精细化工工艺学第3章ppt课件

第三章 精细有机合成的工艺学基础,一、概述 二、化学计量学 三、化学反应器 （略） 四、精细有机合成中的溶剂效应 五、气固相接触催化 （略） 六、相转移催化PTC（Phase Transfer Catalysis） 七、均相配位催化 八、光有机合成：自学 九、电解有机合成：自学,精细有机合成的工艺学基础,一、概述,对一具体产品，工艺学上要解决的问题主要包括：合成路线的确定、原料预处理方法、反应方式及反应条件的选择、产物后处理方法、工艺流程的组织等。这些问题既要从技术角度考虑，又要从经济角度考虑，还要从对环境的影响（污染物、副产物的处理与排放）上考虑。应使得最终产品高质量、高收率、成本最低。,精细有机合成反应过程主要特点有：产品种类多、原料多、反应种类多（各种单元反应）、反应形式多（均相：气相、液相，非均相：气液、气固、液固等，光有机合成、电解有机合成、酶催化等）、催化剂多（Cat.有固相、液相、气相，还有光、热引发等）。 原料、产物、催化剂之间纵横交错。如同一种产品可以用不同的原料、不同的催化剂、或不同的反应形式得到。例如，苯酐的合成，既可以用萘、也可以用邻二甲苯作原料，既可以用固定床、也可以用流化床反应器反应得到。再如苯酚的合成，工业上可以采用的路线有5条：如苯磺化碱熔法、氯苯催化水解法、异丙苯氧化法、甲苯氧化法等。 精细有机合成过程的复杂性，给工艺路线选择带来很大困难。,精细有机合成的工艺学基础 概述,精细有机合成的工艺学基础 概述,工艺（技术）路线选择的主要原则,原料价廉且来源可靠。在一般生产中，原料成本是产品成本的主要部分。要考虑：首先选择价格便宜、来源可靠的原料；还要考虑原料的质量和辅助原料的供应。 技术先进可靠。考虑目前生产合理的现实意义与持续生产的长远意义。技术先进包括能使用廉价可靠的原料、先进的反应装置、高效的催化剂、设备少、流程短、能耗低、污染物少、以及管理方便、操作安全等。 产品合格化和综合利用。符合产品标准(国家、行业、企业)。 环境保护：切实可行。 特殊材料及设备：来源有保证或有代用品。 消耗指标：主要原材料消耗指标、热、能耗指标低。技术路线选择的合适与否，最终表现在消耗指标上。,工艺学包含的内容很多。其中原料的预处理方法及产物的后处理方法，涉及有关单元设备及流程的问题，在化工原理和精细化工过程及设备课中讲述。有关反应动力学和反应器方面的问题，在化学反应工程课中讲述。因此这两部分内容本章不作介绍。,精细有机合成的工艺学基础 概述,精细有机合成的工艺学基础,二、化学计量学（9个基本概念）,1、反应物的摩尔比：,加入反应器中的反应物之间的摩尔比。根据反应需要而定，不一定与化学计量比相同。,2、限制反应物和过量反应物 ：,不按化学计量比投料时，其中以最小化学计量数存在的反应物叫限制反应物。而某种反应物的量超过限制反应物完全反应的理论量，则该物叫过量反应物。,精细有机合成的工艺学基础 化学计量学,3、过量百分数 ：,过量反应物超过限制反应物所需理论量部分占所需理论量的百分数叫过量百分数。即 过量% = 100 （ NeNt）/ Nt 式中，Ne-过量反应物的摩尔数，Nt-与限制反应物完全反应所消耗的摩尔数。例：氯苯的二硝化 ClC6H5 + 2HNO3 ClC6H3(NO2)2 2H2O 化学计量比 1 2 投料摩尔数 5.00 10.70 限制反应物 过量反应物 Ne = 10.70, Nt =10.0 过量%= (10.7-10)/10=7% 或按照书上(P.40.)的计算方法。(书上的投料化学计量数指将反应物均折算成1:1的比例)。,精细有机合成的工艺学基础 化学计量学,4、转化率：通常以X表示。,某反应物A反应掉的量(NAR)占反应器输入量(NA,in)的百分数。,XA（NAR/NA,in ）100 100 (NA,in NA,out )/ NA,in,反应器,原料 A,产物P,式中， NA,out 从反应器输出的A量。 注意：一个化学反应，用不同反应物作基准所得转化率不同。,精细有机合成的工艺学基础 化学计量学,5、选择性： （以S表示）,某一反应物转变成目的产物理论消耗的摩尔数占该反应物在反应中实际消耗掉的总摩尔数的百分数。对反应：,S 100 （Np (a/p) / (NA,in NA,out ),反应器,原料 A,产物P,式中， Np生成目的产物的摩尔数。,反应： aA pP,精细有机合成的工艺学基础 化学计量学,6、收率： （又叫理论收率，以y表示）,指某一反应物转变成目的产物的摩尔数占输入的该反应物摩尔数的百分数。对反应：,yp 100 （Np (a/p) / NA,in,式中， Np生成目的产物的摩尔数。,反应： aA pP,转化率、选择性、收率三者之间的关系：y = s*x 例题见P.41.下部。,精细有机合成的工艺学基础 化学计量学,7、重量收率： （以y重表示）,目的产物的重量占某一输入反应物重量的百分数。,y重=(所得目的产物的重量 / 某输入反应物的重量)100% 例题，P.42.上部。,8、原料消耗定额：,生产一吨产品需要消耗的原料量。 （ 对主要反应物来说，实际上是重量收率的倒数）,精细有机合成的工艺学基础 化学计量学,9、单程转化率和总转化率,某些反应过程，反应物一次经过反应器后的转化率并不高，有时很低。因此有时需将主反应物从产物中分离后循环使用，有时甚至是多次循环使用。故有单程转化率和总转化率之分。如,单程转化率(NAR,in-NAR,out)/ NAR,in100% 总转化率 (NAs,in-NAs,out)/ NAs,in100% R：反应器； S：全过程 例题：P.42.,循环A 反应物A 反应器 分离器 产物,精细有机合成的工艺学基础 化学计量学,苯的单程转化率(100-61)/ 100100% =39.00% 苯的总转化率 (100-61)/ (100-60)100% =97.50% 生成氯苯的选择性(381/1)/ (100-61)100% =97.44% 生成氯苯的总收率(381/1)/ (100-60)100% =95.00% 或 97.50% 97.44% = 95.00%,C6H6, 60 C6H6, 100 反应器 分离器 产物,例题： （P.42.）,C6H6, 61 C6H5Cl, 38 C6H5Cl2, 1,C6H6, 1 C6H5Cl, 38 C6H5Cl2, 1,每100mol苯用40mol氯（为减少二氯苯的生成量）,精细有机合成的工艺学基础 化学反应器,化学反应器:反应原料在其中进行化学反应，生成目的产物的设备。 要求：对反应物料提供良好的传质、传热条件；在反应的温度、压力和介质条件下，具有良好的机械强度和耐腐蚀性能；能适应反应器的操作方式。,精细有机合成的工艺学基础 化学反应器,反应器的类型： 间歇操作反应器 连续操作反应器 1. 液相连续反应器 2. 气液相反应器 3. 气固相接触催化反应器 4. 气液固三相反应器,精细有机合成的工艺学基础,四、精细有机合成中的溶剂效应,1、概述 2、溶剂的分类 3、离子化作用和离解作用 4、溶剂静电效应对反应速度的影响(Houghes-Ingold规则) 5、专一性溶剂化作用对SN反应速度的影响 6、有机反应中溶剂的使用和选择,精细有机合成的工艺学基础-精细有机合成中的溶剂效应,1、概述,（1）溶剂对有机反应的影响 溶剂的作用：溶解作用；影响反应机理。 不仅有溶解作用，而且对反应产生重要影响。主要是通过与反应物或产物发生各种相互作用来影响反应过程。如可提高反应选择性(提高主反应速度、抑制副反应)、影响反应历程、反应方向和立体化学等。 因此，了解并合理选择溶剂具有重要意义。,精细有机合成的工艺学基础-精细有机合成中的溶剂效应,概述,（2）溶液和溶解作用 溶液：溶质溶解于溶剂而形成的均态混合物体系。 主要的经验规则是“相似相溶”。但也有例外。 影响溶解作用的主要因素： 分子间引力的相互作用。即相同分子间引力与不同分子间引力的相互关系。 由分子的极性所引起的缔合程度。 溶剂化作用。 溶剂和溶质的分子量。 溶剂活性基团的种类和数目。,精细有机合成的工艺学基础-精细有机合成中的溶剂效应,概述,（3）溶剂和溶质之间的相互作用力 大量溶剂和少量溶质分子之间的相互作用力可分为三大类： 库仑力：即静电吸引力，它包括：离子-离子力和离子-偶极力。 范德华(Van der Waals)力：亦称“内聚力”。它包括偶极-偶极力(定向力)、偶极-诱导偶极力(诱导力)和瞬时偶极-诱导偶极力(色散力)。 专一性力：它包括氢键缔合作用、电子对给体/电子对受体相互作用(电荷转移力)、溶剂化作用、离子化作用、离解作用和憎溶剂相互作用等。 前两类力是普遍存在的非专一性力。第三类分子间力是只有在一定结构之间才能发生的、有一定方向的专一性力。,精细有机合成的工艺学基础-精细有机合成中的溶剂效应,2、溶剂的分类 （根据目的不同有多种方案，各有局限性）,（1）按化学结构分类: 分无机溶剂和有机溶剂。 （2）按偶极矩和介电常数分类 （3）按Lewis酸碱理论分类 （4）按Brnsted酸碱理论分类 （5）按其起氢键给体的作用分类 （6）按专一性溶质溶剂相互作用分类,精细有机合成的工艺学基础- 溶剂的分类,（1）按化学结构分类: 分为无机溶剂和有机溶剂。,无机溶剂：种类少。主要有：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、熔融的氯化锌、三氯化铝和五氯化锑、四氯化钛、三氯化磷和三氯氧磷等。 有机溶剂：非常多。如脂烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、醇、酚、醚、醛、酮、羧酸及其酯、胺、腈、酰胺、亚砜、砜、硝基化合物、杂环化合物、季铵盐等。 总之，在反应条件下（主要T、P）能成为液态的物质或混合物都可以用作溶剂。,精细有机合成的工艺学基础- 溶剂的分类,（2）按偶极矩和介电常数分类,偶极矩和介电常数是表示溶剂极性的两个重要参数，因此该分类法具有重要的实际意义。,按偶极矩：永久偶极矩：在电中性分子中由于电荷不对称而产生的偶极矩叫永久偶极矩。如氯苯、酰胺等P.52.。 偶极矩的计量单位：法定计量单位：库仑.米(C.m)。常用单位：Debye(德拜，D)。1D3.3356410-30C.m。 对有机溶剂，=05.5D 分子中具有永久偶极矩的叫“极性”溶剂，否则叫“非极性”溶剂。 