精细有机合成基础教案

6第二章精细有机合成基础教学目的与要求：通过该章节的学习，可以为后面各章打下理论基础，对各单元反应的学习有很大帮助。定义、芳香族亲电取代反应历程相关问题及定位规律、脂肪族亲核取代反应（SN1、SN2）、游离基产生方法。授课学时：6有机合成是有机化学中的一项重要内容，它要求由简单的无机物和有机物通过化学反应合成结构比较复杂的有机物。有机合成是研究用化学方法合成各种有机化合物的科学，它是有机化学的一个重要组成部分。众所周知，精细有机化工产品的种类繁多，要合成这些产品涉及许多不同的化学反应，其反应历程和合成条件，更是多种多样。迄今为止，尚难提出单一的理论来指导所有这些合成。在有机合成的学习中，同学们普遍感到做合成题比较难，的确有机合成题是比较复杂的，做合成题是有机化学知识的综合运用。第一节芳香族亲电取代反应规律一、反应试剂反应试剂又称为进攻试剂，由于它与一些有机物分子反应，使有机物分子发生共价键的断裂，然后再与化学试剂生成新键。一般称有机物分子为“基质”，从基质上分裂下来（不与反应试剂发生反应的部分）称为“离去基”。如：R-I+OH-—R-OH+I-反应试剂有极性试剂和游离基试剂两种（一）极性试剂7极性试剂是指能够提供或接受一对电子形成共价键的试剂。极性试剂又分为两种：亲电试剂和亲核试剂。1、亲电试剂亲电试剂本身缺少电子，它从基质上接受一对电子形成共价键。具有亲电性能，专门进攻高电子云密度的有机化合物分子。2、亲核试剂与亲电试剂相反，亲核试剂本身有多余的电子，一旦与某些有机分子相遇就会发生反应，提供电子，具有亲核任务，专门进攻低电子云密度的有机化合物分子。由亲核试剂发生的反应就是亲核反应。如亲核取代，亲和置换等。（二）游离基试剂二、亲电取代反应亲电取代反应就是亲电试剂取代了有机物分子的离去基团，反应通式如下：上述通式即可表示芳香族亲电取代反应，也可以表示脂肪族亲电取代反应。这些反应类型在有机化学中已遇到过。对亲电取代反应应用较多的是芳香族亲电取代反应。（一）、芳香族π配合物和σ配合物当芳烃与亲电试剂相接触时，首先形成π配合物（芳烃具有和一系列亲电试剂形成配合物的特性）苯环的空间形状为大π键结构，亲电试剂与芳环平面两侧的环状π电子云发生松散结合，这时亲电质点与芳环的碳原子之间没有形成真正的化学键，而是在芳烃与π配合物之间存在平衡。对于亲电能力较强的试剂，在形成π配合物后，江（在反应瞬间）进一步从芳环中夺取一对电子，与环上的某一碳原子形成σ键，称作σ配合物。π8配合物与σ配合物之间同样存在平衡，其中σ配合物较为稳定，在特定条件下可以分离得到。在完成芳香族亲电取代反应时先要经过π配合物和σ配合物阶段，除了极少数强亲电试剂以外，对大多数亲电取代反应来说，形成σ配合物是是反应速度的控制阶段。一旦形成σ配合物以后，产物的最终结构及其组成比例便基本确定下来。有必要指出，根据近年来积累的试验数据，某些结构的σ配合物生成后，还能进一步产生异构化。（二）亲代取代反应历程（芳香族）芳香族化合物是有机合成的重要组成部分。在芳香族的所有的取代反应中，尤以亲电取代反应最为常见的重要。曾设想，苯的亲电取代反应有两种代表性历程：一种是一步的，即取代剂与苯环上碳原子的结合和该碳原子上氢的离去是同时进行的，类似于卤代烃的SN2反应；另一种是两步的，取代基先和苯环的碳原子结合，形成σ配合物，然后再失去氢质子。反应分两步进行时，σ配合物的生成是决定反应速度的一步，氢质子的离去对反应速度没有影响。两种历程的相同点是都发生碳氢键的断裂；不同点是在一步反应历程中碳氢键的断裂不影响反应速度。已经有许多研究结果证明，大多数芳烃亲电取代反应是按照经过σ配合物的两步历程进行的，而按一步历程进行的反应一直没有发现过。在亲电试剂进攻芳环之前，质子就已经脱落下来的单分子历程，只有在极个别的情况下才会发生。芳香族亲电取代的两步反应历程可以表示如下：第一步ArH+E++ArEHk1k-1第二步+ArEHArEH++k29式中E+代表亲电支点。