有机合成设计实习2015年课件

1、有机合成设计实习主讲人：冯志彪 教授第一部分 Ionic liquid离子液体 离子液体: 完全由有机正离子和无机或有机负离子所组成的，在室温或接近室温下呈液体状态的低温熔融盐。离子液体研究进展化学通报2002年第4期石家华等完全由离子组成的液体,是低温(800)相比，离子液体具有低得多的熔点(一般被认为100 )。对于这类化合物的低熔点，一般的解释是:正离子的不对称性起主要作用，即“不对称正离子和负离子结合的松散特点”是导致其在室温下呈液态的主要原因。 一 、离子液体概述 离子液体 = 离子溶液(1) 酸性离子液体 能接受电子或给出质子的离子液体(2) 碱性离子液体 能给出电子或接受质子的离

2、子液体(3) 中性离子液体 离子液体的生命力在于其本身的“可设计性”，当人们对“任务特定” (Task一special)或“功能化”(FunctIon-alized)离子液体概念达成广泛共识之后，离子液体的种类和数量将会不断增加;而随着对离子液体结构与性能关系研究的不断深入，人们对于新型离子液体的开发和应用研究，将会变得更加有的放矢。 离子液体的分类在离子化合物中，阴阳离子之间的作用力为库仑力，其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关，离子半径越大，它们之间的作用力越小，这种离子化合物的熔点就越低。某些离子化合物的阴阳离子体积很大，结构松散，导致它们之间的作用力较低，以至于熔点接近室温。一般来说，

3、低熔点离子液体的阳离子具备下述特征: 低对称性； 弱的分子间作用力； 阳离子电荷的均匀分布；离子液体的熔点：部分离子液体的熔点甚至低至-96；离子液体的液程：宽达 400。 离子液体的挥发性 离子液体超低的蒸汽压引起人们的极大兴趣。从工艺流程看，离子液体和产物之间不会形成共沸物，用蒸馏等方法可以更有效地分离产物，作为化学反应溶剂和分离溶剂，这是一个很大的优点。 采用减压蒸馏，可以实现两种离子液体的分离，这与一般认为离子液体不能挥发的看法相悖。利用努森隙透法和真空蒸发微量量热法可分别测出离子液体的蒸汽压和蒸发热。离子液体的热稳定性 例如， EMIMBF4 在 300 左右也可稳定存在， EMIM

4、CF3COO 在 150 就开始失重， EMIM(CF3SO2)2N 和EMIMCF3SO3甚至在 400C 以上仍可稳定存在。 离子液体的热稳定性分别受杂原子碳原子之间作用力和杂原子氢键之间作用力的限制，因此与组成的阳离子和阴离子的结构和性质密切相关。阴离子的影响:BMIMBr 易溶于水 BMIMCF3COO 易溶于水 BMIMCF3SO3 易溶于水 BMIM(CF3SO2)2N 难溶于水 BMIMPF6 与水完全不互溶.离子液体的溶解性 离子液体的溶解性 离子液体的多样性和可设计性，使得离子液体拥有了可调节的溶解性，Rogers 等研究了不同 pH 条件下，多种有机酸碱在水/BMIMPF6

5、 体系中的溶解性。 结果表明 ： 中性物质在离子液体中具有更好的溶解性，而呈离子态的物质则优先溶于水层。通过BMIMPF6与水的溶解性的比较，可发现离子液体与有机溶剂有较多相似之处，因而用离子液体代替易挥发的有机溶剂应用于萃取分离是一种最佳选择。 离子液体的密度 离子液体的密度主要由其阴阳离子的类型而定，一般在 1.1-1.6 g/cm3。离子液体的生物降解性 BmimBF4;和Bmim PF6不能被生物降解，但侧链上含羟基基团的离子液体的生物降解性却大大提高，并且生物降解性能随着支链的增长而有所提高，有可能是酶水解引发了离子液体进一步的分解。离子液体的毒性 大部分的离子液体的毒性比常见的有机

