[小学教育]第2章精细有机合成基础.ppt

第2章 精细有机合成基础 *1 2.4 精细有机合成中的溶剂效应 一、溶剂的分类 按化学结构分类:无机溶剂、有机溶剂 按偶极矩和介电常数分类: 极性溶剂、非极性溶剂; (1) 偶极矩( qd), 单位: 德拜(D) (2) 介电常数()：极化作用越大，介电常数越大， 溶剂极性越强。 极性溶剂:分子中具有永久偶极的溶剂, 2.5D或 1520； Date 2 按能否提供质子形成氢键来分类： n质子传递型溶剂：能提供质子形成氢键。如OH、 NH2、CO2H和CONH2基; 质子传递极性溶剂：水、HCO2H、MeOH、EtOH、 正丁醇、乙二醇及其单甲醚和单乙醚等。 质子传递非极性溶剂：乙酸、戊醇、乙二醇单丁醚等. 非极性溶剂：分子中没有永久偶极的溶剂， 如环己烷、苯等。 2.5D的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等； 或 1520的溶剂 Date 3 n非质子传递型溶剂: 不能提供质子形成氢键. 非质子传递极性溶剂：高偶极矩和高介电常数.如 丙酮、DMF、硝基苯、乙腈、二甲基亚砜、环丁等. 非质子传递非极性溶剂：低和低. 如烷烃/环烷烃、芳烃、卤代烃、叔胺、二硫化碳等 . Date 4 按Lewis酸碱理论分类 Lewis酸碱理论： 酸是电子对受体(EPA, electron pair acceptor),有空轨道 . 碱是电子对给体(EPD, electron pair donor),有孤电子对. Date 5 极性溶剂可以分为EPA溶剂和EPD溶剂; EPA溶剂：具有缺电子部位或酸性部位，亲电试剂， 择优使EPD或负离子溶剂化. 如水、醇、酚、羧酸 等. EPD溶剂：具有富电子部位或碱性部位，亲核试剂， 择优使EPA或正离子溶剂化。 如：醇、醚、羰基 化合物中的氧, 氨类和N-杂环化合物中的氮原子. 如在强极性非质子溶剂DMF, DMSO, NMP, HMPA中, 亲核性: F Cl Br I Date 6 三、溶剂极性对反应速率的影响 1、Houghes-Ingold规则 对于从起始反应物变为活化配合物(过渡态)时电荷密度增 加的反应，溶剂极性增加，反应速率加快。 异性电荷分离 电荷密度增加 SN1反应 RX + RX - R + X - + 二、 “相似相溶 ”原则 溶质易溶于化学结构相似的溶剂，不易溶于化学 结构完全不同的溶剂。 Date 7 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，反应速率减慢。 SN2反应 电荷分散 电荷密度降低 YRX - RX Y - + RX - Y + 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率的影响极小。 P28 表2-6 局限性： 忽略了溶剂的类型、溶剂的EPD和EPA性质及专 一性溶剂化作用对反应速率的影响。 Date 8 四、有机反应中溶剂的使用和选择 P29 稳定，不与反应物、产物发生化学反应， 不降低催化剂活性。 对反应物的溶解性或分散性好。 易回收，损失少，不影响产品质量。 应尽可能不需要太高的技术安全措施。 毒性小、含溶剂的废水易治理。 价格便宜、供应方便。 Date 9 2.5 气-固相接触催化 一、气-固相接触催化反应概念 指气态反应物在一定的温度、压力下连续地通过 固体催化剂的表面而完成反应的。 如气相催化加氢、气-固相催化氧化反应等。 二、催化剂的活性和寿命 催化剂的活性: 单位体积(或单位质量)催化剂在 指定反应条件下,单位时间内所得到的目的产物的质量. 催化剂的寿命: 催化剂从开始使用到完全丧失活 性的期限称催化剂寿命. Date 10 三、催化剂的毒物、中毒和再生 催化剂的毒物： 指能使催化剂活性或选择性下降的微量外来物质。 催化剂中毒： 指微量外来毒物使催化剂活性或选择性下降的现象。 它通常发生在催化活性组分的活性中心上。中毒分暂 时中毒和永久中毒，催化剂暂时中毒，可设法活化再生。 催化剂中毒的预防和再生： 控制反应原料中毒物的最高允许含量。 再生一般是将空气、水蒸汽或氢气在一定温度下通过 催化剂以除去积碳、焦油物或硫化氢等毒物。 Date 11 四、催化剂的组成 催化剂活性物质、助催化剂、载体等组成。如萘气相催 化氧化制邻苯二甲酸酐用催化剂： V2O5(主催化剂)-K2SO4(助催化剂)-SiO2(载体) Date 12 五、催化剂的制备 优良的催化剂应具备以下性能： 1、活性高、选择性好、对过热或毒物稳定、寿命长、易再生. 2、机械强度和导热性好。 3、具有合适的宏观结构(如比表面积、孔隙度、孔径分布、 颗粒度、视密度）和微观结构。 4、制备简单、价格便宜。 催化剂的制备方法常见的有以下几种： 干混热分解法:金属氧化物催化剂 将易热分解的金属盐类(如硝酸盐、碳酸盐、草酸盐等)进行 烘焙热分解，制得金属氧化物催化剂。 如:天然气脱硫用的氧化锌就是由碳酸锌热分解所制得。 共沉淀法(常用)； 浸渍法(常用)； 涂布法； 还原法. Date 13 2.6 相转移催化phase transfer catalysis, PTC 一、相转移催化的原理，相转移催化剂 catalyst n相转移催化: 利用催化剂将反应物从一相转移到另一 相中,然后发生反应.