精细有机合成课程

精细有机合成王正良[e-mail]13972116127第一章绪论本章主要内容△1.1有机合成的目的和任务△1.2有机合成的发展历史、现状及趋势△1.3精细有机合成的原料来源△1.4有机合成课程的性质、讨论范围及学习方法△1.1有机合成的目的和任务1.1.1什么是有机合成有机合成是指利用化学方法将单质、简单的无机物或简单的有机物作为原料，制备成更复杂的、更有价值的有机化合物的过程。有机合成化学主要讨论各种较为复杂的有机物的合成机理、合成步骤、合成的反应类型、反应条件及最佳的线路设计等等人们通过有机合成，不仅能制造出自然界已有的、甚至非常复杂的物质，而且能制造出自然界尚不存在的、具有各种特殊性能的物质，以适应人类生活、生产和科学研究的需要。有机合成已经成为当代化学研究的主流之一，有机合成化学是有机化学的中心，许多的新试剂、新原料、新材料、新药物、新的中间体等都是通过有机合成的手段合成出来的。应用非常广泛药物合成：抗癌新药物、降心血管疾病、免疫药品等精细化学品合成：化妆品、洗涤剂、表面活性剂等日用化学品：香料、染料、食品添加剂等国防材料：炸药、耐高温材料、吸光材料等油田化学品：缓蚀剂、防垢剂杀菌剂及各种油田化学品；农药：低毒高效、农药的开发等石油化工产品：各种石油加工化学品、润滑剂等1.1.2有机合成的任务、目的及内容（分类）2001年诺贝尔化学奖得主日本名古屋大学教授野依良治博士说过：“有机合成有两大任务：一是实现有价值的已知化合物的高效生产；二是创造新的有价值的物质与材料。”☆任务:☆目的:有机合成有两个基本目的：一是为了合成一些特殊的、新的有机化合物，探索一些新的合成路线或研究其他理论问题，即实验室合成，为这一目的所需要的物质的量较少，但纯度常常要求较高，而成本在一定范围内不是主要问题；二是为了工业上大量生产，即工业合成，为了这一目的，成本问题是非常重要的，即使是收率上的极小变化或工艺路线和设备的微小改进都会对成本发生很大的影响质☆内容（分类）连续性的大规模生产，因此也称为重有机合成。特点是产品量大、质量要求稍低、加工相对粗糙，生产操作简单。精细有机合成工业的任务主要是合成染料、药物、农药、香料以及各种试剂、溶剂、添加剂等，其特点是产量小、品种多、质量要求较高，而且一般多为间歇生产，操作比较复杂、细致。精细有基本有机合成工业的任务主要是利用化学方法将简单的、廉价易得的天然资源如煤、石油、天然气等以及其初加工产品和副产品（电石、煤焦油等）合成为最基本的有机化工原料“三烯一炔”、“三苯一萘”（苯、甲苯、二甲苯和萘），然后再进一步合成其他重要的有机化工原料如乙醇、甲醛、乙酸、丙酮及苯乙烯等。其特点多是在气相催化下进行的，且多为机合成，没有精细有机合成，就不能满足人民生活所必需的各种有机产品；而没有基本有机合成就断绝了精细有机合成所需要的工业原料。特点是制备过程较复杂、操作条件要求严格、步骤较多、质量要求高。1.1.3精细有机合成的特点精细有机合成具备以下特点：（1）小批量，多品种：精细化学品一般的年产量为几吨至几百吨，有些小品种仅以公有五千多个具有明确化学结构的品种；有不同化学结构的染料品种也有五千多个。不断开发新的精细化学品是精细有机合成的一个特点。（2）高技术密集度：精细有机化学品合成的高技术密集度主要体现在整个生产流程长，涉及的单元反应和单元操作多，中间体和终产物质量要求高。（3）高附加值附加值是指在产品产值中扣除原材料、税金、设备和厂房折旧后剩余部分的价值。大部分精细化工产品附加值很高，有些产品的利润率甚至可达200%～300%。△1.2有机合成的发展历史、现状及趋势1.2.1发展简史1828年德国科学家沃勒（Wöhler）成功地从氰酸铵合成了尿素，从而揭开了有机合成的帷幕。迄今为止，有机合成学科历经近200年的发展历史。