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1、2023/10/4,1,第2章精细有机合成基础,2,2023/10/4,本章教学基本内容和要求,1、芳香族亲电取代的定位规律补充一：芳香族的亲核取代反应补充二：自由基反应2、化学反应的计量学3、化学反应器4、精细有机合成中的溶剂效应5、有机合成新技术,教学重点：芳香族亲电取代反应及定位规律,教学难点：有机合成新技术,3,2023/10/4,2.1 芳香族亲电取代的定位规律,问题:芳烃最主要的化学性质是什么?,一、反应历程,以苯的一元亲电取代为例，其反应过程可表示如下：,络合物又叫惠兰特中间体或碳正离子中间体,K-1,k1,k2,化学反应所经历的途径或过程，又称反应机理。,络合物证据,4,202
2、3/10/4,图2-1 苯系亲电取代的能量变化图,5,2023/10/4,支持络合物存在的证据：,6,2023/10/4,二、苯的二元亲电取代反应,1、概念,苯的二元亲电取代是指一元取代苯再进行第二次亲电取代的反应。在绝大多数情况下，反应的结果是苯环上的另一个氢被取代成为二元取代苯。,7,2023/10/4,2、单环芳烃二元亲电取代反应的定位规律,1、定位规律,决定反应的难易,以苯的相对反应速率为标准，分为活化基和钝化基,决定反应的位置,以邻对位产率60%为标准，分为邻对位基和间位基,理论平均值：40%40%20%,8,2023/10/4,表2-1 邻、对位定位基和间位定位基,9,2023/1
3、0/4,练习1：指出下列物质取代反应的位置,练习2：排出下列物质取代反应的难易顺序,10,2023/10/4,练习3：选择合理的合成路线,氯化、磺化,酰基化、硝化,11,2023/10/4,氧化、硝化、溴化,硝化、溴化、氧化,注1：引入第三个基团时，前两个基团的定位作用一致更好。,12,2023/10/4,三、苯环上的已有取代基的定位规律及影响因素,1、已有取代基的电子效应,诱导效应(Inductive effect)（I）：由电负性大小决定。,共轭效应（T）：包括-共轭和p-共轭。,13,2023/10/4,有+I，无T：如-C2H5，-CH3（1）使-配合物稳定，活化苯环；（2）使邻、对位
4、取代产物更稳定；（3）为邻、对位定位基。,14,2023/10/4,有-I，无T：如-N+(CH3)3、-CF3、-CCl3等（1）使-配合物均不稳定，使苯环钝化；（2）使邻、对位取代产物更不稳定；（3）为间位定位基。,15,2023/10/4,有-I，-T：如-NO2、-CN、-COOH、-CHO等（1）诱导效应与共轭效应作用一致；（2）则使苯环钝化；（3）间位定位基。,16,2023/10/4,有+I，+T：如-O-、-CH3（1）共轭效应与诱导效应作用一致；（2）则使苯环活化；（3）邻、对位定位基。,17,2023/10/4,有-I，+T，且|-I|+T|：如-OH、-OCH3、-NH2
5、、-N(CH3)2、-NHCOCH3等（1）诱导效应与共轭效应作用不一致，共轭效应作用大于诱导效应，使苯环活化；（2）使邻、对位取代产物更稳定；（3）邻、对位定位基。,18,2023/10/4,有-I，+T，且|-I|+T|：如-F,-Cl,-Br,-I等（1）总效果使苯环电子云密度降低；（2）使取代基邻、对位电子云密度低于间位；（3）邻、对位定位基。,19,2023/10/4,两类定位基：邻、对位定位基（第一类定位基）：-O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3,-F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等。
6、间位定位基（第二类定位基）：-N+(CH3)3,-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO,-COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3等。,20,2023/10/4,2、已有取代基的空间效应,已有取代基的空间效应,(1)在极性效应相差不大时，已有取代基体积越大，邻位异构产物的比例越小。,表 一硝化（AcONO2,0)产物异构体比例,21,2023/10/4,(2)当极性效应起主导作用时，结果可能相反。,表 一 硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25)产物异构体比例,22,2023/10/4,新引入基团的空间效应,新引入取代基的体积越大，邻位产物越少
