第二章-基本反应

第二章精细有机合成的基本反应一.概述精细有机化工产品：含有各种官能团的有机物基本反应（单元反应）：引入官能团和实现官能团转换的反应。精细有机合成中，常见的基本反应有：磺化/硫酸化、硝化和亚硝化、卤化、氧化、氢化和还原、羟基化、酰化和酯化、氨解和氨化、水解等。二.磺化反应1、定义2.芳香族化合物的磺化反应（亲电取代反应）十二烷基苯磺酸钠（洗涤剂）3、磺化反应的目的①使产物具有水溶性、酸性、表面活性H25C12+SO3H25C12SO3Na十二烷基苯SO3HOHH2SO4NaOHOOSO3HOOClHCl-SO3H-OH-NH2-CN-Cl②将-SO3H转变为其他基团苯酚苯胺苯甲腈氯苯NaOHO2NClO2NClSO3HH2SO4115℃O2NSO3HNHOCH3H2NOCH3MgO,170℃,6.5atm39%-40%H2SO4120℃,水解O2NNHOCH3H2NNHOCH3Na2S2③利用-SO3H的可水解性，作为导向基团使用。4.磺化剂：SO3、硫酸、发烟硫酸、氯磺酸HSO3ClSO3:硫酸、发烟硫酸：工业硫酸规格主要有92.5％硫酸、98％硫酸，发烟硫酸通常含游离SO3为20％和65％。ClSO3HSO3.HClb.p152℃SO3+HCl优点：反应能力强，但比SO3温和，副反应少，产物纯度高；缺点：价格贵，HCl的强腐蚀性。氯磺酸：磺化速度：SO3＞HSO3Cl、发烟硫酸＞H2SO4磺化剂选择的原则磺化试剂的性能比较（P7表2-1）℃5、磺化反应的影响因素磺化反应是亲电取代反应，因此，芳环上电子云密度的高低，将直接影响磺化反应的难易。已有取代基团对磺化反应的影响：当已有取代基团是供电子基团，使反应易进行；已有取代基为吸电子基团，使反应难进行。磺化反应的定位原则P9-10重点掌握！（1）被磺化物的结构课堂练习：P68第一题ClNO2CH3常见有机物磺化反应难易程度：（2）磺化剂的影响（P7表2-1）（3）反应温度和时间的影响反应温度的高低直接影响磺化反应的速度。一般温度低，反应速度慢；温度高，速度快。但温度过高，会引起多磺化、氧化、焦化和砜的生成等副反应。二苯砜（4）催化剂及添加剂的影响6、水解反应磺化反应的可逆反应硫酸的含水情况对磺化反应和水解反应的影响磺基水解的规律1.有吸电子基的芳磺酸，芳环上的电子云密度较低，磺基难水解；有给电子基的芳磺酸，芳环上的电子云密度比较高，磺基容易水解。（容易上的磺基容易下，难上的磺基也难下）2.介质中H3O＋的浓度越高，水解速度越快，因此磺酸的水解都采用中等浓度的硫酸。3.磺化和水解的速度与温度有关,每升高10℃,磺化速度增加2倍,水解速度增加2.5-3.5倍。(低温、浓硫酸条件下，磺化反应占主导；高温、稀硫酸时，水解反应占主导。)7.磺化生产工艺P13-14（1）液相磺化法（2）气相磺化法（3）烘培磺化法（4）三氧化硫磺化法三、硝化与亚硝化反应1、硝化定义Ar-H+HO-NO2→Ar-NO2+H2O硝化反应是最普遍、最早的有机反应之一（1834年）2、硝化的目的（1）制备氨基（-NH2）化合物：一些染料、药物、聚合物单体（2）利用硝基的强吸电性，使苯环上的其他基团活化，有利于亲核置换芳环亲核置换（3）利用硝基的强极性而赋予有机物新的功能加深染料芳环亲核置换概述NNNH2黄色NNNH2O2N红色非极性溶剂NO2极性溶剂NO2CH3NO2O2NTNT3、硝化反应:亲电取代反应首先NO2+进攻芳环生成л络合物，然后转变为б络合物，最后脱质子生成硝基化合物。3、影响硝化反应的因素(1)被硝化物的性质苯环上有供电子基团（一类基团）时，硝化反应速度明显变快，产物以邻、对位为主。苯环上有强吸电子基团（二类基团）时，硝化反应速度明显减慢，产物以间位为主。苯环上有卤素时，硝化速率减慢，但产物以邻、对位为主。萘和蒽醌的一硝化，主要得到α－硝基萘和α－硝基蒽醌。苯环上硝化反应的定位规则与磺化反应类似。