情境5阿司匹林的合成课件

1、情境5 阿司匹林的合成 （羧化、酰化反应）,5.1 合成任务书 1、阿司匹林概述 2、阿司匹林合成任务书解读,1.阿司匹林概述,阿斯匹林（或阿司匹林）是医疗上一种常见的非处方药，它的学名叫乙酰水杨酸。1899年，德国化学家拜尔创立了以工业方法制造阿斯匹林的工艺，大量生产阿斯匹林，畅销全球。至今，阿斯匹林仍是人类常用的一种使用广泛、疗效肯定的具有解热和镇痛等作用的药物，是当今具有解热镇痛作用的三种最常用的药物（即阿斯匹林、扑热息痛、布洛芬）之一。,复方阿斯匹林由阿斯匹林、非那西汀和咖啡因三种药物组成。因为这三种药的拉丁文字头分别为A、P、C，所以又叫APC。阿斯匹林在人体内有抗凝血、消炎、解热等

2、作用，此外在农业上也具有多种用途。,表12-1 产品开发项目任务书,注：一式三联。一联技术总监留存，一联交技术部经理，一联交项目负责人。,编号：XXXXXX,2、阿司匹林合成任务书解读,5.2 合成阿司匹林的工作任务分析,1. 阿斯匹林的分子结构分析 2.阿斯匹林合成路线设计 3.文献中常见的阿斯匹林的合成方法 4.阿司匹林合成过程单元反应及其控制分析,1.阿斯匹林的分子结构分析,结构式如下：,分子基本结构为邻位取代的苯甲酸结构，在羧基的邻位是乙酰化的羟基（即乙酰氧基）。可对水杨酸（邻羟基苯甲酸）中的酚羟基进行O-酰化得到。,2.阿斯匹林合成路线设计,逆向合成设计如下：,FGI,水杨酸的逆向合

3、成设计则有如下多种路线,(Z为羟基的一种保护基),(最简单的逆向切断),阿斯匹林的合成路线,羧化,酰化,3.文献中常见的阿斯匹林的合成方法,目前乙酰水杨酸的生产的合成路线主要以苯酚为原料，经二氧化碳的羧化反应，生成水杨酸，经升华后得到升华水杨酸，再采用酰化法，将水杨酸和酰化剂进行酰化反应，最终得到乙酰水杨酸，即阿斯匹林。,5.3阿司匹林合成过程单元反应及其控制分析,1. 苯酚羧化反应过程及其控制 2.水杨酸的乙酰化反应及其控制,1 .苯酚羧化反应过程及其控制,(1)CO2与苯酚的羧化反应及其历程 (2)羧化反应的影响因素 (3)羧化反应监控,(1)CO2与苯酚的羧化反应及其历程,与苯酚的羧化反

4、应又称Kolbe-Schmitt 反应。反应式如下：,苯酚首先与碱反应形成苯酚钠，然后再与CO2在一定压力、温度条件下发生亲核加成，形成水杨酸的钠盐，最后酸化成水杨酸。,其反应历程如下:,酚羟基首先与碱作用形成酚氧负离子，酚氧负离子发生烯醇式向酮式转变，而使酚羟基的邻位形成碳负离子，此碳负离子与CO2发生亲核加成反应，并发生负电荷转移，形成羧基负离子，原负碳离子再由酮式向烯醇式转变，并发生质子迁移，重新形成酚羟基，羧基负离子从溶剂中获得质子变成羧基。整个转变过程中，碱金属离子起到空间定位的作用，对固定CO2的空间位置非常关键。,(2)羧化反应的影响因素,苯酚的反应性质 压力和温度的影响 碱金属

5、的影响 水的影响 溶剂的影响 副反应,苯酚的反应性质,苯酚（C6H6O，PhOH），又名石炭酸、羟基苯，是最简单的酚类有机物，一种弱酸。熔点（）：4243，沸点（）：182，常温下为一种无色晶体，有毒，有腐蚀性，常温下微溶于水，易溶于有机溶液；当温度高于65时，能跟水以任意比例互溶，其溶液沾到皮肤上用酒精洗涤。暴露在空气中呈粉红色。 苯酚的酚羟基可以增强邻位（及对位）碳原子的亲核能力。苯环上没有其他取代基，因此空间位阻较小，有利于亲核反应的进行，但如果反应条件控制不好，也能发生对位的羧化，或者二元羧化。 如果酚环上连有邻对位定位基，则可使酚的羧化得到高的产率；而当酚环上连有间位定位基时，在某些