7、。,表 甲苯C-烷化反应新引入基团对异构体比例的影响,23,2023/10/4,3、亲电试剂的活泼性（电子效应）,亲电试剂的活泼性越高，亲电取代反应速度越快，反应的选择性越低。亲电试剂的活泼性越低，亲电取代反应速度越低，反应的选择性越高。,24,2023/10/4,表 亲电试剂活泼性的影响,25,2023/10/4,2.1 芳香族亲电取代的定位规律,4、亲电试剂的空间效应（P10 图2-3）,5、新取代基的空间效应,6、反应的可逆性,26,2023/10/4,温度,（1）通常情况下，温度升高，亲电取代反应活性增高，选择性下降。,0 5 94 140 7 91 290 13 85 2,7、反应条
8、件的影响,27,2023/10/4,（2）使不可逆的磺化、C-烷化反应转变为可逆反应，从而影响产物异构体的比例。,实例1：,磺化,磺化,28,2023/10/4,实例2：,29,2023/10/4,反应介质,+,+,乙酸酐 约92 少量 约8,硫酸 约30 少量 约70,30,2023/10/4,催化剂的影响（1）改变E+的极性效应或空间效应。,（2）改变反应历程。,31,2023/10/4,已有两个取代基为同一类型定位基，且处于间位，则定位作用一致。已有两个取代基为同一类型定位基，且处于邻、对位，则定位作用不一致取决于定位能力的强弱。,四、苯环上已有两个取代基的定位规律,主产物,少量,32,
9、2023/10/4,已有两个取代基为不同类型定位基，且处于邻、对位，则定位作用一致。已有两个取代基为不同类型定位基，且处于间位，则定位作用不一致取决于第一类定位基。,33,2023/10/4,(1)苯环上已有取代基的定位效应具有加和性。(2)当苯环上已有两个取代基对新取代基的定位效应不一致时，新取代基进入苯环的位置取决于已有取代基定位效应的强弱。通常活化基的定位效应大于钝化基的定位效应；邻、对位的定位效应大于间位的定位效应。活化基的定位效应有下列强弱次序：O-NH2NR2OHCH3、NHCOCH3CH3X(3)当苯环上两个取代基都是钝化基时，很难再进入新取代基。钝化基的定位效应有下列强弱次序：
10、N(CH3)3+NO2CNSO3HCHOCOCH3COOH(4)新取代基一般不进入1,3-取代苯的2位。,苯的多元亲电取代反应的定位规律,34,2023/10/4,35,2023/10/4,36,2023/10/4,练习：在下述两题中，各选择一条更好的合成路线。,37,2023/10/4,五、萘环的定位规律,萘的结构X射线衍射结果：萘分子中，18个原子共平面。,萘分子中亦有离域现象，单、双键键长趋于平均化（但未完全平均化）。,38,2023/10/4,五、萘环的定位规律,萘环的特性,（1）比苯环更易发生亲电取代反应。,-位,-位,39,2023/10/4,（2）位比位的亲电取代反应活性高，E+
11、优先进攻位。,（3）某些反应在一定条件下可逆，使低温反应产物以位为主，高温反应产物以位为主。,60磺化,160磺化,160异构化,原因解释:,40,2023/10/4,已有一个取代基的定位作用,（1）已有一个第一类取代基,大多使萘环活化，新取代基进入已有取代基的同环。,41,2023/10/4,（2）已有一个第二类取代基,使苯环钝化，新取代基进入异环的位。,42,2023/10/4,六、蒽醌环的定位规律,蒽醌环的特点（1）亲电取代反应活性低；（2）两个边环具有等同性；（3）位比位活泼。,43,2023/10/4,蒽醌环的定位规律催化剂的影响,44,2023/10/4,芳香族的亲核取代反应(补充
12、一）,45,2023/10/4,(A)负离子：OH-、RO-、ArO-、NaSO3-、NaS-、CN-等(B)极性分子中偶极的负端：NH3、RNH2、RRNH、A rNH2和NH2OH等,芳香族亲核取代是亲核试剂对芳环进攻的反应。,反应类型,1 芳环上氢的亲核取代；2 芳环上已有取代基的亲核取代；3 通过苯炔中间体的亲核取代,反应历程,1 双分子反应2 单分子反应3 苯炔中间体,常用的亲核试剂,芳香族的亲核取代反应(补充一）,46,2023/10/4,一、反应动力学与历程,1、双分子反应(加成-消除机理),迈森海默络合物,47,2023/10/4,1902年，迈森海默(Meisenheimer
