
精细有机合成基础课件.ppt
199页第第2 2章章 精细有机合成基础精细有机合成基础精细有机合成基础n芳香族亲电取代的定位规律芳香族亲电取代的定位规律n化学反应的计量学化学反应的计量学n化学反应器化学反应器n精细有机合成中的溶剂效应精细有机合成中的溶剂效应n气气- -固相接触催化固相接触催化n相转移催化相转移催化n均相配位催化均相配位催化n水相水相/ /有机相两相催化有机相两相催化n杂多化合物催化杂多化合物催化精细有机合成基础n分子筛催化分子筛催化n固体超强酸催化剂固体超强酸催化剂n不对称合成催化剂不对称合成催化剂n生化催化有机合成生化催化有机合成n电解有机合成电解有机合成n光有机合成光有机合成n微波促进微波促进n超临界流体在有机合成中的应用超临界流体在有机合成中的应用n流体离子对在有机反应中的应用流体离子对在有机反应中的应用n有机合成的其他新方法和新技术有机合成的其他新方法和新技术精细有机合成基础精细有机精细有机合成反应合成反应消除反应消除反应被消除原子或原子团位置被消除原子或原子团位置重排反应重排反应发生重排原子(团)位置发生重排原子(团)位置取代反应取代反应反应试剂的性质反应试剂的性质反应物分子中反应物分子中C-HC-H键断裂方式键断裂方式亲核取代亲核取代亲电取代亲电取代游离基取代游离基取代加成反应加成反应加成的基本途径加成的基本途径α-α-消除消除β-β-消除消除分子内重排分子内重排分子间重排分子间重排环加成环加成亲电加成亲电加成游离基加成游离基加成亲核加成亲核加成进行方式进行方式精细有机合成基础2.1 芳香族亲电取代的定位规律芳香族亲电取代的定位规律一、反应历程一、反应历程以苯的一元亲电取代为例,其反应过程可表示如下:以苯的一元亲电取代为例,其反应过程可表示如下:σ络合物络合物又叫惠兰特中间体或碳正离子中间体又叫惠兰特中间体或碳正离子中间体K-1k1k2化学反应所经历的途径或过程,又称反应机理。
化学反应所经历的途径或过程,又称反应机理σ络合物证据精细有机合成基础图图2-1 苯系亲电取代的能量变化图苯系亲电取代的能量变化图ΔE3精细有机合成基础·σ络合物,橙色固体,熔点络合物,橙色固体,熔点-15℃℃支持支持σ络合物存在的证据:络合物存在的证据:σ络合物,固体,无一定熔点络合物,固体,无一定熔点·精细有机合成基础二、苯的二元亲电取代反应二、苯的二元亲电取代反应1、概念、概念 苯的二元亲电取代是指一元取代苯再进行第二次亲电取代苯的二元亲电取代是指一元取代苯再进行第二次亲电取代的反应在绝大多数情况下,反应的结果是苯环上的另一个氢的反应在绝大多数情况下,反应的结果是苯环上的另一个氢被取代成为二元取代苯被取代成为二元取代苯BAABABAB++精细有机合成基础2、单环芳烃二元亲电取代反应的定位规律、单环芳烃二元亲电取代反应的定位规律1、定位规律、定位规律EAAEAEAE++①①决定反应的难易决定反应的难易——以苯的相对反应速率为标准,以苯的相对反应速率为标准,分为分为活化基活化基活化基活化基和和钝化基钝化基钝化基钝化基②②决定反应的位置决定反应的位置——以邻对位产率以邻对位产率60%为标准,为标准,分为分为邻对位基邻对位基邻对位基邻对位基和和间位基间位基间位基间位基理论平均值:理论平均值:40% 40% 20%40% 40% 20%定位定位基团基团精细有机合成基础表表2-1 邻、对位定位基和间位定位基邻、对位定位基和间位定位基定位定位效应效应强度强度取代基取代基电子效应电子效应综合综合性质性质邻邻、、对对位位定定位位最强最强-O-给电子诱导效应、给电子诱导效应、给电子共轭效应给电子共轭效应活活化化基基强强NR2、、NHR、、NH2、、OH、、OR吸电子诱导效应小于给吸电子诱导效应小于给电子共轭效应电子共轭效应*给电子诱导效应,给电子诱导效应,给电子超共轭效应给电子超共轭效应中中OCOR、、NHCOR弱弱NHCHO、、C6H5、、CH3*、、CR3*弱弱F、、Cl、、Br、、I、、CH2Cl、、CH=CHCOOH、、CH=CHNO2吸电子诱导效应大于给吸电子诱导效应大于给电子共轭效应电子共轭效应间间位位定定位位强强COR、、CHO、、COOR、、CONH2、、COOH,,SO3H、、CN、、NO2、、CF3**、、CCl3**吸电子诱导效应、吸电子诱导效应、吸电子共轭效应吸电子共轭效应**只有吸电子诱导效应只有吸电子诱导效应钝钝化化基基最强最强NH3+、、NR3+吸电子诱导效应吸电子诱导效应精细有机合成基础练习练习1:指出下列物质取代反应的位置:指出下列物质取代反应的位置COCH3CH2CH3SO3H练习练习2:排出下列物质取代反应的难易顺序:排出下列物质取代反应的难易顺序⑥⑥⑥⑥CH3BrNO2OHCHOH①①①①②②②②③③③③④④④④⑤⑤⑤⑤精细有机合成基础练习练习3:选择合理的合成路线:选择合理的合成路线氯化、磺化氯化、磺化氯化、磺化氯化、磺化①①ClSO3H②②NO2COCH3酰基化酰基化酰基化酰基化、硝化、硝化、硝化、硝化ClClCl2 2/Fe/FeHH2 2SOSO4 4HNOHNO3 3/H/H2 2SOSO4 4CHCH3 3COClCOCl/AlCl/AlCl3 3COCH3NO2??精细有机合成基础NO2BrCOOHCH3③③氧化、硝化氧化、硝化、溴化、溴化④④CH3NO2BrCOOH硝化、溴化硝化、溴化、氧化、氧化CH3BrCH3溴化溴化溴化溴化??注注注注1 1::::引入第三个基团时,前两引入第三个基团时,前两个基团的定位作用一致更好。
个基团的定位作用一致更好KMnOKMnO4 4COOHNO2COOHHNO3H2SO4BrBr2 2/Fe/FeNO2BrCH3KMnOKMnO4 4HNOHNO3 3HH2 2SOSO4 4BrBr2 2/Fe/FeCH3NO2BrCOOH??精细有机合成基础三、苯环上的已有取代基的定位规律及影响因素三、苯环上的已有取代基的定位规律及影响因素1 1、已有取代基的电子效应、已有取代基的电子效应诱导效应诱导效应(Inductive effect) ((I):):由电负性大小决定由电负性大小决定共轭效应(共轭效应(T T):):包括包括π-ππ-π共轭和共轭和p-πp-π共轭++I:I:供电子供电子-I:-I:吸电子吸电子++T:T:供电子供电子-T:-T:吸电子吸电子精细有机合成基础n有有+I,无,无T:: 如如-C2H5,-CH3 ((1)使)使σ-配合物稳定,活化苯环;配合物稳定,活化苯环; ((2)使邻、对位取代产物更稳定;)使邻、对位取代产物更稳定; ((3)为)为邻、对位定位基邻、对位定位基精细有机合成基础n有有-I,无,无T:: 如如-N+(CH3)3、-CF3、-CCl3等等 ((1)使)使σ-配合物均不稳定,使苯环钝化;配合物均不稳定,使苯环钝化; ((2)使邻、对位取代产物更不稳定;)使邻、对位取代产物更不稳定; ((3)为)为间位定位基间位定位基。
精细有机合成基础n有有-I,,-T:: 如如-NO2、-CN、-COOH、-CHO等等 ((1)诱导效应与共轭效应作用一致;)诱导效应与共轭效应作用一致; ((2)则使苯环钝化;)则使苯环钝化; ((3))间位定位基间位定位基精细有机合成基础n有有+I,,+T:: 如如-O-、-CH3 ((1)共轭效应与诱导效应作用一致;)共轭效应与诱导效应作用一致; ((2)则使苯环活化;)则使苯环活化; ((3))邻、对位定位基邻、对位定位基精细有机合成基础n有有-I,,+T,且,且|-I|<|+T|:: 如如-OH、-OCH3、-NH2、-N(CH3)2、、-NHCOCH3等等 ((1)诱导效应与共轭效应作用不)诱导效应与共轭效应作用不一致,共轭效应作用大于诱导一致,共轭效应作用大于诱导效应,使苯环活化;效应,使苯环活化; ((2)使邻、对位取代产物更稳定;)使邻、对位取代产物更稳定; ((3))邻、对位定位基邻、对位定位基 精细有机合成基础n有有-I,,+T,且,且|-I|>|+T|:: 如如-F,-Cl,-Br,-I等等 ((1)总效果使苯环电子云密度降低;)总效果使苯环电子云密度降低; ((2)使取代基邻、对位电子云密度低于间位;)使取代基邻、对位电子云密度低于间位; ((3))邻、对位定位基邻、对位定位基。
精细有机合成基础两类定位基:两类定位基:n邻、对位定位基(第一类定位基):邻、对位定位基(第一类定位基): -O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3, -F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等n间位定位基(第二类定位基):间位定位基(第二类定位基): -N+(CH3)3,-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO, -COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3等精细有机合成基础2 2、已有取代基的空间效应、已有取代基的空间效应n已有取代基的空间效应已有取代基的空间效应 Ro/p-CH31.66-C2H50.90-CH(CH3)20.41-C(CH3)30.12(1)(1)在极性效应相差不在极性效应相差不大时,大时,已有取代基体积已有取代基体积越大,邻位异构产物的越大,邻位异构产物的比例越小比例越小 表表 一硝化(一硝化(AcONO2,0℃),0℃)产物异构体比例产物异构体比例精细有机合成基础(2)当当极性效应极性效应起主导作用时,结果可能相反。
起主导作用时,结果可能相反Xo/p-F0.15-Cl0.55-Br0.77-I0.83 表表 一一 硝化(硝化(HNO3,67.5%H2SO4,25℃)产物异构体比例产物异构体比例精细有机合成基础n新引入基团的空间效应新引入基团的空间效应 新引入取代基的体积越大,邻位产物越少新引入取代基的体积越大,邻位产物越少 表表 甲苯甲苯C- -烷化反应新引入基团对异构体比例的影响烷化反应新引入基团对异构体比例的影响新引入新引入基团基团反应条件反应条件异构产物比例,%异构产物比例,%邻位邻位间位间位对位对位CH3CH3Br(GaBr3,C6H5CH3,45℃)55.79.934.4C2H5C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)38.421.040.6CH(CH3)2CH(CH3)2Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)26.226.247.2C(CH3)3C(CH3)3Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)032.167.9精细有机合成基础3 3、亲电试剂的活泼性(电子效应)、亲电试剂的活泼性(电子效应)n亲电试剂的亲电试剂的活泼性越高活泼性越高,亲电取代,亲电取代反应速度反应速度越快越快,反应的,反应的选择性越低选择性越低。