2.5D的非质子弱极性溶剂列入非极性溶剂。如氯苯(1.54D)、二氯乙烷。 偶极矩主要影响在溶质(分子或离子)周围的溶剂分子的定向作用。 的计算方法：q.d，式中，q-偶极分子中电量相等的两个相反电荷的大小；d-两个电荷之间的距离。,精细有机合成的工艺学基础- 溶剂的分类,按偶极矩和介电常数分类,按介电常数：1520，为极性溶剂； 1520，为非极性溶剂。（2.5D的为非极性溶剂） 溶剂的极性越强、极化作用越大、介电常数越大。 有机溶剂的介电常数约在2(环己烷、正己烷)到190(N-乙基甲酰胺)之间。,=E0/E ，式中E0电容器板本身在真空下测得电场强度； E在同一电容器板之间放入溶剂后测得的电场强度。 诱导偶极：没有永久偶极矩的溶剂分子在外电场的作用下会分离出电荷而产生诱导偶极。 极化作用：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，即引起所谓的“极化作用”。,精细有机合成的工艺学基础- 溶剂的分类,按偶极矩和介电常数分类,溶剂化作用溶剂极性的本质 ： 溶剂的“极性”，尚未有确切定义。注重的是它的总的溶剂化能力。 溶剂化作用：每个被溶解的分子(或离子)被（一层或几层）溶剂分子所包围的现象。溶剂化作用是一种十分复杂的现象（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），很难用一个简单的物理量来表示，习惯上常常用偶极矩或介电常数表示，但这两个物理量只能反映溶剂的一部分性质或某种作用。尽管如此，在实际应用中还是具有重要意义的。,精细有机合成的工艺学基础- 溶剂的分类,按偶极矩和介电常数分类,溶剂极性参数 ： 也是一种表示溶剂极性的尝试。溶剂实验极性参数的种类很多，其中最常用的是Er(30)值。即第30号染料在不同溶剂中的最长波长溶剂化显色吸收谱带的跃迁能，见P.53.。只能作为参考。,第30号染料 R1=R2=H，R3=C6H5,精细有机合成的工艺学基础- 溶剂的分类,（3）按Lewis酸碱理论分类,酸电子对受体(EPA，Electronic Pair Accept)； 碱电子对给体(EPD, Electronic Pair Devote)。,故分为电子对受体溶剂和电子对给体溶剂,电子对受体溶剂：具有一个缺电子部位或酸性部位，是亲电试剂，能择优地使电子对给体分子或阴离子溶剂化。最重要的这类溶剂含有羟基、氨基、羧基和酰胺基等基团，如水、醇、酚和羧酸等。(阴离子溶剂化溶剂) 电子对给体溶剂：具有一个富电子部位或碱性部位，是亲核试剂，能择优地使电子对受体分子或阳离子溶剂化。最重要的电子对给体是醇类、醚类和羰基化合物中的氧原子以及氨类和N-杂环化合物中的N原子，它们都具有孤对n-电子。如六甲基磷酰三胺，N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、甲醇、水和吡啶等。(阳离子溶剂化溶剂),精细有机合成的工艺学基础 溶剂的分类,按Lewis酸碱理论分类 注意：, 大多数溶剂都是两性的，如水，既有受体作用（利用形成氢键）又有给体作用（利用氧原子）。但许多溶剂只突出一种性质，如N,N-二甲基甲酰胺，由于位阻因素，酰胺基N原子不易作为电子对受体，主要是利用其中的氧原子作为电子对给体使阳离子溶剂化。 极性溶剂才能按此法分类，某些溶剂如烷烃和环烷烃就不能纳入此类分法(既不具有电子对受体也不具有电子对给体)。 硬软酸碱原则(HSAB原则)： 即硬酸容易与硬碱结合，软酸容易与软碱结合。 “硬”、“软”的划分是以电负性的高低为原则。 硬酸和硬碱一般都具有低的极化度，软酸与软碱一般都是可极化的。,精细有机合成的工艺学基础- 溶剂的分类,（4）按Brnsted酸碱理论分类,酸质子给体；碱质子受体。(质子酸理论) 水、醇、酚为两性溶剂。,精细有机合成的工艺学基础- 溶剂的分类,（5）按其起氢键给体的作用分类,按此分类方法分为：质子（传递）型溶剂 非质子（传递）型溶剂。,氢键定义：当共价结合的H原子与另一个原子形成第二个键时，这第二个键就叫氢键。 氢键的形成： R-X-H :Y-R R-X-HY-R 氢键给体 氢键受体 氢键给体(质子给体)：电子对受体。如羟基、氨基、羧基、酰胺基等。 氢键受体：电子对给体。如醇、醚、羰基化合物中的氧原子以及氨类和杂环化合物中的N原子。,精细有机合成的工艺学基础- 溶剂的分类,（6）按专一性溶质溶剂相互作用分类,按此分类方法分为三类：非质子非极性溶剂、非质子极性溶剂、质子型溶剂。,也叫 Parker分类法。,三者的主要区别在于溶剂的极性以及它们形成氢键的能力。 注意：该分类法不够严谨。因为有些溶剂不能明确归类。如醚类、羧酸酯类等。见表中类别之间的框中的化合物。,精细有机合成的工艺学基础-精细有机合成中的溶剂效应,3、离子化作用和离解作用,（1）离子原和离子体 电解质的分类：分为两大类，即离子原和离子体。 离子原：在固态时具有分子晶格的偶极型化合物，在液态时它仍以分子状态存在。但是当它与溶剂作用时可以形成离子。(即无溶剂时是分子态，只有与溶剂作用时可形成离子，“给溶剂提供离子”)。如：卤化氢、烷基卤、金属有机化合物等。 