13、)从下列反应的过程中，曾分离出所形成的 络合物，证实了上述亲核取代反应历程是通过负碳离子小间体进行的。文献上常把芳香族亲核取代反应中的络合物叫做迈森海默络合物：,48,2023/10/4,2、单分子反应,该反应分两步进行：,49,2023/10/4,3、消除-加成机理(苯炔机理),当苯环上没有较强的吸电子基存在时，卤原子被取代的反应是按照消除-加成机理进行的：,50,2023/10/4,消除-加成机理(苯炔机理)如下：,51,2023/10/4,52,2023/10/4,表115 芳环上已有取代基的亲核置换反应,53,2023/10/4,54,2023/10/4,1、自由基在溶液中生成后，对其
14、他型体的进攻，或者对同一型体进攻其不同位置的选择性都较低。2、绝大部分自由基反应一经引发，通常都能很快进行下去，具有低能障的快速连锁反应特征。3、自由基反应很易受到某些物质的抑制，这些物质能非常快地与自由基反应，如酚类、醌类、二苯胺、碘等，使自由基反应终止。,1、有机化合物的燃烧过程，几乎全是自由基反应；2、烃类在气相中和氯反应，以及和四氧化二氮反应分别生成氯代烷烃和硝基烷烃也属自由基反应。,自由基反应的特征：,自由基反应(又称游离基反应)（补充二）,55,2023/10/4,一、反应历程,1、自由基的形成,采用可见光或紫外光照射就能使有机化合物生成自由基,光解,表1-16 光的能量换算表,5
15、6,2023/10/4,热解,此法产生自由基的最适宜的温度为50150。,热解法用的化合物主要有两类：1)含有较弱键能的化合物，特别是如二烷基过氧化物(离解能DO-O155KJmol-1)，氯(DCl-Cl238KJmol-1)溴(DBr-Br188KJmol-1)。2)易于分解的偶氮化合物或过氧羧酸酯，分解时生成非常稳定的产物(如N2或CO2).,57,2023/10/4,氧化还原反应,按此法产生自由基都涉及个电子的转移(如Cu+/Cu2+、Fe2+Fe3+等金属离于)。例如用cu+可以明显加速酰基过氧化物的分解：,芬顿试剂,58,2023/10/4,2、自由基反应的分类,自由基与饱和有机化
16、合物反应时，通常要从碳原子上夺取一个原子，一般是氢：,夺取反应,四种简单烃的CH键的离解能为：,因此，自由基反应的活泼性次序由大到小为：叔丁烷丙烷乙烷甲烷，通常的规律为：叔C-H仲C-H伯C-H。,59,2023/10/4,问题1：为什么不是加成反应？问题2：为什么取代在-位？,原因：反应条件，易产生自由基,历程自由基取代反应,60,2023/10/4,61,2023/10/4,加成反应,自由基可加成到各种不饱和基因上去。最重要的是加成到CC键上，这种加成反应的选择性良好。,注意：自由基加成到烯烃CH2CHX上时，不论X的性质，反应几乎全部发生在亚甲基上。,84,62,2023/10/4,自由
17、基加成 过氧化物效应,CH3CH=CH2+HBr,CH3CHBrCH3,CH3CH2CH2Br,反马加成,链引发：,链增长：,CH3CH=CH2+Br,63,2023/10/4,偶联及歧化,偶联反应是两个自由基的化合导致生成新键，成为二聚物，如RR。这类偶联反应不仅可以发生在相同的自由基之间，也可以发生在不同的自由基之间。,歧化反应是发生在-氢原子由一个自由基转移到另一个自由基的过程。例如：,64,2023/10/4,3、自由基反应历程,以甲烷的氯代反应为例：,CH4,CH3Cl+HCl,反应条件：漫射光或加热400-500,CH2Cl2+HCl,CHCl3+HCl,CCl4+HCl,一氯甲烷
18、,二氯甲烷,氯仿,四氯化碳,几点反应事实：光照Cl2气和CH4气混合物，反应可以进行；光照Cl2气后，迅速和CH4气混合，反应可以进行；光照CH4气后，迅速和Cl2气混合，反应不能进行；光照Cl2气，延时再和CH4气混合，反应不能进行。,65,2023/10/4,（1）甲烷的氯代反应历程,氯自由基,每一步都产生一个新自由基链反应,链引发,链增长,反复进行,自由基取代反应,自由基之间相互碰撞,链终止,66,2023/10/4,（2）甲烷氯代反应的能量变化,？链引发，为什么不是,？链增长，为什么不是,能量变化是反应的基本动力,断裂价键需要能量 生成价键放出能量,ClCl(243)CH3H(435)
19、,需要的能量越少，放出的能量越多，反应越容易进行。,HCl(431)CH3Cl(349),67,2023/10/4,二、常见的自由基反应,1、生成C-X键的反应 大多数的卤化有机化合物可以采用卤化剂通过自由基取代反应或加成反应制得，常用的卤化剂上要有卤素和卤化氢，其次还有硫酰氯、N-溴化丁二酰亚胺、次卤酸叔丁酯及多卤化甲烷等。,(1)饱和有机卤化合物(2)不饱和有机卤化合物(3)重氮基被氯或溴置换,68,2023/10/4,注意：此反应不能用来制备芳基氟和芳基碘。,桑德迈尔(sandmeyer)反应,该反应是按自由基反应历程进行的：,69,2023/10/4,2 生成C-N键的反应,70,20