n亲电试剂的亲电试剂的活泼性越低活泼性越低,亲电取代,亲电取代反应速度反应速度越低,越低,反应的反应的选择性越高选择性越高精细有机合成基础异构产物异构产物比例,%比例,%反应类型反应类型氯化氯化C-酰化酰化C-烷化烷化反应条件反应条件Cl2(CH3COOH,25℃)CH3COCl(AlCl3,C2H4Cl2, 25℃)C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)kT/kB3401282.47表表 亲电试剂活泼性的影响亲电试剂活泼性的影响精细有机合成基础2.1 芳香族亲电取代的定位规律芳香族亲电取代的定位规律4 4、亲电试剂的空间效应(、亲电试剂的空间效应(P10 P10 表表2-32-3))5 5、新取代基的空间效应、新取代基的空间效应6 6、反应的可逆性、反应的可逆性精细有机合成基础n温度温度 ((1 1)通常情况下,)通常情况下,温度升高温度升高,,亲电取代亲电取代反应活性增反应活性增高,选择性下降高,选择性下降混酸混酸硝化硝化0℃ 5%% 94%% 1%%40℃ 7%% 91%% 2%%90℃ 13%% 85%% 2%%7 7、反应条件的影响、反应条件的影响精细有机合成基础 ((2))使不可逆的磺化、使不可逆的磺化、C-烷化反应转变为可逆反应,烷化反应转变为可逆反应,从从而影响产物异构体的比例。
而影响产物异构体的比例实例实例1 1::磺化磺化磺化磺化精细有机合成基础实例实例2 2::精细有机合成基础n反应介质反应介质硝化硝化反应介质反应介质++乙酸酐乙酸酐 约约9292%% 少量少量 约约8 8%% 硫酸硫酸 约约3030%% 少量少量 约约7070%%精细有机合成基础n催化剂的影响催化剂的影响 ((1 1))改变改变E+的极性效应或空间效应的极性效应或空间效应2 2))改变反应历程改变反应历程磺化磺化磺化磺化HgSOHgSO4 4催化催化精细有机合成基础n已有两个取代基为同一已有两个取代基为同一类型定位基,且处于间类型定位基,且处于间位,则位,则定位作用一致定位作用一致n已有两个取代基为已有两个取代基为同一同一类型定位基类型定位基,且,且处于邻、处于邻、对位对位,则,则定位作用不一定位作用不一致致——取决于定位能力取决于定位能力的强弱四、苯环上已有两个取代基的定位规律四、苯环上已有两个取代基的定位规律主产物主产物少量少量精细有机合成基础n已有两个取代基为已有两个取代基为不同类型不同类型定位基,且处于邻、对位,定位基,且处于邻、对位,则定位作用一致。
则定位作用一致n已有两个取代基为已有两个取代基为不同类型不同类型定位基,且处于间位,则定定位基,且处于间位,则定位作用不一致位作用不一致——取决于第取决于第一类定位基一类定位基精细有机合成基础 (1)苯环上已有取代基的定位效应具有加和性苯环上已有取代基的定位效应具有加和性 (2)当苯环上已有两个取代基对新取代基的定位效应不一致时,当苯环上已有两个取代基对新取代基的定位效应不一致时,新取代基进入苯环的位置取决于已有取代基定位效应的强弱通新取代基进入苯环的位置取决于已有取代基定位效应的强弱通常活化基的定位效应大于钝化基的定位效应;邻、对位的定位效常活化基的定位效应大于钝化基的定位效应;邻、对位的定位效应大于间位的定位效应活化基的定位效应有下列强弱次序:应大于间位的定位效应活化基的定位效应有下列强弱次序: O->>NH2>>NR2>>OH>>CH3、、NHCOCH3>>CH3>>X (3)当苯环上两个取代基都是钝化基时,很难再进入新取代基当苯环上两个取代基都是钝化基时,很难再进入新取代基钝化基的定位效应有下列强弱次序:钝化基的定位效应有下列强弱次序: N(CH3)3+>>NO2>>CN>>SO3H>>CHO>>COCH3>>COOH (4)新取代基一般不进入新取代基一般不进入1,3-取代苯的取代苯的2位。
位苯的多元亲电取代反应的定位规律苯的多元亲电取代反应的定位规律精细有机合成基础精细有机合成基础精细有机合成基础练习:在下述两题中,各选练习:在下述两题中,各选择一条更好的合成路线择一条更好的合成路线BrCH3BrBr2 2/Fe/FeHH2 2SOSO4 4HH2 2SOSO4 4CH3SO3HBrBr2 2/Fe/FeKMnOKMnO4 4COOHCOOHBrBr2 2/Fe/FeCH3SO3H-BrCH3CH3CH3COOHCOOH-Br☺☺-BrCH3BrBr2 2/Fe/FeKMnOKMnO4 4CH3精细有机合成基础五、萘环的定位规律五、萘环的定位规律• 萘的结构萘的结构X-射线衍射结果:萘分子中,18个原子共平面 ∴∴ 萘分子中亦有离域现象,单、双键键长趋于平均化萘分子中亦有离域现象,单、双键键长趋于平均化(但未完全平均化)但未完全平均化) OH - -萘萘萘萘酚酚酚酚–OH - -萘酚萘酚萘酚萘酚精细有机合成基础五、萘环的定位规律五、萘环的定位规律n萘环的特性 ((1 1)比苯环)比苯环更易发生亲电取代反应更易发生亲电取代反应α-α-位位β-β-位位精细有机合成基础 ((2 2))αα位比位比ββ位的亲位的亲电取代反应活性高,电取代反应活性高,E E+ +优先进攻优先进攻αα位位。
((3))某些反应在一定某些反应在一定条件下可逆条件下可逆,使低温,使低温反应产物以反应产物以α位为主,位为主,高温反应产物以高温反应产物以β位位为主<<60℃60℃磺化磺化>>160℃160℃磺化磺化160℃160℃异构化异构化原因解释原因解释:精细有机合成基础n已有一个取代基的定位作用已有一个取代基的定位作用((1 1))已有一个第一类取代基已有一个第一类取代基 大多使萘环活化,新大多使萘环活化,新取代基进入已有取代基的取代基进入已有取代基的同环精细有机合成基础 ((2 2)已有一个第二类取代基)已有一个第二类取代基 使苯环钝化,新取代使苯环钝化,新取代基进入异环的基进入异环的αα位精细有机合成基础六、蒽醌环的定位规律六、蒽醌环的定位规律n蒽醌环的特点蒽醌环的特点((1 1)亲电取代反应活性低;)亲电取代反应活性低;((2 2)两个边环具有等同性;)两个边环具有等同性;((3 3))αα位比位比ββ位活泼精细有机合成基础n蒽醌环的定位规律蒽醌环的定位规律n催化剂的影响催化剂的影响磺化磺化磺化磺化HgSOHgSO4 4催化催化精细有机合成基础芳香族的亲核取代反应芳香族的亲核取代反应( (补充一)补充一)精细有机合成基础 (A)负离子:负离子:OH-、、RO-、、ArO-、、NaSO3-、、NaS-、、CN-等等(B)极性分子中偶极的极性分子中偶极的负端:负端:NH3、、RNH2、、RR’NH、、A rNH2和和NH2OH等等芳香族亲核取代是亲核试剂对芳环进攻的反应。
芳香族亲核取代是亲核试剂对芳环进攻的反应反应类型反应类型1 芳环上氢的亲核芳环上氢的亲核取代;取代;2 芳环上已有取代芳环上已有取代基的亲核取代;基的亲核取代;3 通过苯炔中间体通过苯炔中间体的亲核取代的亲核取代反应历程反应历程1 双分子反应双分子反应2 单分子反应单分子反应3 苯炔中间体苯炔中间体常用的亲核试剂常用的亲核试剂芳香族的亲核取代反应芳香族的亲核取代反应(补充一)补充一)精细有机合成基础一、反一、反应动力学与力学与历程程1、双分子反应、双分子反应(加成加成-消除机理消除机理)迈森海默络合物迈森海默络合物精细有机合成基础1902年,迈森海默年,迈森海默(Meisenheimer) 从下列反应的过程中,曾分从下列反应的过程中,曾分离出所形成的离出所形成的σ 络合物,证实了上述亲核取代反应历程是通过负络合物,证实了上述亲核取代反应历程是通过负碳离子小间体进行的文献上常把芳香族亲核取代反应中的碳离子小间体进行的文献上常把芳香族亲核取代反应中的σ络络合物叫做迈森海默络合物:合物叫做迈森海默络合物:精细有机合成基础2、单分子反应、单分子反应该反应分两步进行:该反应分两步进行:精细有机合成基础3、、 消除消除-加成机理加成机理(苯炔机理苯炔机理) 当苯环上没有较强的吸电子基存在时,卤当苯环上没有较强的吸电子基存在时,卤原子被取代的反应是按照消除原子被取代的反应是按照消除-加成机理进行的:加成机理进行的: 精细有机合成基础38%(预期的)(预期的)62%(非预期的)(非预期的)消除消除-加成机理加成机理(苯炔机理苯炔机理)如下:如下:精细有机合成基础精细有机合成基础表表1--15 芳环上已有取代基的亲核置换反应芳环上已有取代基的亲核置换反应反应物亲核试剂反应产物单元反应羟基化羟基化烷氧基化烷氧基化芳氧基化芳氧基化氨解氨解氨解氨解磺化磺化精细有机合成基础羟基化羟基化氨解氨解芳胺基化芳胺基化烷氧基化烷氧基化芳氧基化芳氧基化氨解氨解磺化磺化羟基化羟基化卤素置换卤素置换羟基化羟基化芳胺基化芳胺基化氨解氨解芳胺基化芳胺基化··精细有机合成基础1、自由基在溶液中生成后,对其他型体的进攻,或者对同一、自由基在溶液中生成后,对其他型体的进攻,或者对同一型体进攻其不同位置的选择性都较低。
型体进攻其不同位置的选择性都较低2、绝大部分自由基反应一经引发,通常都能很快进行下去,、绝大部分自由基反应一经引发,通常都能很快进行下去,具有低能障的快速连锁反应特征具有低能障的快速连锁反应特征3、自由基反应很易受到某些物质的抑制,这些物质能非常快、自由基反应很易受到某些物质的抑制,这些物质能非常快地与自由基反应,如酚类、醌类、二苯胺、碘等,使自由基反地与自由基反应,如酚类、醌类、二苯胺、碘等,使自由基反应终止1、有机化合物的燃烧过程,几乎全是自由基反应;、有机化合物的燃烧过程,几乎全是自由基反应;2、烃类在气相中和氯反应,以及和四氧化二氮反应分别生、烃类在气相中和氯反应,以及和四氧化二氮反应分别生成氯代烷烃和硝基烷烃也属自由基反应成氯代烷烃和硝基烷烃也属自由基反应自由基反应的特征:自由基反应的特征:自由基反应自由基反应( (又称游离基反应又称游离基反应) )(补充二)(补充二)精细有机合成基础一、反应历程一、反应历程1、自由基的形成、自由基的形成采用可见光或紫外光照射就能使有机化合物生成自由基采用可见光或紫外光照射就能使有机化合物生成自由基①① 光解光解···nmKJ·mol-1nmKJ·mol-1200250300350598.7479.0399.0342.1400450500299.4265.9239.5····表表1-16 光的能量换算表光的能量换算表精细有机合成基础②② 热解热解此法产生自由基的最适宜的温度为此法产生自由基的最适宜的温度为50℃℃~~150℃℃。
热解法用的化合物主要有两类:热解法用的化合物主要有两类:1)含有较弱键能的化合物,特别是如二烷基过氧化物含有较弱键能的化合物,特别是如二烷基过氧化物(离解能离解能DO-O==155KJ·mol-1),氯,氯(DCl-Cl==238KJ·mol-1)溴溴(DBr-Br==188KJ·mol-1)2)易于分解的偶氮化合物或过氧羧酸酯,分解时生成非常稳易于分解的偶氮化合物或过氧羧酸酯,分解时生成非常稳定的产物定的产物(如如N2或或CO2).··精细有机合成基础③③ 氧化还原反应氧化还原反应按此法产生自由基都涉及按此法产生自由基都涉及—个电子的转移个电子的转移(如如Cu+/Cu2+ 、、Fe2+//Fe3+等金属离于等金属离于)例如用cu+可以明显加速酰基过氧可以明显加速酰基过氧化物的分解:化物的分解:·芬顿试剂芬顿试剂精细有机合成基础2、自由基反应的分类、自由基反应的分类自由基与饱和有机化合物反应时,通常要从碳原子上自由基与饱和有机化合物反应时,通常要从碳原子上夺取一个原子,一般是氢:夺取一个原子,一般是氢:①①夺取反应夺取反应四种简单烃的四种简单烃的C--H键的离解能为:键的离解能为:因此,自由基反应的活泼性次序由大到小为:叔丁烷>丙烷>乙烷>甲烷,因此,自由基反应的活泼性次序由大到小为:叔丁烷>丙烷>乙烷>甲烷,通常的规律为:叔通常的规律为:叔C-H>仲>仲C-H>伯>伯C-H。