亲电质点向芳环进行亲电攻击生成σ配合物。由于破坏了芳环本身的高度稳定性，这种σ配合物是不稳定的，它存在两种可能性，一是通过可逆反应快速脱落E+，使其仍恢复为原来的芳烃结构，即k-1k2；二是快速脱落H+，使其转变为产物ArE，即k2k1，k-1。为了证实亲电取代反应进行的历程，分别通过两种方法进行证明的。（1）动力学同位素效应；（2）σ配合物中间体的分离及其相对稳定性。（见课本）（三）芳香族亲电取代反应定位规律在芳香族取代反应中研究得最多的是苯系亲电取代反应。影响定位的因素很多，如已有取代基的性质、亲电试剂的性质、反应的可逆性以及反应条件（如温度、催化剂、和溶剂等），其中最重要的是已有取代剂的性质。1、取代剂的分类本欢欣的取代基有两类型，即第一类定位基（邻、对位定位）和第二类定位基（间位定位基）即为P12的分类。第一类定位基使苯环活化（活化顺序按课本的排列顺序依次减弱）；第二类定位基使苯环钝化。其中只有卤素是个例外。2、取代基的定位规律（1）取代基的诱导效应和共轭效应及超共轭效应（有机化学）（2）已有取代基的空间效应（3）亲电试剂的极性效应（4）新取代基的空间效应（5）反应条件的影响（6）已有两个定位基的定位规律A、两个已有取代基德的定位作用一致：两个取代基属于同一类型并处于间位时，其定位作用是一致的；两个取代基属于不同类型，并处于邻位或对位时，其定10位作用也是一致的。B、两个已有取代基的定位作用不一致：两个取代基属于不同类型，并处于间位时，其定位作用就是不一致的，这时新取代基主要进入第一类取代基德邻、对位；两个取代基属于同一类型，并处于邻、对位时，其定位作用也是不一致的，这时新取代基进入的位置取决于定位能力较强的取代基。第四节精细有机合成中的溶剂效应一、概述溶剂对于大多数的化学反应来说，都是必不可少且相当重要的。作为溶剂，它不单单只使反应物发生溶解，溶剂还可以和反应物之间发生相互作用。也就是说，溶剂对化学反应有着很大的影响。一种溶剂不是对任何溶质都可以溶解的，任何溶解作用都是根据“相似相溶”规则来选择的，一般化学结构、物质的极性相似的溶质和溶剂是可以相溶的。溶质溶解在溶剂中时，溶剂分子和溶质分子之间存在着相互作用力，一般有三类：（1）库仑力，也就是静电引力。（2）范德华力，也叫内聚力。包括定向力、诱导力和色散力。（3）专一性：包括氢键作用力、电荷转移力、溶剂化作用、离子化作用、离解作用和憎溶剂相互作用。二、溶剂的分类（一）按化学结构分类按化学结构分类可分为无机溶剂和有机溶剂两类。（二）剂按偶极矩和介电常数分类表示溶剂极性的参数要算是偶极矩和介电常数了。1、偶极矩：偶极矩是表示分子的极性强弱，由实验方法测定的。偶极矩是偶极11长度d和极性电荷q的乘积。2、介电常数介电常数就是电容器办本身在真空下测得的电场强度与在同一电容器板之间放入溶剂后测得电场强度的比值。3、溶剂按Lewis酸碱理论分类4、溶剂按Bronsted酸碱理论分类第五节气固相接触催化一、概述气固相接触催化反应是将气态反应物在一定的温度、压力下连续的通过固体催化剂的表面而完成的。固体催化剂通常是由主要催化活性物质、助催化剂和载体组成的。有时为了便于制成所需要的形状或改善催化剂的机械强度或孔隙结构，在制备催化剂时还加入成型剂或造孔物质。固体催化剂按照粒度还可以分为颗粒状和粉末状两种类型。颗粒状催化剂用于固定床反应器，粉末状催化剂用于流化床反应器。固体催化剂的作用原理历来众说不一，有很多学说。归纳起来为：催化剂的表面只有一小部分特定的部位能起催化作用，这些部位叫做活性中心。二、化剂的选择性、活性和寿命（一）催化剂的选择性即所耗用的原料向特定反应方向转化的分率。通常催化剂总是要求有优良的反应选择性，它不仅影响原料的单耗，而且亦影响反应产物的后处理。（二）催化剂的活性工业生产中，催化剂的活性通常用单位体积（或单位重量）催化剂在特定反应12条件下，在单位时间内所得到的目的产物的重量来表示。催化剂的活性是原料转化的能力。