20、23/10/4,这种气相硝化反应的历程与也属于自由基反应历程。,3、生成C-O键的反应,4、生成C-S键的反应,71,2023/10/4,2.2 化学反应的计量学,反应物的摩尔比限制反应物和过量反应物过量百分数转化率选择性理论收率质量收率原料消耗定额单程转化率和总转化率,72,2023/10/4,2.2 化学反应的计量学,对具体产品选择和确定技术上和经济上最合理的合成路线和工艺路线。对单元反应确定最佳工艺条件、合成技术和完成反应的方法。,73,2023/10/4,1、合成路线：指的是选用什么原料，经由哪几个单元反应来制备目的产品。如苯酚的生产可以有好几条合成路线，它们各有优缺点。2、工艺路线：
21、指的是对原料的预处理（提纯、粉碎、干燥、熔化、溶解、蒸发、汽化、加热）和反应物的后处理（蒸馏、精馏、吸收、吸附、萃取、结晶、冷凝、过滤、干燥等）应采用哪些化工过程（单元操作）、采用什么设备和什么生产流程等。3、反应条件：指的是反应物的摩尔比，主要反应物的转化率（反应深度）、反应物的浓度，反应过程的温度、时间和压力以及反应剂、辅助反应剂、催化剂和溶剂的使用和选择等。这些将结合到产品生产制备过程中讲，讨论影响反应的因素。4、合成技术：主要指的是非均相接触催化、相转移催化、均相络合催化、光有机合成和电有机合成以及酶催化等。5、完成反应的方法：主要指的是间歇操作和连续操作的选择，反应器的选择和设计。,
22、74,2023/10/4,为完成化工生产，我们必须对所涉及的物料性质有充分了解，归纳起来有以下几点：,（1）物料在一定条件下的化学稳定性、热稳定性、光稳定性以及贮存稳定性（包括与空气和水分长期接触的稳定性）等。（2）熔点（凝固点）、沸点、在不同温度下的蒸汽压；物料在水中的溶解度、水在液态物料中的溶解度；物料与水是否形成共沸物，以及共沸温度和共沸物组成等。（3）相对密度、折光率、比热、导热系数、蒸发热、挥发性和粘度等。（4）闪点、爆炸极限和必要的安全措施。（5）毒性，对人体的危害性，在空气中的允许浓度，必要的防护措施以及 中毒的急救措施。（6）物料的商品规格、各种杂质和添加剂的允许含量、价格、供
23、应来源、包装和贮运要求等。,75,2023/10/4,化学计量比 1 2投料摩尔数 5 10.7反应物的摩尔比 1 2.14,一、反应物的摩尔比,指加入反应器中的几种反应物之间的物质的量（摩尔）之比。例如：,2.2 化学反应的计量学,76,2023/10/4,二、限制反应物和过量反应物,化学计量比 1 2投料摩尔数 5 10.7投料摩尔比 1 2.14,化学反应物不按化学计量比投料时，以最小化学计量数存在的反应物叫做限制反应物，而投入量超过限制反应物完全反应的理论量的反应物叫做过量反应物。,77,2023/10/4,三、过量百分数,Ne过量反应物的物质的量；Nt与限制反应物完全反应所消耗的过量
24、反 应物物质的量。,过量反应物超过理论量部分占所需理论量的百分数，叫做过量百分数。,过量百分数,78,2023/10/4,例：,化学计量比 1 2投料摩尔数 5 10.7投料摩尔比 1 2.14,硝酸过量百分之多少？,硝酸的过量百分数,79,2023/10/4,四、转化率(X),某一反应物A反应掉的量nA,R占其投料量nA,in的百分数叫做反应物A的转化率XA。,XA,80,2023/10/4,五、选择性(S),某一反应物A转化为目的产物P时，化学计量系数是a/p，设A输入和输出反应器的物质的量为nA,in和nA,out，实际生成目的产物P的物质的量为nP，理论上应消耗的A的物质的量为nP a
25、/p。则由A生成P的选择性S为：,aA bB=pP,化学计量比,81,2023/10/4,六、理论收率(Y),当输入反应物A的物质的量为nA，in时，实际得到的目的产物P的物质的量nP占理论应得到的目的产物P的物质的量的百分数，叫做理论收率。,YSX,82,2023/10/4,例：,100mol 89mol 2mol 少量,X苯胺,98,YX苯胺S9890.8289.0,83,2023/10/4,七、总收率,指反应物经过预处理、化学反应和后处理之后，所得目的产物的总收率。,例：将前述例题中生成对氨基苯磺酸的反应物通过分离精制后，得到87mol的对氨基苯磺酸，则分离过程的收率为：,总收率：,84