键键H-CH3H-CH2CH3H-CH(CH3)2H-C(CH3)3离解能(离解能(kJ·mol-1))426401385372精细有机合成基础CH3CH=CH2+ Cl2500℃500℃或光或光或光或光问题问题问题问题1 1::::为什么不是加成反应?为什么不是加成反应?问题问题问题问题2 2::::为什么取代在为什么取代在 -位?位?原因原因①①:反应条件,易产生自由基:反应条件,易产生自由基Cl2光或热光或热光或热光或热2Cl•原因原因②②:: 稳定稳定(p- 共轭共轭)CH2CH=CH2•历程历程——自由基取代反应自由基取代反应CH2CH=CH2Cl··精细有机合成基础精细有机合成基础②②加成反应加成反应自由基可加成到各种不饱和基因上去最重要的是加成到自由基可加成到各种不饱和基因上去最重要的是加成到C==C键上,这种加成反应的选择性良好键上,这种加成反应的选择性良好注意:自由基加成到烯烃注意:自由基加成到烯烃CH2==CHX上时,不论上时,不论X的性质,的性质,反应几乎全部发生在亚甲基上反应几乎全部发生在亚甲基上84精细有机合成基础★★★★自由基加成自由基加成自由基加成自由基加成 —— —— 过氧化物效应过氧化物效应过氧化物效应过氧化物效应CH3–CH=CH2 + HBrCH3–CHBr–CH3CH3–CH2–CH2BrR R2 2OO2 2————反马加成反马加成反马加成反马加成链引发:链引发:R2O22RO•RO• + HBrROH + Br• 链增长:链增长: CH3–CH=CH2 + Br•CH3–CH–CH2Br•CH3–CH–CH2Br + HBr•CH3–CH2–CH2Br + Br•CH3–CHBr–CH2•唯一唯一精细有机合成基础③③偶联及歧化偶联及歧化 偶联反应是两个自由基的化合导致生成新键,成为二聚物,偶联反应是两个自由基的化合导致生成新键,成为二聚物,如如R—R’。
这类偶联反应不仅可以发生在相同的自由基之间,也这类偶联反应不仅可以发生在相同的自由基之间,也可以发生在不同的自由基之间可以发生在不同的自由基之间 歧化反应是发生在歧化反应是发生在β-氢原子由一个自由基转移到另一氢原子由一个自由基转移到另一个自由基的过程例如:个自由基的过程例如:精细有机合成基础3、、自由基反应历程自由基反应历程以甲烷的氯代反应为例:以甲烷的氯代反应为例:CH4CH3ClCl +HCl反应条件:漫射光或加热反应条件:漫射光或加热400-500℃Cl2CH2ClCl2 2 +HClCHClCl3 3 +HClCl2Cl2CClCl4 4 +HClCl2一氯甲烷一氯甲烷二氯甲烷二氯甲烷氯仿氯仿四氯化碳四氯化碳几点反应事实:几点反应事实:①①光照光照Cl2气和气和CH4气混合物,反应可以进行;气混合物,反应可以进行;②②光照光照Cl2气后,迅速和气后,迅速和CH4气混合,反应可以进行;气混合,反应可以进行;③③光照光照CH4气后,迅速和气后,迅速和Cl2气混合,反应不能进行;气混合,反应不能进行;④④光照光照Cl2气,延时再和气,延时再和CH4气混合,反应不能进行气混合,反应不能进行。
精细有机合成基础((1)甲烷的氯代反应历程)甲烷的氯代反应历程((1))Cl︰︰Cl光或热光或热2Cl•氯自由基氯自由基氯自由基氯自由基((3))CH3• + Cl2CH3Cl + Cl •((2))Cl• + CH4CH3• + HCl每一步都产生一个每一步都产生一个新自由基新自由基新自由基新自由基——链反应链反应链引发链引发链增长链增长反复反复进行进行((5))CH2Cl• + Cl2CH2Cl2 + Cl•((4))Cl• + CH3Cl CH2Cl• + HCl————自由基取代反应自由基取代反应自由基取代反应自由基取代反应自由基之间相互碰撞自由基之间相互碰撞链终止链终止Cl• + CH3•Cl• + Cl•CH3• + CH3•Cl2CH3ClCH3CH3CH3︰︰H光或热光或热CH3• + H •??Cl• + CH4CH3Cl + H •??精细有机合成基础((2)甲烷氯代反应的能量变化)甲烷氯代反应的能量变化??链引发,为什么不是链引发,为什么不是CH3︰︰H光或热光或热CH3• + H •??链增长,为什么不是链增长,为什么不是 Cl• + CH4HCl + CH3•Cl• + CH4CH3Cl + H •离解能离解能(kJ·molkJ·mol-1-1)431H—Cl349CH3—Cl243Cl—Cl435CH3—H①①能量变化是反应的基本动力能量变化是反应的基本动力②②断裂价键断裂价键——需要能量需要能量 生成价键生成价键——放出能量放出能量∵∵Cl—Cl(243)(243) << CH3—H(435)(435) ③③需要的能量越少,放出的能需要的能量越少,放出的能量越多,反应越容易进行。
量越多,反应越容易进行∵∵ H—Cl(431)(431) >> CH3—Cl(349)(349)精细有机合成基础二、常见的自由基反应二、常见的自由基反应1、生成、生成C-X键的反应键的反应 大多数的卤化有机化合物可以采用卤化剂通过自由基取代大多数的卤化有机化合物可以采用卤化剂通过自由基取代反应或加成反应制得,常用的卤化剂上要有卤素和卤化氢,反应或加成反应制得,常用的卤化剂上要有卤素和卤化氢,其次还有硫酰氯、其次还有硫酰氯、N-溴化丁二酰亚胺、次卤酸叔丁酯及多卤溴化丁二酰亚胺、次卤酸叔丁酯及多卤化甲烷等化甲烷等1)饱和有机卤化合物饱和有机卤化合物(2)不饱和有机卤化合物不饱和有机卤化合物(3)重氮基被氯或溴置换重氮基被氯或溴置换精细有机合成基础 注意:此反应不能用来制备芳基氟和芳基碘注意:此反应不能用来制备芳基氟和芳基碘—— 桑德迈尔桑德迈尔(sandmeyer)反应反应该反应是按自由基反应历程进行的:该反应是按自由基反应历程进行的: ··精细有机合成基础2 生成生成C-N键的反应键的反应精细有机合成基础这种气相硝化反应的历程与也属于自由基反应历程这种气相硝化反应的历程与也属于自由基反应历程。
3、生成、生成C-O键的反应键的反应4、生成、生成C-S键的反应键的反应精细有机合成基础2.2 2.2 化学反应的计量学化学反应的计量学n反应物的摩尔比n限制反应物和过量反应物n过量百分数n转化率n选择性n理论收率n总收率n质量收率n原料消耗定额n单程转化率和总转化率精细有机合成基础化学计量比化学计量比 1 2 1 2投料摩尔数投料摩尔数 5 10.7 5 10.7反应物的摩尔比反应物的摩尔比 1 2.14 1 2.14 2.2.1 2.2.1 反应物的摩尔比反应物的摩尔比 指加入反应器中的指加入反应器中的几种反应物之间的物质几种反应物之间的物质的量之比的量之比例如:精细有机合成基础2.2.2 2.2.2 限制反应物和过量反应物限制反应物和过量反应物化学计量比化学计量比 1 2 1 2投料摩尔数投料摩尔数 5 10.7 5 10.7投料摩尔比投料摩尔比 1 2.14 1 2.14 化学反应物不按化学计量比投料时,以最小化化学反应物不按化学计量比投料时,以最小化学计量数存在的反应物叫做学计量数存在的反应物叫做限制反应物限制反应物,而投入量,而投入量超过限制反应物完全反应的理论量的反应物叫做超过限制反应物完全反应的理论量的反应物叫做过过量反应物量反应物。
限制反应物限制反应物过量反应物过量反应物精细有机合成基础2.2.3 2.2.3 过量百分数过量百分数N Ne e————过量反应物的物质的量;过量反应物的物质的量;N Nt t————与限制反应物完全反应所消耗的过量反与限制反应物完全反应所消耗的过量反 应物物质的量应物物质的量 过量反应物过量反应物超过限制反应物所需要的理超过限制反应物所需要的理论量的论量的部分占所需理论量的百分数,叫做过部分占所需理论量的百分数,叫做过量百分数量百分数过量百分数=过量百分数=精细有机合成基础例:例:化学计量比化学计量比 1 2 1 2投料摩尔数投料摩尔数 5 10.7 5 10.7投料摩尔比投料摩尔比 1 2.14 1 2.14 限制反应物限制反应物过量反应物过量反应物硝酸过量百分之多少?硝酸过量百分之多少?硝酸的过量百分数=硝酸的过量百分数=精细有机合成基础2.2.4 2.2.4 转化率(转化率(X X) ) 某一反应物某一反应物A A反应掉的量反应掉的量n nA,rA,r占其投料量占其投料量n nA,inA,in的百分数叫做的百分数叫做反应物反应物A A的转化率的转化率X XA A。
X XA A ==n nA,rA,rn nA,inA,in×100×100%%×100×100%%n nA,outA,out- -n nA,inA,inn nA,inA,in==精细有机合成基础2.2.5 2.2.5 选择性选择性( (S S) ) 某一反应物转化为目的产物理论消耗的某一反应物转化为目的产物理论消耗的物质的量占该物质在反应中实际消耗的量物物质的量占该物质在反应中实际消耗的量物质的量的百分数,叫做质的量的百分数,叫做选择性选择性aA aA ++ Bb = pP Bb = pPS SA A==n nP Pa ap pn nA,rA,r×100×100%%==×100×100%%n nP Pa ap pn nA,inA,in--n nA,outA,out化学计量比化学计量比精细有机合成基础2.2.6 2.2.6 理论收率(理论收率(Y Y) ) 生成的目的产物的物质生成的目的产物的物质的量占输入的限制反应物的的量占输入的限制反应物的物质的量的百分数,叫做物质的量的百分数,叫做理理论收率论收率 生成的目的产物的物质生成的目的产物的物质的量占理论上应得到的目的的量占理论上应得到的目的产物的物质的量的百分数,产物的物质的量的百分数,叫做叫做理论收率理论收率。
Y YP P==×100×100%%n nP Pa ap pn nA,inA,inY YP P==×100×100%%n nP Pa ap pn nA,inA,inY Y==S S××X X精细有机合成基础例:例:100mol 89mol 2mol 100mol 89mol 2mol 少量少量+焦油焦油X X苯胺苯胺==100100--2 2100100×100×100%% ==9898%%S S====90.890.8%%89×189×1×100×100%%100100--2 2Y Y==X X苯胺苯胺××S S==9898%%×90.8×90.8%=%=89.089.0%%8989100×1100×1×100×100%%==精细有机合成基础2.2.7 2.2.7 总收率总收率( (Y Y总总) )例:例: 反应物经过预处理、化学反应和后处反应物经过预处理、化学反应和后处理之后,所得目的产物的收率为理之后,所得目的产物的收率为总收率总收率100mol 89mol 2mol 100mol 89mol 2mol 少量少量+焦油焦油反应后反应后分离精制后分离精制后 87mol 87molY Y分分==87878989×100×100%%==97.897.8%%Y Y总总==Y Y反反××Y Y分分==89×97.889×97.8==87%87%精细有机合成基础2.2.8 2.2.8 质量收率质量收率( (Y Y质质) )例:例: 目的产物的质量占主反应物的质量百目的产物的质量占主反应物的质量百分数,叫做分数,叫做质量收率质量收率。
