1-2第2章-精细化学品合成中的常见单元反应

1、第2章 精细化学品合成中的常用单元反应,2.1 概述 2.2精细有机合成的单元反应 2.3合成路线设计举例,2.1 概述,精细有机合成的单元反应 精细化学品及其中间体品种繁多 从分子结构来看，大多数是： 在脂链、脂环、芳环或杂环等骨架结构上 含有一个或多个取代基 在骨架分子上引入取代基、合成这些化合物的反应即是精细有机合成的单元反应,主要取代基,（1）-Cl、-Br、-I、-F等卤素基团； （2）-SO3H、-SO2Cl、-SO2NH2、-SO2NHR等； （R: 烷基或芳基） （3）-NO2， -NO等； （4）-NH2、 - NHR 、-NR2、-NHAc（酰基）、-NH2OH等； （5）

2、-N=NAr、-NHNH2等； （6）-OH、-OAlk、-OAr、-OAc等； （7）-Alk，如-CH3、-C2H5、-CH(CH3)2等； （8）,2.1 概述,（9）-CN,2.2 精细有机合成的单元反应,2.2.1 卤化(Halogenation),氟化反应(Fluoration) 氯化反应(Chloration) 溴化反应(Bromation) 碘化反应(Iodoncotion),2.2.1.1 卤化反应定义 向有机化合物分子中碳原子上引入卤素原子的反应。,铜酞菁（酞菁蓝）,高氯代铜酞菁（酞菁绿）,2.2.1.2 卤化反应的作用 可赋予产品极性、阻燃性、染料与颜料的色光、表面活性剂

3、的杀菌性等,2.2.1 卤化,实例1：有机颜料的色光,实例2：杀虫剂,“六六六” （C6H6Cl6）,七氟菊酯,2.2.1 卤化,2,3,5,6-四氟-4-甲基苄基 (Z)-(1R,3R,1S,3S)-3-(2-氯-3,3,3-三氟丙-1-烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸酯 土壤杀虫剂，防治鞘翅目、鳞翅目和双翅目害虫,杀虫谱广，具有胃毒触杀及微弱的熏蒸活性。六六六是几种立体异构体的混合物，生物活性是取决于丙体的含量。六六六是胆碱酯酶抑 制剂，作用于神经膜上，使昆虫动作失调、痉挛、麻痹至死亡。,六氯苯C6Cl6,选择性的抗真菌剂,实例3：阻燃剂,2.2.1 卤化,添加型阻燃剂，用于PS、ABS、

4、AS 、不饱和聚酯等，稳定性好,四溴双酚A,四氯双酚A,2.2.1.3 卤化反应类型,Cl2 FeCl3 Cl+ FeCl4- Cl+FeCl4-,2.2.1 卤化,取代卤化 游离基取代：脂肪烃及芳环侧链 亲电取代：芳环 以金属卤化物为催化剂，如FeCl3、AlCl3、ZnCl2等,芳环上亲电取代氯化反应历程如下：,加成卤化 亲电加成：酸催化下卤素、卤化氢、卤化物对不饱和键的加成 游离基加成：光照和引发剂作用下卤素、卤化氢对不饱和键的加成,2.2.1 卤化,实例1：氯乙烯和氯乙烷,实例2：四溴乙烷,实例3：四氯乙烷,2.2.1 卤化,置换卤化 实例1：卤素置换羟基： HX、PCl3、PBr3、

5、PI3、 SOCl2,2.2.1 卤化,置换卤化,2.2.1 卤化,实例2：卤素置换磺酸基,2.2.2 磺化和硫酸酯化（Sulfonation and Sulfation）,磺化,磺化反应定义 向有机化合物分子中的碳原子上引入磺酸基的反应。,硫酸酯化反应定义 醇及烯烃等有机化合物与硫酸进行的酯化反应。,2.2.2 磺化和硫酸酯化,2.2.2.1 磺化反应的作用,赋予产品特定的性能，如水溶性、酸性、表面活性及对纤维的亲和力等 磺酸盐型阴离子表面活性剂,图1 表面活性剂在溶液表面的定向吸附和胶束的形成,十二烷基苯磺酸钠,2.2.2 磺化和硫酸酯化,酸性染料,酸性红G 染色pH=24,图2 酸性条件

6、下染料与纤维分子的作用,2.2.2 磺化和硫酸酯化,将磺酸基转变为其他基团，如-OH、-Cl等 实例1：2-萘酚的制备,实例2：氯代蒽醌的制备（同前）,2.2.2 磺化和硫酸酯化,利用磺酸基的可水解性，辅助某些反应的进行，在反应完成后再将其水解掉,还原,4-氨基-4-甲氧基二苯胺 （安安蓝B色基）,2.2.2.2 磺化反应试剂,2.2.2 磺化和硫酸酯化,2.2.2.3 主要磺化方法,过量硫酸磺化法（液相磺化法，H2SO4） 共沸去水磺化法（气相磺化法， H2SO4） 三氧化硫磺化（SO3,无水生成） 氯磺酸磺化（ClSO3H,用于制备磺胺化合物） 芳伯胺烘焙磺化法,2.2.2 磺化和硫酸酯化