26、,2023/10/4,八、质量收率(Y质),例：,目的产物的质量占某一输入反应物的质量百分数，叫做质量收率。,质量 100kg 163.5kg,纯度 99 98,相对分子量 93 231.2,85,2023/10/4,九、原料消耗定额,每生产一吨产品需要消耗的各种原料的量（吨或千克）叫做原料消耗定额。对主要反应物来说，它实际上就是质量收率的倒数。,质量 100kg 217kg,纯度 99 98,相对分子量 93 231.2,例：,苯胺的消耗定额10099%/163.598%0.618t618kg,86,2023/10/4,九、单程转化率(X单)和总转化率(X总),，反应物A输入和输出反应器的物
27、质的量，反应物A输入和输出全过程的物质的量,87,2023/10/4,例：在苯一氯化制氯苯时，为了减少副产二氯苯的生成量，每100mol苯用40mol氯，反应产物中含38mol氯苯，1mol二氯苯，还有61mol未反应的苯，经分离后可回收60mol苯，损失1mol苯，如下图所示：,88,2023/10/4,89,2023/10/4,30,2.3 化学反应器,化学反应器在结构和材料上的基本要求是：传质、传热、操作方式、机械强度和耐蚀性等。,90,2023/10/4,化学反应器是反应原料在其中进行化学反应、生成目的产物的设备。化学反应器在结构和材料上必须满足以下要求：（1）对反应物料（特别是非均相
28、的气液反应物、液液反应物、气固反应物、液固反应物、气液固三相反应物）提供良好的传质条件，便于控制反应物系的浓度分布，以利于反应的顺利进行；（2）对反应物料（特别是强放热或强吸热的反应物系）提供良好的传热条件，便于热效应的移除或供给，以利于反应物系的温度控制；（3）在反应的温度、压力和介质条件下，具有良好的力学强度和耐腐蚀性能；（4）能适应反应器的操作方式（间歇操作或连续操作）。,2.3 化学反应器,91,2023/10/4,92,2023/10/4,93,2023/10/4,双桨式（单桨式）,框锚式,叶片,锚式,直叶涡轮,框式,单螺带,螺杆,双螺带,各种搅拌器形式,94,2023/10/4,9
29、5,2023/10/4,d,96,2023/10/4,97,2023/10/4,98,2023/10/4,99,2023/10/4,2.4 精细有机合成中的溶剂效应,一、溶剂的分类,按化学结构分类,无机溶剂：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、四氯 化钛、三氯化磷合三氯氧磷等。有机溶剂：脂烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、醇、醚、酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、胺、腈、酰胺、砜和亚砜、杂环化合物等。,100,2023/10/4,按偶极矩和介电常数分类：极性溶剂和非极性溶剂,（1）偶极矩（）：,指偶极分子中电量相等的两个相反电荷中的一个电荷的电量（q），与这两个电荷间距离
30、（d）的乘积，单位：德拜（D）。即：qd,例：,1.54D,101,2023/10/4,极性溶剂：分子中具有永久偶极的溶剂。,有机溶剂的偶极矩在05.5D之间。,非极性溶剂,分子中没有永久偶极的溶剂，如环己烷、苯等。,2.5D的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等。,偶极矩主要影响在溶质（分子或离子）周围溶剂分子的定向作用。,102,2023/10/4,（2）介电常数（）,也叫电容率或相对电容率，是表示电介质或绝缘材料电性能的一个重要参数。,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，即极化作用，极化作用越大，介电常数越大。,介电常数表示溶剂分子本身分离出电荷的能力，或溶剂使
31、它偶极定向的能力。,103,2023/10/4,极性溶剂：1520非极性溶剂：1520,介电常数主要影响溶剂中离子的溶剂化作用和离子体的离解作用。,有机溶剂的介电常数在2190之间，越大，溶剂极性越强。,104,2023/10/4,按能否提供质子形成氢键来分类：,质子传递型溶剂：能提供质子形成氢键。如羟基、氨基、羧基和酰胺基非质子传递型溶剂：不能提供质子形成氢键。,105,2023/10/4,按专一性溶质、溶剂相互作用分类,质子传递极性溶剂：水、甲酸、甲醇、乙醇、正丁醇、乙二醇及其单甲醚和单乙醚等。质子传递非极性溶剂：乙酸、戊醇、乙二醇单乙醚等。非质子传递极性溶剂：高介电常数，高偶极矩。丙酮、