分L-L两相, S-L, L-S-L三相体系. 相转移合成原理 P33 Date 14 （1）不要求无水操作; （2）提高反应速率 （3）降低反应温度; （4）产品收率高 （5）操作简便，特别是分离操作比较简单 （6）碱催化反应可以用NaOH代替昂贵和危险试剂 （7）应用广泛，并有可能完成使用其他方法不能实现的合 成反应 （8）副反应易控制 相转移催化的优点相转移催化的优点 Date 15 二、 相转移催化剂:应具有下列性能 应具备形成离子对的条件； 必须有足够多的碳原子使形成的离子对具 有亲有机溶剂的能力； R在空间位阻尽可能小，因此R一般多是直 链； 在反应条件下，应是化学稳定的，便于回 收。 Date 16 季铵盐 季鏻盐 季鉮盐 季锑盐 季铋盐 冠醚 穴醚 十二烷基苯磺酸钠 十二烷基磺酸钠 硬脂酸钠 聚乙二醇, PEG SP-80 (司盘) 生物表面活性剂 环糊精 杯芳烃 有毒，不常用 最常用 剧毒，实验室用 不易得，少用 鎓盐 Onium 与阴离子 形成离子对 对阳离 子配位 转移 阴离子 转移 阳离子 普适 Date 17 催化剂缩写相对速率 四甲基溴化铵TMAB 2.2 10-4 四丙基溴化铵TPAB7.6 10-4 四丁基溴化铵TBAB0.70 四丁基碘化铵TBAI1.0 （基准） 三辛基甲基氯化铵TOMAC（Aliquat 336）4.2 苄基三甲基溴化铵BTEAB 2.2 10-4 N-丁基吡啶溴化物BPB 2.2 10-4 N-庚基吡啶溴化物HBP3.1 10-3 己基三乙基溴化铵HTEAB2.0 10-3 辛基三乙基溴化铵OTEAB0.022 癸基三乙基溴化铵DTEAB0.032 十二烷基三乙基溴化铵LTEAB0.039 十六烷基三乙基溴化铵CTEAB0.065 十六烷基三甲基溴化铵CTMAB0.020 四苯基溴化鏻TPPB0.34 四苯基氯化鏻TPPC0.36 四丁基氯化鏻TBPC5.0 十六烷基三乙基溴化鏻CTEPB0.25 四苯基氯化鉮TPAsC0.19 双-环己基-18-冠-6DCH-18-C-65.5 Date 18 凡能与相转移催化剂形成可溶于有机相的离子对 的各类化合物，均可用相转移催化方法进行反应。 如催化卤化、烷化、酰化、羧基化、酯化、醚化 、氰基化、缩合、加成、氧化、还原等多种反应。 四、相转移催化的应用: 很广 Date 19 主要指的是用过渡金属的可溶性配合物作催化剂,在 液相对有机反应进行催化的方法。如消除、氧化和还 原等单元反应中的应用。 2.7 均相配位催化（自学） Date 20 有机催化中常用酸碱：有机催化中常用酸碱： n酸： 质子酸：如硫酸、高氯酸等 Lewis酸：氯化锌、三氯化铁等 有机酸：PTS（对甲基苯磺酸）、MS（分子筛 ）等。 n碱： 有机碱：吡啶、三乙胺、哌嗪等 无机碱：无水乙酸钠等。 n杂多酸催化 固体酸及超强酸催化 2.9 杂多酸(盐)催化 Date 21 2.9 杂多酸(盐)催化 杂多酸 (Heteropoly acid, 简称HPA) n n 杂多酸定义杂多酸定义: 是由两种以上无机含氧酸缩合而成的 多元酸的总称。如磷钼杂多酸： PO43- + 12 MoO42- + 27 H+ H3PMo12O40 + 12 H2O 杂多酸负离子可以用以下通式来表示 ：XxMmOyq（xm） nPMo12O403- 12-钼磷酸负离子 nH4SiW12O40 12-钨硅酸 nNa5PW10V2O40 10-钨-2-钒磷酸钠 Date 22 n杂多酸的酸根是由中心原子和氧离子组成的四 面体或八面体和多个共面、共棱或共点的、由配 位原子M与氧离子组成的八面体配位而成。中心 原子多为磷、硅，配位原子多为钼、钨等。 nHPA在水溶液中可以完全离解。 Date 23 n杂多化合物很适合催化科学的基础研究，这是因 为： （1）杂多酸组成简单组成简单，结构确定，一些催 化性能可在杂多阴离子的分子水平上表征； （2）由于表面层结构和体相结构差别很小 ，且具有所谓“准液相准液相”的特性； Date 24 （3）杂多酸不仅同时具有多元酸和多电子还 原能力，而且它们的酸性和氧化还原性还可通过酸性和氧化还原性还可通过 变更组成元素在很大的范围内系统地调节变更组成元素在很大的范围内系统地调节，因此 ，杂多酸既可做酸催化剂又可做氧化催化剂，或 二者兼而有之，是一种所谓的“双功能双功能”催化剂催化剂 ； （4）杂多化合物具有较好的热稳定性和可溶热稳定性和可溶 性性，因此既可作均相催化剂又可作非均相催化剂 。 Date 25 2.5 有机合成技术 2.5.4 杂多化合物催化 杂多酸在催化中的应用: u 均相催化：烯烃水合、炔烃水合、烯烃加成反应、异丙苯过 氧化物分解、环氧化合物开环、酯类醇交换、酸交换、弗- 克反应等。在这些液相酸催化反应中，HPA显示出比无机酸 高的活性，如HPA对烯烃水合反应的催化活性是硫酸或硝酸 的23倍，反应活化能低得多。 u 非均相反应：以固体HPA为催化剂的反应如2-丁烯的顺反异 构化、醇脱水、羧酸分解、异丁烯和甲醇合成甲基叔丁基醚 、二甲苯异构体和甲苯烷基化反应等。 