7、,2.2.3 硝化和亚硝化（Nitration and Nitrosation）,硝化反应定义 向有机物分子的碳原子上引入硝基，生成C-NO2键的反应。,硝化反应试剂,浓硝酸（93%）：亲电反应质点为NO2+ 混酸（H2SO4-HNO3-H2O）：亲电反应质点为NO2+ 稀硝酸（70%） 亲电反应质点为NO+ 先生成亚硝基化合物，再氧化为硝基化合物,2.2.3 硝化和亚硝化,2.2.3 硝化和亚硝化,主要硝化方法 稀硝酸硝化：用于易于硝化的芳族化合物，如酚、酚醚和N-酰化芳胺等 浓硝酸硝化：需要过量很多倍的硝酸，使用较少 浓硫酸介质中的均相硝化：以浓硫酸为反应介质 非均相混酸硝化 工业上最常用

8、、最重要的硝化方法 适用于被硝化物或硝化产物在反应温度下呈液态，且难溶或不溶于废酸 非均相反应需要剧烈搅拌强化传质 有机溶剂中硝化：避免使用大量硫酸作溶剂,2.2.3 硝化和亚硝化,硝化反应的主要用途 硝基转化为其他取代基，主要是氨基 赋予产品特定的性能,2,4,6-三硝基甲苯（TNT）,二甲苯麝香（合成麝香）,2.2.3 硝化和亚硝化,（m.p.=254257）,（m.p.=210）,图3 偶氮基邻位硝基在分子内氢键形成中的作用示意图,偶氮颜料,2.2.3 硝化和亚硝化,亚硝化反应 向有机物分子的碳原子上引入亚硝基，生成C-NO键的反应叫做亚硝化反应 亲电反应质点为NO+，反应活性弱 主要用

9、于在酚类、芳香仲胺和叔胺、富电子的杂环以及具有活泼氢的脂肪族化合物分子中引入亚硝基,2.2.3 硝化和亚硝化,反应实例,2.2.4 还原和加氢 (Reduction and Hydrogenation),还原反应定义 广义地讲，在还原剂的参与下，能使某原子得到电子或电子云密度增加的反应 狭义地讲，在有机分子中增加氢或减少氧或兼而有之的反应,还原剂,2.2.4 还原和加氢,还原方法,2.2.4 还原和加氢,2.2.4.1 催化加氢（催化氢化）,定义：含有不饱和键的有机物分子，在催化剂的存在下，与氢分子反应，使不饱和键全部或部分加氢的反应,芳杂环,2.2.4 还原和加氢,催化剂 一般金属系列：Ni

10、、Cu、Mo、Cr、Fe、Pb 贵金属系列：Pt、Pd、Rh、Ir、Os、Ru、Re 还原型纯金属粉： Pt、Pd、Ni等，如骨架镍、骨架铜 化合物型：氢氧化物、氧化物、硫化物如PtO2、MoS 载体型：如Pt/C、Pd/C,2.2.4 还原和加氢,2.2.4 还原和加氢,实例,2.2.4 还原和加氢,反应的特点 优点 反应易于控制 产品纯度较高 收率较高 三废少 应用广泛 缺点 需要使用带压设备，安全措施要求高 催化剂选择要求严格,2.2.4.2 化学还原,电解质溶液中的铁屑还原,2.2.4 还原和加氢,以金属铁为还原剂，反应在电解质溶液中进行 选择性好（硝基或其它含氮的基团） 工艺成熟、简

11、单，适用范围广 副反应少 对设备要求低 产生大量的含胺铁泥和废水,硫化碱还原 Na2S、 Na2S2 、 Na2Sx 、 NaHS 、 NH4HS 锌粉还原：在碱性介质中硝基化合物的双分子还原,2.2.4 还原和加氢,2.2.4 还原和加氢,其它化学还原方法 金属复氢化合物 NaBH4、KBH4、LiAlH4、LiBH4 反应速度快、副反应少、产品收率高、反应条件温和、选择性好 可使羧酸及其衍生物还原成醇、羰基还原成羟基 不能还原碳碳不饱和键,2.2.4 还原和加氢,醇铝 作用温和、选择性高、反应速度快、副反应少、收率高 使羰基还原为羟基 不能还原碳碳不饱和键、-NO2等 硼烷 可在-NO2

