公司与兴隆公司签订的《联合建房协议),约定置业公司将化成寺建设项目转让给兴隆公司,兴隆公司支付置业公司675万元,置业公司不参加共同开发经营,不承担风险,一审法院据此认定《联合建房协议》名为联建,实为转让建设项目并无不当。置业公司在没有取得化成寺建设项目用地使用权的情况下,与兴隆公司签订《联合建房协议》,违反了《中华人民共和国城镇国有土地使用权出让和转让暂行条例》的有关规定,应当认定无效。新基业公司没有与兴隆公司、置业公司签订任何形式的合作协议,置业公司要求新基业公司履行《联合建房协议》,没有事实根据和法律依据,不予支持。兴隆公司依,联合建房协议)接收的化成寺建设项目用地应当返还置业公司,新基业公司接收的化成寺项目资料应当返还置业公司。置业公司收取的新基业公司185万元“投资款”,已经一审法院(1995)川民终字第67号民事判决返还。据此,依照(中华人民共和国民事诉讼法》第一百五十三条第一款第(一)项之规定,最高人民法院于1997年6月5日以(1996)民终字第104号民事判决书判决如下:
有机物合成方法范文3
有机化学是发展最迅速的化学学科,利用有机合成可以生产出人们所需要的具有特殊功能的有机物,而这正是基于对有机化学反应的研究。本节课从反应机理出发研究有机反应,以逆合成分析理论为指导合成有机物,让学生对有机合成有一个初步的认识,为学生将来学习相关专业打好基础。通过本课的学习也可以让学生认识到学习有机化学的意义,对立志于从事化学相关职业的学生有一定的指导价值。
二、教材分析
“有机化学反应的研究”属于苏教版选修模块《有机化学基础》专题1的内容。该专题介绍了科学家研究有机物的方法,教材按照有机物组成的研究
有机物结构的研究有机化学反应的研究这样的顺序编排,使得学生对研究有机物的方法有一个系统的了解,而关于有机化学反应的研究不仅巩固了必修2中所学的有机反应类型,并且对有机反应的本质有了更加深刻的解读,为后续有机的推断和有机的合成的学习奠定了更加坚实的基础。
三、学情分析
学生通过必修2专题3的学习,已经具备了一定的有机化学基础知识,这对学习本节课提供了必要的知识储备,本节课中的逆合成分析理论,有机反应机理是属于大学有机内容,难度较大,需要教师进行简化处理以适应学生的认知水平。
四、教学目标
1.知识与技能
认识反应机理在有机化学反应研究中的重要性;能用同位素示踪法解释简单的化学反应;知道甲烷卤代反应、酯化反应、酯的水解反应机理。
2.过程与方法
通过小组讨论的方式培养学生的合作意识,通过查阅资料的方式培养学生的收集信息等能力,通过理论与生活、生产、科研的联系,提高学生解决实际问题的能力。
3.情感态度与价值观
通过对科学史料的介绍激发学生对科学研究的热情,增强学生学习化学的动力;使学生了解化学在生产生活中的应用,为学生的职业生涯规划作指导。
五、教学过程
环节一:有机反应在有机合成中的价值体现
PPT展示 屠呦呦以及青蒿素的分子结构(如图1所示)。
教师:屠呦呦获得了2015年的诺贝尔医学生理奖,她获奖的原因是什么?
学生:发现了青蒿素。
教师:那么人们是从哪里获取青蒿素的呢?
学生:从青蒿这种植物中提取出来的。
PPT展示 青蒿素资料。青蒿素是最有效的抗疟疾药物之一,目前青蒿素主要从植物黄花蒿中分离提取得到,由于黄花蒿中青蒿素含量极低,加上黄花蒿的种植又会受自然灾害、地理条件和种植技术等因素的影响,使得青蒿素的产量并不稳定,对于贫困地区的患者来说青蒿素的价格过于昂贵。
相较于植物提取,科学家想到了依靠有机合成的方法合成青蒿素,让青蒿素的生产不再依赖于一年一茬的黄花蒿,以保证稳定供应。
总结:通过有机合成可以获得大量有特殊功能的有机物,如人们现在使用的西药都是通过有机合成获得的。作为高中生需要了解有机合成的方法和规律,为将来从事相关职业打好基础。
设计意图:以2015年重大科学成就――屠呦呦获得诺贝尔奖为素材创设情境有利于激发学生的学习欲望,同时借助合成有机物这一载体将本节课的主题“有机反应的研究”渗透其中。
问题探究 乙酸乙酯是一种非常重要的有机化工原料和极好的工业溶剂,可用作香料。如何合成乙酸乙酯?