质量质量 100kg 163.5kg 100kg 163.5kg纯度纯度 99 99%% ≥98 ≥98%%相对分子量相对分子量 93 173 93 173Y Y质质==Y Y==163.5×98163.5×98%%÷173÷173100×99100×99%%÷93×1÷93×1×100×100%=%=8787%%×100×100%=%=161.8161.8%%163.5×98163.5×98%%100×99100×99%%精细有机合成基础2.2.9 2.2.9 原料消耗定额原料消耗定额 每生产一吨产品需要消耗的各种原料的量每生产一吨产品需要消耗的各种原料的量(吨或千克)叫做(吨或千克)叫做原料消耗定额原料消耗定额质量质量 100kg 163.5kg 100kg 163.5kg纯度纯度 99 99%% ≥98% ≥98%相对分子量相对分子量 93 173 93 173例:例:苯胺的消耗定额苯胺的消耗定额==100×99100×99%%163.5×98163.5×98%%==0.618t0.618t==618kg618kg精细有机合成基础2.2.10 2.2.10 单程转化率单程转化率( (X X单单) )和总转化率和总转化率( (X X总总) ) ,, —— ——反应物反应物A A输入和输出反应器的物质的量输入和输出反应器的物质的量 ,, —— ——反应物反应物A A输入和输出全过程的物质的量输入和输出全过程的物质的量X X单单==n nA,inA,inR Rn nA,outA,outR Rn nA,inA,inR R--×100×100%%X X总总==n nA,inA,inS Sn nA,outA,outS Sn nA,inA,inS S--×100×100%%n nA,outA,outR Rn nA,inA,inR Rn nA,outA,outS Sn nA,inA,inS S精细有机合成基础例:例: 100mol 40mol 38mol 1mol 61mol 100mol 40mol 38mol 1mol 61mol回收回收60mol60mol精细有机合成基础60mol60mol??molmol反应器反应器反应器反应器分离器分离器分离器分离器产物产物氯苯氯苯 38mol 38mol二氯苯二氯苯 1mol 1mol苯苯 1mol 1mol氯苯氯苯 38mol 38mol二氯苯二氯苯 1mol 1mol苯苯 61mol 61molX X单单==苯苯 100mol 100mol(100(100--61)÷100×10061)÷100×100%=%=3939%%X X总总==(100(100--61)÷(10061)÷(100--60)×10060)×100%=%=97.597.5%%S S=(=(38×138×1))÷(100÷(100--61)×10061)×100%=%=97.497.4%%Y Y总总=(=(38×138×1))÷÷((100100--6060))×100×100%=%=95.095.0%%==X X总总××S S ==97.5×97.497.5×97.4%=%=95.095.0%%精细有机合成基础n间歇操作和连续操作间歇操作和连续操作n间歇操作反应器间歇操作反应器n液相连续反应器液相连续反应器n气气- -液相连续反应器液相连续反应器n气气- -固相接触催化连续反应器固相接触催化连续反应器n气气- -固固- -液三相连续反应器液三相连续反应器2.3 2.3 化学反应器化学反应器精细有机合成基础2.3.1间歇操作和连续操作间歇操作和连续操作Ø化学反应器必须满足化学反应器必须满足基本要求基本要求::((1)良好传质条件。
良好传质条件2)良好传热条件良好传热条件3)在反应条件下,具有良好)在反应条件下,具有良好 机械强度和耐腐蚀性能机械强度和耐腐蚀性能4)能适应反应器的操作方式能适应反应器的操作方式Ø连连续续操操作作::是是将将各各种种反反应应原原料料按按一一定定的的比比例例和和恒恒定定的的速速度度连连续续不不断断地地加加入入到到反反应应器器中中,,并并且且从从反反应应器器中中以以恒恒定定的的速速度度连连续续不不断断地地排排出出反反应应产产物物在在正正常常操操作作下下,,在在反反应应器器中中的的某某一一特特定定部部位位,,反反应应物物料料的的组组成成、、温温度度和和压压力原则上是恒定的力原则上是恒定的Ø优优点点::产产品品质质量量稳稳定定、、反反应应效效率率高高、、节能节能Ø间歇操作:间歇操作:是将各种原料是将各种原料按一定顺序和速度加到反应按一定顺序和速度加到反应器中,并在一定的温度和压器中,并在一定的温度和压力下经过一定的时间完成特力下经过一定的时间完成特定的反应,然后将生成物料定的反应,然后将生成物料从反应器中放出从反应器中放出Ø优点:灵活、投入少优点:灵活、投入少精细有机合成基础n2.3.2 间歇操作反应器间歇操作反应器n液液- -液相和液液相和液- -固相间歇反应器:敞口的反应槽、带固相间歇反应器:敞口的反应槽、带回流冷凝器的反应锅、高压釜。
回流冷凝器的反应锅、高压釜n气气- -液相和气液相和气- -固固- -液三相间歇反应器:通常采用带液三相间歇反应器:通常采用带气体鼓泡管的锅式反应器或鼓泡塔式反应器气体鼓泡管的锅式反应器或鼓泡塔式反应器精细有机合成基础 2.3.3液相连续反应器液相连续反应器两种极限流体模型:理想混合型、理想置换型两种极限流体模型:理想混合型、理想置换型1 1、搅拌锅式连续反应器(理想混合型反应器)、搅拌锅式连续反应器(理想混合型反应器)精细有机合成基础单单锅锅连连续续反反应应器器::其其主主要要缺缺点点是是((1 1))锅锅内内反反应应原原料料的的浓浓度度低低,,反反应应速速度度慢慢2 2))流流出出反反应应产产物物中中残残留留一一定定量量的的未未反反应应物物,,从从而而影影响响产产品品收收率率3 3)容易发生连串反应,生成较多的副产物容易发生连串反应,生成较多的副产物多多锅锅串串联联连连续续操操作作反反应应器器::其其优优点点如如下下((1 1))没没有有返返混混作作用用2 2))反反应应速速度度快快,,可可大大大大提提高高设设备备的的生生产产能能力力3 3))可可在在不不同同的的反反应应锅锅中中控控制制不不同同的的反反应应温温度度。
4 4))反反应应产产物物中中剩剩余余未未反反应应物物的的含含量量低低精细有机合成基础精细有机合成基础2 2、管式连续反应器(理想置换型反应器)、管式连续反应器(理想置换型反应器) 反应原料从管子的入口处进入,在管内向前流动,反应原料从管子的入口处进入,在管内向前流动,经过一定的时间后,从管子的出口处流出在理想经过一定的时间后,从管子的出口处流出在理想情况下反应物没有返混作用情况下反应物没有返混作用 优点是(优点是(1 1)反应速度快,可缩短反应时间反应速度快,可缩短反应时间2 2))反应产物中未反应物少,可降低消耗定额,提高产反应产物中未反应物少,可降低消耗定额,提高产品质量主要适用热效应不太大、反应温度不太敏品质量主要适用热效应不太大、反应温度不太敏感以及高压操作的化学过程感以及高压操作的化学过程精细有机合成基础2.3.4气气-液相连续反应器液相连续反应器精细有机合成基础2.3.5 气气-固相接触催化连续反应器固相接触催化连续反应器n绝热固定床反应器绝热固定床反应器n列管式固定床反应器列管式固定床反应器n流化床反应器流化床反应器精细有机合成基础2.3.6气气-固固-液三相连续反应器液三相连续反应器精细有机合成基础2.4 2.4 精细有机合成中的溶剂效应精细有机合成中的溶剂效应n溶剂的分类溶剂的分类n““相似相溶相似相溶””原则原则n电子对受体(电子对受体(EPAEPA)溶剂和电子对给体()溶剂和电子对给体(EPDEPD))溶剂溶剂n溶剂极性对反应速率的影响溶剂极性对反应速率的影响n有机反应中溶剂的使用和选择有机反应中溶剂的使用和选择精细有机合成基础n溶剂对有机反应的影响溶剂对有机反应的影响n溶液和溶解作用溶液和溶解作用n溶剂和溶质之间的相互作用溶剂和溶质之间的相互作用库仑力库仑力( (静电引力静电引力) ):离子:离子- -离子力、离子离子力、离子- -偶极力偶极力范德华力范德华力( (内聚力内聚力) ):偶极:偶极- -偶极力、偶极偶极力、偶极- -诱导偶诱导偶 极力、瞬时偶极极力、瞬时偶极- -诱导偶极力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。
化作用、离子化作用合离解作用等非专一性力非专一性力( (普遍)普遍)(特定)(特定)精细有机合成基础2.4.1 2.4.1 溶剂的分类溶剂的分类n按化学结构分类按化学结构分类无机溶剂无机溶剂:水、液氨、液体二氧化硫、氟化氢、浓: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化钛、三氯化磷合三氯氧磷等有机溶剂有机溶剂:脂烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、醇、醚、:脂烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、醇、醚、 酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、 胺、腈、酰胺、砜和亚砜、杂环化合物等胺、腈、酰胺、砜和亚砜、杂环化合物等精细有机合成基础n按偶极矩和介电常数分类按偶极矩和介电常数分类((1 1))偶极矩(偶极矩(μμ):): 指偶极分子中电量相等的两个相反电荷中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(的一个电荷的电量(q q),与这两个电荷间距),与这两个电荷间距离(离(d d)的乘积,单位:德拜()的乘积,单位:德拜(D D)。