Date 26 2.10 分子筛催化 分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，主要由硅 铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均 匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。此外还含有电价 较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于水分子在 加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相 同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的孔 穴直径大小均匀，能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部 中来，而把比孔道大得分子排斥在外,因而能把形状直径大小不 同的分子，极性程度不同的分子，沸点不同的分子，饱和程度 不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称为分 子筛。目前分子筛在冶金，化工，电子，石油化工，天然气等 工业中广泛使用。 气体行业常用的分子筛型号; A型: 钾A (3A), 钠A (4A), 钙A (5A)； X型: 钙X (10X), 钠X (13X); Y型: 钠Y, 钙Y Date 27 n固体超强酸定义：固体的表面酸强度大于100%的 硫酸。即Hammett酸函数H0 -11.9。 类类 别别 酸载载体 1aSbF5SiO2-Al2O3、SiO2-TiO2、SiO2-ZrO2、TiO2-ZrO2 1bSbF5Al2O3-B2O3、SiO2、SiO2-WO3、HF-Al2O3 2SbF5、TaF3Al2O3、MoO3、ThO2、Cr2O3 3SbF5、BF3石墨、Pt-石墨 BF3、AlCl3、AlBr3离子交换树换树 脂、磺酸盐盐、氯氯化物 SbF5-HF、SbF5- FSO3H 金属（Pt、Al）、合金（Ni-Mo、Al-Mg）、聚乙 烯烯、SbF3、多孔性物质质（SiO2、Al2O3、高岭土、 活性炭、石墨） 4SbF5-CF3COOHAlPO4、活性炭 7Nafion（全氟树树脂 聚合物磺酸） 8TiO2-SO42- 9ZrO2- SO42- 2.11 固体超强酸催化剂 Date 28 沸石分子筛 离子交换树脂 杂多酸及其盐 酸催化 传统催化剂 腐蚀性强 污染严重 后处理复杂 固体酸催化剂 环境友好 分离简易低温高活性 高稳定性 Date 29 2.12 不对称合成催化剂 2.13 生物催化有机合成 Date 30 2.14 电解有机合成 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 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。 一、反应原理 Date 31 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 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OH，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。 OHOH e 2OHH2O2 2OHH2OO 其他负离子如X，在阳极生成X或X2，而后与有机物发 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： He H 氢氢离子在阴极接受电电子形成原子氢氢，由原子氢还氢还 原有机 化合物。 Date 32 +e+ H+ +e + H+ 得电子还原 （E） 负离子基（） 加质子 （C） 自由基（） 丙烯腈（） 得电子还原 （E） 负离子基（） 二聚（偶联） （C） 加质子 （C） 负离子基（）己二腈（） 二、电解过程的反应顺序反应机理 例：丙烯腈在阴极电解加氢二聚（偶联）制己二腈。 Date 33 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。 （） 扩散 ，+e ，+H+ （） 吸附 （）ad 电化学 （E） （）ad 脱附 （） 扩散 （） 化学 （C） （） 扩散 （） 吸附 （）ad ，+e 电化学 （E） （）ad（） 脱附 （） ，二聚 化学 （C） 扩散 （） ，+H+ 化学 （C） （） 阴极表面 阴极表面 电解液中 电解液中 电解液中 Date 34 电解合成具有条件温和（常温、常压）、易于控制 、污染少、流程短和产物选择性高等优点，其缺点是电 耗高，电解装置复杂、专用性强，技术难度大。但电解 有机合成作为一种环境友好的洁净合成方法，代表了现 代化学工业发展的方向。近年来国内外对电解合成精细 化学品的研究开发十分活跃。目前，已商品化的有机电 解产品约60余种，尚有约40种正在开发中。