第五章-(有机合成)相转移催化剂的应用

有机合成方法与技术讲课教师：宋林花第五章相转移催化剂及在有机合成中的应用相转移催化作用原理相转移催化剂相转移催化在有机合成中的应用相转移催化近期的发展1913年首次报道了下面的实验结果：n-C8H17ClNaCNn-C16H33P(n-Bu)3Brn-C8H17CN+(H2O)+-1.8h回流2周无反应99%相转移催化(Phasetransfer)，简称PT，是20世纪70年代以来在有机合成中应用日趋广泛的一种新的合成技术。波兰M.Makosza，瑞典A.Brändströn，美国C.M.Starks1971年提出“PTC”概念二、相转移催化作用原理1、定义（1971年，C.M.Starks提出）当两种反应物分别处于互不相溶的两相中时，彼此不能反应。加入第三种物质后，由于它的作用，反应得以迅速进行。这种作用称为相转移催化作用，这种物质称为相转移催化剂。PTC：phasetransfercatalysisPTC包括液-液固-液，气-液中性条件下的反应碱性条件下的反应2、相转移催化机理C8H17ClNaCNC8H17CNNaCl有机相水相有机相水相QXNaCNNaXQCNQXRCNRXQCN水相界面有机相季铵盐亲核试剂相转移目的产物负离子交换离子对相转移有机反应物++++++++++------PTC：相转移催化剂，具有“搬运”离子的作用，“搬运工”。问题：若反应需在水相中进行呢？“逆相相转移催化剂”！相转移催化剂的要求具备形成离子对的条件;或能与反应物形成复合离子。有足够的碳原子，以便形成的离子对具有亲有机溶剂的能力。R的结构位阻应尽可能小，R基为直链居多稳定并便于回收实现工业化的条件用量少，效率高，自身不消耗或失去转移特定离子的能力；制备简单，价格合理；毒性小。3、PTC特点优点（1）不使用昂贵的特殊溶剂，且不要求无水操作，简化了工艺；（2）由于相转移催化剂的存在，使参加反应的负离子具有较高的反应活性；（3）具有通用性，应用广泛。缺点催化剂价格较贵。（二）PTC分类常用的相转移催化剂分：鎓盐类、冠醚和非环多醚三大类1、鎓盐类:中心原子、中心原子上的取代基和负离子三部分组成。价廉，毒性小，应用广泛。R4NXR4PXR4AsXR4SbXR4BiX优点1：R、X可调性大，PTC选择范围宽常用：Cl-，Br-，HSO4-R：一般为C2~C16之间的烷基，总碳数＞12或＞16一般总碳数15~25之间较好（总碳数的多少，决定亲脂性）X-，HSO4-，OH-，RO-，BH4-，BF4-，CN-，ONO2-，ClO4-，IO4-，SCN-催化剂英文缩写名催化剂英文缩写(CH3)4NBrTMAB(C8H17)3NCH3ClTCMAC(C3H7)4NBrTPABC6H13N(C2H5)3BrHTEAB(C4H9)4NBrTBABC8H17N(C2H5)3BrOTEAB(C4H9)4NITBAIC10H21N(C2H5)3BrDTEAB(C4H9)4NClTBACC12H25N(C2H5)3BrLTEAB(C2H5)3C6H5CH2NClTEBACC16H33N(C2H5)3BrCTEAB(C2H5)3C6H5CH2NBrTEBABC16H33N(CH3)3BrCTMAB(C4H9)4NHSO4TBAHS(C8H17)3NCH3BrTOMAC优点2：R中含有特殊官能团时，效果更好。R3NOHOHR'-+β-OH易与OH-形成氢键，使难萃取的OH-进入有机相。缺点：R4NX稳定性较R4PX差，但R4PX较贵。鎓盐的总结：1）分子量比较大的鎓盐比分子量小的鎓盐具有较好的催化效果。2）具有一个长碳链的季铵盐，其碳链愈长，效果愈好。3）对称的季铵盐离子比具有一个碳链的季铵离子的催化效果好，例如四丁基铵离子比三甲基十六烷基铵离子的催化效果好。4）季磷盐的催化性能稍高于季铵盐，季磷盐的热稳定性也比相应的铵盐高。5）含有芳基的铵盐不如烷基铵盐的催化效果好。