精細(xì)化學(xué)品合成原理-第2章-精細(xì)有機(jī)合成基礎(chǔ)1-2

12023/8/22復(fù)習(xí)－提問親電試劑親核試劑第一類定位基團(tuán)，舉例第二類定位基團(tuán)，舉例為下列定位基團(tuán)分類，并按發(fā)生取代反應(yīng)的難易排序：

-CHO,

-OH,

-NO2,

-OCH3,

-Cl,

-N+(CH3)322023/8/22一、反應(yīng)歷程以苯的一元親電取代為例，其反應(yīng)過程可表示如下：σ絡(luò)合物又叫惠蘭特中間體或碳正離子中間體K-1k1k2化學(xué)反應(yīng)所經(jīng)歷的途徑或過程，又稱反應(yīng)機(jī)理。2.1芳香族親電取代的定位規(guī)律32023/8/221、定位規(guī)律EAAEAEAE++①決定反應(yīng)的難易——以苯的相對反應(yīng)速率為標(biāo)準(zhǔn)，分為活化基和鈍化基②決定反應(yīng)的位置——以鄰對位產(chǎn)率60%為標(biāo)準(zhǔn)，分為鄰對位基和間位基理論平均值：40%40%20%定位基團(tuán)二、苯的二元親電取代反應(yīng)42023/8/22表2-1鄰、對位定位基和間位定位基定位效應(yīng)強(qiáng)度取代基電子效應(yīng)綜合性質(zhì)鄰、對位定位最強(qiáng)-O-給電子誘導(dǎo)效應(yīng)、給電子共軛效應(yīng)活化基強(qiáng)NR2、NHR、NH2、OH、OR吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)小于給電子共軛效應(yīng)*給電子誘導(dǎo)效應(yīng)，給電子超共軛效應(yīng)中OCOR、NHCOR弱NHCHO、C6H5、CH3*、CR3*弱F、Cl、Br、I、CH2Cl、CH=CHCOOH、CH=CHNO2吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)大于給電子共軛效應(yīng)間位定位強(qiáng)COR、CHO、COOR、CONH2、COOH，SO3H、CN、NO2、CF3**、CCl3**吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)、吸電子共軛效應(yīng)**只有吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)鈍化基最強(qiáng)NH3+、NR3+吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)52023/8/22三、苯環(huán)上的已有取代基的定位規(guī)律及影響因素1、已有取代基的電子效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)(Inductiveeffect)

（I）：由電負(fù)性大小決定。共軛效應(yīng)（T）：包括π-π共軛和p-π共軛。＋I(xiàn):供電子-I:吸電子＋T:供電子-T:吸電子62023/8/22有+I，無T：如-C2H5，-CH3

（1）使σ-配合物穩(wěn)定，活化苯環(huán)；（2）使鄰、對位取代產(chǎn)物更穩(wěn)定；（3）為鄰、對位定位基。72023/8/22有-I，無T：如-N+(CH3)3、-CF3、-CCl3等（1）使σ-配合物均不穩(wěn)定，使苯環(huán)鈍化；（2）使鄰、對位取代產(chǎn)物更不穩(wěn)定；（3）為間位定位基。82023/8/22有-I，-T：如-NO2、-CN、-COOH、-CHO等（1）誘導(dǎo)效應(yīng)與共軛效應(yīng)作用一致；（2）則使苯環(huán)鈍化；（3）間位定位基。92023/8/22有+I，+T：如-O-、-CH3

（1）共軛效應(yīng)與誘導(dǎo)效應(yīng)作用一致；（2）則使苯環(huán)活化；（3）鄰、對位定位基。102023/8/22有-I，+T，且|-I|<|+T|：如-OH、-OCH3、-NH2、-N(CH3)2、-NHCOCH3等（1）誘導(dǎo)效應(yīng)與共軛效應(yīng)作用不一致，共軛效應(yīng)作用大于誘導(dǎo)效應(yīng)，使苯環(huán)活化；（2）使鄰、對位取代產(chǎn)物更穩(wěn)定；（3）鄰、對位定位基。

112023/8/22有-I，+T，且|-I|>|+T|：如-F,-Cl,-Br,-I等（1）總效果使苯環(huán)電子云密度降低；（2）使取代基鄰、對位電子云密度低于間位；（3）鄰、對位定位基。122023/8/22兩類定位基：鄰、對位定位基（第一類定位基）：

-O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3,-F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等。間位定位基（第二類定位基）：

-N+(CH3)3,-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO,-COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3等。132023/8/222、已有取代基的空間效應(yīng)已有取代基的空間效應(yīng)Ro/p-CH31.66-C2H50.90-CH(CH3)20.41-C(CH3)30.12(1)在極性效應(yīng)相差不大時，已有取代基體積越大，鄰位異構(gòu)產(chǎn)物的比例越小。