学生1:乙酸和乙醇通过酯化反应得到
学生2:将乙醇先氧化得到乙醛,再将乙醛氧化获得乙酸,最后将乙酸和乙醇酯化。
学生3:乙烯先和水反应生成乙醇,乙醇再氧化得到乙醛,乙醛氧化得到乙酸,最后乙酸和乙醇酯化。
教师:那么选择哪种原料好呢?
学生4:第1种方法好,因为步骤少。
学生5:第3种方法好,因为乙烯原料广泛,成本低。
教师:很好,合成有机物选择的原料应满足廉价易得,绿色环保的要求。
设计意图:合成乙酸乙酯没有直接给出原料,有一定的开放性,有利于拓展学生的思维。通过比较几种原料,使学生认识到合理选择原料的重要性。
环节二:有机反应研究的重要方向――反应机理
1.酯化与水解反应的反应机理
教师:有机反应是有机合成的基础,对于有机反应哪些方面是值得我们研究的?
学生1:反应类型、反应条件、影响因素。
教师:从微观角度分析,乙酸和乙醇酯化时的断键情况如何?
学生2:酸脱羟基、醇脱氢。
教师:如何通过实验方法证明呢?
学生3:同位素示踪法。
教师:很好!同位素示踪法是研究反应机理的有效方法之一,请同学们描述一下实验方法。
学生4:将乙醇中的氧原子用放射性的18O标记,反应后观察18O是在水中还是在乙酸乙酯中从而判断断键的位置。
教师:同位素示踪法是由匈牙利化学家海维西获发现的,他也因此获得了1943年的诺贝尔化学奖。
设计意图:以乙酸和乙醇的酯化反应为例,教师分别从浓硫酸的作用、反应温度、乙酸乙酯的产率、乙酸和乙酸的断键情况等角度引导学生认识到有机反应可以从反应条件、影响因素、反应机理等方面去研究。同时介绍同位素示踪法的发现者海维西获得诺贝尔化学奖,让学生体会到科学研究需要创新意识。
2.甲烷和氯气的反应机理学生活动 书写甲烷和氯气反应的方程式(反应物和生成物均用结构式表示),并描述甲烷和氯气反应的实质。
学生:甲烷和氯气的反应属于取代反应,甲烷中一个碳氢键断裂,同时氯气中的氯氯键断裂,氯气中的一个氯原子代替了甲烷中的一个氢原子,生成了一氯甲烷和氯化氢。生成的一氯甲烷继续和氯气发生类似的反应生成二氯甲烷和氯化氢,以此类推分别生成三氯甲烷和四氯甲烷。
教师:甲烷和氯气按体积比1∶4混合,反应后产物的成分是什么?