12、、-Cl、-CN、酯基、羰基存在下将羧酸还原成相应的醇,2.2.5 重氮化和重氮基的转化,2.2.5.1 重氮化反应（Diazotization） 定义：氨基化合物转变成重氮化合物的反应,HXHCl、HBr、浓H2SO4、稀H2SO4 、HNO3等,反应的特点 无机酸过量：芳胺与无机酸的物质的量比为1:2.254 反应中要保持亚硝酸微过量，以防止副产物（重氮氨基化合物）的生成,重氮氨基化合物,ArN2+ + ArNH2 Ar-N=N-NHAr,低温反应：一般为010,2.2.5 重氮化和重氮基的转化,2.2.5.2 重氮基的转化反应,2.2.5 重氮化和重氮基的转化,（1）偶合反应 定义：重氮

13、盐与芳环、杂环或具有活泼亚甲基的化合物反应，生成偶氮化合物的反应叫做偶合反应 是制备偶氮化合物（染料、颜料）的重要方法,2.2.5 重氮化和重氮基的转化,（2）重氮盐还原为芳肼,中性至弱酸性,苯基吡唑酮,2.2.5 重氮化和重氮基的转化,（3）脱氨基反应：在适当还原剂做一些失去重氮基,（4）置换为含氧基（羟基、烷氧基）,2.2.5 重氮化和重氮基的转化,（5）置换为卤基等（Sandmeyer反应）：芳胺重氮盐在亚铜盐催化下，置换成-Cl、-Br、 -I、 -CN等,Na2Cu(CN)4NH3,2.2.5 重氮化和重氮基的转化,2.2.6 烃化（Hydrocarbylation）,定义 是在有机

14、化合物分子中的碳、硅、氮、磷、氧或硫原子上引入烃基的反应的总称。,2.2.6 烃化,引入的烃基 烷基（-R） 烯基（-C=C-） 炔基（-CC-） 芳基（-Ar） 取代烃基 羧甲基（-CH2COOH） 羟乙基（-CH2CH2OH） 氰乙基（-CH2CH2CN）,（1）卤烷：CH3Cl, CH3I, C2H5Cl, C2H5Br, ClCH2COOH,Ph-CH2Cl; （2）酯类：(RO)2SO2, PhSO2OR, CH3-Ph-SO2OR, (RO)3PO （3）醇类和醚类：CH3OH, C2H5OH, n-C4H9OH,C12H25OH, CH3OCH3, C2H5OC2H5; （4）环

15、氧化合物： , ； （5）烯烃和炔烃：CH2=CH2, CH3CH=CH2, R-CH=CH2, CH2=CHCN, CH2=CHCOOCH3, CHCH; （6）羰基化合物：HCHO, CH3CHO, C3H7CHO, Ph-CHO, CH3COCH3,烃化试剂,2.2.6 烃化,2.2.7 酰化（Acidylation, Acylation）,酰化反应定义 有机化合物分子中与C原子、N原子、O原子或S原子相连的H原子被酰基所取代的反应,表1 基质上不同原子酰化反应产物,硫酸,硫酰基,砜基,羰基,碳酰基 （羧基）,碳酸,甲酰基（醛基）,甲酸,乙酰基,乙酸,苯磺酰基,苯甲酰基,2.2.7 酰化

16、,酰基 是指从含氧的无机酸或有机酸的分子中除去一个或几个羟基后所剩余的基团。,2.2.7 酰化,酰化试剂：酰氯、酸酐、羧酸等 反应实例,2.2.8 氧化（Oxidation）,氧化反应定义 指在氧化剂存在下，有机物分子中增加氧或减少氢的反应。 氧化剂：氧气或化学氧化剂等 反应的目的：主要用来制备醇、醛、酮、羧酸、醌、酚、环氧化合物和过氧化物等,2.2.9 水解（ Hydrolysis ）,水解反应定义 指有机化合物X-Y与水的复分解反应。,（2）芳磺酸盐的碱性水解（碱熔）,水解反应方式 （1）芳磺酸的酸性水解,（6）酰胺的水解,（4）芳香族重氮盐的水解,（5）酯的水解,（3）卤素化合物的水解,

17、（7）芳伯胺的水解 （8）碳水化合物水解,2.2.9 水解,2.2.10 环合反应（ Cyclization ）,环合反应定义 又称“闭环” 或“成环缩合”反应，指在有机化合物分子中形成新的碳环或杂环的反应,2.2.11 缩合反应（ Condensation ）,凡是两个分子通过反应失去一个小分子，生成一个较大分子的反应，以及两个分子通过加成反应生成一个较大分子的反应都可称为“缩合反应”。,2.2.12 聚合反应（ Polymerization ）,聚合反应用于制备高分子齐聚物或聚合物，高分子齐聚物分子量一般都为几百到几千，高分子聚合物分子量一般都大于10000。,2.3 合成路线设计举例,苯酚的合成,2-萘酚的生产过程,（1）磺化,（2）盐析,2.3 合成路线设