第七章 精細有機合成中的溶劑效應與催化

第七章精細有機合成中的溶劑效應與催化第一頁，共十六頁，2022年，8月28日8.1溶劑的分類和性質(zhì)根據(jù)溶劑是否具有極性和能否放出質(zhì)子，可將溶劑分成四類：(1)極性質(zhì)子溶劑這類溶劑極性強，介電常數(shù)大，具有能電離的質(zhì)子，水、醇是常用的極性質(zhì)子溶劑，人民最顯著的特點是能同負離子或強電負性元素形成氫鍵，從而可對負離子產(chǎn)生很強的溶劑化作用。第二頁，共十六頁，2022年，8月28日(2)極性非質(zhì)子溶劑又稱偶極非質(zhì)子溶劑或惰性質(zhì)子溶劑，其介電常數(shù)大于15，偶極矩大于2.5D，故具有較強的極性。由于這類溶劑一般含有電負性的氧原子（如C=O,S=O,P=O）,而且氧原子周圍無空間障礙，因此，能對正離子產(chǎn)生很強的溶劑化作用。相反在這類溶劑的結(jié)構(gòu)中正電性部分一般包藏于分子內(nèi)部，故難于對負離子發(fā)生溶劑化。如：DMF,DMSO,CEG,HMPA等。(3)非極性質(zhì)子溶劑(4)非極性非質(zhì)子溶劑第三頁，共十六頁，2022年，8月28日8.2精細有機合成中的溶劑效應溶劑效應：溶劑對合成反應所產(chǎn)生的影響稱為溶劑效應。一、溶劑和溶質(zhì)之間的相互作用力大量溶劑分子和少量溶質(zhì)分子之間的相互作用力可分為三大類：（1）庫侖力：即靜電吸引力，它包括離子－離子力和離子－偶極力。（2）范德華力：亦稱內(nèi)聚力，它包括偶極－偶極力（定向力）、偶極－誘導偶極力（誘導力）和瞬間偶極－誘導偶極力（色散力）。（3）專一性力：包括氫鍵締和作用、電子對給體/電子對受體相互作用（電荷轉(zhuǎn)移力）、溶劑化作用、離子化作用、離解作用和增溶性相互作用等。第四頁，共十六頁，2022年，8月28日二、離子化及離解作用離子原：在固體時具有分子晶體的偶極型化合物，在液態(tài)時它仍以分子狀態(tài)存在，但是當它與溶劑發(fā)生作用時可以形成離子。例如鹵化物RX、氫化物HX和金屬有機化合物等。離子體：在晶體態(tài)時是離子型的，而在熔融狀態(tài)以及在稀溶液中則只以離子形式存在的化合物，例如金屬鹵化物等二元鹽。離子化過程：離子原的共價鍵發(fā)生異裂產(chǎn)生離子對的過程。離解過程：離子對（締和離子）轉(zhuǎn)變?yōu)楠毩㈦x子的過程。溶劑化作用：化合物A-B在溶劑中溶解時，溶劑與溶質(zhì)（電解質(zhì)）間發(fā)生特殊的相互作用，使溶質(zhì)改變原來的形態(tài)形成溶液，通常把這種作用叫做溶劑化作用。離子對：具有共同溶劑化層、電荷相反的成對電子，在溶劑中離子對和獨立離子對處于平衡狀態(tài)。第五頁，共十六頁，2022年，8月28日第六頁，共十六頁，2022年，8月28日三、偶極非質(zhì)子溶劑與離子或分子的作用偶極非質(zhì)子溶劑是極性或可極化化合物的良好溶劑?；衔锶苋脒@些溶劑中，正離子和負離子的溶劑化程度并不相同，這是因為在偶極非質(zhì)子溶劑的分子結(jié)構(gòu)中，常含有電負性的氧原子（如C=O,S=O,P=O）,負電中心位于氧上，而且氧原子周圍無空間障礙，因此特別容易和正離子發(fā)生離子－偶極相互作用，即溶劑與正離子產(chǎn)生很強的溶劑化作用。而偶極非質(zhì)子溶劑的分子結(jié)構(gòu)中，正極部分空間阻礙較大，故難于對負離子發(fā)生溶劑化。如：DMF（N，N－二甲基甲酰胺）,DMSO（二甲基亞砜）,CEG,HMPA（六甲基磷酰胺）等。第七頁，共十六頁，2022年，8月28日四、溶劑對親核取代反應速度的影響溶劑化效應對飽和碳上的親核取代反應影響很大。