余孔强 郭猛(正大天晴药业集团股份有限公司，江苏 连云港 222062)

0 引言

石化原料仍然是燃料、化学品和聚合物工业功能性碳的主要来源，使用可再生原料如生物质和二氧化碳作为替代工业原料和发展环保生产路线越来越受到人们的关注。近几年二氧化碳已被用于生产各种化学品，例如甲醇、甲酸、碳酸二甲酯(DMC)等[1-3]。如今DMC 的大规模生产可通过清洁工艺(即无光气工艺)进行，将二氧化碳插入环氧化合物制备DMC[4]，原则上可以实现二氧化碳的循环利用，减少因使用石化原料导致的温室气体排放；DMC 在大气氛围中容易被生物降解(根据OECD 301C 生物降解性测试指南28 天降解超过90%)，且对金属没有腐蚀性，可以实现安全处理，在有机合成中能够替代剧毒的卤代烷、硫酸二甲酯和光气等反应试剂[5,6]。因此，对DMC 在有机合成中的应用进行探讨和深入研究，有利于推动化学工业的可持续性和绿色发展。

1 碳酸二甲酯(DMC)作为安全、绿色溶剂

碳酸二甲酯(C3H6O3，分子量90.08g/mol，沸点90.3℃，熔点4.6℃，闪点21.7℃，密度1.069g/ml)简称DMC，为无色透明液体，有类似甲醇的气味，接触或吸入不会产生刺激或诱变作用，安全低毒；能以任意比例与醇、酮、酯等几乎所有的有机溶剂混合，微溶于水[7]。

DMC 作为最绿色的溶剂之一可以替代卤代烷、甲基乙基酮、乙酸乙酯、甲基异丁基酮、乙酸丁酯、乙二醇醚和大多数其他酮。相比经典溶剂，DMC、异丁醇、1,3-丙二醇和甘油等新型溶剂在药物中间体合成中的应用受到关注。DMC 用于制备脱水异山梨糖醇的反应溶剂，使用催化量碱，实现了无氯、一锅法、环境友好的工业化生产。H2O2/DMC 作为对环境无害的氧化剂和溶剂系统，应用于由N-烷基胺和芳香醛一锅法制备N-烷基噁唑烷，实现高收率[8]。DMC 是过渡金属催化反应的合适溶剂：在DCM 中钌催化的末端烯烃和炔烃的交叉复分解反应以化学计量比例进行；在DCM 中醋酸钯催化的选择性环羰基化反应实现由烯丙基苯酚衍生物制备内酯[9]。

DMC 还被应用于萃取溶剂。甲酸作为重要的工业化学品可以由DMC 从稀水溶液中提取得到；DMC 对甘油三酸酯也表现出良好的提取性能[10,11]。

2 碳酸二甲酯应用于生物来源平台化学品的升级

生物来源的化学品通常用于替代现有石化产品，有利于降低化工生产过程中的有毒性、减少温室气体排放、实现绿色可持续性发展。然而目前生物来源的平台化学品清单中大部分仍为最初鉴定的化合物，例如乙醇、功能化的一元和二元羧酸(乳酸、乙酰丙酸、羟基丙酸和琥珀酸)、呋喃类产品(糠醛、羟甲基糠醛和呋喃二羧酸)、异戊二烯的生物碳氢衍生物、甘油及其衍生物、其他糖类(山梨糖醇和木糖醇)等。DCM 作为甲基化试剂和甲氧羰基化试剂已经被应用于一些生物来源平台化学品的升级[12]。

甘油与DMC 通过酯交换反应制备碳酸甘油酯(GC)或甘油二碳酸酯(GDC)[13]。在催化剂的作用下，通常在40-80℃下只需要几个小时会以非常高的选择性和90%以上的收率生成GC，而GDC 产生需要过量的DMC 和更长的反应时间。甘油缩醛也可与DMC 通过甲氧羰基化或甲基化反应制备其衍生物。

采用阳离子交换树脂吸附水相发酵液中的琥珀酸二钠盐，然后被吸附的琥珀酸盐在季铵离子催化下与DMC 发生O-甲基化反应生成琥珀酸二甲酯。在碱催化下，乙酰丙酸与DMC反应可以制备多种衍生产品，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，羟甲基糠醛与DMC 反应生成甲氧羰基化衍生物。使用大孔树脂吸附含2,5-呋喃二甲酸二钠的微生物发酵液，然后在100℃高压釜中与过量的DMC 进行甲基化制备2,5-呋喃二甲酸二甲酯[15]。

在碱性催化剂存在下，D-山梨糖醇与DMC 直接反应制备异山梨醇，也可一锅法进一步制备二甲基异山梨醇。首先将反应混合物在90℃加热以允许定量D-山梨糖醇环化为异山梨醇，然后在200℃下进行甲基化反应得到二甲基异山梨醇[16]。