6、溶剂小。 离子液体的优点 1. 蒸汽压极小。2. 液程很宽 （可达约300）。3. 溶解性好。4. 热稳定性和化学稳定性好， 无可燃性，无着火点。5. 粘度高，热容大。6. 电导率高。7. 电化学稳定性高,电化学窗口宽。无污染，可循环，绿色溶剂电解、电镀、电池化学反应的优良溶剂 离子液体的缺点*1914年Sudgen等人就制得了一种熔点为12的离子液体EtNH3NO3(极易爆炸)，但由于当时没有发现合适的用途，并未引起人们的关注，其后在该领域的研究进展也就非常缓慢.* 1948年，第一个基于氯化铝负离子的离子液体在专利中出现，其具有较高的导电性。在15年之后(1963年)，又出现了基于氯化亚铜

7、负离子(CuCl2-)的离子液体的报道.* 1967年，Swain等人报道了离子液体四己基苯甲酸胺作为有机溶剂的研究.4 离子液体的研究历程离子液体研究领域和研究内容 根据类型进行分类离子液体分类2.以负离子的不同进行 分类离子液体分类第一类 卤化盐 (阳离子)+AlCl3(其中Cl也可用Br代替),例如BMIMCl-AlCl3,也可记为BMIMAlCl4 Cl-、Br-、I-BF4- 、 PF6- 、 CF3COO- 、 CF3SO3-、(CF3SO2)2N-、 SbF6-、NO2-第二类：新离子液体二、离子液体制备2.1 离子液体的合成一步法合成 一步法合成一般是将烷基咪唑与卤代烷或者酯类

8、物质发生亲核反应，直接得到目标离子液体。两步法合成 第一步 先将卤代烷与烷基咪唑（或吡啶）通过季铵化反应制备出目标离子液体阳离子卤化物（中间体）；第二步 反应为将目标阴离子置换卤素阴离子反应。优点：操作经济简便，没有副产物，产品易纯化。离子液体的合成合成咪唑系离子液体的典型反应步骤其他手段合成离子液体超声辅助合成加速反应进程，提高反应产率及产物纯度。有些需搅拌48小时以上的反应超声一小时即可完成反应。常规法(a)与超声法(b)制备的离子液体颜色对比其他手段合成离子液体微波辅助合成微波加热使反应体系受热均匀且加热速度快，通过加剧分子运动速度和碰撞频率增大分子平均内能，降低反应活化能，加快反应速度

9、，提高产率。微波加热时间和方式对 产物产率的影响其他手段合成离子液体电化学合成传统的离子液体合成方法不可避免的有少量卤例子存在于离子液体中，影响其使用，因此可应用电化学技术合成高纯离子液体。优点：合成出的离子液体纯度高缺点：合成装置和操作均比较复杂其他手段合成离子液体液液萃取法合成高纯度离子液体水相Et4NBrNaBF4有机相CH2Cl2反应萃取水相NaBr有机相CH2Cl2Et4NBF4液液萃取合成四乙基胺氟硼酸盐分离领域，特别是液相色谱对有机溶剂的纯度往往有较高的要求。然而，离子液体常含有各种杂质，包括有色杂质，未反应完的原料，卤素阴离子，阳离子杂质和水。这些杂质会限制离子液体在分离中的应

10、用。因此，我们需要对合成的离子液体进行纯化。 离子液体的纯化主要有四个途径：纯化反应原料；控制反应条件；充分离子交换；终产物纯化。离子液体的纯化氨基酸离子液体(AAILs)-通过改变氨基酸基团、碳酰基团等功能性基团实现，从而控制氨基酸离子液体的手性、疏水性、离子导电性、熔点等离子液体的功能化 三、 离子液体应用3.1 离子液体在有机反应中的应用研究 离子液体作为反应介质或催化剂离子液体可直接用于付氏烷基化、酰基化等反应的溶剂，具有Lewis 酸性的离子液体可作为具有双重功能的催化溶剂体系，不但取代了溶剂而且取代了催化剂。 避免挥发性有机化合物 （VOCs）带来的环境污染和对人类的危害，是传统有

11、机溶剂的理想替代品，是环境友好的绿色溶剂。 该反应体现了离子液体可回收，循环利用，氢化产物能从反应混合物中分离的优点。 固定化离子液体作为催化剂在硅胶或者活性炭表面的固化离子液体催化芳烃的Friedel-Crafts酰化反应硅胶表面固化离子液体催化氢甲酰化反应高分子聚合物固化离子液体催化加氢 RhCl(PPh3)3催化烯烃加氢和CO2加氢反应Ru(O2Cme)2(R)-tolBINAP催化剂作用下的顺式2-甲基-2丁烯酸的不对称加氢Rh配合物和bmimPF6为催化剂的烯烃氢甲酰化反应离子液体/超临界CO2体系中催化反应 离子液体/水混合溶剂中Bakers酵母还原酮 离子液体中酶催化脂肪族聚脂的