表一硝化（AcONO2,0℃)產(chǎn)物異構(gòu)體比例142023/8/22(2)當(dāng)極性效應(yīng)起主導(dǎo)作用時，結(jié)果可能相反。Xo/p-F0.15-Cl0.55-Br0.77-I0.83

表一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25℃)產(chǎn)物異構(gòu)體比例152023/8/223、親電試劑的活潑性（電子效應(yīng)）親電試劑的活潑性越高，親電取代反應(yīng)速度越快，反應(yīng)的選擇性越低。親電試劑的活潑性越低，親電取代反應(yīng)速度越低，反應(yīng)的選擇性越高。162023/8/22異構(gòu)產(chǎn)物比例，％反應(yīng)類型氯化C-酰化C-烷化反應(yīng)條件Cl2(CH3COOH,25℃)CH3COCl(AlCl3,C2H4Cl2,25℃)C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)kT/kB3401282.47表親電試劑活潑性的影響172023/8/224、親電試劑的空間效應(yīng)5、新取代基的空間效應(yīng)

親電試劑／新引入取代基的體積越大，鄰位產(chǎn)物越少。

表甲苯C-烷化反應(yīng)新引入基團(tuán)對異構(gòu)體比例的影響新引入基團(tuán)反應(yīng)條件異構(gòu)產(chǎn)物比例，％鄰位間位對位CH3CH3Br(GaBr3,C6H5CH3,45℃)55.79.934.4C2H5C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)38.421.040.6CH(CH3)2CH(CH3)2Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)26.226.247.2C(CH3)3C(CH3)3Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)032.167.9182023/8/222.1芳香族親電取代的定位規(guī)律6、反應(yīng)的可逆性對于不可逆的親電取代反應(yīng)，電子效應(yīng)對定位起主導(dǎo)作用，即各異構(gòu)產(chǎn)物的生成比例主要取決于各異構(gòu)物的δ配合物中間體的相對穩(wěn)定性。對于可逆的親電取代反應(yīng)，則是空間效應(yīng)對定位效應(yīng)起主要作用，即各異構(gòu)產(chǎn)物的生成比例主要取決于各異構(gòu)產(chǎn)物之間的空間位阻和平衡關(guān)系。192023/8/222.1芳香族親電取代的定位規(guī)律6、反應(yīng)的可逆性對于不可逆的親電取代反應(yīng)，電子效應(yīng)對定位起主導(dǎo)作用，即各異構(gòu)產(chǎn)物的生成比例主要取決于各異構(gòu)物的δ配合物中間體的相對穩(wěn)定性。對于可逆的親電取代反應(yīng)，則是空間效應(yīng)對定位效應(yīng)起主要作用，即各異構(gòu)產(chǎn)物的生成比例主要取決于各異構(gòu)產(chǎn)物之間的空間位阻和平衡關(guān)系。202023/8/22溫度

（1）通常情況下，溫度升高，親電取代反應(yīng)活性增高，選擇性下降。混酸硝化0℃5％94％1％40℃7％91％2％90℃13％85％2％7、反應(yīng)條件的影響212023/8/22

（2）使不可逆的磺化、C-烷化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡娣磻?yīng)，從而影響產(chǎn)物異構(gòu)體的比例。實例1：磺化磺化222023/8/22實例2：232023/8/22反應(yīng)介質(zhì)硝化反應(yīng)介質(zhì)++乙酸酐約92％少量約8％

硫酸約30％少量約70％242023/8/22催化劑的影響

（1）改變E+的極性效應(yīng)或空間效應(yīng)。（2）改變反應(yīng)歷程。磺化磺化HgSO4催化252023/8/22已有兩個取代基為同一類型定位基，且處于間位，則定位作用一致。已有兩個取代基為同一類型定位基，且處于鄰、對位，則定位作用不一致——取決于定位能力的強(qiáng)弱。四、苯環(huán)上已有兩個取代基的定位規(guī)律主產(chǎn)物少量262023/8/22已有兩個取代基為不同類型定位基，且處于鄰、對位，則定位作用一致。已有兩個取代基為不同類型定位基，且處于間位，則定位作用不一致——取決于第一類定位基。272023/8/22(1)苯環(huán)上已有取代基的定位效應(yīng)具有加和性。

(2)當(dāng)苯環(huán)上已有兩個取代基對新取代基的定位效應(yīng)不一致時，新取代基進(jìn)入苯環(huán)的位置取決于已有取代基定位效應(yīng)的強(qiáng)弱。通?；罨亩ㄎ恍?yīng)大于鈍化基的定位效應(yīng)；鄰、對位的定位效應(yīng)大于間位的定位效應(yīng)?；罨亩ㄎ恍?yīng)有下列強(qiáng)弱次序：