其工业应用 如表2-7所示。 四、有机电解反应的实际应用 Date 35 2.5 有机合成技术 2.5.8 电解有机合成 Date 36 2.15 光有机合成 微波是频率在300MHz300GHz范围内的电磁波，它位于 电磁波谱的红外辐射（光波）和无线电波之间。微波在 400MHz10GHz的波段专门用于雷达，其余部分用于电讯 传输。此外，由于微波的热效应，微波作为一种非通讯的电 磁波广泛用于工业、农业、医疗、科研及家庭等民用加热方 面。为了防止民用微波对雷达、无线电通讯、广播、电视的 干扰，国际上规定各种民用微波的频段为（91515）MHz和 （245050）MHz。 微波用于有机合成始于1986年。最近十几年来，微波辐照 有机合成技术发展很快，已取得了一大批成果。 2.16 微波辐射促进有机合成 Microwave Irradiation assisted Organic Synthesis Date 37 2.17 超临界流体在有机合成中的应用 任何一种物质都存在三种相态-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 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 。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(SCF)是指在临界温度（Tc）和临界压力(Pc)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 临界状态。 什么是超临界： 气体 A P T 固体 Date 38 超临界流体的发展 1822年，法国科学家卡格尼亚德 (Cagniard )首次报 道物质的临界现象。 1879年，英国科学家 Hanny and Hogarth 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。 1962年，德国的Zosel博士 采用超临界流体CO2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。 1992年，Desimone 首先报道了超临界流体CO2为溶 剂，超临界聚合反应，得到分子量达27万的聚合物, 开创了超临界CO2高分子合成的先河。 Date 39 超临界流体的应用 超临界萃取 超临界中化学反应 超临界聚合反应 SCF 超细颗粒及薄膜材料制备 Date 40 物 质 沸点/临界温度Tc/临界压力Pc/MPa临界密度c/g/3 氩 甲烷 氪 乙烯 三氯甲烷 氟里昂-13 二氧化碳 乙烷 丙烯 丙烷 氨 正丁烷 二氧化硫 正戊烷 -164.0 -103.7 -78.5 -88.0 -47.7 -44.5 -33.4 -0.5 36.5 -122.4 -83.0 -63.8 10.0 26.2 28.9 31.0 32.4 92.0 97.2 132.3 152.0 157.6 196.6 4.86 4.64 5.50 5.12 4.85 3.92 7.38 4.88 4.67 4.24 11.39 3.80 7.88 3.37 0.53 0.160 0.920 0.217 0.620 0.580 0.468 0.203 0.288 0.220 0.236 0.228 0.525 0.232 表 某些超临界流体的临界参数 Date 41 物 质 沸点/临界温度Tc/临界压力Pc/MPa临界密度c/g/3 氟里昂-11 异丙醇 甲醇 正己烷 乙醇 正丙醇 丁醇 环己烷 苯 乙二胺 甲苯 对二甲苯 吡啶 水 82.5 69.0 78.2 80.1 110.6 100.0 198.1 235.2 240.5 234.2 243.4 263.4 275.0 280.3 288.1 319.9 320.0 343.0 347.0 374.1 4.41 4.76 8.10 2.97 6.30 5.17 4.30 4.07 4.89 6.27 4.13 3.52 5.63 22.06 0.273 0.272 0.234 0.276 0.275 0.27 0.302 0.29 0.292 0.31 0.36 表 某些超临界萃取剂的临界参数 Date 42 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，有人称之 为熔盐(Molten salt)。 2.18 离子液体对在有机合成中的应用 Date 43 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：AlCl4-、BF4-、PF6- 、CF3COO-、CF3SO3-等。 Date 44 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。 Date 45 n20世纪60年代美国空军 研究院系统研究了氯铝酸 烷基吡啶离子液体，标志 着系统研究离子液体的开 始。 Major (Dr.) Lowell A. King at the U.S. Air Force Academy in 1