学生1:只有四氯甲烷和氯化氢。
学生2:有一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷及氯化氢。
教师:到底是哪位学生正确呢?下面我们就来研究一下这个问题,请同学们思考甲烷和氯气是否是同时断键,同时交换原子呢?(展示表1中数据)
学生:由于氯气中的氯氯键比甲烷中的碳氢键键能更小,因此更容易断裂。
教师:很好,请同学们观察一下甲烷和氯气反应机理的图片(见图2),并根据微观符号描述一下该反应的历程。
学生:光照后氯气分子首先发生断裂生成氯原子,氯原子和甲烷分子碰撞生成氯化氢和・CH3,・CH3再和氯气分子碰撞生成一氯甲烷和氯原子,氯原子接下去又发生碰撞,从而使反应延续下去。
教师补充:化学家对氯气和甲烷的反应提出如下的假设:
自由基理论很好地解释了甲烷和氯气产物的复杂性,随着科技的发展自由基反应已经不再是一种假设,利用电子顺磁光谱可捕捉到反应过程中自由基信息,证实了自由基历程的真实性。
设计意图:甲烷和氯气反应产物众多,学生在没有学习该反应的机理前往往会认为书本上甲烷和氯气的反应是逐步进行,通过自由基反应机理的学习可以有效地纠正学生的这一错误观点,并且使学生认识到学好反应机理的重要性。
学以致用 已知有机分子中同一碳原子上连接两个羟基是不稳定的,会自动脱水。
请在方框中填写加氧氧化的中间产物的结构式。
要证明这两种过程哪一种是正确的,我们仍然准备用同位素原子示踪法。用18O2和铜催化剂在一定的温度下氧化乙醇,下列有关说法中正确的是
(填字母序号)。
A.若18O只存在于产物H2O分子中,则说明醇的氧化是按①的过程进行
B.若在产物H2O分子中含有18O,则说明醇的氧化是按①的过程进行
C.若在产物乙醛分子中含有18O,则说明醇的氧化是按②的过程进行
D.若醇的氧化按②的过程进行,则18O只能存在于产物乙醛分子中
设计意图:及时巩固反应机理以及同位素示踪法等相关知识点,做到学以致用。
环节三 逆合成分析理论的具体应用
交流讨论 对于较复杂的有机物的合成,美国化学家科里提出的逆合成分析理论可以给我们提供帮助。逆合成分析法即分析目标分子结构,断开化学键将其拆解为更简单、更容易合成的前体和原料,从而完成路线的设计。请同学们找出下列有机物的断键位置并推测合成原料。
学生:高聚物可以断开主链2号碳和3号碳之间的碳碳键,推测出原料为乙烯和丙烯。环酯可以断开酯基中的碳氧键,推测出原料为乳酸。
能力提升 草酸二乙酯是合成医药的重要中间体,请你以乙烯为原料采用逆合成分析理论推导出合成该物质的方法。
写出有机合成路线图。
设计意图:逆合成分析理论是有机合成的重要理论之一,但仅仅介绍该理论并不能使学生有深刻印象,通过分析几个常见有机物的合成方法,将逆合成法的思路应用到具体的实例中去,有利于提高学生的有机推断能力,也使学生明白该理论在有机合成中的重要意义。
六、板书设计
七、教学反思
1.本节课的部分教学内容不属于高考考试范畴,因此有很多教师将教材中的这块内容简单处理或者忽略不讲,其实从教材的编排上看本专题是要告诉学生研究有机化学的方法是什么,以及过往的化学家是如何研究有机化学的,因此该章节更多的是侧重于过程与方法以及情感态度价值观的教育。学生在高一已经学习过必修1中的有机化学,该专题内容既是对高一内容的总结又是对后续不同种类有机物的学习做铺垫,同时也将高中有机化学和大学有机化学相衔接,拓展了学生的视野,有利于学生对将来是否从事有机化学研究提早进行职业规划。因此笔者认为本节内容不仅不能舍弃,还应充分挖掘教材中的素材,力求使课堂教学更加饱满,更加有内涵。