即:)即:μμ==q q××d d例:例:μμ==1.54D1.54D精细有机合成基础极性溶剂:分子中具有永久偶极的溶剂极性溶剂:分子中具有永久偶极的溶剂 有机溶剂的偶极矩有机溶剂的偶极矩μμ在在0 0~~5.5D5.5D之间无极性溶剂无极性溶剂 分子中没有永久偶极的溶剂,如环己烷、苯等分子中没有永久偶极的溶剂,如环己烷、苯等μμ<<2.5D2.5D的有机溶剂,如氯苯、二氯甲烷等的有机溶剂,如氯苯、二氯甲烷等 偶极矩主要影响在溶质(分子或离子)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周围溶剂分子的定向作用精细有机合成基础((2 2)介电常数()介电常数(εε)) 也叫电容率或相对电容率,是表示电介质也叫电容率或相对电容率,是表示电介质或绝缘材料或绝缘材料电性能的一个重要参数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,即极化电的电容器板强制形成一个有序排列,即极化作用,作用,极化作用越大,介电常数越大极化作用越大,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能力,或溶剂使它偶极定向的能力 精细有机合成基础极性溶剂:极性溶剂:εε>>1515~~2020非极性溶剂:非极性溶剂:εε<<1515~~2020 介电常数主要影响溶剂中离子的溶剂化作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用和离子体的离解作用 有机溶剂的介电常数有机溶剂的介电常数εε在在2 2~~190190之间,之间,εε越大,溶剂极性越强越大,溶剂极性越强精细有机合成基础((3 3))溶剂极性的本质溶剂极性的本质————溶剂化作用溶剂化作用 每一个被溶解的分子或离子被一层或几每一个被溶解的分子或离子被一层或几层溶剂分子或松或紧地包围的现象,叫做层溶剂分子或松或紧地包围的现象,叫做溶溶剂化作用剂化作用,它包括溶剂与溶质之间所有专一,它包括溶剂与溶质之间所有专一性和非专一性相互作用的总和性和非专一性相互作用的总和4 4))溶剂极性参数溶剂极性参数 实验极性参数实验极性参数————E ET T(30)(30)值值精细有机合成基础n按按LewisLewis酸碱理论分类酸碱理论分类LewisLewis酸碱理论:酸是电子对受体(酸碱理论:酸是电子对受体(EPAEPA)) 碱是电子对给体(碱是电子对给体(EPDEPD)): : A + :B A B A + :B A B 酸酸(EPA) (EPA) 碱碱(EPD) (EPD) 酸酸- -碱配合物碱配合物 亲电试剂亲电试剂 亲核试剂亲核试剂 EPA/EPD EPA/EPD配合物配合物 精细有机合成基础EPAEPA溶剂溶剂:具有缺电子或酸性部位,亲电试剂,:具有缺电子或酸性部位,亲电试剂, 择优使择优使EPDEPD或负离子溶剂化或负离子溶剂化。
如水、醇、酚、羧酸等如水、醇、酚、羧酸等EPDEPD溶剂溶剂:具有富电子或碱性部位,亲核试剂,:具有富电子或碱性部位,亲核试剂, 择优使择优使EPAEPA或正离子溶剂化或正离子溶剂化 如:醇、醚、羰基化合物中的氧如:醇、醚、羰基化合物中的氧 氨类和氨类和N N-杂环化合物中的氮原子-杂环化合物中的氮原子精细有机合成基础质子给体溶剂质子给体溶剂:主要是酸,如:主要是酸,如H2SO4、CH3COOH质子受体溶剂质子受体溶剂:主要是碱,如:主要是碱,如NH3、CH3CON(CH3)2两性溶剂两性溶剂:既可接受质子,又可提供质子,如:既可接受质子,又可提供质子,如H2On 按按BrBrΦnstednsted 酸碱理论分类酸碱理论分类精细有机合成基础n按起氢键给体的作用分类按起氢键给体的作用分类质子传递型溶剂质子传递型溶剂:氢键给体,质子给体,:氢键给体,质子给体,EPAEPA 如羟基、氨基、羧基和酰胺基如羟基、氨基、羧基和酰胺基非质子传递型溶剂非质子传递型溶剂:氢键受体,:氢键受体,EPDEPD。
如如O、N精细有机合成基础n按专一性溶质、溶剂相互作用分类按专一性溶质、溶剂相互作用分类质子传递型溶剂质子传递型溶剂:含有能与电负性元素:含有能与电负性元素( (F、Cl、O、S、 N、P) )相结合的氢原子,相结合的氢原子,εε>>1515 水、醇、酚、羧酸、氨、未取代酰胺等水、醇、酚、羧酸、氨、未取代酰胺等非质子传递极性溶剂非质子传递极性溶剂:高介电常数:高介电常数,高偶极矩高偶极矩 丙酮、丙酮、DMF、硝基苯、乙腈、二甲、硝基苯、乙腈、二甲 基亚砜、环丁砜等基亚砜、环丁砜等非质子传递非极性溶剂非质子传递非极性溶剂:低介电常数,低偶极矩低介电常数,低偶极矩 烷烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、烷烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、 叔胺、二硫化碳叔胺、二硫化碳精细有机合成基础2.4.2 “2.4.2 “相似相溶相似相溶””原则原则 一个溶质易溶于一个溶质易溶于化学结构相似化学结构相似的溶剂,的溶剂,而不易溶于化学结构完全不同的溶剂。
而不易溶于化学结构完全不同的溶剂 极性溶质易溶于极性溶剂,非极性溶质极性溶质易溶于极性溶剂,非极性溶质易溶于非极性溶剂易溶于非极性溶剂精细有机合成基础2.4.3 2.4.3 电子对受体电子对受体(EPA)(EPA)溶剂和电子对溶剂和电子对给体给体(EPD)(EPD)溶剂溶剂位阻小位阻小位阻大位阻大正离子正离子M++的溶剂化的溶剂化精细有机合成基础2.4.4 2.4.4 溶剂极性对反应速度的影响溶剂极性对反应速度的影响nHoughes-IngoldHoughes-Ingold规则规则n溶剂对亲电取代反应的影响溶剂对亲电取代反应的影响n溶剂对亲核取代反应的影响溶剂对亲核取代反应的影响n硬软酸碱原则(硬软酸碱原则(HSABHSAB)与溶剂效应的关)与溶剂效应的关系系精细有机合成基础2.4.4.1 Houghes-Ingold2.4.4.1 Houghes-Ingold规则规则n 对于从起始反应物变为活化配合物时对于从起始反应物变为活化配合物时电电荷密度增加荷密度增加的反应,的反应,溶剂极性增加,使反溶剂极性增加,使反应速度加快应速度加快异性电荷分离异性电荷分离电荷密度增加电荷密度增加S SN N1 1反应反应R-Xδδ+RXδδ-R+X-+精细有机合成基础例:例:≠溶剂溶剂C2H5OHCH3OHHCOOH H2O HCONH2εε24.5524.5532.7032.7058.558.578.3978.39111.0111.0μμ(D)(D)1.731.731.701.701.821.821.821.823.373.37极性极性小小大大k k1(1(相对相对) )1 19 91220012200335000335000430430精细有机合成基础n 对于从起始反应物变为活化配合物时对于从起始反应物变为活化配合物时电电荷密度降低荷密度降低的反应,的反应,溶剂极性增加,使反溶剂极性增加,使反应速度减慢应速度减慢。
S SN N2 2反应反应电荷分散电荷分散电荷密度降低电荷密度降低Y-RX-R-XY-+RXδδ-δδ-Y+精细有机合成基础例:例:溶剂溶剂CH3COCH3C2H5OHCH3OH(CH2OH)2H2Oεε20.720.724.5524.5532.732.737.737.778.3978.39μμ(D)(D)2.862.861.731.731.701.702.282.281.821.82k k(相对)(相对)13000130004444161617171 1I*-+ CH3Ik[ I*δ -CH3Iδ -]I-CH3I-+精细有机合成基础n对于从起始反应物变为活化配合物时对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度电荷密度变化很小或无变化变化很小或无变化的反应,的反应,溶剂极性的改变对溶剂极性的改变对反应速度的影响极小反应速度的影响极小局限性局限性:: 忽略了溶剂的类型、溶剂的忽略了溶剂的类型、溶剂的EPDEPD和和EPAEPA性质性质及专一性溶剂化作用对反应速度的影响及专一性溶剂化作用对反应速度的影响精细有机合成基础2.4.4.2 2.4.4.2 溶剂对亲电取代反应速度的影响溶剂对亲电取代反应速度的影响溶剂溶剂转化率转化率/%/%偶极矩偶极矩μ/Dμ/D介电常数介电常数εε二氧六环二氧六环0 00.450.452.212.21氯苯氯苯1.371.371.541.545.655.651,1,2,2-1,1,2,2-四氯乙烷四氯乙烷3.313.311.711.718.008.001,2-1,2-二氯乙烷二氯乙烷8.378.371.861.8610.4510.45乙酐乙酐15.3215.322.822.8220.7020.70N,N-N,N-二甲基甲酰胺二甲基甲酰胺17.5617.563.863.8636.7136.71硝基苯硝基苯28.6728.674.214.2134.8234.82表表 苯绕蒽醌在不同溶剂中一溴化的转化率苯绕蒽醌在不同溶剂中一溴化的转化率精细有机合成基础(溶剂化)(溶剂化)(溶剂化)(溶剂化)(溶剂化)(溶剂化)(溶剂化)(溶剂化)(弱极性)(弱极性)(非极性)(非极性)((π-π-配合物,极性较强配合物,极性较强))((σ-σ-配合物,强极性配合物,强极性))精细有机合成基础2.4.4.3 2.4.4.3 溶剂对亲核取代反应速度的影响溶剂对亲核取代反应速度的影响n质子传递型溶剂对质子传递型溶剂对S SN N反应速度的影响反应速度的影响n非质子传递极性溶剂对非质子传递极性溶剂对S SN N反应速度的影响反应速度的影响精细有机合成基础n质子传递型溶剂对质子传递型溶剂对S SN N1 1反应速度的影响反应速度的影响 质子传递型溶剂使负离子溶剂化,有利于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,负离子的离去和碳正离子的形成,使反应速度使反应速度加快加快。
R-X + HS[Rδδ+Xδδ-H-S]R + X+-HS+ Y-R-Y精细有机合成基础n质子型传递溶剂对质子型传递溶剂对S SN N2 2反应速度的影响反应速度的影响情况一情况一:对活化配合物负端的氢键缔合作用:对活化配合物负端的氢键缔合作用比对反应质点比对反应质点Y Y的氢键缔合作用强的氢键缔合作用强有利于离去基团的离去,使反应加速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精细有机合成基础情况二情况二:对反应质点的专一性溶剂化作用强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,降低了亲核试剂的反应活性,使反应速度降低使反应速度降低Y-RXδ-[S-H]HS + Y + R-X-例:例: I- Br- Cl- F-专一性溶剂化作用专一性溶剂化作用 小小 大大反应活性反应活性 大大 小小精细有机合成基础 属于属于EPDEPD溶剂,优先使正离子专一性溶剂化,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,并使负离子成为裸露负离子,亲核活性增加亲核活性增加。
n非质子传递极性溶剂对非质子传递极性溶剂对S SN N反应速度的影响反应速度的影响精细有机合成基础2.4.4.4 2.4.4.4 硬软酸碱原则(硬软酸碱原则(HSABHSAB原则)与溶原则)与溶剂效应的关系剂效应的关系n硬酸和硬碱指的是由硬酸和硬碱指的是由电负性高电负性高的的小原子或小小原子或小分子分子构成的酸和碱构成的酸和碱硬酸:硬酸:H H+ +、、LiLi+ +、、NaNa+ +、、BFBF3 3、、AlClAlCl3 3、氢键给体、氢键给体HXHX等;等;硬碱:硬碱:F F- -、、ClCl- -、、RORO- -、、H H2 2O O、、ROHROH、、R R2 2S S、、NHNH3 3等精细有机合成基础n软酸和软碱指的是由软酸和软碱指的是由电负性低电负性低的的大原子或大大原子或大分子分子构成的酸和碱构成的酸和碱软酸:软酸:AgAg+ +、、LiLi+ +、、HgHg+ +、、I I2 2、、1,3,5-1,3,5-三硝基甲苯、三硝基甲苯、 四氰基乙烯;四氰基乙烯;软碱:软碱:H H- -、、I I- -、、R R- -、、RS-RS-、、RSHRSH、烯烃、苯等。