从总体上看，有机合成的历史大致可划分为第二次世界大战之前的初创期和第二次世界大战之后的辉煌期两个阶段。在第一阶段，有机合成主要是围绕以煤焦油为原料的染料和药物等的合成。从第二次世界大战结束到20世纪末，有机合成进入了空前发展的辉煌时期。这一阶段又分为20世纪50～60年代的Woodward艺术期、70～80年代Corey的科学与艺术的融合期和90年代以来的化学生物学期三个时期。随着人类进入21世纪，社会的可持续发展及其所涉及的生态、资源、经济等方面的问题己成为国际社会关注的焦点。出于对人类自身的关爱，必然会对化学尤其是对合成化学提出新的更高的要求。近年来绿色化学、洁净技术、环境友好过程已成为合成化学追求的目标和方向。可见，对21世纪有机合成所关注的不仅仅是合成了什么分子，而是如何合成，其中有机合成的有效性、选择性、经济性、环境影响和反应速率将是有机合成研究的重点。总之，有机合成的发展趋势可以概括为两点：其一是合成什么，包括合成在生命、材料学科中具有特定功能的分子和分子聚集体；其二是如何合成，包括高选择性合成、绿色合成、高效快速合成等。1.2.2有机合成的的现代成就（1）已经研究清楚的有机反应多达3000个以上，有普遍应用价值的有200多个；（2）国内外已商品化的有机试剂有50000多种；（3）具有产率高、反应条件温和、选择性和立体定向性好的新房应大量出现，如光反应、微生物反应、模拟酶合成等；（4）元素有机反应的发展是有机合成大放异彩；（5）新试剂、新型催化剂的出现使反应速度快、条件温和、选择性好、合成工艺简单等优点。（6）合成方法的研究是合成线路具有科学性、艺术性。这在许多复杂分子中显示了巨大的潜力和广阔的应用前景。1.2.3有机合成的发展趋势（1）有机合成今后发展的良好客观条件和改进方向理论方面：将是有机化学理论与量子化学理论相结合对反应历程和本质的研究更加深入，从而在控制反应的方向与速度、产物的结构与纯度及提高反应的产率有更多的主动权。方法方面：生物化学法、超声波阀、高压法、辐射法、酶化学和酶模拟合成方法取得重大突破。测试手段：红外、紫外、核磁共振、色质联用、高效液相色谱、元素自动分析、X-射线衍射等。人工智能：计算机辅助合成线路设计将大大加快合成线路的设计速度。（2）有机合成化学与其他学科相结合的发展趋势与生命科学相结合的有机合成化学：核酸与蛋白质化学中就有很多的合成化学，立体专一性、选择性、催化活性等。与材料科学相结合的有机化学：新型材料的研究。精细有机合成的原料主要是来自石油、煤、天然气和农副产品的初级制品，或将这些初级产品经简单反应而制得的制品，常用原料简要介绍如下：1.3.1石油加工△1.3精细有机合成的原料来源原料石油中含有几万种化合物，以烷烃和少量芳烃类碳氢化合物为主，另有一些含氮和含硫化合物。常用精细化工原料主要由以下两种方法制得：（1）热裂解热裂解是将直馏汽油、轻柴油、减压柴油等加热至750～800℃，将其裂解为低碳烯烃和二烯烃等化工原料。异戊二烯叔丁醇异丁烯仲丁醇丁烯环氧氯丙烷丙二醇丙烯腈丙烯醇丙烯氯丙烯酸丙烯醛环氧丙烯丙酮异丙醇丙烯乙酸乙醛三乙醇胺二乙醇胺单乙醇胺乙二醇环氧乙烷氯乙醇二氯乙烷氯乙烷乙烯轻柴油，，，热裂解（2）催化重整重整是催化将原料油和直馏汽油在催化剂作用下，重整成为苯、甲苯和二甲苯等芳烃。对苯二甲酸间苯二甲酸邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸二甲苯苯甲酸苯甲醛苄氯甲苯苯胺硝基苯溴苯氯苯苯酚异丙苯乙苯苯乙烯苯直馏汽油催化重整，，1.3.2煤加工煤在炼焦炉内在隔绝空气下进行高温炼焦（1000～1200℃），除得到焦炭外，还可得到粗苯和煤焦油。煤焦油经精制后，可得下列精细化工原料：甲基吡啶六氢吡啶吡啶酚苯酚，甲基酚，二甲基蒽醌蒽邻苯二甲酸酐萘煤焦油精制1.3.3天然气的利用天然气是贮存于地下的可燃性气体，它的主要成分是甲烷，可直接用于制取各种氯代甲烷二氯甲烷、三氯甲烷和四氯化碳）、甲醇、甲醛等精细化工原料。