2.本节课的设计分为三个环节:环节一以合成青蒿素为背景使学生认识有机合成的意义;环节二以学生已知的合成乙酸乙酯为素材总结有机合成的一般方法;环节三以合成复杂有机物为例使学生了解逆合成分析理论在有机合成中应用。三个环节环环相扣,并将有机反应条件的选择、有机反应机理的研究融入其中,从而使学生对有机合成的流程有了更加全面的认识。同时在教学过程中还不断渗透情感、态度和价值观的教育,如将屠呦呦和青蒿素,美国化学家科里和匈牙利化学家海维西获得诺奖及电子顺磁光谱检测自由基等科学界的成就及现代前沿科技介绍给学生,使学生意识到化学不仅仅是停留在课本上的知识而且还是一门很有研究价值的学科。
有机物合成方法范文4
关键词: 香豆素 水杨醛 有机合成 试题分析
有机合成与推断是目前高考中主要的考查模块,通过该题型的考查方式能考查学生对有机化合物的结构与性质模块知识点的融会贯通能力。纵观近几年的高考与各地模拟试题,对天然产物和药物合成的考查几乎每年出现,现以关于香豆素合称为例进行介绍。
1.香豆素及其合成方法简介
香豆素及其衍生物是天然产物中一类重要的化合物,因具有多种生物活性及药理活性引起了天然药物化学家的极浓厚的兴趣。首个天然香豆素(coumarin)是由Vogel在1820年从圭亚那的零陵香豆(即黄香草木樨)中获得的[1]。
香豆素的最基本结构单元为苯并α-吡喃酮,可当做顺式邻羟基桂皮酸脱水形成的内酯。据生物合成途径发现大部分的香豆素母核上常有羟基、烷氧基、苯基、异戊烯基等取代基。
香豆素的化学合成方法众多,如Perkin反应、Knoevengol缩合、Ponndorf反应、Wittig反应、Pechmann反应、Houben-Hoesch反应、Baylis-Hillman反应、Vilsmeier-Haack反应等,其中有些方法在经历了几十年甚至上百年的试验后,在现代香豆素合成中仍然扮演着重要角色,这些方法操作简便、仪器试剂条件易行、反应快捷、应用范围广泛[2]。近年来,科学家们发展了利用过渡金属催化的方法高效实现了母核内酯环的构建,丰富了香豆素衍生物的多样化合成。在上述的这些合成方法中Perkin反应最经典,主要以水杨醛(邻羟基苯甲醛)与乙酸酐为原料在碱催化的作用下完成香豆素的合成,在中学阶段以香豆素为题材的知识点的考查多以此反应为主。
2.涉及香豆素的背景信息试题分析
以香豆素为题材的试题在鲁教版教材《有机化学基础》[3]中作为练习题的方式师生已不再陌生,该题设置问题的方式简明扼要,对学生了解有机合成的逆反应合成分析具有很高价值。
2.1香豆素的结构鉴定分析
高考考试大纲上明确要求学生“了解确定有机化合物结构的化学方法和物理方法”,近几年各省市对该方面的要求也进行了考查,这就要求学生对有机分子中的官能团参与化学反应的性质掌握到位。
2.2香豆素及其衍生物的合成
历年的高考试题中,考查具有重要价值的有机化合物的合成是有机合成与推断的命题主流。有机化合物的性质变化多样、内容相对独立,这就要求熟练掌握各类有机物的组成、结构、性质及相互间的衍生关系,密切起始反应物、中间产物、最终产物之间的联系,通过类比、联想、知识迁移等方法进行演绎推导,同时注意增强思维的整体性、严密性和灵活性。
3.以香豆素为背景的试题考查价值
以天然产物香豆素为背景信息的试题考查,也是高中阶段知识的升华与延伸,考查的内容和方式可灵活多样,与高中化学教学也有密切联系。在试题的命制中可以加入很多考查元素,如氧化、水解、取代反应、官能团的保护与去保护、基于碳负离子的C-C键的构建等,如表1所示。鉴于中学教学实际,所考查的香豆素衍生物不能太复杂,只限于最基本的核心骨架的结构分析。
以上有些反应是以信息形式在试题中呈现的,在今后的学习中要重视这些陌生的但是常考的内容,这样有利于形成较完整的知识结构而达到能力的提高。
综上所述,在香豆素及其衍生的合成路线中,除了合成香豆素基本结构单元的反应外,在对原料的合成中均是中学阶段涉及的基本反应。因此,以香豆素合成反应的相关知识可以考查学生利用有机化学基础对试题中给予的新知识的自学能力、知识重组与迁移能力及分析问题与解决问题的能力。
参考文献:
[1]徐任生.天然产物化学(第二版)[M].北京:科学出版社,2004:590.
