精细有机合成中的溶剂化效应与催化.ppt

精细有机合成中的 溶剂效应与催化1 溶剂的分类和性质n按化学结构分类无机溶剂：水、液氨、液体二氧化硫、氟化氢、浓硫酸、熔融氢氧化钠和氢氧化钾、四氯化钛、三氯化磷合三氯氧磷等有机溶剂：脂烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、醇、醚、酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、胺、腈、酰胺、砜和亚砜、杂环化合物等n按偶极矩和介电常数分类（1）偶极矩（μ）：指偶极分子中电量相等的两个相反电荷中 的一个电荷的电量（q），与这两个电荷间距 离（d）的乘积，单位：德拜（D）即： μ＝q×d例：μ＝1.54D极性溶剂：分子中具有永久偶极的溶剂 有机溶剂的偶极矩μ在0～5.5D之间非极性溶剂 分子中没有永久偶极的溶剂，如环己烷、苯等μ＜2.5D的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等偶极矩主要影响在溶质（分子或离子） 周围溶剂分子的定向作用2）介电常数（ε）也叫电容率或相对电容率，是表示电介质 或绝缘材料电性能的一个重要参数 具有永久偶极或诱导偶极的溶剂分子被充 电的电容器板强制形成一个有序排列，即极化 作用，极化作用越大，介电常数越大介电常数表示溶剂分子本身分离出电荷的 能力，或溶剂使它偶极定向的能力。

极性溶剂：ε＞15～20 非极性溶剂：ε＜15～20介电常数主要影响溶剂中离子的溶剂化作 用和离子体的离解作用有机溶剂的介电常数ε在2～190之间， ε越大，溶剂极性越强■ 根据溶剂是否具有极性和能否放出质子，可 将溶剂分成四类：(1) 极性质子溶剂◆ 极性强，介电常数大，具有能电离的质子◆ 能同负离子或强电负性元素形成氢键◆ 水、醇是常用的极性质子溶剂2) 极性非质子溶剂◆ 介电常数大于15，偶极矩大于2.5D，具有较强的极性◆ 一般含有电负性的氧原子（如C=O,S=O,P=O）, ◆ 氧原子周围无空间障碍，能对正离子产生很强的溶剂化作用◆ 结构中正电性部分一般包藏于分子内部，难于对负离子发生溶剂化如：DMF, DMSO, CEG, HMPA等3) 非极性质子溶剂极性很弱，常见的为醇类：叔丁醇、 异戊醇(4) 非极性非质子溶剂介电常数小于8，偶极矩在0-2D烃类和醚类n溶剂和溶质之间的相互作用2 精细有机合成中的溶剂效应库仑力(静电引力)：离子-离子力、离子-偶极力范德华力(内聚力)：偶极-偶极力、偶极-诱导偶极力、瞬时偶极-诱导偶极力专一性力：包括氢键缔合作用、电子对给体－受体作用、溶剂化作用、离子化作用合离解作用等。

非专一性力 (普遍）（特定）离子原和离子体n离子原指在固态时具有分子晶格的偶极型化合物， 在液体时仍以分子状态存在，与溶剂发生作用时 可形成离子如氯化氢、烷基卤和金属有机化合物等n离子体固态时具有离子晶格结构，在熔融状态或 稀溶液中以离子形式存在的化合物，如金属卤 化物等离子化过程和离解过程n离子化过程：离子原的共价键发生异裂产 生离子对的过程n离解过程：离子对或缔合离子转变为独立 离子的过程离子原溶剂化溶剂化离子化离子体溶剂化的离子对 （缔合离子）溶剂化正离子溶剂化负离子溶剂化的独立离子A+与B-的作用力与溶 剂的ε成反比溶剂必须对离子原 的共价键进行进攻溶剂对反应速度的影响n对SN1反应速度的影响质子传递型溶剂使负离子溶剂化，有利于 负离子的离去和碳正离子的形成，使反应速度 加快R－X + HS[Rδ+Xδ-H－S]R + X+-HS + Y-R－YnSN2反应速度的影响情况一：对活化配合物负端的氢键缔合作用 比对反应质点Y的氢键缔合作用强有利于离去基团的离去，使反应加速Y + R－X + HSYδ+RXδ-[H－S]Y －R + X+-H－S情况二：对反应质点的专一性溶剂化作用强。