6、情况下则不能发生羧化反应，如硝基酚的异构体均未能得到羧化产物。,压力和温度的影响,苯酚羧化时，控制反应温度140，则压力在3.034.04 105Pa以上变化时，对产率的影响不大。但在某些情况下，增加二氧化碳的压力可加快反应速度，因而能在给定时间内增加产率。在高温下增加压力，还会导致二元羧化产物的增加。 与压力相比，温度对羧化反应的影响要大得多，它不但影响反应速率，还要影响羧化反应的位置。温度升高会导致对位异构体的增加和二元羧化产物的增加。研究表明，羧化反应的温度对产物的生成有较大的影响，当反应温度低于130时，主要生成对位羧酸，当温度高于220时主要生成二羧基化合物，当温度在130220主要

7、产物则为邻位羧酸。,碱金属的影响,为保护酚羟基，羧化反应时需先进行苯酚与苛性碱的成盐反应而形成酚盐。碱金属对羧化反应的位置有很大影响，例如，在可比较的条件下，酚钠羧化得到水杨酸，而酚钾则得到对位羧化产物（SA）和二元羧化产物（POB）的混合物。,水的影响,一般来说，水对酚的羧化有抑制作用，故在羧化反应中如使用潮湿的酚盐或含水的二氧化碳，均会导致产率下降。其原因可能是由于水与酚钠生成螯环的倾向比二氧化碳大，因而阻止了二氧化碳与酚钠形成螯环中间体；而且当水存在时也会发生酚钠的水解，这时通入二氧化碳，即生成了游离酚和碳酸氢钠。,溶剂的影响,如果在反应体系中加入溶剂，则可以利用搅拌使得固体反应物悬浮而

8、促进反应的进行。由于羧化反应温度较高，故溶剂的沸点首先要能满足反应的要求，其次要求溶剂对反应无不利的影响。资料表明，反应体系可采用烷基苯、沸程为200360的煤油或氢化三联苯为溶剂。从原料来源的方便性考虑，建议选择煤油作为反应的溶剂。,副反应,主要是生成二元羧化产物(邻位和对位羧化）。,（3）反应的监控,根据羧化反应的影响因素，如何设计反应的参数条件？ 如何设计反应的监控方案？ 完成合成任务单1.1。,2.水杨酸的乙酰化反应及其控制,1酰化反应和酰化反应试剂 2酰化反应的机理 3水杨酸的乙酰化反应的影响因素 4乙酰化反应的监控,（1）酰化反应和酰化反应试剂,酰化反应:在有机化合物分子中的氧、氮

9、、碳、硫等原子上引入酰基的反应称为酰化反应。酰化反应可用下列通式表示：,式中的RCOZ为酰化剂，Z代表X、OCOR、OH、OR、NHR等。GH为被酰化物,最常用的酰化剂,常用的酰化剂,羧酸 例如甲酸、乙酸、草酸等。 酸酐 例如乙酐、顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐、1,8-萘-2甲酸酐以及二氧化碳(碳酸酐)和一氧化碳(甲酸酐)等。 酰氯 例如光气(碳酸二酰氯)、乙酰氯、苯甲酰氯、苯磺酰氯、三聚氯氰、三氯化磷、三氯氧磷等。某些酰氯不易制成工业品，这时可用羧酸和三氯化磷成亚硫酰氯在无水介质中作酰化剂。 羧酸酯 例如氯乙酸乙酯、乙酰乙酸乙酯等。 酰胺 例如尿素。N,N-二甲基甲酰胺等。 其它 例如双乙烯酮

10、、二硫化碳等。,不同酰化剂酰化能力比较,酰化剂的反应活性取决于酰基碳上部分正电荷的大小，正电荷越大，反应活性越强。R相同的羧酸衍生物，离去基团Z的吸电能力越强，酰基碳上部分正电荷越大。所以反应活性： 酰氯酸酐酸 芳香族羧酸由于芳环的共轭效应，使酰基碳上部分正电荷被减弱。当离去基团Z相同，脂肪羧酸的反应活性大于芳香羧酸，高碳羧酸的反应活性低于低碳羧酸。,酰化反应的机理,酰化反应是酰基上的亲核取代反应，机理如下：,反应是分步完成的：先亲核加成，后消除，最终生成取代产物。水杨酸的酰化反应机理与上述机理相同。,（3）水杨酸的乙酰化反应的影响因素,水杨酸的反应性质 乙酸酐的反应性质 催化剂及用量 反应温