有机物合成方法范文5
关键词:石油化工;有机化学;综合设计实验;教学探索
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 我校是一所以石油化工为特色的省属综合性大学,有机化学实验是我校化学化工类专业的必修专业基础实践课之一,每学年全校有14个专业40多个班级开设此课程。有机化合物的合成是有机化学实验教学内容的重点,属于综合性实验,目的是使学生掌握并熟悉基本操作与典型的实验制备方法,学会一些难度较大的新的合成方法与实验技术,培养学生独立工作的能力,实事求是的科学态度,以及认真、细致、敏捷的工作作风,养成保护环境等意识。设计性实验,只给出实验目的与要求,学生必须通过查阅参考文献,撰写实验方案,经指导老师审查通过后独立开展实验,对于实验过程中发现的问题尽可能自行解决。该类实验完全摒弃了在以往实验教学中常用的保姆式教育,放手让学生去设计、思考,独立自主地解决实际问题,动手能力得到显著提高。我校学生开设的综合性与设计性实验的课时数占总有机化学实验课时数之比达到80%以上。教师和学生普遍反应该课程体系设计科学,学生在基础理论和实践技能培训方面得到全面、系统地训练。
一、课程的目的及要求
综合与设计性实验目的是训练学生对基本操作和理论知识灵活的综合运用,掌握有机化合物的合成、分离、提纯及鉴定方法;培养学生严谨的科学态度和良好的实验习惯。以有机合成为主,教师给定目标产物,学生按照老师给定的实验要求,运用所学知识,通过查阅资料,独立(或在教师指导下)撰写实验方案,拟定实验步骤,准备实验所需物品,完成实验并写出完整的实验报告。
二、实验内容的选择
1.实验的类型。在选择实验内容时,实验的类型基本分为两类:(1)有机化合物的制备及表征。(2)植物中提取与分离天然有机物。有机化合物的制备,在课时数不多的情况下尽可能做到两个兼顾。首先是兼顾有代表性的有机化学反应类型,例如:(1)酰基化反应(乙酰苯胺的制备,阿司匹林的制备)。(2)酯化反应(乙酸正丁酯的制备,苯甲酸乙酯的制备)。(3)亲核取代反应(1-溴丁烷的制备)。(4)氧化反应(苯甲酸的制备)。(5)康尼查罗反应(苯甲醇和苯甲酸的制备)。其次是兼顾各种重要的合成装置及操作,涵盖了分别带分馏柱、带气体吸收、带电动搅拌、带分水器的回流装置;水蒸气蒸馏装置(从肉桂皮中提取肉桂油及其主要成分的鉴定),索氏提取装置(茶叶中咖啡因的提取),蒸馏装置,薄层色谱(薄层色谱法分离绿色植物天然色素)。有机物的鉴定既有物理常数测定(熔点、沸点,折光率),也有采用化学方法鉴定,有机波谱分析(红外光谱,质谱)。大部分实验都将合成、分离、提纯、物性的测定和波谱鉴定等环节串联成一体。
2.实验微量化。改变了部分实验的投料量,进行微量或半微量实验,降低实验成本,节约实验时间,大大减少实验污染,潜移默化地培养学生利用资源、绿色环保的科学发展观。
3.根据低毒的原则选择原料及溶剂。鉴于实验室的条件不太完善及实验班数及人数多的特点,在不影响实验效果的前提下,尽量选择低毒性的原料及低毒易回收再用的溶剂。如苯甲酸的制备我们采用苯甲醇替代甲苯;苯甲醇和苯甲酸的制备萃取剂我们采用石油醚替代乙醚;酯化反应的带水剂、茶叶中咖啡因的溶剂的种类也是基于这个原则去选择。
三、改进合成实验教学
合成实验教学安排在基本操作的教学之后,学生已具备了一定的技能,但不能熟练掌握,动手能力和独立解决问题的能力较差。以往的教学是教师先讲实验目的要求,分析实验原理和可能出现的问题,学生进行操作实验,教师巡视指导。此方法虽然使学生的基本操作得到训练,但仅仅是完成实验内容,缺乏良好的思维训练。学生在实验中遇到问题不会分析思考,动手解决,创造性得不到发挥,这在以后的毕业论文实践中充分暴露出来。针对教学实际,我们逐渐摸索出解决问题的方法。把科学的思维方法贯穿于教学中,形成“以学为主,以教为辅,思维训练为主线”的教学原则。
1.建立有机合成反应研究的基本思路。在合成与制备实验中,应培养他们树立以实验为基础的科学研究思想及设计实验的能力,逐步学会化学研究的实验方法。例如:由乙酸和正丁醇制备乙酸正丁酯的实验,通过分析可知为平衡反应历程,根据平衡反应的知识,采用过量的醇,或除去反应生成的水的方法提高产率。