32、DMF、硝基苯、乙腈、二甲基亚砜、环丁砜等。非质子传递非极性溶剂：低介电常数，低偶极矩。烷烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、叔胺、二硫化碳等。,106,2023/10/4,按Lewis酸碱理论分类,Lewis酸碱理论：酸是电子对受体（EPA）碱是电子对给体（EPD）,107,2023/10/4,EPA溶剂：具有缺电子或酸性部位，亲电试剂，择优使EPD或负离子溶剂化。如水、醇、酚、羧酸等。,EPD溶剂：具有富电子或碱性部位，亲核试剂，择优使EPA或正离子溶剂化。如：醇、醚、羰基化合物中的氧 氨类和N杂环化合物中的氮原子,108,2023/10/4,二、“相似相溶”原则,溶质易溶于化学结构相似的溶剂，不易
33、溶于化学结构完全不同的溶剂。,109,2023/10/4,三、溶剂极性对反应速率的影响,1、Houghes-Ingold规则,对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度增加的反应，溶剂极性增加，使反应速度加快。,异性电荷分离电荷密度增加,SN1反应：,110,2023/10/4,对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度降低的反应，溶剂极性增加，使反应速度减慢。,SN2反应,电荷分散电荷密度降低,对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度变化很小或无变化的反应，溶剂极性的改变对反应速度的影响极小。,局限性：忽略了溶剂的类型、溶剂的EPD和EPA性质及专一性溶剂化作用对反应速度的影响。,111,202
34、3/10/4,四、有机反应中溶剂的使用和选择,溶剂对反应物和反应产物不发生化学反应，不降低催化剂的活性。溶剂本身在反应条件下和后处理条件下是稳定的。溶剂对反应物有较好的溶解性，或者使反应物在溶剂中能很好的分散。溶剂容易从反应体系中回收，损失少，不影响产品质量。溶剂应尽可能不需要太高的技术安全措施。溶剂的毒性小、含溶剂的废水容易治理。溶剂的价格便宜、供应方便。,112,2023/10/4,2.5 有机合成技术 气-固相接触催化,一、气-固相接触催化反应概念,指气态反应物在一定的温度、压力下连续地通过固体催化剂的表面而完成反应的。如气相催化加氢、气-固相催化氧化反应等。,113,2023/10/4
35、,二、催化剂的活性和寿命,(1)催化剂的活性,指加速化学反应的能力，习惯上常以每单位体积(或单位质量)催化剂在指定反应条件下，单位时间内所得到的目的产物的质量来表示，单位是LL-1h-1(或-1 h-1)。又称为催化剂的负荷，这种参数主要用于连续生产。,催化剂从开始使用到完全丧失活性的期限称催化剂寿命，催化剂寿命是使用催化剂的重要经济指标。,(2)催化剂的寿命,114,2023/10/4,三、催化剂的毒物、中毒和再生,催化剂的毒物：指能使催化剂活性或选择性下降的微量外来物质。,催化剂中毒：指微量外来毒物使催化剂活性或选择性下降的现象。它通常发生在催化活性组分的活性中心上。中毒分暂时中毒和永久中
36、毒，催化剂暂时中毒，可设法活化再生。,催化剂中毒的预防合再生：控制反应原料中毒物的最高允许含量。再生一般是将空气、水蒸汽或氢气在一定温度下通过催化剂以除去积碳、焦油物或硫化氢等毒物。,115,2023/10/4,四、催化剂的组成,如硝基苯气相催化加氢制苯胺用催化剂：铜-硅胶载体型催化剂,如萘气相催化氧化制邻苯二甲酸酐用催化剂：V2O5-K2SO4-SiO2,催化剂活性物质、助催化剂、载体等组成。,116,2023/10/4,五、催化剂的制备,一般一种优良的催化剂应具备以下性能：1、活性高、选择性好、对过热或毒物稳定、使用寿命长、容易再生。2、机械强度和导热性好。3、具有合适的宏观结构（如比表面
37、记、孔隙度、孔径分布、颗粒度、视密度）和微观结构。4、制备简单，价格便宜。,117,2023/10/4,五、催化剂的制备,常用催化剂的制备方法有以下几种：,干混热分解法,将容易热分解的金属盐类（如硝酸盐、碳酸盐、草酸盐等）进行烘焙热分解，制得金属氧化物催化剂。如：天然气脱硫用的氧化锌就是由碳酸锌热分解所制得。,共沉淀法；浸渍法；涂布法；还原法。,118,2023/10/4,2.5.2 相转移催化,一、相转移催化定义及相转移催化剂相转移催化：就是利用催化剂将反应物从一相转移到另一相中，然后发生反应。相转移过程：以离子对转移形式进行相间传质作用，有人称其为离子对萃取反应。,119,2023/10/