降低了亲核试剂的反应活性，使反应速度降低Y-RXδ-[S－H]HS + Y + R－X-例： I- Br- Cl- F- 专一性溶剂化作用 小 大 反应活性 大 小溶剂的静电效应对反应速度的影响(Houghes- Ingold规则)n 对于从起始反应物变为活化配合物时电 荷密度增加的反应，溶剂极性增加，使反 应速度加快异性电荷分离 电荷密度增加SN1反应R－Xδ+RXδ-R+X-+例：≠溶剂C2H5OHCH3OHHCOOH H2O HCONH2ε24.5532.7058.578.39111.0μ(D)1.731.701.821.823.37极性小大k1(相对)1912200335000430n 对于从起始反应物变为活化配合物时电 荷密度降低的反应，溶剂极性增加，使反 应速度减慢 SN2反应电荷分散 电荷密度降低Y－RX-R－XY-+RXδ-δ-Y+例：溶剂CH3COCH3C2H5OHCH3OH(CH2OH)2H2Oε20.724.5532.737.778.39μ(D)2.861.731.702.281.82k（相对）130004416171I*-+ CH3Ik[ I*δ -CH3Iδ -]I－CH3I-+n对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度 变化很小或无变化的反应，溶剂极性的改变对 反应速度的影响极小。

局限性：忽略了溶剂的类型、溶剂的专一性溶剂化 作用对反应速度的影响非质子极性溶剂对SN反应速度的影响属于EPD溶剂，优先使正离子专一性溶剂化 ，并使负离子成为裸露负离子，亲核活性增加 3 有机反应对溶剂的要求n溶剂对合成体系中反应物有较好的溶 解性，或者使反应物在溶剂中能良好 分散n溶剂对反应物和产物不发生化学反应 ，不影响体系中催化剂的活性n溶剂容易从反应物中回收，损失少， 不影响精化产品后处理及提纯 n溶剂本身在反应条件下及回收溶剂过 程中是稳定的 n溶剂尽可能不需要太高的技术安全措 施 n溶剂的毒性小，含溶剂废水容易处理 n溶剂的价格便宜，供应方便4 精细有机合成与催化在有机合成中80-85%的化学反应需要 使用催化剂如氢化、脱氢、氧化、还原 、脱水、脱卤、缩合、环合等反应几乎都 要使用催化剂均相催化的特点：◆ 不存在固体表面的问题，对作为活性 中心的过渡金属特定活性较高，选择性较好 ，所以，资源利用较充分；◆ 制备重复性好，因为它是依化学计量 反应而制备的；◆ 分子结构一定，比较容易弄清楚；均相催化◆ 反应条件温和，在反应过程中容易恒温 操作，利于节约能源，对反应器的材质 要求也较低，减少了投资；◆ 反应物与催化剂甚至产物均同相，必须 分离，催化剂为贵金属，必须回收，于 是增加了工艺步骤和投资。

5 多相催化作用多相催化的类型：◆ G-L 型◆ L-S 型◆ G-L-S 型多相催化的步骤：◆ 反应物向催化剂表面扩散◆ 反应物在催化剂表面吸附◆ 生成产物◆ 产物脱附◆ 扩散多相催化的特点◆ 多相催化迄今仍以固体为主；◆ 利用多相催化反应可提高选择性，使副 产物和废弃物减少甚至消失，以 提高原子 利用率； ◆ 催化反应可使合成步骤减少，反应条件温和；◆ 多相催化剂易于分离和再利用；◆ 对于气相和液相都适合，并且反应器可连续操 作固体催化剂的组成◆ 主催化剂◆ 助催化剂◆ 载体见表8-6相转移催化（phase transfer catalyzed reaction, PTC)1 分类 常用的相转移催化剂可分为：◆ 鎓盐类、◆ 冠醚类◆ 非环多醚类2 异同：◆ 鎓盐适用于液－液和液－固体系，并克 服了冠醚的一些缺点，例如鎓盐能适用于 所有正离子，◆ 冠醚有明显地选择性◆ 鎓盐价廉，无毒◆ 鎓盐在所有有机溶剂中可 以各种比例溶解，通常选用鎓盐作为相转移催化剂水相或有机相相转移催化反应的特点1 非均相反应存在的问题：① 反应速率慢； ② 效果差； ③ 反应不完全。