2.加强对学生实验预习的指导,提高预习效果。对学生预习要求认真阅读教材,独立思考,发现问题,提出问题,能够预知实验成败的关键。教师根据学生的讲解给学生判定预习成绩。一个有机反应能否进行反应条件(外因)的选择与应用十分重要,例如:由正丁醇、溴化钠和硫酸制备1-溴丁烷的实验。浓硫酸用量的大小。学生通过思考得出反应速度取决于两物质的浓度,这就要求有更高浓度的氢溴酸,因此需要过量的硫酸;硫酸的浓度和用量是否越多越好?引导学生进一步讨论,最后小结对硫酸量的要求:适当过量,浓度适中。
3.提高学生实验技能。我们把基本操作技能的训练摆在提高学生实验能力的首要位置,实验中耐心指导,严格要求,细心观察每一个学生的操作,发现不规范的及时纠正并给予示范。通过一些相关联(理论、装置、操作)但又有差别的实验进行反复练习,强化训练,达到规范化的要求。如制备实验做到装置合理,操作规范,台面整洁有序,实验习惯好,知道废物回收处理,防止有机物的挥发和毒性,认真操作,及时记录。积极互动、合作的实验也培养了学生的协作能力。实验过程中学生实验时间有时会相差到一个小时,教师应帮助他们分析原因,鼓励他们“胆大心细”,在做好预习工作的前提下,大胆实验,提高实验技能的目的。
四、教学效果
上述教学方法的实施极大地调动了学生做好实验的积极性和主动性,有效地培养和提高了学生独立分析问题和解决问题的能力,锻炼了动手能力,训练了思维能力。在实验的过程中,学生积极主动地动手操作,对出现的问题认真思考,分析原因想办法动手解决。一些实验结果不理想的同学,能在教师的指导下分析失败的原因。从实验报告来看,思路清晰较为严谨,个别同学还有独到之处,已初步学会了有机合成反应研究的基本方法,并使自身的科学素养得到一次系统的训练,这在以后学生课外科技创新及毕业论文设计中表现出良好的教学效果。
参考文献:
[1]王科志,申秀民,刘正平,等.化学综合设计实验教学模式的改革[J].化学教育,2010,(3):92-93.
[2]于秀兰,杨桂秋,任保轶,等.有机化学综合性设计实验的教学探索[J].化工高等教育,2009,(4):55-57.
[3]徐红,刘红,席晓岚,等.有机化学综合性设计实验的教学探索[J].教育教学论坛,2013,(33):268-269.
有机物合成方法范文6
【关键词】离子液体 咪唑类 绿色化学
一、离子液体的组成及其种类
离子液体(Ionic liquids )是在室温或接近室温呈液态,并且完全由阴阳离子组成的盐,也称为低温熔融盐(Low temperature molten salt)。这是因为大多数阴阳离子组成的盐一般都是离子化合物,其具有较强的作用力。如果把离子之间的作用力破坏或者减弱,在室温或低于室温下就可以呈现液态,这样就将其称为离子液体。离子液体的种类较多,一般情况下,离子液体有换杂环的有机阳离子和无机阴离子组成,主要从离子液体的组成形式分类,阳离子类离子液体主要有4类,是季胺盐阳离子、咪唑盐阳离子、吡啶盐阳离子和季鏻盐阳离子,其结构如图 1 所示; 阴离子主要有卤素离子、四氟硼酸根离子和六氟磷酸根离子:
图 1 常见四种离子液体的阳离子
二、离子液体的性质
(一)熔点。
熔点是区别其他物质的重要性质,一般情况下,对称性越低,其分子间的作用力就越低,离子液体的熔点就越低。
离子液体的熔点的影响主要从组成离子液体的阴、阳离子着手,阴离子的尺寸越大,其离子液体的熔点就越小,阳离子一般是组成其的基团的大小来决定的,基团越大,其结构对称性就越差,这样就使阳离子组成的离子液体的熔点越低。
(二)粘度。
离子液体的粘度比水大得多,几十倍甚至几百倍。离子液体的粘度主要与范德华力、离子间的库仑力和氢键的作用有关。阴阳离子的结构对其组成的离子液体的粘度也有很大影响,其中阴离子影响较大,主要随着阴离子的体积的增大而增大。
(三)热稳定性。
离子液体具有较高的稳定性,其热分解温度在300 ℃以上,离子液体的稳定性受到杂原子-碳原子之间的作用力和杂原子-氢键之间的作用力的影响,离子液体的热稳定性与阴阳离子的结构和性质影响较大,例如,阳离子的碳链越长,其稳定性就会越差。