11、度 反应物料的配料比 水分的影响 传质的影响 副反应,水杨酸的反应性质,水杨酸为白色结晶性粉末，无臭，味先微苦后转辛。熔点157-159,在光照下逐渐变色。相对密度1.44。沸点约211/2.67kPa。76升华。常压下急剧加热分解为苯酚和二氧化碳。 水杨酸参与乙酰化时提供的是酚羟基。由于苯环的影响，酚羟基氧原子上电子云密度较一般的醇羟基氧为低，因此酚羟基氧亲核能力相对较弱。另外，苯环上由于羧基是吸电子基团，进一步降低了酚羟基的反应活性。,乙酸酐的反应性质,乙酸酐无色透明液体，有刺激性气味（类似乙酸），其蒸气为催泪毒气。熔点：-73.1，沸点：138.6。相对密度(水=1)1.08；相对密度(

12、空气=1)3.52。溶于苯、乙醇、乙醚；稍溶于水。性质较稳定。 乙酸酐是较强的乙酰化试剂，反应活性大，且反应无水生成，因此反应不可逆。,催化剂及用量,采用酸酐酰化时，为了加快反应速率，可用酸性或碱性催化剂进行催化。酸性催化剂如硫酸、高氯酸、氯化锌、三氯化铁、对甲苯磺酸等；碱性催化剂如吡啶、无水乙酸钠及二甲基苯胺等。酸性催化剂的作用比碱性催化剂的强。目前工业上使用最多的是浓硫酸。用量为反应物的13（质量比）。参见情境2。,反应温度,乙酰化反应的温度一般控制在2090。温度升高，可使主反应加快，而副反应的速度也加快。但温度过高时，副反应的种类和数量将急剧上升。,反应物料的配料比,从反应计量系数上看

13、，水杨酸与乙酸酐的摩尔比应为11，但为了使水杨酸充分转化，应使乙酸酐过量10%以上。,传质的影响,由于水杨酸溶解于乙酸酐中，故反应是均相体系，传质对反应影响不太大。反应物量少时，只需摇匀即可。反应物量多时，适当搅拌对反应有利。,水分的影响,反应条件下，水分会使乙酐水解成乙酸，故酰化反应合成阿斯匹林的过程要求无水操作，即使有少量的水分也会对反应结果产生很大的影响。,副反应,在酰化过程中常有副产物的生成，如水杨酰水杨酸、乙酰水杨酰水杨酸、乙酰水杨酸酐等。,（4）乙酰化反应的监控,根据乙酰化反应的影响因素，如何设计反应的参数条件？ 如何设计反应的监控方案？ 完成合成任务单2.3。,5.4阿司匹林合成

14、中产物分离、精制、检测方法,羧化反应终点时反应物的后处理 酰化反应结束时反应物的后处理 阿司匹林的纯化精制 阿斯匹林合成产物的检测与鉴定,1.羧化反应终点时反应物的后处理,羧化反应终点时体系的组成及其状态 羧化反应终点时体系分离策略 反应物分离流程 水杨酸的纯化精制,羧化反应终点时体系的组成及其状态,羧化反应结束后，体系为非均相悬浮混合体系，溶剂中固体悬浮物主要是产物水杨酸单钠盐、二钠盐及少量未反应的酚钠等。另外，溶剂中还溶解一定量未反应的酚。,羧化反应终点时体系分离策略,悬浮物可以直接过滤出来。由于水杨酸单钠盐能溶于水，反应结束后加水溶解，单钠盐等进入水相并形成溶液。体系分液后分出下层水层，

15、酸化，将单钠盐转化为水杨酸。水杨酸微溶于水，故从溶液中析出。冷却结晶，过滤即得到产物水杨酸粗品。 酚类物质处理过程中易产生有色物质，需要进行脱色处理。应考虑在结晶前进行脱色，这样结晶时就可避免有色物质随结晶析出。为尽可能脱除有色物质，应控制在微酸性介质中脱色。,反应物分离流程,水杨酸的纯化精制,可以利用水杨酸在76即升华的性质进行精制。 装置,2.酰化反应结束时反应物的后处理,酰化反应终点时体系的组成及其状态 酰化反应终点时体系分离策略 反应物分离流程,酰化反应终点时体系的组成及其状态,体系主要由乙酰水杨酸、乙酸、过量的乙酸酐、少量浓硫酸及副产物组成，体系为均相体系。,酰化反应终点时体系分离策