12、合成和羟基乙酰化反应 离子液体/超临界CO2中酶催化的酯交换反应离子液体单相和离子液体/超临界CO2的两相酶催化反应催化应用要解决的问题对于水的敏感性；如何将产品从离子液体中分离出来；成本问题。如离子液体用于乙苯生产成本要比常规法高5-6倍；合成具有新功能的离子液体；弄清离子液体在催化过程中的作用；合成具有生物相容性离子液体用于酶催化反应a. Friedel-Crafts acylation Khadilkar 用RTILs BPAlCl4代替酰氯、酸酐、卤代烃在Lewis酸/AlCl3进行了F-C反应。优点：1. 避免使用大量的AlCl3 /酰氯或卤代烃溶剂。2. 环境友好, 可以取代传统的

13、酸催化剂。b. Diels-Alder reaction Lee等人报道了在 RTILs emim+/ BuPy+-AlCl4 进行D-A反应。优点：1. 极性，Lewis酸性可调，可以提高产率和立体选择性。2. 催化剂可以循环使用、反应蒸气压低、无爆炸性、3. 热稳定性高，而且易于操作c. Beckman RearrangementY. Deng 等人在RTILs BPBF4, BMIBF4实现了Beckman 重排（solvent free） 优点：避免大量使用浓酸，环境友好，废物少，仪器腐蚀轻同时提高了转化率和产率。d. 药物合成2000，Seddon等人完成了在RTILs C4dmim

14、PF6中药物（Pravadoline）的全合成，产率可达99。优点：1. 反应程序简单化，产率极高2. 第二步没有铝盐存在，且废弃物大大减少3.2 离子液体在分离中应用一、离子液体萃取分离有机物 离子液体由于具有独特的理化性能，非常适合作为分离提纯的溶剂。尤其是在液液萃取分离上，离子液体能溶解一些难溶的有机化合物、无机化合物和有机金属化合物, 同时与多数有机溶剂不混溶, 非常适合作为液液萃取的新的介质。用离子液体萃取挥发性有机物时，因离子液体蒸气压低，热稳定性好，萃取完成后将萃取相加热,即可把萃取物蒸馏出来,使得离子液体易于循环使用。 二、离子液体萃取分离金属离子 用普通的离子液体萃取水中的金

15、属离子，如不采取任何措施，则金属离子的分配系数 D (离子液体中浓度/水相中浓度)小于 1。三、离子液体萃取生物分子Huddleston等尝试了用离子液体代替溶剂萃取中的传统有机溶剂之后，很多研究组尝试用离子液体对生物大分子的萃取分离。其在萃取分离生物物质，如蛋白质、核酸等方面表现出了优异的性能。四、离子液体在气体分离体系中应用 离子液体可以选择性的溶解气体。在气体分离上有广阔的前景。Ortiz等用含有银离子的BmimBF4。水溶液通过配位作用从丙烷丙烯混合物中吸收丙烯，该体系与传统吸收剂相比显示了更高的分离效果和环保效果。Ruth 用处理过的离子液体膜去除燃料煤工厂产生的CO2有很好的效果。

16、离子液体的展望1. 离子液体的场效应2. 低成本离子液体的研发3. 离子液体在生物制药/生物化工应用过程4. 双亲性、双疏性的功能离子液体的制备5. 离子液体在光电化学过程中的应用6. 离子液体的工程放大规律7. 离子液体的回收利用新技术8.离子液体在清洁化学及化工生产中的应用第二部分 实习要求必须参加，不得请假；不得抄袭；写满一本；分成三个大组，每组设组长一人； 时间：下周一开始；三组依次参加；内容：查阅文献；合成；表征；先做合成，再做表征；安排一次工厂参观；第三部分 实习报告要求【封皮】实习名称：有机合成课程设计实习形式：集中（勾选）实习周数：1周学院：班级：学号：姓名：【扉页】姓名：学号：班级：实习名称：有机合成课程设计实习课号：20630001s-2下面不填题目：有机合成课程设计一、实习目的：写明实习目的（巩固基本知识，掌握基本操作，学习，