(四)密度。
密度也是离子液体的重要参数性质之一,一般离子液体的密度比水大,离子液体的密度是以阴阳离子的类型而定的,离子液体的密度随着有机阳离子的体积增大而减小,然而阴离子的影响更大,所以在一般的研究中,确定了阴离子的类型,密度的大小就可以确定在一个范围之内。
(五)溶解性。
离子液体能够溶解大多数有机物、无机物、高分子化合物、金属化合物。离子液体的溶解性与其阳离子、阴离子的特性密切相关。阳离子对离子液体溶解性可由正辛烯在含相图甲基苯磺酸根阴离子的季铵盐离子液体的溶解性看出,随着离子液体的季铵阳离子的侧链变大。因此,改变阳离子的烷基可由调整离子液体的溶解性;阴离子的溶解性可由水在含不同bmim+阳离子离子液体中溶解性来证实,大多数离子液体的介电常数超过一特征值时,其与有机溶剂是完全互溶的。
(六)酸碱性。
离子液体的酸碱性由阴离子的本质所决定的[7],对于同种离子液体[bmim]Cl/AlCl3,当x(AlCl3)=0.5时,离子液体为中性,当x(AlCl3)=0.5时,离子液体表现为酸性,且随着x值的增大,离子液体的酸性增强;在甲苯选择性羰基化反应中催化剂的Lewis酸性是最主要的影响[8]。甲苯的转化率与Lewis酸的强度是一致的,进一步说明离子液体具有较强的酸性。
(七)电化学窗口。
离子液体的电化学稳定电位窗口对其化学应用非常重要。电化学稳定电位窗是离子液体开始发生氧化反应的电位和开始发生的还原反应的电位之差,大部分离子液体的电化学窗口在4 V左右,这与一般的有机溶剂相比,具有较宽的电化学窗口。离子液体的电化学窗口与其组成的阴、阳离子的稳定性有一定关系,阴、阳离子越稳定其点化学窗口就越宽。
三、离子液体的合成
(一)一步合成法。
直接通过酸碱中和反应或季铵化反应一步合成离子液体,操作简便,没有副产物,产品易纯化,并且原子利用率高,经济性好。例如,硝基乙胺的离子液体就是用乙胺与硝酸的中和反应制得。
(二)两步合成法。
如果一步法难以得到目标离子液体,就必须使用两步合成法。首先先有叔胺类与卤代烷合成季铵的卤化物盐,然后再将卤负离子交换为目标阴离子。两步合成法是先季铵的卤化物盐合成,然后再离子交换,以咪唑盐类离子液体为例:
先通过季铵化反应得到含目标阳离子的卤盐( [ 阳离子] X型离子液体) , 然后用目标阴离子Y-置换出X-离子得到需要的离子液体。如图2所示,咪唑盐类离子液体的合成路线:
图2 为两步法合成含烷基铵阳离子的离子液体的路
(三)其他辅助方法。
大多数采用常规加热就可以完,这种方法需要加入有机溶剂,从而造成环境污染。且反应的时间长,产率较低,这种方法一般不采用。其它辅助方法如微波强化、超声波强化、和电化学等手段可以加快离子液体的合成速度和降低反应的成本。
微波辅助合成和超声辅助合成也被应用于离子液体的合成研究。液体均在微波辅助合成和超声辅助合成应用于离子液体的合成,具有无需有机溶剂,减少合成过程中的污染,且应速度快,产品收率高,纯度好等特点。
微波辅助合成法:有温度、压力测量的商用微波反应系统,几乎所有常见的烷基咪唑类和烷基吡啶类离子液体的合成的反应时间都可以大为缩短,收率不低于传统的合成方法。微波辅助法在显著缩短反应时间的同时却容易发生副反应。微波辅助合成离子容易控制、有副反应发生、微波反应器价格昂贵,只能限制在实验室小规模合成上,难于大规模工业化生产离子液体。
超声波辅助法:超声辅助合成离子液体的研究结果表明同样可以在不降低收率的情况下明显缩短反应时间。超声辅助合成离子液体目前的研究都针对的是常见的烷基咪唑类和烷基吡啶类离子液体,如以超声波辅助法合成了离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氟硼酸。该合成方法具有合成条件简单、反应时间短、能耗低、易纯化等优点。
四、离子液体的应用
(一)离子液体在电化学中的应用。