16、略,由于反应物中乙酰水杨酸不溶于水，而其物质均能溶于水，故可以加水的办法使得乙酰水杨酸沉淀析出。考虑到加水时会造成剩余的乙酸酐水解放热以及浓硫酸稀释时产生大量的热量，故加水前应将反应物用冰水充分冷却，否则在酸性介质中易造成产物的水解。最好加入冰水。 产物结晶沉淀后，可用过滤的方法分离出来。,反应物分离流程,3.阿司匹林的纯化精制,重结晶纯化 可用甲苯结晶2次，再用环己烷洗涤，于60真空干燥数小时。亦可用异丙醇，乙醚/石油醚（b6090）重结晶。重结晶的操作参见附录。 化学法纯化 粗品乙酰水杨酸可用碱处理，将产物变为钠盐溶解，然后再加酸还原析出即可达到精制的目的。 因乙酰基能被强碱水解，故应选用

17、弱碱，如NaHCO3。酸化时可用浓盐酸酸化，这样可以避免过多的水带入。,4.阿斯匹林合成产物的检测与鉴定,阿斯匹林产品含量测定，可以参考中国药典2005年版二部第283页的检测方法，另可参考SN/T 1922-2007的检测方法。 阿司匹林的鉴定 熔点鉴定 ：135140。 分子结构鉴定 ：主要有红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱及质谱方法等 。,阿斯匹林红外光吸收图谱,5.5 阿斯匹林合成过程的三废处理,1废气及处理 主要来源于有机溶剂的挥发（如作为介质的溶剂煤油，熔融的酚等）、反应中剩余的CO2和挥发性酸（浓盐酸）产生的气体。由于废气量少可直接排放。反应在通风橱中进行即可。 2废液及处理 主要

18、是酸化废水，由于含酚，这部分废水可以收集后集中处理，处理方法可参照专门资料。 合成中溶剂煤油可回收处理。纯化过程中重结晶母液也应回收处里。 3废渣及处理 主要是脱色过程中产生的活性炭。可焚烧处理。,5.6知识拓展,酰化反应概述 O-酰化反应 N-酰化反应 C-酰化反应,酰化反应概述,有机化合物分子中与碳原子、氮原子、氧原子或硫原子相连的氢原子被酰基所取代的反应称为酰化反应。 碳原子上的氢被酰基取代的反应叫做C-酰化，生成的产物是醛、酮或羧酸； 氨基氮原子上的氢被酰基取代的反应叫做N-酰化，生成的产物是酰胺； 羟基氧原子上的氢被酰基取代的反应叫做O-酰化，生成的产物是酯，因此也叫酯化。,有机化合

19、物分子中酰基的引入有直接酰化和间接酰化两种方式。 直接酰化是指将酰基直接引入到有机化合物分子中，由反应机理的不同可分为直接亲电酰化、直接亲核酰化和直接自由基酰化。 酰化所用的试剂称为酰化剂，常用的酰化剂有羧酸、酸酐、酰卤、羧酸酯和酰胺等。,酰化反应可用下列通式表示：,式中的RCOZ为酰化剂，Z代表X、OCOR、OH、OR、NHR等。GH为被酰化物，G代表ArNH、RNH、RO、ArO、Ar等。,O-酰化反应,氧原子上的酰化反应是指醇或酚分子中的羟基氢原子被酰基所取代而生成酯的反应，因此又叫酯化反应。 在氧原子上引入酰基的反应多属于直接亲电酰化反应。其反应难易程度取决于醇或酚的亲核能力、位阻及酰

20、化剂的活性。,1醇的O-酰化,醇的O-酰化可得酯，其反应难易取决于醇的亲核能力及酰化剂的活性。 一般情况下伯醇易于反应，仲醇次之，而叔醇则由于立体位阻较大且在酸性介质中又易于脱去羟基而形成叔碳正离子，使酯化难于完成。 伯醇中的苄醇、烯丙醇虽然不是叔醇，但由于易于脱羟基形成稳定的碳正离子，所以也表现出与叔醇相类似的性质。 对于醇的酰化常采用的酰化剂有羧酸、羧酸酯、酸酐、酰氯、酰胺、烯酮等。,2酚的O-氧酰化,酚羟基由于受芳环的影响使羟基氧的亲核性降低，其酰化比醇要困难，多采用较强的酰化剂（如酰氯、酸酐以及一些特殊的试剂）来完成这一反应。,（1）酰氯为酰化剂,酰氯在碱性催化剂(氢氧化钠、碳酸钠、三