在極性溶劑中，反應物（如鹵代烷）受溶劑的作用，容易發(fā)生鍵的異裂，由于所得的正離子和負離子北一層溶劑分子所包圍，離子重新結(jié)合成分子的傾向減小，從而有利于經(jīng)碳正離子中間體進行的但分組親核取代反應。但是負離子親核試劑在這類溶劑中的強溶劑化對雙分子親核取代反應卻很不利，因為必須消耗能量打破親核試劑的“溶劑包圍層”，才能形成SN2的過渡態(tài)。和極性質(zhì)子溶劑相反，偶極非質(zhì)子溶劑對親核試劑不發(fā)生溶劑化，或者溶劑化作用很小，此親核試劑為“自由離子”，這類“自由離子”，的親核性很高，故偶極非質(zhì)子溶劑能大大促進SN2反應的進行。如利用鹵素交換制備氟代烷反應：第八頁，共十六頁，2022年，8月28日8.3有機反應對溶劑的要求溶劑對合成體系中反應物有較好的溶解性，或者使反應物在溶劑中能良好分散。溶劑對反應物和產(chǎn)物不發(fā)生化學反應，不影響體系中催化劑的活性。溶劑容易從反應物中回收，損失少，不影響精化產(chǎn)品后處理及提純。溶劑本身在反應條件下及回收溶劑過程中是穩(wěn)定的。溶劑盡可能不需要太高的技術(shù)安全措施。溶劑的毒性小，含溶劑廢水容易處理。溶劑的價格便宜，供應方便。

第九頁，共十六頁，2022年，8月28日8.4精細有機合成與催化催化劑是一種能改變給定反應的速度，但不參與化學計量的物質(zhì)。催化劑能使反應按新的途徑，通過一系列基本步驟進行，催化劑是其中第一步的反應物，最后一步的產(chǎn)物，亦即催化劑參與了反應，但經(jīng)過一次化學循環(huán)后又恢復原來的組成。催化劑之所以能加速反應是走一條新的反應途徑，降低總反應的活化能來實現(xiàn)的。第十頁，共十六頁，2022年，8月28日8.5均相催化作用均相催化作用：催化劑與反應物處于同一物相，反應在整個相同的體系內(nèi)發(fā)生。均相催化反應可分為氣相的和液相的均相反應兩種。(1)均相酸堿催化作用(2)均相絡(luò)合催化作用(3)金屬絡(luò)合物催化劑及催化作用第十一頁，共十六頁，2022年，8月28日8.6相轉(zhuǎn)移催化相轉(zhuǎn)移催化（PhaseTransferCatalysisPTC）反應屬于兩相反應，一相是含鹽、酸、堿的水溶液或其固體，另一相是溶有反應物質(zhì)的有機介質(zhì)溶液。相轉(zhuǎn)移催化作用能使離子化合物與不溶于水的有機物質(zhì)在低極性溶劑中進行反應，或加速這些反應。最常用的催化劑是鎓鹽，或是能與堿金屬絡(luò)合而成增溶性的絡(luò)合劑。這種催化劑的基本作用是將反應鹽的陰離子以離子對的形式轉(zhuǎn)移到有機介質(zhì)中，由于陰離子未被溶劑化，所以相轉(zhuǎn)移活性很大。第十二頁，共十六頁，2022年，8月28日一、相轉(zhuǎn)移催化原理及相轉(zhuǎn)移催化劑用于合成反應的相轉(zhuǎn)移催化劑應滿足兩項基本要求：一是能把所需的離子帶入有機相中；二是有利于離子迅速進行反應。在陰離子反應中，常用的相轉(zhuǎn)移催化劑是季銨鹽類Q+X-。另一類相轉(zhuǎn)移催化劑是聚醚，其中主要以鏈狀聚乙二醇、二烷基醚合環(huán)狀冠醚。其特點是：催化能力很強。第十三頁，共十六頁，2022年，8月28日第十四頁，共十六頁，2022年，8月28日二、相轉(zhuǎn)移催化反應條件的選擇（1）反應的溶劑選擇可考慮的溶劑有：二氯甲烷、氯仿、石油醚、甲苯、氯苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯等。（2）PTC的結(jié)構(gòu)選擇選擇的季銨陽離子既具有較好的親油性，又具有一定的親水性。目前使用較多的是：C6H5CH2N+(C2H5)3Cl-,(C8H17)3N+CH3Cl-,(C4H9)4N+Cl-（3）相轉(zhuǎn)移催化劑用量及分離再生一般每摩爾的有機反應物使用0.005－0.1mol的季銨鹽。第十