1.3.4农副产品的利用农副产品中的纤维素和动植物油脂经发酵或水解后可提供许多廉价的精细化工原料（草酸乙酸苹果酸乳酸柠檬酸丁醇乙醇葡萄糖纤维素水解，，油酸十八醇硬脂酸十六醇棕榈酸肉豆蔻醇肉豆蔻酸月桂醇月桂酸脂肪酸甘油动植物油酯△1.4有机合成课程的性质、讨论范围及学习方法性质、讨论范围：本课程主要介绍有机合成的理论基础、精细化工产品生产过程中最重要的十几个单元反应（如磺化、硝化、卤化、烃化、酰化、羟基化、氨解及胺化、重氮化及其重氮盐的转化、氧化、还原、酯化、缩合等）的基本原理、工艺方法、控制因素以及这些单元反应在生产中的应用；同时对精细有机合成的新方法、新技术及新工艺也作了适当介绍；22此外还介绍了有机合成路线设计的有关知识。学生通过本课程的学习，可获得精细有机合成单元反应的基础知识、基本理论及技术应用，以便为今后从事精细有机合成技术工作、实施常规工艺和常规管理、参与开发新产品奠定基础。学习方法：要求有比较牢固的基础有机化学理论（结构理论）、掌握并能灵活运用有机基本单元反应、对常见有机物或基团的合成有一个比较清楚的认识、并初步学会复杂有机物的合成线路设计，并掌握有机合成实验的方法、原理等。首先注意反应物的化学结构、官能团的性质以及反应物的浓度、配比等物理因素对合成反应的影响；其次，在本课程的教学中，应尽可能采用启发式教学和类比法教学，把反应类型相同或相近的单元反应进行比较，使学习者能做到触类旁通，加深理解和掌握。再次，本课程的教学还应紧密结合专业综合实验、精细化工产品开发实验及生产实际展开，注重学生综合运用所学知识，提高分析问题、解决问题和开发创新能力的培养。（主要参考文献：1.唐培堃.精细有机合成化学及工艺学.第二版.天津:天津大学出版社,20022.王建新.精细有机合成.北京:中国轻工业出版社,20003.黄宪等.新编有机合成化学.北京:化学工业出版社,20054.巨勇等.有机合成化学与线路设计.清华大学出版社,2004第2章有机合成的理论基础有机合成反应按照进行方式的分类不同,从形式上可分为取代反应、加成反应、消除反应、重排反应等，每一种反应又可分为若干种反应。了解每种反应的反应过程和反应机理对有机合成较为重要。（△2.1有机合成的反应试剂2.1.1极性试剂亲电试剂（1）正离子：、NO+、R+、==O、、R4N+等；（2）含有可极化和已经极化共价键的分子：Cl2、Br2、HF、HCl、SO3、RCOCl、CO2等；（3）含有可接受共用电子对的分子（含未饱和价电子层原子的分子）：AlCl3、FeCl3、BF2等；（4）羰基的双键；（5）氧化剂：Fe3+、O3、H2O2等；（6）酸类；（7）卤代烷中的烷基：R—X。由该类试剂进攻引起的反应叫亲电反应，例如，亲电取代、亲电加成。亲核试剂（1）负离子：OH—、RO—、ArO—、NaSO3、NaS—、CN—等；（2）极性分子中偶极的负端：-RH3、-RH2、和H2O等；（3）烯烃双键和芳烃：CH2==CH2、C6H6等；（4）还原剂：Fe2+、金属等；（5）碱类；（6）有机金属化合物中的烷基：RMgX、RC≡CM等。由该类试剂进攻引起的反应叫亲核反应，例如，亲核取代、亲核置换、亲核加成等。2.1.2自由基试剂含有未成对单电子的自由基或是在一定条件下可产生自由基的化合物称自由基试剂。例如，氯分子（Cl2）可产生氯自由基（Cl·）。2.2亲电取代反应精细有机合成中的亲电取代反应也称为正离子型取代反应。进攻试剂的性质和反应物分子中C—H键的断列方式，可用以下反应通式表示：式中（烃基）可表示Ar（芳基）和Alk（烷基）。此式表明反应既包括芳香族亲电取代也可包括脂肪族亲电取代，但应用较多是芳香族亲电取代以应。芳香环是一个环状共轭体系，由于环上π电子云高度离域，电子云密度较高，