离子体：在晶态时是离子型的。而在熔融状态以及在稀溶液中则只以离子形式存在的化合物。(什么状态下均以离子态存在)。如：金属卤化物等二元盐。,精细有机合成的工艺学基础 离子化作用和离解作用,（2）离子化过程和离解过程 离子化过程：离子原的共价键发生异裂产生离子对的过程。 离解过程：离子对(缔合离子)转变为独立离子的过程。 离子对：具有共同溶剂化层、电荷相反的成对离子。 在溶剂中这些离子类型之间的关系处于平衡状态。 溶剂的性质不仅影响溶液中离子对和独立离子的比例，而且影响离子(阳离子或阴离子)的反应活性。,精细有机合成的工艺学基础 离子化作用和离解作用,离子化过程和离解过程 示意图如下（P.56.(326)）,离子化,离子原,AB溶,AB,离子体,溶剂化,AB溶,离解,缔合,A溶 + B-溶,溶剂化的离子对（缔合离子）,溶剂化的阳离子 溶剂化的阴离子 （溶剂化的独立离子）,在溶剂中这些离子类型之间，处于平衡状态。 溶剂的性质不仅影响溶液中离子对和独立离子的比例，而且影响离子(阳离子或阴离子)的反应活性。,精细有机合成的工艺学基础 离子化作用和离解作用,（3）溶剂介电常数对离解过程的影响 E离子-离子(Z1+.Z2-)/(.r2) 式中:E离子-离子离子与离子相互作用的势能（静电吸引力） Z阳离子和阴离子的电荷； r离子间的距离；介电常数。 该式表明，两种电荷相反的离子之间的静电吸引力(库仑力)与溶剂的介电常数成反比。(越大，吸引力越小)。 足够大，使异性电荷之间的静电吸引力E显著降低，能够使离子对离解为独立离子的溶剂，称为“离解性溶剂”。,精细有机合成的工艺学基础- 离子化作用和离解作用,溶剂介电常数对离解过程的影响 40 ，强极性溶剂，溶质在其中几乎不存在离子缔合作用。但强极性容易引起离子的溶剂化作用，从而妨碍离子的自由运动和反应活性。这类溶剂如甲酸、甲酰胺、二甲基亚砜、环丁砜等。水的介电常数特别高(78.4),所以离子对在水中几乎完全离解。仅在浓度很高时，才能明显观察到离子缔合作用。因此水常常作为离子型反应的溶剂。(对有机反应，水往往不合适)。 2040，中等极性溶剂，这类溶剂有乙醇、丙酮、硝基苯、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺等。在这类溶剂中，独立离子和缔合离子的比例取决于溶剂和电解质的结构(如离子大小、电荷分布、氢键缔合的离子对、离子的专一性溶剂化作用等)，如在丙酮(20.7)中，卤化锂是很弱的电解质，而四烷基卤化铵则强烈地离解。 1015，非极性（弱）溶剂。如烃类、三氯甲烷、1,4-二氧六环、乙酸等，在这类溶剂中实际上观测不出自由离子。,精细有机合成的工艺学基础- 离子化作用和离解作用,（4）离子原的离子化方式：（变成离子对） 溶剂的离子化能力主要取决于溶剂必须具有强的电子对给体(EPD)或电子对受体(EPA)的能力。这样才能使离子原的共价键异裂为离子键。而并不是取决于有较高的介电常数。,离子原的离子化方式有三种： EPD (电子对给体)进攻 、EPA(电子对受体)进攻 、双进攻。,精细有机合成的工艺学基础 离子化作用和离解作用,离子原的离子化方式,EPD进攻：通过进攻离子原中共价键的正端使阳离子溶剂化。而阴离子基本没有被溶剂化，这种自由的或裸(露)的阴离子成为高活性的反应质点。如六甲基磷酰三胺溶剂使金属有机化合物离子化的过程： (CH3)2N3P=O + Cl-Mg+ -CH2C6H5,EPA进攻 ：与EPD进攻恰好相反，使阴离子溶剂化。例子见P.57.(3-29)。,双进攻：一种EPD溶剂和一种EPA溶剂或一种两性溶剂同时进攻离子原的正端和负端，使阳离子和阴离子都溶剂化。如P.57.(3-30),两性溶剂H2O使HCl的阳离子(H+)和阴离子(Cl-)都溶剂化。,精细有机合成的工艺学基础- 离子化作用和离解作用,（5）离解性溶剂和离子化溶剂 使离子原离子化成离子对的决定因素是溶剂必须具有强的EPD性质或EPA性质。而由离子对离解成独立离子，则溶剂必须具有高的介电常数。,离子化溶剂：有强的EPD性质或EPA性质、能使离子原离子化成离子对的溶剂。 离解性溶剂：具有高的介电常数、能够使离子对离解为独立离子的溶剂。非质子强极性溶剂属此类。 水既有很高的介电常数，又可起EPD作用和EPA作用，所以水既是离解性溶剂，又是离子化溶剂。六甲基磷酰三胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、吡啶也都既是离解性溶剂，又是离子化溶剂。,精细有机合成的工艺学基础- 离子化作用和离解作用,离解性溶剂和离子化溶剂 用三苯基氯甲烷离子原作溶质，可以鉴别各种溶剂的离子化能力和离解能力。如在SO2溶剂中： (C6H5)3C+ Cl- SO2 (C6H5)3C+ Cl- SO2 （黄色，无导电性） (C6H5)3C+ SO2 Cl- SO2 (3-31) 黄色，有导电性,K离子化,K离解,精细有机合成的工艺学基础 离子化作用和离解作用,离解性溶剂和离子化溶剂 表3-2是三苯基氯甲烷在各种溶剂中的离子化平衡常数。(P58) 三苯基氯甲烷在间甲酚(11.8 )和甲酸(58.5 )中的K离子化值都相当大（3600和3100，见表3-2。