精细有机合成中的

第八章精细有机合成中的溶剂效应与催化 8 1溶剂的分类和性质 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 极性质子溶剂这类溶剂极性强 介电常数大 具有能电离的质子 水 醇是常用的极性质子溶剂 人民最显著的特点是能同负离子或强电负性元素形成氢键 从而可对负离子产生很强的溶剂化作用 2 极性非质子溶剂又称偶极非质子溶剂或惰性质子溶剂 其介电常数大于15 偶极矩大于2 5D 故具有较强的极性 由于这类溶剂一般含有电负性的氧原子 如C O S O P O 而且氧原子周围无空间障碍 因此 能对正离子产生很强的溶剂化作用 相反在这类溶剂的结构中正电性部分一般包藏于分子内部 故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 4 非极性非质子溶剂 8 2精细有机合成中的溶剂效应 溶剂效应 溶剂对合成反应所产生的影响称为溶剂效应 一 溶剂和溶质之间的相互作用力大量溶剂分子和少量溶质分子之间的相互作用力可分为三大类 1 库仑力 即静电吸引力 它包括离子 离子力和离子 偶极力 2 范德华力 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 和瞬间偶极 诱导偶极力 色散力 3 专一性力 包括氢键缔和作用 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 离解作用和增溶性相互作用等 二 离子化及离解作用 离子原 在固体时具有分子晶体的偶极型化合物 在液态时它仍以分子状态存在 但是当它与溶剂发生作用时可以形成离子 例如卤化物RX 氢化物HX和金属有机化合物等 离子体 在晶体态时是离子型的 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 例如金属卤化物等二元盐 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 缔和离子 转变为独立离子的过程 溶剂化作用 化合物A B在溶剂中溶解时 溶剂与溶质 电解质 间发生特殊的相互作用 使溶质改变原来的形态形成溶液 通常把这种作用叫做溶剂化作用 离子对 具有共同溶剂化层 电荷相反的成对电子 在溶剂中离子对和独立离子对处于平衡状态 三 偶极非质子溶剂与离子或分子的作用 偶极非质子溶剂是极性或可极化化合物的良好溶剂 化合物溶入这些溶剂中 正离子和负离子的溶剂化程度并不相同 这是因为在偶极非质子溶剂的分子结构中 常含有电负性的氧原子 如C O S O P O 负电中心位于氧上 而且氧原子周围无空间障碍 因此特别容易和正离子发生离子 偶极相互作用 即溶剂与正离子产生很强的溶剂化作用 而偶极非质子溶剂的分子结构中 正极部分空间阻碍较大 故难于对负离子发生溶剂化 如 DMF N N 二甲基甲酰胺 DMSO 二甲基亚砜 CEG HMPA 六甲基磷酰胺 等 四 溶剂对亲核取代反应速度的影响 溶剂化效应对饱和碳上的亲核取代反应影响很大 在极性溶剂中 反应物 如卤代烷 受溶剂的作用 容易发生键的异裂 由于所得的正离子和负离子北一层溶剂分子所包围 离子重新结合成分子的倾向减小 从而有利于经碳正离子中间体进行的但分组亲核取代反应 但是负离子亲核试剂在这类溶剂中的强溶剂化对双分子亲核取代反应却很不利 因为必须消耗能量打破亲核试剂的 溶剂包围层 才能形成SN2的过渡态 和极性质子溶剂相反 偶极非质子溶剂对亲核试剂不发生溶剂化 或者溶剂化作用很小 此亲核试剂为 自由离子 这类 自由离子 的亲核性很高 故偶极非质子溶剂能大大促进SN2反应的进行 如利用卤素交换制备氟代烷反应 8 3有机反应对溶剂的要求 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 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 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 溶剂本身在反应条件下及回收溶剂过程中是稳定的 溶剂尽可能不需要太高的技术安全措施 溶剂的毒性小 含溶剂废水容易处理 溶剂的价格便宜 供应方便 8 4精细有机合成与催化 催化剂是一种能改变给定反应的速度 但不参与化学计量的物质 催化剂能使反应按新的途径 通过一系列基本步骤进行 催化剂是其中第一步的反应物 最后一步的产物 亦即催化剂参与了反应 但经过一次化学循环后又恢复原来的组成 催化剂之所以能加速反应是走一条新的反应途径 降低总反应的活化能来实现的 8 5均相催化作用 均相催化作用 催化剂与反应物处于同一物相 反应在整个相同的体系内发生 均相催化反应可分为气相的和液相的均相反应两种 1 均相酸碱催化作用 2 均相络合催化作用 3 金属络合物催化剂及催化作用 8 6相转移催化 相转移催化 PhaseTransferCatalysisPTC 反应属于两相反应 一相是含盐 酸 碱的水溶液或其固体 另一相是溶有反应物质的有机介质溶液 相转移催化作用能使离子化合物与不溶于水的有机物质在低极性溶剂中进行反应 或加速这些反应 最常用的催化剂是鎓盐 或是能与碱金属络合而成增溶性的络合剂 这种催化剂的基本作用是将反应盐的阴离子以离子对的形式转移到有机介质中 由于阴离子未被溶剂化 所以相转移活性很大 一 相转移催化原理及相转移催化剂 用于合成反应的相转移催化剂应满足两项基本要求 一是能把所需的离子带入有机相中 二是有利于离子迅速进行反应 在阴离子反应中 常用的相转移催化剂是季铵盐类Q X 另一类相转移催化剂是聚醚 其中主要以链状聚乙二醇 二烷基醚合环状冠醚 其特点是 催化能力很强 二 相转移催化反应条件的选择 1 反应的溶剂选择可考虑的溶剂有 二氯甲烷 氯仿 石油醚 甲苯 氯苯 乙酸乙酯 乙酸丁酯等 2 PTC的结构选择选择的季铵阳离子既具有较好的亲油性 又具有一定的亲水性 目前使用较多的是 C6H5CH2N C2H5 3Cl C8H17 3N CH3Cl C4H9 4N Cl 3 相转移催化剂用量及分离再生一般每摩尔的有机