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螺旋碳酸酯的神秘結構：這些化合物如何在合成中發揮作用？
在有機化學中，碳酸酯（有機碳酸酯或有機碳酸鹽）是碳酸的酯。這種功能團的結構由一個碳基內部接納兩個醇基團所組成，使其具備獨特的特性。這種結構的一般形式是 R−O−C(=O)−O−R'，值得注意的是，這一結構與其他類似化合物如酯（R−O−C(=O)−R'）、醚（R−O−R'）以及無機碳酸鹽都有所關聯。碳酸酯的多聚體（例如 Makrolon 或 Lexan）中，碳酸基團形成了元素間的鏈結，並廣泛應用於眼鏡鏡片、光碟和防彈玻璃等產品中。小型碳酸酯如二甲基碳酸酯、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯則被用作溶劑，其中二甲基碳酸酯甚至還是溫和的甲基化劑。
碳酸酯具備平面 OC(OC)2 的核心結構，賦予了其剛性結構特徵。
結構類型
碳酸酯可以分為三種結構類別：非環狀、環狀以及聚合物。首先，傳統的非環狀碳酸酯是最常見的情況。其有機取代基可相同也可不同，並可採用脂肪族或芳香族取代基，分別稱為雙烷基或雙芳香基碳酸酯。這些類別中最簡單的成員是二甲基碳酸酯和二苯碳酸酯。環狀化合物如乙烯碳酸酯和丙烯碳酸酯則是由兩個碳酸基團通過 2 或 3 個碳橋連接而成。此外，還有以脂肪族或芳香取代基連接的碳酸基團，形成一個聚合物家庭，如聚（丙烯碳酸酯）和聚（雙酚 A 碳酸酯）（例如 Makrolon 或 Lexan）。
合成方法
碳酸酯並不源於無機碳酸鹽的製備，其主要的兩條合成路徑包括：一是醇（或酚）與光氣的反應（二氧化碳化反應），二是醇與一氧化碳及氧化劑的反應（氧化性碳基化）。此外，碳酸酯也可通過轉酯化來進一步製備。但是，通過甲醇和二氧化碳的直接縮合來合成碳酸酯在熱力學上是不利的。已有專用膜可用於從反應混合物中分離水蒸氣，從而增強產率。
光氣化反應
醇與光氣的反應可生成碳酸酯，其反應式如下：2 ROH + COCl2 → ROC(O)OR + 2 HCl。酚的反應方式相似。由雙酚 A 生成的聚碳酸酯正是通過此種方式生成。儘管這一過程產率高，但因其涉及有毒的光氣，因此必須使用化學基（例如吡啶）中和生成的氯化氫。此過程中產生氯甲酸酯作為中間體。
氧化性碳基化
氧化性碳基化是另一種替代光氣化的合成方法，其優勢在於可以避免光氣的使用。通過銅催化劑，二甲基碳酸酯可經以下反應產生：2 MeOH + CO + 1/2 O2 → MeOC(O)OMe + H2O。類似地，二苯碳酸酯的合成也適用於這一方法，但需使用鈀催化劑。
二氧化碳與環氧化物的反應
二氧化碳和環氧化物的反應是製備五元環狀碳酸酯的一種普遍途徑。早在 2010 年，環狀碳酸酯的年產量估計已達 10 萬噸。工業上，乙烯和丙烯氧化物可方便地與二氧化碳反應生成乙烯和丙烯碳酸酯（適用於催化劑）。
碳酸酯轉酯化反應
碳酸酯可以通過轉酯化反應轉換為其他碳酸酯。更具親核性的醇可以取代親核性較弱的醇，也就是說，脂肪醇可以從芳香碳酸酯中取代酚。如果離開的醇更具揮發性，即可透過蒸發驅動平衡向前移動。
碳酸酯的反應性
碳酸酯由於其特殊的結構，經歷的反應類似於傳統的羧酸酯。舉例而言，與格裏尼亞試劑（Grignard reagent）反應將生成三級醇。此外，一些環狀碳酸酯也可能會發生聚合反應。
碳酸酯的應用
有機碳酸酯被廣泛應用於鋰電池中的溶劑。由於其高度極性，能夠溶解鋰鹽。因此，常用的混合物如二甲基碳酸酯、二乙基碳酸酯和二甲氧基醚使其更具流動性。此外，碳酸酯也用於有機合成中的溶劑。作為極性溶劑，它們擁有寬廣的液體溫度範圍，例如，丙烯碳酸酯的熔點為 −55 °C，沸點為 240 °C。其優勢還包括低生態毒性和良好的生物降解性。然而，許多碳酸酯的工業生產過程卻不夠環保，因為它們依賴於光氣或丙烯氧化物。值得一提的是，二甲基二碳酸酯通常作為飲料防腐劑、加工助劑或消毒劑廣泛使用。
碳酸酯在合成和工業應用中展現了無窮潛力，然而我們是否能更進一步開發更環保的生產方式？