即强烈离子化），说明间甲酚和甲酸都是好的离子化溶剂。但是在间甲酚中则只微弱地离解（即导电性低），说明间甲酚不是离解性溶剂（小）。而在甲酸中则强烈的离解。（ 大），说明甲酸是离解性溶剂。 双溶剂可以促进离子原的离子化。故有时反应使用双溶剂（离子化溶剂和离解性溶剂配合使用） 。,精细有机合成的工艺学基础 精细有机合成中的溶剂效应,4、溶剂静电效应对反应速度的影响(Houghes-Ingold规则),（1）Houghes-Ingold规则：（通过形成过渡态时电荷密度的变化来判断溶剂极性对反应速度的影响）,Houghes和Ingold采用过渡状态理论来处理溶剂对反应速度的影响时，发现经常遇到的反应，其过渡态大都是偶极型活化配合物，它们在电荷分布上比相应的起始反应物常常有明显的差别。Houghes-Ingold对这类反应的宏观溶剂效应，用静电效应作了概括，即根据从起始反应物变为活化配合物时，电荷密度的变化来判断溶剂极性对反应速度的影响： 若电荷密度增加，则增加溶剂极性使反应速度加快； 若电荷密度降低，则增加溶剂极性使反应速度减慢； 若电荷密度变化很小或不变化，则溶剂极性的变化对反应速度影响极小。,精细有机合成的工艺学基础 精细有机合成中的溶剂效应,（2）Houghes-Ingold规则的应用：溶剂对亲核取代反应的影响,该规则对许多偶极型过渡态反应，如亲核取代反应、消除反应、不饱和体系的亲电加成和亲电取代反应可以用来预测其溶剂效应。,精细有机合成的工艺学基础 精细有机合成中的溶剂效应,Houghes-Ingold规则的应用,表33 亲核取代反应速率的预测溶剂效应,“明显”和“略微”这两个词来源于电荷分散效应必然显著低于电荷增加或电荷减少效应的理论，因而只具有相对意义。,异号电荷的分离，表明增加了电荷密度； 电荷分散，电荷密度基本不变（略微减少）； 电荷减少，则降低了电荷密度。,精细有机合成的工艺学基础-精细有机合成中的溶剂效应,Houghes-Ingold规则的应用实例,1、（a）型反应的实例：叔丁基氯的溶剂分解反应 (3-32),+,-,离解,溶剂阴离子,产 物,活化过程异号电荷分离，电荷密度增加。故随溶剂极性的增加，反应速度明显加快（甲酰胺例外非质子极性溶剂）。,精细有机合成的工艺学基础-精细有机合成中的溶剂效应,Houghes-Ingold规则的应用,2、(c)型反应的实例：叔胺与烷基卤生成季铵盐的反应 (3-33),活化过程异号电荷分离，属电荷密度增加的反应。随溶剂极性的增加，反应速度明显加快。,(H7C3)3N: + CH3I (C7H3)3N+ CH3I - ( H7C3)3N + CH3 + I-,k2,20 ,=0.7D =1.64D,=8.7D,精细有机合成的工艺学基础 精细有机合成中的溶剂效应,Houghes-Ingold规则的应用,3、(d)型反应的实例：放射性标记碘阴离子与碘甲烷之间的卤素交换反应,活化过程产生电荷分散作用，因此随溶剂极性的增加，反应速度略微减慢(乙二醇例外)。但在丙酮中反应速度相当快非质子极性溶剂。,I - + CH3I I+ CH3I - I CH3 + I-,k2,20 ,（3-34）,精细有机合成的工艺学基础 精细有机合成中的溶剂效应,该规则对许多偶极型过渡态反应，如亲核取代反应、消除反应、不饱和体系的亲电加成和亲电取代反应可以用来预测其溶剂效应。 但从上述实例也反映出该规则存在局限性。,（3）Houghes-Ingold规则的局限性的原因,从过渡状态理论来说，静电效应主要考虑活化焓H的变化，而活化熵S则忽略不计； 静电效应没有考虑溶剂的类型(质子型和非质子型)、溶剂的EPD、EPA、以及溶剂化能力或配位能力等专一性溶剂化作用对反应速度的影响。,精细有机合成的工艺学基础 精细有机合成中的溶剂效应,5、专一性溶剂化作用对SN反应速度的影响,从质子型和非质子型两类溶剂分别讨论。,（1）质子型溶剂对SN反应速度的影响,质子型溶剂H-S(仅表示质子型溶剂)具有氢键缔合作用，是电子对受体，它能使阴离子专一性溶剂化。,（2）非质子极性溶剂对SN反应速度的影响,前已述及，许多非质子极性溶剂是电子对给体，因此它们对SN反应速度的影响常常与质子型溶剂相反。它能使阳离子专一性溶剂化。,专一性溶剂化作用对SN反应速度的影响,（1）质子型溶剂（H-S ）：具有氢键缔合作用，是电子对受体，它能使阴离子专一性溶剂化：,加速(a)型SN1反应，因质子型溶剂有利于离去阴离子X的专一性溶剂化。（加速裸阳离子的反应）,RX + HS R+X- HS# R XHS Y a R Y XHS,SN1,加速(c)型SN2反应，因为所加入的质子型溶剂对活化配合物负端的氢键缔合作用比对反应质点Y：的缔合作用强。如： SN2 H-S Y： RX Y+RX- # YR XHS,专一性溶剂化作用对SN反应速度的影响,SN2 H-S Y RX Y-RX- # YR X (3-37),减慢(d)型SN2反应，因为质子型溶剂比较容易使反应质点Y-专一性溶剂化。阴离子Y-越硬(即体积越小、电荷对体积之比越大，或电荷密度越高)，Y-在质子型溶剂中的专一性溶剂化倾向越强。