课堂练习：P69第二题(2)硝化剂只有硝酸硝化时，硝酸的用量要超过理论量许多倍，故较少采用。硝酸兼具硝化剂和氧化剂的双重功能，稀硝酸的氧化能力较强，浓硝酸的硝化能力强。最常用的硝化剂是硝酸-硫酸混合物。硝酸加乙酐是没有氧化作用的硝化剂，但乙酐价格贵，较少用。硝化剂会影响所生成硝基异构体的比例。(3)、温度硝化是强烈放热反应，应严格控制反应温度，以免温度过高发生事故。为了提高硝化器的生产能力，应采取各种措施，加强热效应的移出。硝化温度对硝化异构产物的生成有一定影响。(4)、搅拌硝化反应通常是非均相反应，应加强搅拌，有利于传质和传热。4.亚硝化向有机物分子的碳、氮原子上引入亚硝基，生成C—NO键的反应称亚硝化反应。亚硝化也是双分子亲电取代反应。亚硝酸在亚硝化反应中的活性质点是亚硝基阳离子NO+。一般用理论量的亚硝酸钠，在水介质中、在过量的盐酸或硫酸存在下，在0℃左右进行。四、卤化反应1、定义向有机物分子的碳原子上引入卤原子的反应叫做卤化反应，根据引入卤原子得不同可分为氟化、氯化、溴化、碘化。2、目的1，赋予有机化合物新的功能阻燃卤化物2，卤素基团可以被其它官能团亲核置换制备中间体BrBrOHCCH3CH3BrBrOH阻燃剂吸入性麻醉剂：异氟烷催泪瓦斯的主要成分Chlorobenzylidene-malononitrile目的NO2ClNH2NHCOCH3ClO2NNHCOCH3O2NH2NO2N3、卤化剂卤化的三种形式：取代卤化、加成卤化和置换卤化。取代卤化剂主要用卤素（Cl2、Br2、I2），加成卤化剂主要用卤素（Cl2、Br2、I2)和卤氢酸（HCl、HBr、HI），置换卤化剂主要用HF、HCl、HBr、NaF、PCl3、NaBr等。F2活性太强，常用于间接取代，有时需要用惰性气体稀释CH4+4F2CF4+4HF4、芳环上的取代卤化：亲电取代反应（1）机理（2）氯苯的生产苯环氯化反应的特点：催化剂用量很小，少量三氯化铁能溶解在苯中，因此苯的氯化是均相反应。原料苯和氯气都应该是干燥的，苯中水含量达到0.2％以上时，苯的氯化反应不能进行。生成的盐酸还将加快设备的腐蚀和铁环催化剂的消耗，要求原料苯和氯气中水的含量在万分之四以下。环上取代氯化反应为连串反应，由于氯苯的用途比二氯苯大，因此反应深度的控制具有实际的意义。用氯苯的氯化制一氯苯时，Cl2/C6H6物质的量之比应控制在1:4，以减少二氯苯的生成量。5、脂肪烃及芳环侧链上的卤化反应（1）机理脂肪烃及芳环侧链的取代卤化反应，属于自由基反应，这类反应一般分成三个阶段。链的引发：链的传递：链的终止：自由基湮灭关键步骤！（2）氯化甲苯的生产注意：苯环上的亲电取代反应一般在催化剂（AlCl3、FeCl3等）存在条件下发生；苯环支链上的取代为自由基反应，一般需要光照、加热的条件才能下发生。P27甲苯侧链氯化产物是合成染料、药物、香料的重要中间体。P26（3）氯化石蜡的生产国内目前生产的氯化石蜡是C10-30(平均链长C25)的固体石腊烃，用活性白土脱色精制后，在加热熔融状态下通氯气反应，经吹风脱氯化氢后干燥、压滤得到产品。6、置换卤化（1）卤素置换羟基的反应：亲核取代反应卤化氢对醇羟基的置换醇的活性：叔醇仲醇伯醇，叔醇与浓盐酸可顺利反应。对于酚羟基、羧羟基、杂环羟基的卤素置换反应，要用更活泼的反应剂，例如：氯化亚砜SOCl2、PCl3、PCl5等。NNOHOHPOCl3/SOCl2NNClClRCOOHSOCl2/PCl3RCClO+SO2+HCl卤化亚砜和卤化磷对羟基的置换SO2和HCl易挥发，得到的产物容易纯化。（2）卤素置换重氮基ArNH2NaNO2/HXCu+ArX+N2ArN2＋X－7、加成卤化：属于亲电加成反应a.与卤素加成b.与卤化氢加成烯烃和卤化氢的亲电加成一般遵循“马氏规则”：氢一般加在连氢较多的碳原子上，而卤素一般加在连氢少的碳原子上。8、氟化、溴化与碘化（1）氟化氟很活泼，直接氟化放热大，副反应多。必须用惰性气体稀释，低温下进行。