CH3(CH2)7 Br + NaCN 两星期不反应2 相转移催化剂：在两相反应体系中，通过加入少量的 第三种物质，即相转移催化剂，使一种反 应物从一相转移到另一相中，并且与后一 相中的另一反应物反应，从而变非均相反 应为均相反应，并使反应速度加快并顺利 进行◆ 提高反应速率，提高反应的专一性；◆ 耗费较低的能源；◆ 相转移催化使用的催化剂和介质极易获得；3.相转移催化反应的特点◆ 可使用廉价非毒性、能回收的溶剂 ，或直接使用液体试剂作为溶剂；◆ 工艺流程简单、设备尺寸小；◆ 产品容易分离◆ 从相转移催化原理看，整个反应可视为 络合物动力学反应：⑴ 有机相中反应；⑵ 继续转移负离子到水相相转移催化原理及类型◆ 如果⑴ 比 ⑵快，过程被负离子转移所控制，称为“萃取型”相转移催化；◆ 如果 ⑵比⑴快，则称之为“界面型”或“相界型”相转移催化C7H15Cl + CNˉ C7H15CN + Cl ˉ 萃取型四己铵盐C6H5CH2Cl + CNˉ C6H5CH2CN + Cl ˉ界面型 苄基三乙铵鎓盐类相转移催化（LLPTC）n1971年Starks就 液-液相 SN2亲核取代反应提出著名的催化循环理论，奠定了相转移催化反应的理论基础：Q+—— 相转移催化的正离子 Yˉ—— 反应应物负负离子QY—— 不带电带电的离子对对 RX—— 有机反应应物RY—— 预预想产产物 QX—— 离子对对鎓盐的液-液相转移催化机理1.鎓盐及其活性◆ 分子量比较大的鎓盐比分子量小的鎓盐 具有较好的催化效果。

◆ 具有一个长碳链的季铵盐 ，其碳链愈长 ，效果愈好◆ 对称的季铵离子比具有一个碳链的季铵 离子的催化效果好，例如四丁基铵离子比 三甲基十六烷基铵离子的催化效果好◆ 季磷盐的催化性能稍高于季铵盐，季磷 盐的热稳定性也比相应的铵盐高◆ 含有芳基地铵盐不如烷基铵盐的催化效 果好 常用的有TEBAC三乙基卞基氯化铵TOMAC三辛基甲基氯化铵2.冠醚类冠醚类也称非离子型相转移催化剂◆ 它们具有特殊的络和功能，◆ 冠醚能与碱金属形成络合物，◆ 形成的金属络合物仍能溶于非极性有机介 质中3.非环多醚类三相相转移催化剂将可溶性相转移催化剂 (PTC)固载到高 分子载体上制得的一类既不溶于水 ,也不溶于 有机相的固载化相转移催化剂 称为三相相转 移催化剂 (triphase phase transfer catalyst,简 称TPPTC)；三相相转移催化剂的特点：◆ 不溶于水、酸、碱和有机溶剂，反应结 束后只需简单过滤即可定量回收；◆ 可多次重复使用，而活性不降低或稍微 降低，反应产物从反应体系中的分离提取 也很方便；◆ 由于催化剂已高分子化，挥发 性小、相应减少了毒性；◆ 适合于工业上的连续化生产。

常见的 TPPTC有固载化季铵盐、固载化冠 醚、固载化聚乙二醇等，其中研究最多、 使用最广泛的是固载化聚乙二醇◆ 反应物为液体时，经常可用该底物作为有 机相使用；◆ 所选有机溶剂与水的互溶性必须很小，以 确保离子对不发生水和作用；◆ 选用非极性溶剂时，应采用四丁基铵或更 大的离子，以确保离子对由水相进入有机相 的量；6 相转移催化反应条件选择 1. 反应溶剂的选择◆ 低沸点含氯溶剂（氯仿、二氯甲烷、1，2- 二氯乙烷等）效果最好，不仅对盐类有较高 的萃取容量，价格也较低，容易除尽，也容 易回收；◆ 在固-液相转移反应中，最常用的溶剂为苯 （和其它烃类）、二氯甲烷、氯仿（和其它 氯代烃类）以及乙腈；①在中性介质中，相转移催化。