,专一性溶剂化作用对SN反应速度的影响,（2）非质子极性溶剂，是电子对给体，它能使阳离子专一性溶剂化：, 对(a)型SN1反应，不是使阴离子X离子化而是使反应质点R专一性溶剂化，抑制反应速度。甚至改变反应历程，将(a)型SN1反应历程改为(d)型SN2反应历程。, 对(c)型SN2反应，非质子极性溶剂不能使反应质点Y：专一性溶剂化，但能使活化配合物的正端专一性溶剂化，使SN2反应加速。使Y+RX-正端溶剂化，不能使Y：溶剂化。 如前述三丙胺与碘甲烷作用生成季铵盐的反应：P.59.(3-33） (C3H7)3N： CH3I (C3H7)3N+CH3I# (C3H7)3N+CH3 I,专一性溶剂化作用对SN反应速度的影响, 对(d)型SN2反应，使反应加速。因为非质子极性溶剂介电常数高，易使亲核试剂M+Y(离子体)离解，且易使阳离子M+专一性溶剂化(溶剂的正端位阻大不易使Y专一性溶剂化)，从而使Y成为活泼的“裸阴离子”。见P.61.(338)。(丙酮使反应加速，3-34),O O (位阻小) M + OM CH3C N(CH3)2 CH3C =N+(CH3)2 CH3C=N +(CH3)2 (3-38) (位阻大),非质子极性溶剂,精细有机合成的工艺学基础 精细有机合成中的溶剂效应,6、有机反应中溶剂的使用和选择,（1）有机反应对溶剂的要求 在选择和使用溶剂时，除前述要考虑的因素(对主反应速度、反应历程、反应方向、立体化学的影响)外，还要考虑以下因素： 结构、组成稳定。在反应过程及后处理时不反应，不影响催化活性。 对反应物溶解性好。 容易回收。 使用安全。 毒性小，三废易处理。 价格便宜，来源方便。,（2）常用溶剂：各类反应的适用溶剂见P.62.。,精细有机合成的工艺学基础,六、相转移催化PTC（Phase Transfer Catalysis）,1、概述 2、“相转移催化”原理 3、相转移催化剂 4、季铵盐作催化剂时的主要影响因素,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,1、概述,相转移催化反应：两种处在不同相态间的反应物（互不相溶的两相）通过加入少量第三种物质后，可以使反应物在相间发生转换，从而使反应加速。这类反应就称为 “相转移催化”反应。这种可以使反应物在相间发生转换从而加速反应的物质叫 “相转移催化剂”。 相转移催化反应的特点：操作简便、反应条件缓和、反应时间缩短、产品质量和收率高等。,2、“相转移催化”原理,亲核试剂用M+Nu-表示，其中M+是金属阳离子, Nu-是希望参加反应的亲核基团，如F-、Br-、Cl-、CN-、OH-、CH3O-、C2H5O-、ArO-、COO-等。,相转移催化剂的应用范围：主要用于亲核取代和亲电取代。应用的单元反应包括：卤化、烷化、酰化、羧化、酯化、硫化、氰基化、缩合、加成、氧化、还原等。,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,“相转移催化”原理,以相转移催化剂QX 进行亲核反应为例： RX(油溶) + M+Nu-(水溶) RNu + MX 则反应过程： （常用季铵盐 (R4N)+Cl-作相转移催化剂）,该原理示意图最早由施塔克斯（Starks）提出。,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,亲核试剂季铵盐QX (R4N)+Cl- 的特点：,（1）既溶于水，也溶于油相（有机相）。从而使上述亲核取代反应顺利完成。上述反应中，季铵盐阳离子Q 只起着转移亲核试剂Nu-的作用。 （2）上述反应中从RX上脱落下来的X-并不要求与原季铵盐中的X-相同，只要能随Q+进入水相，且能与阴离子Nu-进行交换即可。 相转移催化广泛用于许多亲核取代反应，也可用于其它反应，如氧化等。,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,3、相转移催化剂,（1）相转移催化剂的基本要求： 相转移催化剂的化学基本要求： a.能将反应所需离子从水相或固相转移到有机相； b.有利于该离子的迅速反应。 工业基本要求： a.用量少、效率高、不应消耗或失效； b.来源方便、价格合理； c.毒性小。,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,相转移催化剂,（2）相转移催化剂的类型：主要有,季铵盐型：将阴离子从水相转移到有机相。价格便宜，工 业应用多。(R4N)+Cl- 冠醚型：将阳离子或中性离子从水相或固相转移到有机相。 (P.69.)。效果好、价格贵，目前限于实验室研究。 其它类型：如开链聚醚（聚乙二醇）。能配位阳离子。有 发展前途。价廉、方便、废液易处理。其它还有烷基磺 酸盐、苯基硼化物等，能配位阳离子。,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,相转移催化剂,MnO4,+,冠醚,18-冠醚-6的伪有机阳离子,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,4、季铵盐作催化剂时的主要影响因素,（1）对阳离子的结构要求： 季铵盐是两亲表面活性剂。