烯烃、苯等精细有机合成基础 通常地,硬酸容易和硬碱结合,软酸容通常地,硬酸容易和硬碱结合,软酸容易和软碱结合易和软碱结合 —— ——硬软酸碱原则硬软酸碱原则 精细有机合成基础2.4.5 2.4.5 有机溶剂中溶剂的使用和选择有机溶剂中溶剂的使用和选择n溶剂对主反应速度的影响溶剂对主反应速度的影响n溶剂对反应历程的影响溶剂对反应历程的影响n溶剂对反应方向和立体化学的影响溶剂对反应方向和立体化学的影响n溶剂与反应物和反应产物不发生化学反应溶剂与反应物和反应产物不发生化学反应n溶剂的反应物有良好的溶解性或分散性溶剂的反应物有良好的溶解性或分散性n溶剂容易回收,损失少,不影响产品质量溶剂容易回收,损失少,不影响产品质量n溶剂应尽可能不需要太高的技术安全措施溶剂应尽可能不需要太高的技术安全措施n溶剂的毒性小,含溶剂的废水容易治理溶剂的毒性小,含溶剂的废水容易治理n溶剂价格便宜、供应方便溶剂价格便宜、供应方便精细有机合成基础n催化剂的活性和寿命催化剂的活性和寿命n催化剂的组成催化剂的组成n催化剂的毒物、中毒和再生催化剂的毒物、中毒和再生n催化剂的制备催化剂的制备2.5 2.5 气气- -固相接触催化固相接触催化精细有机合成基础2.5.1 2.5.1 催化剂的活性和寿命催化剂的活性和寿命n催化剂的活性催化剂的活性n催化剂的寿命催化剂的寿命 催化剂的活性又称作催化剂催化剂的活性又称作催化剂负荷负荷,指,指单位体积单位体积(或(或单位质量)催化剂在指定反应条件下,单位质量)催化剂在指定反应条件下,单位时间单位时间内所得内所得到的目的到的目的产物的质量产物的质量,单位是,单位是kg/[Lkg/[L(催化剂)(催化剂)·h·h或或kg/[kgkg/[kg(催化剂)(催化剂)·h·h或或kg/[gkg/[g(催化剂)(催化剂)··h h 指催化剂在工业反应器中使用的总时间。
指催化剂在工业反应器中使用的总时间 精细有机合成基础2.5.2 2.5.2 催化剂的组成催化剂的组成n催化活性物质催化活性物质n助催化剂助催化剂n载体载体 对目的反应对目的反应具有良好催化活性具有良好催化活性的成分 本身没有催化活性或催化活性很小,但是能提本身没有催化活性或催化活性很小,但是能提高催化活性物质的活性、选择性或稳定性的成分高催化活性物质的活性、选择性或稳定性的成分 催化活性物质和助催化剂的支持体、黏结体或催化活性物质和助催化剂的支持体、黏结体或分散体精细有机合成基础2.5.3 2.5.3 催化剂的毒物、中毒和再生催化剂的毒物、中毒和再生n催化剂的毒物催化剂的毒物n催化剂的中毒催化剂的中毒n催化剂中毒的预防和再生催化剂中毒的预防和再生精细有机合成基础2.5.4 2.5.4 催化剂的制备催化剂的制备良好催化剂应具有的性能良好催化剂应具有的性能((1 1)活性高、选择性好、对过热或毒物稳定、)活性高、选择性好、对过热或毒物稳定、使用寿命长、容易再生使用寿命长、容易再生2 2)机械强度和导热性好机械强度和导热性好3 3)具有合适的宏观结构和微晶结构。
具有合适的宏观结构和微晶结构4 4)制备简便、价格便宜制备简便、价格便宜精细有机合成基础n干混热分解法干混热分解法n共沉淀法共沉淀法n浸渍法浸渍法n涂布法涂布法n还原法还原法精细有机合成基础2.6 2.6 相转移催化相转移催化n优点优点 ((1 1)不使用昂贵的特殊溶剂,且不要求无水操)不使用昂贵的特殊溶剂,且不要求无水操作,简化了工艺;作,简化了工艺; ((2 2)由于相转移催化剂的存在,使参加反应的)由于相转移催化剂的存在,使参加反应的负离子具有较高的反应活性;负离子具有较高的反应活性; ((3 3)具有通用性,应用广泛具有通用性,应用广泛n缺点缺点 催化剂价格较贵催化剂价格较贵精细有机合成基础2.6.1 2.6.1 相转移催化原理相转移催化原理 在负离子型反应中,常用的相转移催化剂为季铵在负离子型反应中,常用的相转移催化剂为季铵盐,表示为盐,表示为 ,如:,如:Q X++-精细有机合成基础2.6.2 2.6.2 相转移催化剂相转移催化剂(PTC)(PTC)n满足两个基本要求满足两个基本要求((1 1)能将所需离子从水相或固相转移到有机相;)能将所需离子从水相或固相转移到有机相;((2 2)有利于该离子的迅速反应。
有利于该离子的迅速反应n实现工业化的条件实现工业化的条件((1 1)用量少,效率高,自身不消耗或失去转移特)用量少,效率高,自身不消耗或失去转移特定离子的能力;定离子的能力;((2 2)制备简单,价格合理;)制备简单,价格合理;((3 3)毒性小,可用于多种反应毒性小,可用于多种反应精细有机合成基础n最常用的相转移催化剂有两类最常用的相转移催化剂有两类聚醚聚醚链状聚乙二醇:链状聚乙二醇:H(OCH2CH2)nOH链状聚乙二醇二烷基醚:链状聚乙二醇二烷基醚:R(OCH2CH2)nOR环状冠醚环状冠醚季铵盐和叔胺:季铵盐和叔胺:R4N X 、、吡啶、三丁胺吡啶、三丁胺++-精细有机合成基础2.6.3 2.6.3 液液- -固固- -液三相相转移催化液三相相转移催化n催化剂催化剂 使用使用固态相转移催化剂,固态相转移催化剂,如季铵型负离子交换树脂如季铵型负离子交换树脂n特点特点 ((1 1)操作简便;)操作简便; ((2 2)反应后催化剂可定量回收;)反应后催化剂可定量回收; ((3 3)费用和能耗较低,适合自动化连续生产费用和能耗较低,适合自动化连续生产n应用应用 氰醇、氰乙基化和安息香缩合等反应氰醇、氰乙基化和安息香缩合等反应 精细有机合成基础2.6.4 2.6.4 相转移催化的应用相转移催化的应用n二氯卡宾的产生和应用二氯卡宾的产生和应用nO-烃化反应合成醚类化合物烃化反应合成醚类化合物nO-酰化反应合成酯类化合物酰化反应合成酯类化合物nN-烃化、烃化、N-酰化、酰化、C-烃化、烃化、S-烃化和烃化和S-酰化反应酰化反应n氰离子的亲核取代氰离子的亲核取代n氟离子的亲核取代反应氟离子的亲核取代反应n氧化、过氧化反应氧化、过氧化反应n还原反应还原反应n重氮盐的反应重氮盐的反应精细有机合成基础n过渡金属化学过渡金属化学n均相配位催化剂均相配位催化剂n均相配位催化的基本反应均相配位催化的基本反应n均相配位催化的优点均相配位催化的优点n均相配位催化的局限性均相配位催化的局限性n均相配位催化剂的载体化均相配位催化剂的载体化n均相配位催化的工业应用均相配位催化的工业应用2.7 2.7 均相配位催化均相配位催化精细有机合成基础n过渡金属元素的特点过渡金属元素的特点n1818电子规则电子规则n配位体配位体2.7.1 2.7.1 过渡金属化学过渡金属化学精细有机合成基础n由特定的过渡金属原子与特定的配位体相配位而成由特定的过渡金属原子与特定的配位体相配位而成n催化剂的种类催化剂的种类 ((1 1)过渡金属原子的低价配合物)过渡金属原子的低价配合物 用于烯烃的加氢、加成、齐聚及一氧化碳的羰基用于烯烃的加氢、加成、齐聚及一氧化碳的羰基合成反应;合成反应; 主要配位体:一氧化碳、胺类、膦类、较大的卤主要配位体:一氧化碳、胺类、膦类、较大的卤素负离子、氰基负离子素负离子、氰基负离子 ((2 2)过渡金属原子的高价配合物)过渡金属原子的高价配合物 用于氧化反应用于氧化反应 主要配位体:水、醇、胺、氢氧化物、羧酸负离主要配位体:水、醇、胺、氢氧化物、羧酸负离子。
子2.7.2 2.7.2 均相配位催化剂均相配位催化剂精细有机合成基础n配位与解配配位与解配n插入和消除插入和消除n氧化和还原氧化和还原n氧化加成和还原消除氧化加成和还原消除2.7.3 2.7.3 均相配位催化的基本反应均相配位催化的基本反应精细有机合成基础n配位配位2.7.3.1 2.7.3.1 配位与解配配位与解配 一个配位体以简单的共价键或配位键与过渡金属一个配位体以简单的共价键或配位键与过渡金属原子结合,原子结合,生成配合物生成配合物的反应叫做配位反应的反应叫做配位反应n解配解配 是配位的逆反应,即金属与配位体之间的共价键是配位的逆反应,即金属与配位体之间的共价键或配位键发生断裂,使该配位体从配合物中解离出来或配位键发生断裂,使该配位体从配合物中解离出来的反应精细有机合成基础n插入插入2.7.3.2 2.7.3.2 插入和消除插入和消除 指与过渡金属配位的双键中的指与过渡金属配位的双键中的ππ键键被打开,被插被打开,被插入到另一个金属入到另一个金属- -配位键之间的反应配位键之间的反应n消除消除 指一个配位体上的指一个配位体上的β-β-氢(或其他基团)转移到氢(或其他基团)转移到过渡金属原子的空配位上,同时该配位体和过渡金属过渡金属原子的空配位上,同时该配位体和过渡金属原子之间的键断裂,使该配位体从金属原子上消除下原子之间的键断裂,使该配位体从金属原子上消除下来,成为具有双键的化合物。
来,成为具有双键的化合物精细有机合成基础2.7.3.3 2.7.3.3 氧化和还原氧化和还原n配位催化剂通常是在两个比较稳定的氧化态之配位催化剂通常是在两个比较稳定的氧化态之间循环间循环 CoCoⅡⅡ/Co/CoⅢⅢ、、MnMnⅡⅡ/Mn/MnⅢⅢ、、CuCuⅠⅠ/Cu/CuⅡⅡ Pd Pd0 0/Pd/PdⅡⅡ精细有机合成基础n氧化加成氧化加成2.7.3.4 2.7.3.4 氧化加成和还原消除氧化加成和还原消除 指指一个分子断裂成两个配位体,并同时都加成配一个分子断裂成两个配位体,并同时都加成配位到同一个过渡金属原子上位到同一个过渡金属原子上在加成过程中过渡金属在加成过程中过渡金属原子提供两个电子,所有叫做原子提供两个电子,所有叫做““氧化加成氧化加成””n还原消除还原消除 是氧化加成的逆反应,是氧化加成的逆反应,即两个配位体同时从一个即两个配位体同时从一个过渡金属原子上解配(消除)出来,并相互结合成一过渡金属原子上解配(消除)出来,并相互结合成一个分子,在消除后过渡金属原子多了两个未成键电子,个分子,在消除后过渡金属原子多了两个未成键电子,所以叫做所以叫做““还原消除还原消除””,又称,又称““双消除双消除””。