6%乙腈溶液F2/N2-35℃F+FF有机卤化物与无机卤化物(NaF、KF、HF)进行卤素交换容易被置换的顺序为IBrClFCCl3+3HFMoCl575℃CF3NO2ClKF23-25℃NO2F（2）溴化：与氯化相似1，Br反应的活性比Cl低，放热量小→缓和，选择性好2，－Br作为离去基团比－Cl更容易一些3，芳环上取代溴化多采用FeBr3、ZnBr2等金属溴化物为催化剂4，溴的水溶液与不饱和化合物迅速发生加成反应，常用于定性或定量检测不饱和度（3）碘化碘的价格昂贵，反应活性弱，反应通常可逆。芳环取代卤化中分子碘是活泼性最低的反应剂，通常要求加入氧化剂(如HNO3、SO3与H2O2等)，使碘化氢氧化成碘。ICl是一种较强的碘化剂，水杨酸或苯胺用ICl碘化时，其反应速度是用I2和KCl作碘化剂的105倍OCH3IClOCH3I课堂练习：P69第三题五、氧化反应1、概述狭义地说，有机物的氧化指的是在氧化剂的存在下，有机物分子中增加氧、减少氢或者两者兼而有之的反应。为了使氧化反应按一定的方向进行，并且只氧化到一定程度，使目的产物具有良好的选择性、收率和质量，且成本低、工艺简单，就要求选择合适的氧化剂、氧化方法和最佳反应条件。化学氧化空气氧化液相空气氧化气相空气氧化氧化反应的分类：空气价廉易得，不消耗价格较高的化学氧化剂，但氧化能力较弱（高T，高P，Cat）操作简便，特别是用于制备产量小、价值高的精细有机化工产品。电解氧化1、液相空气氧化工业上常用来生产有机酸、有机过氧化物。液体有机物在Cat作用下，通入空气来完成，多采用鼓泡型反应器；适用面较广，反应温度比较低(100-250℃)，反应的选择性较好。RH+O2CatR-COOHCH3Co(Ac)2COOH+O2200℃/30atm用NaBr作促进剂（1）反应历程：自由基反应（1）链的引发：被氧化物R—H均裂为R˙和H˙；（2）链的传递：R˙与空气中的氧反应，生成R－O－O˙和有机过氧化氢R－O－O－H；（3）链的终止：R˙或R－O－O˙转变为稳定的化合物。若R—O—O—H在反应条件下是稳定的，可成为最终产物，若不稳定可进一步分解生成醇、醛、酮、酚、羧酸或有机过氧化羧酸等产物。生成醛酮生成羧酸生成醇（2）注意形成自由基的稳定性：叔C·仲C·伯C·最终产物与被氧化物的结构有关（a）异丙苯生成的过氧化氢物，由于没有α-氢原子，在氧化条件下是比较稳定的，可以成为氧化的最终产物；（b）甲苯生成的过氧化氢物，有两个α-氢，在反应条件下不够稳定，将分解并进一步转变为苯甲醇、苯甲醛和苯甲酸。2、气相空气氧化（1）特点优点：反应温度高，反应速度快，生产能力大，不用溶剂，后处理简单。缺点：要求被氧化原料和氧化产物有足够的热稳定性和化学稳定性，要能优选出性能良好的催化剂。难以得到活性高、选择性好的Cat有机物的蒸汽和空气的混合物，在固Cat的催化作用下反应。（2）催化剂V2O5作主催化剂，助催化剂各不相同P33（3）实例CCOOOCH3CH3[O][O]CCOOO烃类的氨氧化反应P34CH2CHCH3NH3/O2CH2CHCN丙烯腈KMnO4MnO2Na2Cr2O7CrO3HNO3优点：反应条件较稳和，操作简便，选择合适的化学氧化剂可制备多种类型的产品，特别是用于制备产量小、价值高的精细有机化工产品。缺点：价格较贵，产生三废，设备生产能力低，腐蚀设备。3、化学氧化常用催化剂：(1)高锰酸钾氧化能力强，选择性差，价格贵。主要用于将—CH3、—CH2OH或—CHO氧化成—COOH，酸性介质中氧化性强，中型或碱性介质中较温和。KMnO4被还原成不溶性的MnO2。优点是操作简单，产品易分离。(2)二氧化锰温和氧化剂，一般在各种浓度硫酸中使用，MnO2被还原成MnSO4。例如，对氯甲苯氧化成对氯苯甲醛等。(3)硝酸在钒催化剂存在下使用时，硝酸被还原成的N2O。优点是价廉，对于某些氧化反应选择性好，收率高，工艺简单。缺点是腐蚀性强，有废气需处理。主要用于环己酮/醇混合物的开环