38、4,（1）不要求无水操作（2）提高反应速率（3）降低反应温度（4）产品收率高（5）操作简便，特别是分离操作比较简单（6）碱催化反应可以用NaOH代替昂贵和危险试剂（7）应用广泛，并有可能完成使用其他方法不能实现的合成反应（8）副反应易控制,相转移催化的优点,120,2023/10/4,二、相转移催化剂原理,相转移催化反应包括二个基本阶段：（1）将一种物质从一相转移到另一相中；（2）被转移的物质和另一种物质发生反应；也可以说包括三个阶段：（3）将一种产物从反应相中转移到另一相中。,121,2023/10/4,（1）负离子交换,（4）相转移,（2）相转移,水相,有机相,相界面,（3）亲核取代,目的
39、产物,图2-15 相转移合成原理示意图,季铵盐,亲核试剂,122,2023/10/4,123,2023/10/4,作为相转移催化剂应具有下列性能：应具备形成离子对的条件；必须有足够多的碳原子使形成的离子对具有亲有机溶剂的能力；R在空间位阻尽可能小，因此R一般多是直链；在反应条件下，应是化学稳定的，便于回收。,三、相转移催化剂,124,2023/10/4,季铵盐季鏻盐季鉮盐季锑盐季铋盐冠醚穴醚十二烷基苯磺酸钠十二烷基磺酸钠硬脂酸钠聚乙二醇SP-80生物表面活性剂环糊精杯芳烃,有毒，不常用,最常用,剧毒，实验室用,不易得，少用,鎓盐Onium与阴离子形成离子对,对阳离子配位,转移阴离子,转移阳离子
40、,普适,125,2023/10/4,126,2023/10/4,相转移催化剂的应用范围很广。从理论上讲，凡是能与相转移催化剂形成可溶于有机相的离子对的各类化合物，均可用相转移催化方法进行反应。相转移催化目前已成功地应用于催化卤化、烷化、酰化、羧基化、酯化、醚化、氰基化、缩合、加成、氧化、还原等多种反应。,四、相转移催化的应用,127,2023/10/4,主要指的是用过渡金属的可溶性配合物作催化剂,在液相对有机反应进行催化的方法。如消除、氧化和还原等单元反应中的应用。,2.5.3 均相配位催化（自学）,128,2023/10/4,有机催化中常用酸碱：,酸：质子酸：如硫酸、高氯酸等Lewis酸：氯
41、化锌、三氯化铁等有机酸：PTS（对甲基苯磺酸）、MS（分子筛）等。碱：有机碱：吡啶、三乙胺、哌嗪等无机碱：无水乙酸钠等。,杂多酸催化,固体酸及超强酸催化,2.5.4 杂多酸（盐）催化,129,2023/10/4,2.5.4 杂多酸（盐）催化,杂多酸（Heteropoly acid，简称HPA）杂多酸定义:是由两种以上无机含氧酸缩合而成的多元酸的总称。如磷钼杂多酸：PO43-+12 MoO42-+27 H+H3PMo12O40+12 H2O,杂多酸负离子可以用以下通式来表示：XxMmOyq（xm）,PMo12O403-12-钼磷酸负离子H4SiW12O40 12-钨硅酸Na5PW10V2O40
42、10-钨-2-钒磷酸钠,130,2023/10/4,杂多酸的酸根是由中心原子和氧离子组成的四面体或八面体和多个共面、共棱或共点的、由配位原子M与氧离子组成的八面体配位而成。中心原子多为磷、硅，配位原子多为钼、钨等。HPA在水溶液中可以完全离解。,131,2023/10/4,杂多化合物很适合催化科学的基础研究，这是因为：（1）杂多酸组成简单，结构确定，一些催化性能可在杂多阴离子的分子水平上表征；（2）由于表面层结构和体相结构差别很小，且具有所谓“准液相”的特性；,132,2023/10/4,（3）杂多酸不仅同时具有多元酸和多电子还原能力，而且它们的酸性和氧化还原性还可通过变更组成元素在很大的范围
43、内系统地调节，因此，杂多酸既可做酸催化剂又可做氧化催化剂，或二者兼而有之，是一种所谓的“双功能”催化剂；（4）杂多化合物具有较好的热稳定性和可溶性，因此既可作均相催化剂又可作非均相催化剂。,133,2023/10/4,2.5 有机合成技术 2.5.4 杂多化合物催化,杂多酸在催化中的应用:均相催化：烯烃水合、炔烃水合、烯烃加成反应、异丙苯过氧化物分解、环氧化合物开环、酯类醇交换、酸交换、弗-克反应等。在这些液相酸催化反应中，HPA显示出比无机酸高的活性，如HPA对烯烃水合反应的催化活性是硫酸或硝酸的23倍，反应活化能低得多。非均相反应：以固体HPA为催化剂的反应如2-丁烯的顺反异构化、醇脱水、
44、羧酸分解、异丁烯和甲醇合成甲基叔丁基醚、二甲苯异构体和甲苯烷基化反应等。,134,2023/10/4,2.5.5 分子筛催化,分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。此外还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于水分子在加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，而把比孔道大得分子排斥在外,因而能把形状直径大小不同的分子，极性程度不同的分子，沸点不同的分子