精细有机合成基础n催化剂选择性好催化剂选择性好n催化剂活性高催化剂活性高n催化体系的预见性催化体系的预见性2.7.4 2.7.4 均相配位催化的优点均相配位催化的优点精细有机合成基础n催化剂价格高,需要回收催化剂价格高,需要回收n反应多在酸性介质中进行,反应器需要耐腐蚀反应多在酸性介质中进行,反应器需要耐腐蚀n大多数均相配位催化剂在大多数均相配位催化剂在250℃250℃以上不稳定,以上不稳定,反应温度不能过高,不适用于高温反应反应温度不能过高,不适用于高温反应n许多反应需在高压下进行许多反应需在高压下进行2.7.5 2.7.5 均相配位催化的局限性均相配位催化的局限性精细有机合成基础n把配位催化剂浸渍在多孔性载体上把配位催化剂浸渍在多孔性载体上n把配位催化剂化学结合到无机载体上把配位催化剂化学结合到无机载体上n把配位催化剂化学结合到有机高聚物载体上把配位催化剂化学结合到有机高聚物载体上2.7.6 2.7.6 均相配位催化剂的载体化均相配位催化剂的载体化精细有机合成基础n双键的加氢双键的加氢n丁二烯与氰化氢的加成制己二腈丁二烯与氰化氢的加成制己二腈n烯烃的齐聚和共聚烯烃的齐聚和共聚n烯烃的氧化烯烃的氧化n用用COCO或或CO+HCO+H2 2的羰基合成的羰基合成2.7.7 2.7.7 均相配位催化的工业应用均相配位催化的工业应用精细有机合成基础n使用水溶性膦配体与过渡金属配位生成的水溶使用水溶性膦配体与过渡金属配位生成的水溶性催化剂性催化剂n水溶性膦配体是在有机膦分子中引入强极性官水溶性膦配体是在有机膦分子中引入强极性官能团而形成的能团而形成的n配体实例:配体实例: 三(间磺酸基苯基)膦的三钠盐(三(间磺酸基苯基)膦的三钠盐(TPPTSTPPTS)) BINAS BINAS2.8 2.8 水相水相/ /有机相两相催化有机相两相催化精细有机合成基础n杂多酸(盐)的组成元素和命名杂多酸(盐)的组成元素和命名n杂多化合物的结构杂多化合物的结构n杂多化合物的主要物理性质杂多化合物的主要物理性质n杂多化合物在酸催化反应中的应用杂多化合物在酸催化反应中的应用n杂多酸在氧化杂多酸在氧化- -还原反应中的应用还原反应中的应用2.9 2.9 杂多化合物催化杂多化合物催化精细有机合成基础2.9.1 2.9.1 杂多酸(盐)的组成元素和命名杂多酸(盐)的组成元素和命名 杂多酸是由杂多酸是由两个以上无机含氧酸缩合两个以上无机含氧酸缩合而而成的多元酸,简称成的多元酸,简称HPAHPA。
[XxMmOy][XxMmOy]q q ((x≤mx≤m))精细有机合成基础nKegginKeggin结构:结构:[XM[XM1212O O4 4] ]x-8x-8n杂多酸和杂多酸盐离子晶体的三极结构:杂多酸和杂多酸盐离子晶体的三极结构: ((1 1)一级结构:杂多)一级结构:杂多负离子负离子的结构的结构 ((2 2)二级结构:杂多负离子与正离子组成杂)二级结构:杂多负离子与正离子组成杂多酸或杂多酸盐的多酸或杂多酸盐的晶体结构晶体结构 ((3 3)三极结构:由杂多负离子、正离子和)三极结构:由杂多负离子、正离子和结结晶水晶水组成的晶体结构组成的晶体结构2.9.2 2.9.2 杂多化合物的结构杂多化合物的结构精细有机合成基础n杂多负离子直径:杂多负离子直径:1 1~~5nm5nmn杂多酸中杂多酸中H H+ +的键合状态的键合状态 ((1 1))H H+ +被键合到整个负离子上被键合到整个负离子上 ((2 2))H H+ +被定域到被定域到M-O-MM-O-M中的氧原子上中的氧原子上 ((3 3))H H+ +与杂多酸中的结晶水形成氢键与杂多酸中的结晶水形成氢键精细有机合成基础n溶解性溶解性 ((1 1)由)由Li+Li+、、Na+Na+等小体积抗衡正离子形成的等小体积抗衡正离子形成的杂多酸易溶于水杂多酸易溶于水 ((2 2)由大体积有机碱正离子形成的鎓盐不溶)由大体积有机碱正离子形成的鎓盐不溶于水,但溶于有机溶剂于水,但溶于有机溶剂n热稳定性热稳定性2.9.3 2.9.3 杂多化合物的主要物理性质杂多化合物的主要物理性质精细有机合成基础n杂多酸的酸性杂多酸的酸性n酸催化在工业上的应用酸催化在工业上的应用 ((1 1)催化活性高,选择性好,产品质量好;)催化活性高,选择性好,产品质量好; ((2 2)催化剂用量少,可以部分回收、重复使用;)催化剂用量少,可以部分回收、重复使用; ((3 3)工艺流程简单,不需要高温、高压设备;)工艺流程简单,不需要高温、高压设备; ((4 4)不腐蚀设备,环境污染轻微;)不腐蚀设备,环境污染轻微; ((5 5)催化剂制备容易,原料价廉。
催化剂制备容易,原料价廉2.9.4 2.9.4 杂多酸化合物在酸催化反应中的应用杂多酸化合物在酸催化反应中的应用精细有机合成基础n杂多酸的氧化还原性杂多酸的氧化还原性n杂多酸催化氧化在工业上的应用杂多酸催化氧化在工业上的应用 ((1 1))2-2-甲基丙烯醛氧化成甲基丙烯醛氧化成2-2-甲基丙烯酸甲基丙烯酸 ((2 2)乙烯氧化成乙酸)乙烯氧化成乙酸2.9.5 2.9.5 杂多酸在氧化杂多酸在氧化- -还原反应中的应用还原反应中的应用精细有机合成基础n天然沸石分子筛天然沸石分子筛n硅铝酸盐分子筛硅铝酸盐分子筛n磷酸铝分子筛磷酸铝分子筛n钛硅分子筛钛硅分子筛2.10 2.10 分子筛催化剂分子筛催化剂 能够筛分分子能够筛分分子的物质叫做分子筛的物质叫做分子筛 这类物质是一类这类物质是一类具有很多均匀微孔具有很多均匀微孔的非计量化合的非计量化合物,其微孔孔道的直径与物质分子的直径属于同一数物,其微孔孔道的直径与物质分子的直径属于同一数量级,它们能把小于孔道直径的分子吸附在孔道的空量级,它们能把小于孔道直径的分子吸附在孔道的空腔内,而把大于孔道直径的分子拒之于孔外。
腔内,而把大于孔道直径的分子拒之于孔外精细有机合成基础n固载在各种载体上的含卤素的超强酸固载在各种载体上的含卤素的超强酸n全氟环醚磺酸型粒子交换树脂全氟环醚磺酸型粒子交换树脂nH-ZSM-5H-ZSM-5沸石沸石nSOSO4 42-2-/M/Mn nO Om m2.11 2.11 固体超强酸催化剂固体超强酸催化剂 超强酸指的是酸强度比超强酸指的是酸强度比100100%硫酸%硫酸更强的酸更强的酸精细有机合成基础2.12 2.12 不对称合成催化剂不对称合成催化剂 不对称合成,即不对称合成,即手性合成手性合成是利用外来的是利用外来的不对称不对称因子因子,使前手性化合物在反应中不等量地转变成两种,使前手性化合物在反应中不等量地转变成两种构型相反的手性产物,并且使人们所需要的对映体成构型相反的手性产物,并且使人们所需要的对映体成为主产物为主产物n手性底物手性底物n手性助剂手性助剂n手性试剂手性试剂n手性溶剂手性溶剂n手性催化剂手性催化剂:酶、生物碱、:酶、生物碱、不对称配体的金属配合物不对称配体的金属配合物精细有机合成基础n过渡金属元素:过渡金属元素:主要是铑(主要是铑(RhRh))n主要优点:主要优点: ((1 1)将不同配体与不同过渡金属相配位,可)将不同配体与不同过渡金属相配位,可得到种类繁多的配合物催化剂,适用范围广;得到种类繁多的配合物催化剂,适用范围广; ((2 2)催化剂活性高,选择性好;)催化剂活性高,选择性好; ((3 3)催化剂用量少)催化剂用量少n应用:应用:合成药物、香料、农用化学品、食品添合成药物、香料、农用化学品、食品添加剂、光电液晶材料加剂、光电液晶材料不对称配体的金属配合物不对称配体的金属配合物精细有机合成基础2.13 2.13 生化催化有机合成生化催化有机合成 生物催化有机合成指的是利用生物催化有机合成指的是利用活细胞活细胞或从或从细胞中提取出来的细胞中提取出来的酶酶作为催化剂的化学转化过作为催化剂的化学转化过程,又称生物转化。
程,又称生物转化 微生物中的活细胞从原料中摄取营养成分微生物中的活细胞从原料中摄取营养成分,通过体内的酶,经过复杂的生化反应将原料,通过体内的酶,经过复杂的生化反应将原料转化成所需要的有机化工产品转化成所需要的有机化工产品 精细有机合成基础n电解过程的基本反应电解过程的基本反应n电解过程的反应顺序电解过程的反应顺序n电极反应的全过程电极反应的全过程n电极界面(双电层)的结构电极界面(双电层)的结构n电解有机合成特有的影响因素电解有机合成特有的影响因素n间接电解有机合成间接电解有机合成n电解有机合成的优点电解有机合成的优点n电解有机合成的局限性电解有机合成的局限性n电解有机合成的工业应用电解有机合成的工业应用2.14 2.14 电解有机合成电解有机合成精细有机合成基础 电解有机合成可分为直接法、间接法和成对法三种类型电解有机合成可分为直接法、间接法和成对法三种类型直接法是直接利用电解槽中的阳极或阴极完成特定的有机反直接法是直接利用电解槽中的阳极或阴极完成特定的有机反应间接法是由可变价金属离子盐的水溶液电解得到所需的应间接法是由可变价金属离子盐的水溶液电解得到所需的氧化剂或还原剂,在另一反应器中完成底物的氧化或还原反氧化剂或还原剂,在另一反应器中完成底物的氧化或还原反应,用过的无机盐水溶液送回电解槽使又转化成氧化剂或还应,用过的无机盐水溶液送回电解槽使又转化成氧化剂或还原剂。
成对法则是将阳极和阴极同时利用起来例如,苯先原剂成对法则是将阳极和阴极同时利用起来例如,苯先在阳极被氧化成对苯醌,再在阴极还原为对苯二酚这三种在阳极被氧化成对苯醌,再在阴极还原为对苯二酚这三种电解方法在实际生产中均有应用电解方法在实际生产中均有应用一、反应原理一、反应原理精细有机合成基础 从理论上讲,任何一种可用化学试剂完成的氧化或还原从理论上讲,任何一种可用化学试剂完成的氧化或还原反应,都可以用电解方法实现在电解槽的阳极进行氧化反应,都可以用电解方法实现在电解槽的阳极进行氧化过程绝大多数有机化合物并不能电离,因此,氧化剂主过程绝大多数有机化合物并不能电离,因此,氧化剂主要来源于水中的要来源于水中的OH--,它在阳极失去一个电子形成,它在阳极失去一个电子形成·OH,,然后进一步形成过氧化氢或是释出原子氧然后进一步形成过氧化氢或是释出原子氧∶ ∶OH--—→·OH ++ e2·OH—→H2O22·OH—→H2O++O 其其他他负负离离子子如如X--,,在在阳阳极极生生成成X·或或X2,,而而后后与与有有机机物物发发生加成或取代反应,如电解氟化生加成或取代反应,如电解氟化 电解还原则发生在电解槽的阴极,其基本反应为:电解还原则发生在电解槽的阴极,其基本反应为:H++++e —→H 氢离子在阴极接受离子在阴极接受电子形成原子子形成原子氢,由原子,由原子氢还原有机原有机化合物。
化合物 精细有机合成基础+e+ H++e+ H+得电子还原得电子还原((E))负离子基(负离子基(ⅡⅡ))加质子加质子((C))自由基(自由基(ⅢⅢ))丙烯腈(丙烯腈(ⅠⅠ))得电子还原得电子还原((E))负离子基(负离子基(ⅣⅣ))二聚(偶联)二聚(偶联)((C))加质子加质子((C))负离子基(负离子基(ⅤⅤ))己二腈(己二腈(ⅥⅥ))二、电解过程的反应顺序二、电解过程的反应顺序——反应机理反应机理例:丙烯腈在阴极电解加氢二聚(偶联)制己二腈例:丙烯腈在阴极电解加氢二聚(偶联)制己二腈精细有机合成基础三、电解反应的全过程三、电解反应的全过程例:丙烯腈在阴极电解加氢二聚(偶联)制己二腈例:丙烯腈在阴极电解加氢二聚(偶联)制己二腈ⅠⅠ))①①扩散扩散②②④④③③,,+e ⑤⑤⑥⑥,,+H+⑦⑦⑧⑧⑩⑩⑾⑾((ⅠⅠ))吸附吸附((ⅠⅠ))ad电化学电化学((E))((ⅡⅡ))ad脱附脱附((ⅡⅡ))扩散扩散((ⅡⅡ))化学化学((C))((ⅢⅢ))扩散扩散((ⅢⅢ))吸附吸附((ⅢⅢ))ad⑨⑨,,+e 电化学电化学((E))((ⅣⅣ))ad((ⅣⅣ))脱附脱附((ⅣⅣ))⑿⑿,二聚,二聚化学化学((C))扩散扩散((ⅤⅤ))⒀⒀,,+H+化学化学((C))((ⅥⅥ))阴极表面阴极表面电解液中电解液中电解液中精细有机合成基础 电电解解合合成成具具有有条条件件温温和和((常常温温、、常常压压))、、易易于于控控制制、、污污染染少少、、流流程程短短和和产产物物选选择择性性高高等等优优点点,,其其缺缺点点是是电电耗耗高高,,电电解解装装置置复复杂杂、、专专用用性性强强,,技技术术难难度度大大。