21、乙胺、吡啶等)存在下可使酚羟基酰化,采用酰氯与吡啶的方法来制备位阻大的酯时其效果不甚理想，若加入氰化银可使反应得到较好的结果。,也可采用间接的方法。即羧酸加氧氯化磷、氯化亚砜等氯化剂一起反应进行酰化。,（2）酸酐为酰化剂,应用酸酐对酚酰化，其条件与醇的酰化相似，加入硫酸或有机碱等催化剂以加快反应速度，如反应激烈可用石油醚、苯、甲苯等惰性溶剂稀释。 在一些用羧酸酰化酚羟基的反应中，有的采取加入三氟乙酐、三氟甲基磺酸酐、氯甲酸酯、磺酰氯、草酰氯的方法，实际上是在反应系统中首先形成混合酸酐活性中间体，再与酚作用。此法在一些有位阻的羧酸和酚的反应中得到了较好的结果。,（3）其他酰化剂,酚羟基的酰化还可

22、直接采用羧酸在多聚磷酸（PPA）以及DCC催化剂存在下进行，亦有采用H3BO3-H2SO4混合酸催化共沸脱水的方法可使收率接近理论量。 此外，醇、酚羟基同时存在于分子中，如欲选择性酰化酚羟基，可用3-乙酰基-1，5，5-三甲基乙内酰脲AcTMH作为特殊酰化试剂。 选择性酰化酚羟基还可采用相转移催化反应，收率高，可在室温下进行。,N-酰化反应,氨基氮原子上的氢被酰基取代的反应叫做氮酰化（N-酰化），生成的产物是酰胺。 反应以哪种机理进行取决于所用酰化剂，只有当离去基X相当稳定时(如BF4)，才以SNl机理进行，而在大多数情况下是按SN2历程进行的 . N-酰化分为永久性酰化和临时性酰化两种。永久

23、性酰化是将酰基保留在最终产物中以赋予产物某些特定性能；临时性酰化也称保护性酰化，其目的是为保护氨基而临时在氨基上引入一个酰基，而在预定反应完成后再水解除去临时引入的酰基。二者在原理和方法上无甚区别，只是临时性酰化要求操作方便、物料价廉而且酰基易于水解除去。,N-酰化反应,N-酰化的酰化剂有羧酸、羧酸酯、酸酐、酰卤、酰胺及其它羧酸衍生物。 常用酰化剂（RCOX）的反应活性顺序如下：,N-酰化反应历程,式中Z可以是OH、OCOR/、Cl或OC2H5等。氨基氮原子上的电子云密度越大，空间位阻越小，反应活性越强。胺类化合物的酰化活性，其一般规律为：伯胺仲胺脂肪族胺芳香族胺；无空间阻碍的胺有空间阻碍的胺

24、。芳环上有给电子基团时，反应活性增加；反之，有吸电子基团时，反应活性下降。,羧酸、酸酐和酰氯都是常用的酰化剂，当它们具有相同的烷基R时，酰化反应活性的大小次序为：,其中1+2+3+,对于同一类型的酰氯，当R为芳环时，由于它的共轭效应，使羰基碳原子上的部分正电荷降低，因此芳香族酰氯的反应活性低于脂肪族酰氯(如乙酰氯)。 对于酯类，凡是由弱酸构成的酯(如乙酰乙酸乙酯)可用作酰化剂，而由强酸形成的酯，因酸根的吸电子能力强，使酯中烷基的正电荷增大，因而常用作烷化剂，而不是酰化剂，如硫酸二甲酯等。,N-酰化方法,用羧酸、酸酐、酰氯N-酰化。 酸酐的酰化活性较羧酸强，最常用的酸酐是乙酐，在2090反应即可

25、顺利进行，乙酐的用量一般过量510。 酰氯属于强酰化剂，容易与脂肪胺或芳香族胺发生N-酰化，反应是不可逆的。反应过程中常伴有热量产生，有时甚为剧烈。因此，酰化反应多在室温进行，有时要在0或更低的温度下反应。酰化反应中放出的氯化氢能与游离胺化合成盐，从而降低酰化反应速度。因此，反应时需要加入碱性物质，如NaOH、Na2CO3、NaHCO3、CH3COONa、N(C2H5)3等，以中和生成的氯化氢，使氨基保持游离状态，从而提高酰化反应的收率。,酰化产物多为固态，用酰氯的N-酰化须在溶剂中进行。常用的溶剂有水、氯仿、乙酸、二氯乙烷、苯、甲苯、吡啶等，其中吡啶既可以做溶剂又可为缚酸剂，而且还能与酰氯形成配合物，增强其酰化能力。 常用的酰氯有脂肪酸酰氯、芳香酸