3 碳酸二甲酯在聚合物合成中的最新应用

聚氨酯(PU)种类繁多，作为商业化应用广泛的塑料家族，仅2014 年在欧洲的年产量就达到四百多万吨。这些塑料具有重量轻、强度/重量比优异、能量吸收性能好、舒适特性和广泛的可调性，已在生物医学、汽车和建筑行业等众多领域中得到应用。PU 的常规工业制备工艺：在叔胺催化下，二醇或多元醇与二异氰酸酯通过聚合反应生成PU。一方面、二异氰酸酯具有高毒性和高有害性；另一方面、二异氰酸酯单体通常是以剧毒的光气与相应的胺反应合成的，并且伴随副产物无机酸产生，显然它的合成是高碳足迹的过程。开发聚氨酯(PU)的绿色合成工艺是一项艰巨的挑战，氨基甲酸酯可被视为聚氨酯的环保前体，替代剧毒的二异氰酸酯。近年来已经开发出低碳足迹制备氨基甲酸酯的工艺，即采用碳酸二甲酯(DCM)与伯胺或仲胺经缩合反应制备，避免了使用异氰酸酯(示例如图1)[13]。

图1 使用碳酸二甲酯(DMC)可持续制备聚氨酯(PU)

脂肪族聚碳酸酯(APCs)具有生物降解性和可回收性，因此被认为是有前途的可持续材料。APCs 的使用相关的优势之一是它们在水中的水解速率相对较低，并且具有更多的无定形性质；其二，APCs 在体内降解时不会形成二羧酸，避免了局部组织酸度的升高引起明显的炎症反应有关[17]。应用高活性和稳定的均相催化剂，通过环氧乙烷和二氧化碳聚合制备APCs 的工艺具有原子经济性，但是仅限于制备两个碳原子(来自环氧乙烷)的APCs。Li 和他的同事研究报道了脂族二醇与碳酸二甲酯(DMC)之间连续酯交换/缩聚反应制备APCs(如图2)，该反应是在TiO2/SiO2基催化剂(TS-44)作用下进行的，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)，具有较高的拉伸强度和断裂伸长率，足以满足可生物降解塑料的机械要求[18]。

图2 使用碳酸二甲酯(DMC)高产率制备脂肪族聚碳酸酯(APCs)

4 碳酸二甲酯作为绿色化学试剂应用于官能团的转化

DMC 具有多种反应性，可以参与到许多化学转化中，例如甲基化、羰基化和甲氧基羰基化；并能替代常规试剂，例如碘甲烷、硫酸二甲酯和光气。

DMC 分子中含有两个反应活性中心(甲基碳和羰基碳)，其反应性可随温度调节，也取决于具体的实验条件。在回流温度(90℃)下，DMC 主要作为甲氧羰基化试剂，亲核试剂进攻DMC 的羰基碳生成酯交换产物；在较高温度下(通常为160℃)，DMC 主要作为甲基化试剂，亲核试剂进攻DMC 的甲基碳，生成甲基化产物。DMC 参与上述反应不会产生无机盐，有利于工业化清洁生产和产品分离[19]。

图3 碳酸二甲酯(DMC)参与的官能团的转化途径

DMC 作为绿色反应试剂，在有机合成中有着广泛的应用，能够实现多种官能团的转化，如图3 所示[13]。DMC 反应的化学选择性取决于几个因素，包括亲核试剂的性质、反应条件和产物的结构。DMC 的一些可能的反应路径在图3 中从上到下顺时针列出：与苯酚反应生成茴香醚，与醇反应生成烷基甲基碳酸酯或烷基甲基醚，与芳胺反应生成N-甲基芳胺，与叔胺反应生成碳酸甲酯季铵盐，与酯反应生成甲酯，与伯胺反应生成氨基甲酸酯，与1,2-二醇反应生成五元环状碳酸酯，与环戊酮反应生成二元羧酸甲酯，与羟基亚胺反应生成恶唑烷酮，与活性亚甲基化合物反应生成其甲基化产物。

5 结语

DMC 新生产工艺的前景始于CO2，可以实现无光气的绿色清洁生产和摆脱石化原料的可持续生产。DMC 具有广泛的反应活性，这使DMC 成为了CO2和甲基官能团的理想载体，可用于可再生生物基衍生物的升级和增值；DMC 通常同时充当反应物和可循环使用的反应介质，避免使用其他有毒溶剂或石化来源的溶剂；DMC 可以实现聚合物生产的无毒和低碳足迹工艺；DMC 还可以替代碘甲烷、硫酸二甲酯和光气等剧毒常规试剂，实现多种官能团的转化。显然，DMC 的应用开发是绿色有机合成的重要发展方向之一，在实现环境友好和资源可持续性方面意义重大。