但但电电解解有有机机合合成成作作为为一一种种环环境境友友好好的的洁洁净净合合成成方方法法,,代代表表了了现现代代化化学学工工业业发发展展的的方方向向近近年年来来国国内内外外对对电电解解合合成成精精细细化化学学品品的的研研究究开开发发十十分分活活跃跃目目前前,,已已商商品品化化的的有有机机电电解解产产品品约约6060余余种种,,尚尚有有约约4040种种正正在在开开发发中中其其工工业业应应用用如如表表2-72-7所示四、有机电解反应的实际应用四、有机电解反应的实际应用精细有机合成基础2.5 有机合成技术有机合成技术 2.5.8 电解有机合成电解有机合成精细有机合成基础n在许多场合具有高选择性和特异性在许多场合具有高选择性和特异性n不需要使用价格较贵的氧化剂或还原剂不需要使用价格较贵的氧化剂或还原剂n反应可在温和的条件下进行反应可在温和的条件下进行n节能节能n可以是无公害的清洁反应可以是无公害的清洁反应2.14.7 2.14.7 电解有机合成的优点电解有机合成的优点精细有机合成基础n电解装置复杂,专用性强电解装置复杂,专用性强n影响因素较多,最佳条件的选择和电化学工程影响因素较多,最佳条件的选择和电化学工程技术的处理比较复杂技术的处理比较复杂n对于空气氧化或氢气还原反应竞争力差对于空气氧化或氢气还原反应竞争力差n电量消耗大电量消耗大n常常需要使用有机溶剂,使工艺过程复杂化常常需要使用有机溶剂,使工艺过程复杂化2.14.8 2.14.8 电解有机合成的局限性电解有机合成的局限性精细有机合成基础2.15 2.15 光有机合成光有机合成n优点优点 ((1 1)可合成许多用热化学反应不能合成的有)可合成许多用热化学反应不能合成的有机化合物;机化合物; ((2 2)具有高的立体专一性;)具有高的立体专一性; ((3 3)产品多样性;)产品多样性; ((4 4)受温度的影响不大;)受温度的影响不大; ((5 5)化学反应容易控制。
化学反应容易控制精细有机合成基础n缺点缺点 ((1 1)副反应多;)副反应多; ((2 2)能耗大;)能耗大; ((3 3)需要特殊的反应器需要特殊的反应器精细有机合成基础n应用应用 ((1 1)芳环侧链)芳环侧链α-α-氢的光引发取代卤化;氢的光引发取代卤化; ((2 2)苯的光引发环上加成氯化制六六六;)苯的光引发环上加成氯化制六六六; ((3 3)芳环上硝基的光引发置换氯化;)芳环上硝基的光引发置换氯化; ((4 4)链烷烃的光引发磺氧化;)链烷烃的光引发磺氧化; ((5 5)链烷烃的光引发磺氯化链烷烃的光引发磺氯化精细有机合成基础n微波微波2.16 2.16 微波促进微波促进 微波是频率在微波是频率在300MHz300MHz~~300GHz300GHz范围内的电范围内的电磁波,其波长在磁波,其波长在0.10.1~~100cm100cm之间n微波促进微波促进 物质与微波相互作用导致的物质与微波相互作用导致的热效应和其他热效应和其他特殊的效应特殊的效应,使反应速度明显加快,反应时间,使反应速度明显加快,反应时间明显缩短,有利于提高反应产物的收率和质量。
明显缩短,有利于提高反应产物的收率和质量精细有机合成基础2.17 2.17 超临界流体在有机合成中的应用超临界流体在有机合成中的应用 当流体在临界温度(当流体在临界温度(T Tc c)和临界压力)和临界压力((P Pc c)以上时,这种流体处于临界状态)以上时,这种流体处于临界状态((supercritical,supercritical,即即scsc或或SCSC状态)精细有机合成基础•任何一种物质都存在三种相态任何一种物质都存在三种相态----气相、液相、固相三相气相、液相、固相三相呈平衡态共存的点叫三相点液、气两相呈平衡状态的点叫呈平衡态共存的点叫三相点液、气两相呈平衡状态的点叫临界点在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同超临界不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同超临界流体流体(SCF)是指在临界温度(是指在临界温度(Tc)和临界压力)和临界压力(Pc)以上的流以上的流体高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临体高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。
界状态•什么是超临界什么是超临界::气体气体APT固体固体精细有机合成基础• 超临界流体的发展超临界流体的发展1822年,法国科学家卡格尼亚德年,法国科学家卡格尼亚德 (Cagniard )首次报道物质的首次报道物质的临界现象临界现象1879年,英国科学家年,英国科学家 Hanny and Hogarth 发现了超临界流体发现了超临界流体对固体有溶解能力,为超临界流体的应用提供了依据对固体有溶解能力,为超临界流体的应用提供了依据1962年,德国的年,德国的Zosel博士博士 采用超临界流体采用超临界流体CO2萃取技术从咖萃取技术从咖啡豆提取咖啡因,从此超临界流体的发展进入一个新阶段啡豆提取咖啡因,从此超临界流体的发展进入一个新阶段1992年,年,Desimone 首先报道了超临界流体首先报道了超临界流体CO2为溶剂,超临为溶剂,超临界聚合反应,得到分子量达界聚合反应,得到分子量达27万的聚合物万的聚合物,开创了超临界开创了超临界CO2高分子合成的先河高分子合成的先河精细有机合成基础• 超临界流体的应用超临界流体的应用 超临界萃取超临界萃取 超临界中化学反应超临界中化学反应超超临临界界聚聚合合反反应应 SCF 超超细细颗颗粒粒及及薄薄膜膜材材料料制制备备精细有机合成基础物物 质质沸点沸点/℃℃临界温度临界温度Tc/℃℃临界压力临界压力Pc/MPa临界密度临界密度ρc/g/㎝㎝3氩氩甲烷甲烷氪氪乙烯乙烯三氯甲烷三氯甲烷氟里昂氟里昂-13二氧化碳二氧化碳乙烷乙烷丙烯丙烯丙烷丙烷氨氨正丁烷正丁烷二氧化硫二氧化硫正戊烷正戊烷-164.0-103.7-78.5-88.0-47.7-44.5-33.4-0.536.5-122.4-83.0-63.810.026.228.931.032.492.097.2132.3152.0157.6196.64.864.645.505.124.853.927.384.884.674.2411.393.807.883.370.530.1600.9200.2170.6200.5800.4680.2030.2880.2200.2360.2280.5250.232表表 某些超临界流体的临界参数某些超临界流体的临界参数精细有机合成基础物物 质质沸点沸点/℃℃临界温度临界温度Tc/℃℃临界压力临界压力Pc/MPa临界密度临界密度ρc/g/㎝㎝3氟里昂氟里昂-11异丙醇异丙醇甲醇甲醇正己烷正己烷乙醇乙醇正丙醇正丙醇丁醇丁醇环己烷环己烷苯苯乙二胺乙二胺甲苯甲苯对二甲苯对二甲苯吡啶吡啶水水82.569.078.280.1110.6100.0198.1235.2240.5234.2243.4263.4275.0280.3288.1319.9320.0343.0347.0374.14.414.768.102.976.305.174.304.074.896.274.133.525.6322.060.2730.2720.2340.2760.2750.270.3020.290.2920.310.36表表 某些超临界萃取剂的临界参数某些超临界萃取剂的临界参数精细有机合成基础2.18 2.18 液体离子对在有机反应中的应用液体离子对在有机反应中的应用 液体离子对(简称液体离子),指的是在液体离子对(简称液体离子),指的是在不太高的温度下呈液态的离子对,亦称有机熔不太高的温度下呈液态的离子对,亦称有机熔融盐。
融盐精细有机合成基础一、离子液体概述一、离子液体概述 离子液体定义(ionic Liquid):是在室温或接近室温(低于100℃)下呈液体状态的通常完全由体积相对较大、不对称的有机阳离子和体积相对较小的无机阴离子组合而成的物质,简言之是完全由正负离子组成的在室温或接近室温下为液体的盐,有人你称之为熔盐(Molten salt)精细有机合成基础可组成离子液体的有机正离子:可组成离子液体的有机正离子:可组成离子液体的无机负离子:可组成离子液体的无机负离子:AlCl4-、、BF4-、、PF6-、、CF3COO-、、CF3SO3-等精细有机合成基础二、离子液体发展二、离子液体发展n1914年报道硝酸乙胺盐,熔点为12℃,易爆炸,很快就不用n1948年美国报道了三氯化铝和卤化乙基吡啶的离子液体,用于电镀,为第一代室温离子液体缺点:对水不稳定优点:价格相对便宜精细有机合成基础n2020世纪世纪6060年代美国空军年代美国空军研究院系统研究了氯铝研究院系统研究了氯铝酸烷基吡啶离子液体,酸烷基吡啶离子液体,标志着系统研究离子液标志着系统研究离子液体的开始体的开始Major (Dr.) Lowell A. King at the U.S. Air Force Academy in 1961. 精细有机合成基础n20世纪80年代美国空军研究院Wikes博士立足于电池研究,英国贝尔法斯特女王大学的Seddon教授则将之用于有机和催化反应的溶剂。
n现研究重点为离子液体功能化及手性化Captain (Dr.) John S. Wilkes atthe U.S. Air Force Academy in 1979. 精细有机合成基础 我国发展较晚,进入21世纪后发展迅速,2000~2004年离子液体研究论文排在世纪第二,但质量有待提高精细有机合成基础三、离子液体用途三、离子液体用途 (1)萃取:有机两相(有机物和金属化合物)、离子液体-水两相、与超临界流体进行生物体提取2)环保:吸收天然中二氧化碳;燃油脱硫;回收核污染废物、汞等重金属3)仪器分析:色谱固定相、毛细管电泳流动相的添加剂和荧光分析等精细有机合成基础n(4)功能材料:航空航天中润滑材料、石英晶体微量天平充当敏感材料检测有机挥发物、太阳能收集和存储(比普通储热油高6.4倍)、电池中应用、高折光率材料、在生命科学和无机合成中广泛应用n(5)有机合成中的应用:反应、工业化生产 精细有机合成基础四、离子液体受重视原因四、离子液体受重视原因(1)环境污染环境污染日益加重、环保意识不断增强2)化学工业中只有数面种有机溶剂可供选择,对一些特定的物质,如催化剂,有时很以找到一种合适的有机溶剂,而对离子液体来说,有超过亿万种亿万种可能的选择。
3)科学家的好奇心好奇心,对新事物的了解欲精细有机合成基础Adams C J, Earle M J, Seddon K R. Chem Commun. 1999, 1043–1044.五、离子液体的应用五、离子液体的应用精细有机合成基础Deng Y Q, et al. J Mol Cat A. 2001, 165, 33–36.Lee C W. Tetrahedron Lett. 1999, 40,2461–2462.精细有机合成基础精细有机合成基础n组合反应组合反应n固相合成固相合成n声化学声化学n等离子体化学等离子体化学2.19 2.19 有机合成的其他新方法和新技术有机合成的其他新方法和新技术精细有机合成基础。