离子液体具有较宽的电化学窗口,电导率高和热稳定性较好的特性,因为具有较高的导电性,所以常用来作电池的电解质溶液,作为电解质溶液不需要高温,现在可以制造新型高效性能的电池。如Doyle. M等用离子液体BMI . BF4、BMI . CF3SO3等代替水与Nafion 膜复合制备了快质子传导复合膜。该膜克服了吸水质子交换膜高温下因水的挥发而导致电导率下降的缺点。在180 ℃电导率可以达到0.1S/cm。Sato 等研究将一种新型离子液体N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)四氟硼酸季铵盐用于电化学电容器,制备了一对活性炭电极的双层电容器并以DEME-BF4作为电解液。此外,离子液体在抗静电、金属电沉积、传感器等电化学方面的应用。
(二)离子液体在绿色化学的应用。
离子液体在室温下呈液态,能够溶解很多化合物 ,而且还是“零”蒸气压,正因为用离子液体作为溶剂不仅消除了挥发性有机溶剂对环境的影响,而且催化剂能回收重复利用,所以离子液体越来越广泛地被认为是一种在“清洁生产”和“绿色合成”中最具有重要应用价值的新型溶剂和反应介质。
(三)离子液体在分离萃取方面的应用。
离子液体选择性的溶解性能力,使其在液-液萃取何分离当中应用广泛,被称为液体“分子筛”。如在离子液体在水相值中萃取苯的衍生物、金属离子、核废燃料的萃取等。离子液体萃取水中多环芳烃时,可以避免传统的液液萃取中挥发有毒性有机物,从而导致二次污染 。Liu Jingfu等报道了利用离子液体并采用液相微萃法可以萃取一些典型的环境污染物。证明了1-烷基-3甲基咪唑烷鎓六氟磷酸盐可以萃取45种典型的环境污染物,包括苯胺、乙苯、二甲苯等。
(四)离子液体在有机合成中应用。
离子液体可以作为反应溶剂存在多相系统中,也可以作为溶剂和催化剂存在于单相系统,近年来离子液体作为反应溶剂和催化剂应用甚广。根据反应形式可分为3类:①催化加氢和重排反应,包括催化加氢和Beckmann反应;②C-C,C-O键的断裂反应,如C-C双键的加成反应、C-O-C键的酰化反应和环氧化物的开环反应。③ C-C 、C-杂原子键的耦合反应,如如Diles-Alder反应,Friedel-Crafts 烷基化反应,Huck 反应、Suzuki交叉耦合反应,聚合反应,氧化反应、亲核取代反应、自由基反应、醇解、胺解、酯交换反应等,其中在第三类的应用中最为广泛,如Friedel-Crafts反应在精细化工, 石油化工等领域中有着举足轻重的作用, 比较成熟的催化剂有沸石、固体酸和分子筛等。但是出于绿色合成和成本的考虑,许多学者已经开始在离子液体中进行研究。
(五)离子液体的其他应用。
离子液体具有低毒性Perank等在在最近研究中报道咪唑类离子液体具有低毒性的特征,他利用(3-烷氧基-1-甲基咪唑烷鎓四氟硼酸盐和六氟磷酸盐)成功地制成新型的杀虫剂,可以有效地保存木材。
离子液体可以作为剂,离子液体几乎没蒸汽压、不挥发,不燃,高的稳定性,低熔点、宽的液相温度范围。中国科学研究院兰州化学物理研究所叶承锋等研究用离于液体[C6MIM]BF4、[C6EIM]BF4作为万能剂,因为它们的熔点低于-55 ℃,在320 ℃无失重,具有低温流动性和高温稳定性,几乎无蒸汽压,有好的性能,所以可以作为性能较好的剂。
此外,离子液体还可以溶解纤维素,还可以用作聚甲基丙烯酸甲酯的增塑剂,还可以在质谱中的应用,在质谱中可以用来做基质,并用于蛋白质等高分子的摩尔质量的测量。
参考文献:
[1]Welton T.Chem. Rev,1999.99.
[2]Zhao, H. Phys. Chem. Liq,2003,41.
[3]Ngo H l, LeCompte K, Hargens L, et al. Thermal properties of Imidazolium Ionic Liquids [J].Thermochim.Acta,2003,357.
[4]Gordon C M, Holbrey J D, Kennedy A R, et al. Ionic Liquid Crystals: Hexafluorophosphate Salts.J.Mater.Chem,1998,8.