常用的有TEBAC三乙基苄基氯化铵TOMAC三辛基甲基氯化铵2、冠醚类冠醚类也称非离子型相转移催化剂。它们具有特殊的络合功能，它的化学结构特点是分子中具有（Y—CH2CH2—）n重复单位；式中Y为氧、氮或其他杂原子，由于它们的形状似皇冠，故称冠醚。冠醚能与碱金属形成络合物，这是由于冠醚的氧原子上的未共用电子对向着环的内侧，当适合环的大小正离子进入环内，则由于偶极形成电负性的碳氧键和金属正离子借静电吸引形成络合物。同时，又有疏水性的亚甲基均匀排列在环的外侧形成的金属络合物仍能溶于非极性有机介质中。（1）冠醚、穴醚PTCNOONOOOO穴醚[2.2.2]OOOOO15C5OOOOOO18C6OOOOOODB18C6OOOOOODC18C6NHOONHOO4,13-diaza-18C6（2）冠醚作为PTC的作用机制OOOOOOK+MnO4-OOOOOOK+CN-RBr+KCNRCN+KBr18-C-6+KCN+KBr18-C-6Br(CH2)12BrNC(CH2)12CN“伪”正离子有机相水相或固相有机相水相或固相18-C-6与钾离子的作用图示18-C-6在不同介质中的结构图示（3）冠醚作为PTC的特点Ⅰ.易与无机盐离子络合，促使固体反应物进入有机相，实现S-LPTC。Ⅱ.常为中性配体，不引入其它负离子。Ⅲ.优良的配位能力及配位选择性。Ⅳ.较昂贵，制备困难，有毒性如：KMnO4不溶于苯，加入18-C-6搅拌后，苯层变为紫色。（2）章鱼状化合物*1974年首次合成，六取代苯衍生物，形似章鱼。水溶性油状物，对阳离子有极强配位能力，萃取能力比相应冠醚溶液更强。臂短或少时，萃取能力降低。SOOORSOOORSOOORSOOORSOOORSOOOROctopusmoleculesorOctopuscompoundsSOOORSOOORM+RRRR3、开链多醚类（1）聚乙二醇类（PEG）polyethyleneglycol如：PEG–600，PEG–800，PEG–400等。开链聚醚容易得到，无毒，蒸汽压小，价格低廉。在使用过程中，不受孔穴大小的限制，具有反应条件温和、操作简便以及产率较高等优点，是理想的冠醚替代物。常用的有三种：OHCH2CH2OHn（2）聚氧乙烯脂肪醇类（PEG）C12H25OCH2CH2OHn（3）聚氧乙烯烷基酚类（PEG）HCH2CH2OC8H17OOn4、三相催化剂Triphasetransfercatalyst1975年，S.L.Regen首次报道了支载的三烷基苄铵盐的应用，提出“三相催化剂”这一术语。高分子载体催化剂（Polymer-supportedPTC）称为三相催化剂，这是种不溶性的固体催化剂，用于加速水－有机溶剂两相体系反应。该催化剂的高分子部分是有机硅的聚合体或苯乙烯与20%的二乙烯基苯交联的聚苯乙烯，分子中10％的苯环被活性基取代。活性基大致分三类：即鎓盐型、冠醚型和共溶剂型问题：以上三类PTC的共同缺点是反应完后PTC的回收不易！若将PTC联接到聚合物载体上，将具有保存、分离、回收方便等优点！（1）三相催化剂种类负载季铵盐：CH2-CHZnCl2CH2-CHCH2ClCH2-CHCH2NR3ClR3N()nHCHO+HCl()n()n+-形成季铵盐速写为：负载季磷盐：n=2~4粒度：60~100目或100~200目CH2NR3Cl+-PsPs：聚苯乙烯polystyreneAlCl3CH2BrP(n-Bu)3N2CH2P(n-Bu)3BrPs+-+PsBr(CH2)nBr()nPs()n90℃110℃负载冠醚：无机载体负载的PTC：OSiOO(CH2)3P(n-Bu)3Br+-OOOOOOCH2NHPsOOOOOO(CH2)nOCH2PsCH2C2H5N(CH2)9OOOOOOPS（2）负载PTC的特点操作简便，易自动化、工业化PTC易回收、易分离，可循环使用，不污染环境产物易分离纯化负载催化剂活性比未负载时低（3）负载PTC应用实例*95%PhOHn-C4H9BrNaOHPhOC4H9-n++同上NaOHPh-C=CH2CH3CHCl3Ph-CCH2ClClCH3++同上97%99%PhCH2ClNaCNCH2N(CH3)2n-BuClPhCH2CN+-PS++H2O1、卤代烷的制备（RI、RF）CH3(CH2)7BrKIPTCCH3(CH2)7IKBr++CH2Cl2NaIPTCClCH2ICH2I2++n-C16H33P(n-Bu)3Br-PTC:+（1）RI的制备四、相转移催化法在有机合成中的应用（一）不用碱的相转移催化取代反应通式：RXQYRYQXPTC++Y：CN-X-RCOO-SH-碳—碳键的形成在药物合成中间体占有重要地位，用来增长碳链。应用相转移催化进行C—烷基化反应已很广泛。具有活泼氢的化合物的C—烷基化反应，经典方法是在强碱如NaH，NaNH2，t—C4H9OK，RONa等催化下，消除一个质子形成碳负离子，再与卤代烃进行烷基化反应。这类反应常常须在无水条件下进行，不仅操作条件苛刻，而且试剂昂贵；而相转移催化方法可使这类反应在浓氢氧化钠溶液和有机溶剂两相体系中，于较温和条件下进行，可有较好的选择性和较高的收率。（2）RF的制备n-C16H33P(n-Bu)3BrRCH2XKFRCH2FKX-+++or18C6X：Cl、BrNO2O2NClKFCH3CNNO2O2NF+18C6100%CH3COClKFCH3COF+18C6KFBr+18C6100%100%（3）长链醇制长链卤代烷ROHRClZnCl2+HCl+H2OR≤C4~C6n-C16H33P(n-Bu)3BrROHRCl-++HCl+H2OR：C6~C162、腈的制备PTCRXKCNNaCNRCNKXNaX++不同RX的反应速度：1°RX＞2°RXPTC：鎓盐、冠醚（18C6、15C5）由氰乙酸甲酯合成丙戊酸类抗癫痫药中间体时形成的碳—碳键，也可用固液相相转移催化合成反应；收率可达96%。蒽酮用卤代烃进行C—烷基化时，也可不同程度的产生O—烷基化反应。例如蒽酮在30%氢氧化钠水溶液中，以二氯甲烷为溶剂和氯化三乙基苄铵作相转移催化剂，用不同的卤代烃，收率和产物各不相同。3、酯的制备RCOOAgR'XRCOOR'AgX++＜5%RCOOKR'XRCOOR'KXPTCCH3CN++(1)(s)高产率PTC：鎓盐、冠醚、穴醚RCOO-进入有机相，亲核性增强！RCOOHR3NR'XRCOOR'R3NR'X++++-2)RCOOHR3NRCOONHR3+R3NR'XR3NR'X++-（二）有外加碱的相转移催化反应C、O、N的烷基化碳-碳叁键、双键等的亲核加成α、β、γ消除反应水解反应等底物去质子化后变为负离子再参与反应。4、其它取代反应RXKSCNKSHNaNO3NaNO2RSHRSCNRONORONO2RXNHOOn-C16H33P(n-Bu)3BrC6H5CH3NOOR+NaOHaqNH2-NH2RNH2＞80%对比：2、N-烷基化COCONHKOHRICOCON-RH+COOHCOOHRNH2H2O+1、O-烷基化（合成醚）RXR'OHn-Bu4NHSO4ROR'+50%NaOH＞80%醇、酚RX≠3°RX3、C-烷基化RXCHPTCCRR1R2R3+50%NaOHR1R2R3R1、R2、R3中至少有一个为吸电基：-COOR、-CN、-C6H5、-COCH3等。PTC：n-Bu4NBr、n-Bu4NCl、n-Bu4NHSO4、18C6、DC18C6、穴醚等。4、加成和缩合反应（1）乙炔亲核加成RHCNPhHR'(C2H5)4NBrNaOH/DMSORCNPhHHR'+(s)（2）Michael加成CH2COOEtR'CORCHCHCHOPTCKOHR'CO-CHCOOEtCHCH2CHOR+22CH3CNO2NO2K+CH2=CHCOOCH3CH3CNO2NO2CH2CH2COOCH3(C4H9)4NCl+PTCH2OPTC:PEG-600高效柴油十六烷值改进剂的合成:反应温