通常催化剂的活性越高对原料的转化能力也越高。应该指出，化学反应过程是同时涉及物质转变与能量转变的过程，后者多数以热量的形式出现，这就必须考虑反应器的热平衡。（三）催化剂的寿命催化剂的寿命指的是催化剂在工业反应器中使用的总时间。工业催化剂应力求具有足够的使用期限，即寻求长寿命的催化剂。为此催化剂在使用过程中应能在足够长的时期内保持规定的物理状态与化学组成，从而表现稳定的催化效能。三、催化剂的组成（一）催化活性物质催化活性物质就是指对目的反应具有良好催化活性的成分。通常是通过大量试验筛选出来的，是单一成分或二到三种成分。（二）助催化剂在催化反应中，本身没有催化活性或催化活性很小，能使催化剂活性提高，加快反应速度的少量添加物就是助催化剂。它起的助催化作用是指，两种或多种物质的混合物所产生的催化效应，大于各组分单独使用时产生的催化效应的总和。常用的助催化剂有铂、钴、钼、铬等金属，某些金属盐类（如硫酸镁、氯化铁、硫酸钠等）或碱类（如氢氧化锂、三乙胺），也有一定的助催化作用。（三）载体载体就是指催化活性组分和助催化剂的支持物、粘结物或分散体。为了增加催化剂的分散度，提高其活性，节省用量，常将催化剂沉积在载体上。载体通常没有活性，但比表面很大。四、催化剂的毒物、中毒和再生13在制备催化剂或氢化反应过程中，某些少量杂质的存在，使催化剂的活性大大降低或完全丧失并难以恢复到原有活性的现象称作催化剂中毒。使催化剂中毒的物质叫催化剂的毒物。这些毒物能与催化剂的活性中心发生强烈的化学吸附切不能用一般方法解吸，从而占据了活性中心，使反应物不能与之发生化学吸附，因而丧失了催化活性。催化剂暂时中毒，可设法再生。再生的方法常常是用空气、水蒸气或氢气在一定温度下通过催化剂以除去积炭、焦油物或硫化氢等毒物。当催化剂活性下降很慢，是用较长时间需要进行再生时，再生过程可以就在反应器中进行。五、催化剂的制备优良的催化剂应具备以下性能：1、活性高、选择性好、对热和毒物稳定、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。4、制备简便、价格便宜。催化剂的制备方法主要有以下几种：1、干混热分解法此法是将容易热分解的金属盐类（硝酸盐、碳酸盐、甲酸盐、乙酸盐或草酸盐）进行焙烧热分解，制成金属氧化物催化剂。2、共沉淀法此法是向可溶性金属盐类的水溶液中加入碱性沉淀剂，生成含有催化活性部分、助催化剂成分和载体成分的共沉淀物，然后经过过滤、水洗、干燥、挤压成型、焙烧热分解、活化，而制得所需要的催化剂。此法常用。3、浸渍法14此法是向可溶性盐类的水溶液中放入多孔性载体，当浸渍达到平衡后，除去多余的溶液（通常是完全浸净），再经干燥、焙烧热分解、活化，制得所需要的催化剂。也是常用方法之一。4、涂布法此法是将含有催化活性成分和助催化剂成分和增稠剂（如淀粉）的浆状水溶液涂布到低比表面载体上，然后经干燥、焙烧、活化，得到所需要的催化剂。5、还原法此法制得的催化剂，主要成分大都是金属氧化物或金属盐。为了制备含有金属元素催化活性组分的催化剂，可以把用共沉淀法或浸渍法制得的催化剂放到还原反应器中，先在一定条件下通入氢气使某些金属氧化物还原为金属元素。第六节相转移催化一、概述以前，在非均相介质中，特别是在水和有机溶剂的两相中，许多有机合成反应进行得很慢或不能进行。如溴代正辛烷与氰化钠水溶液放在一起，即使加热14天，氰化反应仍不进行。因为二者互不溶的原因，如采用质子极性溶剂，反应虽为均相，但由于负离子被溶剂化，活性降低，反应较慢并可能发生溶剂分解等副反应。如采用非质子极性溶剂，如二甲基甲酰胺（DMF）、二甲基亚砜（DMSO）、六甲基磷酸三酰胺（HMPA）和乙腈等，对某些反应曾取得过良好效果，但这些溶剂价格贵，回收困难，同时少量水的存在对反应有影响，并往往伴有副反应，也难以长期保持无水状态。后来发现了相转移催化剂方法进行有机合成，使反应顺利进行。二、相转移催化原理若在溴代正辛烷和氰化钠两相溶液中加入少量某种催化剂，如季铵盐或季15