要求：季胺阳离子中的4个烷基总碳原子数1525，阳离子和阴离子之间的中心距离应尽可能大（易分开、反应活性高）。四个烷基最好相同（如四丁基胺阳离子）。 最常用的有：苄基三乙基氯化铵（BTEAC）、三辛基甲基氯化铵（TOMAC）、四丁基硫酸胺（TBAB）。P.70.。, Cl,苄基三乙基氯化铵（BTEAC）, HSO4,四丁基硫酸胺（TBAB）,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,季铵盐作催化剂时的主要影响因素,（2）对阴离子的要求： 要求：软阴离子。（因为季铵盐阳离子是软阳离子） 季铵盐阳离子将反应所需的阴离子从水相提取到有机溶剂相中的能力对不同的阴离子是有差别的。见P.69.的排序（后面可提取前面的） 。 最常用的季铵盐是氯化季铵盐，制备容易、价格便宜。 若反应所需的阴离子比氯离子更难提取时，常使用（HSO4-），它在碱性介质中会变成更难提取的SO4=。但季胺的酸性硫酸盐难制备、价贵。 注意：季铵盐的耐温性差。 （3）用量：一般0.510 （mol）。（因反应而异）,2,4,6-(NO2)3C6H2O- ClO4 - I - 4-CH3C6H4SO3 NO2 - C6H5COO - Cl - HSO4 - CH3COO - F -, OH - SO42 - CO32 - PO43 -,各种阴离子被季胺阳离子 提取到非极性溶剂中的容易程度,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,季铵盐作催化剂时的主要影响因素,（4）溶剂 ： 反应物或目的产物是液态，不需溶剂。 反应物和目的产物在反应条件下都是固态，需使用非水溶性的有机溶剂。 对溶剂的要求：溶解性好、不参加反应、对亲核离子提取能力强。不一定对反应物全部溶解，部分溶解或良好的分散润湿能力即可（有利于表面更新）。 可选择的溶剂：二氯甲烷、氯仿、1,2二氯乙烷、石油醚（烷烃）、甲苯、氯苯、醋酸乙酯等。,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,5、相转移催化的应用及其实例,从相转移催化原理可知，只要化合物能与相转移催化剂形成可溶于有机相的离子对，就可采用相转移催化法进行反应。可采用相转移催化法的单元反应很多，部分实例如下（见P.70.）。,（1）二氯卡宾的产生和应用,二氯卡宾（: C Cl2）是一个非常活泼的中间体，通过与烯烃、芳烃、碳环、醇、酚、醛、胺、酰胺等化合物加成可合成许多化合物产品。采用氯仿和氢氧化钠可容易产生二氯卡宾，但二氯卡宾极易水解，在水中寿命不到一秒。而在有机相中可存活数日。可采用相转移催化法合成，见P.70.图314。用于合成医药中间体扁桃酸，见式（3-39）。,CHCl3 + NaOH :CCl2 (怕水),精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,相转移催化的应用及其实例,（2）O烃化（醚类的合成）,如对-硝基苯乙醚的合成。老工艺在压热釜中加热几十小时，转化率只有75，且分离难、废液多，收率只有8588。 采用相转移催化剂，常温、常压下只需几小时，转化率达99，收率9294。,（3）O-酰化反应（酯类的合成） 如有机磷杀虫剂乙基对硫磷的合成。P.71.。 （4）N烃化、N酰化、C烃化、S烃化和S酰化 用卤烷或酰卤进行上述反应时，常常需要用缚酸剂来促进卤化氢的脱落。加入相转移催化剂可取得良好效果。如除草剂菌达灭的合成（P.72.式344）。 （5）（9），见书P.73.。,精细有机合成的工艺学基础 相转移催化,5、液、固、液三相相转移催化剂,液体相转移催化剂难回收，故发展了固体相转移催化剂。即将液体相转移催化剂连接到聚合物上得到的固体相转移催化剂,相转移催化反应在水相、固体催化剂和有机相三相之间进行，故又叫“三相催化剂”。,精细有机合成的工艺学基础,七、均相配位催化,均相配位催化: 使用可溶性过渡金属配合物作为催化剂，在液相对有机反应进行均相催化的方法。广泛用于催化有机合成，如烯烃的齐聚与共聚、烯烃的异构化与氧化、烯烃与二烯烃的加成、双键的加氢和羰基化反应等。主要优点：选择性好、收率、纯度高。,精细有机合成的工艺学基础 均相配位催化,七、本节主要内容,1、过渡金属化学 2、均相配位催化剂 3、均相配位催化的基本反应 4、均相配位催化循环 5、重要的均相配位催化过程 6、均相配位催化的优缺点 7、均相配位催化剂的固体化,精细有机合成的工艺学基础 均相配位催化,1、过渡金属化学,最常用的过渡金属是Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Re。 （1）过渡金属的结构特点与配位体 过渡金属原子具有5个d轨道、1个s轨道和3个P轨道。在特定情况下，这9个轨道最多可以与9个配位体成键 (外层电子充满为18个电子) 。 