45、，饱和程度不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称为分子筛。目前分子筛在冶金，化工，电子，石油化工，天然气等工业中广泛使用。气体行业常用的分子筛型号;A型:钾A(3A),钠A(4A),钙A(5A；X型:钙X(10X),钠X(13X)Y型:,钠Y,钙Y,135,2023/10/4,固体超强酸定义：固体的表面酸强度大于100%的硫酸。即Hammett酸函数H0-11.9。,2.5.6 固体超强酸催化剂,136,2023/10/4,沸石分子筛,离子交换树脂,杂多酸及其盐,酸催化,固体酸催化剂,环境友好分离简易,137,2023/10/4,2.5.7 不对称合成催化剂,2.5.8 生物催化有
46、机合成,138,2023/10/4,2.5.9 电解有机合成,电解有机合成可分为直接法、间接法和成对法三种类型。直接法是直接利用电解槽中的阳极或阴极完成特定的有机反应。间接法是由可变价金属离子盐的水溶液电解得到所需的氧化剂或还原剂，在另一反应器中完成底物的氧化或还原反应，用过的无机盐水溶液送回电解槽使又转化成氧化剂或还原剂。成对法则是将阳极和阴极同时利用起来。例如，苯先在阳极被氧化成对苯醌，再在阴极还原为对苯二酚。这三种电解方法在实际生产中均有应用。,一、反应原理,139,2023/10/4,从理论上讲，任何一种可用化学试剂完成的氧化或还原反应，都可以用电解方法实现。在电解槽的阳极进行氧化过程
47、。绝大多数有机化合物并不能电离，因此，氧化剂主要来源于水中的OH，它在阳极失去一个电子形成OH，然后进一步形成过氧化氢或是释出原子氧。OHOH e2OHH2O22OHH2OO 其他负离子如X，在阳极生成X或X2，而后与有机物发生加成或取代反应，如电解氟化。电解还原则发生在电解槽的阴极，其基本反应为：He H 氢离子在阴极接受电子形成原子氢，由原子氢还原有机化合物。,140,2023/10/4,二、电解过程的反应顺序反应机理,例：丙烯腈在阴极电解加氢二聚（偶联）制己二腈。,141,2023/10/4,三、电解反应的全过程,例：丙烯腈在阴极电解加氢二聚（偶联）制己二腈。,142,2023/10/4
48、,电解合成具有条件温和（常温、常压）、易于控制、污染少、流程短和产物选择性高等优点，其缺点是电耗高，电解装置复杂、专用性强，技术难度大。但电解有机合成作为一种环境友好的洁净合成方法，代表了现代化学工业发展的方向。近年来国内外对电解合成精细化学品的研究开发十分活跃。目前，已商品化的有机电解产品约60余种，尚有约40种正在开发中。其工业应用如表2-7所示。,四、有机电解反应的实际应用,143,2023/10/4,2.5 有机合成技术 2.5.8 电解有机合成,144,2023/10/4,2.5.10 光有机合成,微波是频率在300MHz300GHz范围内的电磁波，它位于电磁波谱的红外辐射（光波）和
49、无线电波之间。微波在400MHz10GHz的波段专门用于雷达，其余部分用于电讯传输。此外，由于微波的热效应，微波作为一种非通讯的电磁波广泛用于工业、农业、医疗、科研及家庭等民用加热方面。为了防止民用微波对雷达、无线电通讯、广播、电视的干扰，国际上规定各种民用微波的频段为（91515）MHz和（245050）MHz。微波用于有机合成始于1986年。最近十几年来，微波辐照有机合成技术发展很快，已取得了一大批成果。,2.5.11 微波有机合成,145,2023/10/4,2.5.12 超临界流体在有机合成中的应用,任何一种物质都存在三种相态-气相、液相、固相。三相呈平衡态共存的点叫三相点。液、气两相
50、呈平衡状态的点叫临界点。在临界点时的温度和压力称为临界温度和临界压力。不同的物质其临界点所要求的压力和温度各不相同。超临界流体(SCF)是指在临界温度（Tc）和临界压力(Pc)以上的流体。高于临界温度和临界压力而接近临界点的状态称为超临界状态。,什么是超临界：,146,2023/10/4,超临界流体的发展,1822年，法国科学家卡格尼亚德(Cagniard)首次报道物质的临界现象。1879年，英国科学家 Hanny and Hogarth 发现了超临界流体对固体有溶解能力，为超临界流体的应用提供了依据。1962年，德国的Zosel博士 采用超临界流体CO2萃取技术从咖啡豆提取咖啡因，从此超临界