以Co为例：Co原子的外层电子排布：3d74s2 ， 外层轨道（Co原子） ：,d 轨道 S 轨道 P 轨道,精细有机合成的工艺学基础 均相配位催化,过渡金属化学过渡金属的结构特点与配位体,以Re为例：Re原子的外层电子排布： 5d56s2 ， 外层轨道（Re原子） ：,d 轨道 S 轨道 P 轨道,铼的配合物： ReH7(P(C2H5)2(C6H5)2，它具有7个Re-H共价键和2个Re P配位键（每个P提供2个电子形成1个配位键），即一共和9个配位体成键。,配位体提供一个电子与过渡金属原子形成共价键的配位体称单电子配位体。（如H基）,精细有机合成的工艺学基础 均相配位催化,过渡金属化学过渡金属的结构特点与配位体,再如 铑Rh：4d85s1 外层轨道（Rh原子） ：,d 轨道 S 轨道 P 轨道,铑的配合物： Rh(CO)(H)(PPh3)3 ，是进行氢甲酰化反应的均相催化剂，其中铑原子具有9个价电子，CO分子提供2个电子(形成两个配位键)、H原子提供1个电子、3个三苯基膦配位体提供6个电子，总共是18个电子。,象CO这种配位体是提供2个电子与过渡金属原子形成配位键，这种配位体称二电子配位体。还有多电子配位体。,精细有机合成的工艺学基础 均相配位催化过渡金属化学,（3）过渡金属及其配合物起催化作用的主要原因 过渡金属及其配合物起催化作用的主要原因是存在空d轨道。“18电子规则”的基础是过渡金属及其配合物空d轨道的存在。这些空d轨道与特定的配位体以共价键或配位键两种不同的键型相结合而给出各种不同功能的催化剂。 d 轨道形成的配位键不强不弱（太强活性低、太弱稳定性差），适合催化反应。,（2）18电子规则,实验证明，这种18电子配合物是稳定的。反应时，先从18电子配合物上解离下来一个给电子配位体，生成一个16电子的“配位不饱和”型配合物，该配合物可以再和其它配位体结合，又生成饱和的18电子配合物。已知许多均相配位催化反应常常是通过配位体解离结合，即16电子和18电子的中间产物交替出现而完成的，这就是所谓的 (也称“16和18电子规则”)。（当然均相配位并非总是经过18电子配合物）,精细有机合成的工艺学基础 均相配位催化,2、均相配位催化剂,组成：过渡金属原子和配位体两部分。 过渡金属原子与多种不同的配位体结合从而得到多种功能的催化剂。因此只有选择好过渡金属原子与特定的配位体，才能得到高效高选择性的催化剂。 两个部分的作用：对均相配位催化剂来说，参加化学反应的主要是过渡金属原子（活性组分），配位体大多并不参加反应，主要是起调整催化剂活性、选择性和稳定性的作用。,不同的反应要求的过渡金属原子和配位体不同（活性和稳定性不同）。,精细有机合成的工艺学基础 均相配位催化,均相配位催化剂,烯烃的加氢、加成、齐聚、一氧化碳的羰基合成：用软的或可极化的配位体，如CO、胺类、膦类、较大的卤素阴离子、CN-阴离子等。 如加氢：氯化三苯基膦络铑RhCl(P(C6H5)3)3、氰基钴阴离子Co(CN)63-等。 氢甲酰化：HCo(CO)4 (操作条件：140-180、2030Mpa，活性好、稳定性差、选择性差)、 HCo(CO)3P(n-C4H9)3 (操作条件：160-200、510Mpa，稳定性好、活性差、选择性差)、HRh(CO)4、HRh(CO)(PPh3)3(操作条件：90-110、12Mpa，活性、稳定性都好)等。温度反映了催化剂的活性，压力反映了催化剂的稳定性。Rh比Co活性高得多。,不同的反应要求的过渡金属原子和配位体不同（活性和稳定性不同）的实例：,精细有机合成的工艺学基础 均相配位催化,3、均相配位催化的基本反应,均相配位催化过程中的基本反应主要包括P.77-78.上的反应类型，通过这些反应的适当组合，组成催化循环，得到目的产物。,(1) 配位与解离（解配） 配位：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而生成配位配合物的反应。例： 以含膦螯合配位体的氢化镍为催化剂（以MH表示），乙烯与镍原子的配位。 MH MH + CH2=CH2 CH2=CH2 （3-52） 配合物,配位,解离,解离就是配位的逆反应，即金属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下来。,精细有机合成的工艺学基础 均相配位催化,均相配位催化的基本反应,(2) 插入和消除 插入：与过渡金属原子配位结合的双键（如烯烃、二烯烃、炔烃、芳烃和一氧化碳等配位体中的双键）中的-键打开、并插入到另一个金属-配位体之间。例如，乙烯齐聚的第二步基本反应就是乙烯插到MH键之间。（可以看作是一个配位体从过渡金属原子上转移到一个具有双键的配位体的位上）,MH,CH2=CH2,乙烯插入,（或氢转移）,MC2H5,CH2=CH2,配位,MC2H5,CH2=CH2,乙烯插入,（或乙基转移）,MCH2CH2C2H5,nCH2=CH2,配位,乙烯插入,MCH2CH2(C2H4)nC2H5 （3-53）,精细有机合成的工艺学基础 均相配位催化,均相配位催化的基本反应,插入和消除 消除：一个配位体上的氢（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-金属之间的键断裂，使该配位体成为具有双键的化合物，从金属上消除下来。,MCH2CH(C2H