O-＞NR2＞NH2＞OH＞NHCOCH3＞X＞CH3(3)當(dāng)苯環(huán)上兩個取代基都是鈍化基時，很難再進(jìn)入新取代基。鈍化基的定位效應(yīng)有下列強(qiáng)弱次序：

N(CH3)3+＞NO2＞CN＞SO3H＞COOH＞CHO＞COCH3

(4)新取代基一般不進(jìn)入1,3-取代苯的2位。苯的多元親電取代反應(yīng)的定位規(guī)律282023/8/22292023/8/22302023/8/22練習(xí)3：在下述兩題中，各選擇一條更好的合成路線。-BrCH3Br2/FeH2SO4H2SO4CH3SO3HBr2/FeKMnO4COOHCOOHBr2/FeCH3SO3H-BrCH3CH3CH3COOHCOOH-Br??-BrCH3Br2/FeKMnO4CH3312023/8/22練習(xí)4：選擇合理的合成路線氯化、磺化①ClSO3H②NO2COCH3?；⑾趸疌lCl2/FeH2SO4HNO3/H2SO4CH3COCl/AlCl3COCH3NO2？322023/8/22NO2BrCOOHCH3③氧化、硝化、溴化④CH3NO2BrCOOH硝化、溴化、氧化CH3BrCH3溴化？注1：引入第三個基團(tuán)時，前兩個基團(tuán)的定位作用一致更好。KMnO4COOHNO2COOHHNO3H2SO4Br2/FeNO2BrCH3KMnO4HNO3H2SO4Br2/FeCH3NO2BrCOOH？332023/8/22五、萘環(huán)的定位規(guī)律

萘的結(jié)構(gòu)X－射線衍射結(jié)果：萘分子中，18個原子共平面。∴萘分子中亦有離域現(xiàn)象，單、雙鍵鍵長趨于平均化（但未完全平均化）。

OHa-萘酚–OHb-萘酚342023/8/22五、萘環(huán)的定位規(guī)律萘環(huán)的特性

（1）比苯環(huán)更易發(fā)生親電取代反應(yīng)。α-位β-位352023/8/22

（2）α位比β位的親電取代反應(yīng)活性高，E+優(yōu)先進(jìn)攻α位。

（3）某些反應(yīng)在一定條件下可逆，使低溫反應(yīng)產(chǎn)物以α位為主，高溫反應(yīng)產(chǎn)物以β位為主。＜60℃磺化＞160℃磺化160℃異構(gòu)化原因解釋:362023/8/22已有一個取代基的定位作用（1）已有一個第一類取代基

大多使萘環(huán)活化，新取代基進(jìn)入已有取代基的同環(huán)。372023/8/22

（2）已有一個第二類取代基

使苯環(huán)鈍化，新取代基進(jìn)入異環(huán)的α位。382023/8/22六、蒽醌環(huán)的定位規(guī)律蒽醌環(huán)的特點（1）親電取代反應(yīng)活性低；（2）兩個邊環(huán)具有等同性；（3）α位比β位活潑。392023/8/22蒽醌環(huán)的定位規(guī)律催化劑的影響磺化磺化HgSO4催化402023/8/222.2化學(xué)反應(yīng)的計量學(xué)反應(yīng)物的摩爾比限制反應(yīng)物和過量反應(yīng)物過量百分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化率選擇性理論收率質(zhì)量收率原料消耗定額單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率412023/8/222.2化學(xué)反應(yīng)的計量學(xué)對具體產(chǎn)品選擇和確定技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上最合理的合成路線和工藝路線。對單元反應(yīng)確定最佳工藝條件、合成技術(shù)和完成反應(yīng)的方法。422023/8/221、合成路線：指的是選用什么原料，經(jīng)由哪幾個單元反應(yīng)來制備目的產(chǎn)品。如苯酚的生產(chǎn)可以有好幾條合成路線，它們各有優(yōu)缺點。2、工藝路線：指的是對原料的預(yù)處理（提純、粉碎、干燥、熔化、溶解、蒸發(fā)、汽化、加熱）和反應(yīng)物的后處理（蒸餾、精餾、吸收、吸附、萃取、結(jié)晶、冷凝、過濾、干燥等）應(yīng)采用哪些化工過程（單元操作）、采用什么設(shè)備和什么生產(chǎn)流程等。3、反應(yīng)條件：指的是反應(yīng)物的摩爾比，主要反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率（反應(yīng)深度）、反應(yīng)物的濃度，反應(yīng)過程的溫度、時間和壓力以及反應(yīng)劑、輔助反應(yīng)劑、催化劑和溶劑的使用和選擇等。這些將結(jié)合到產(chǎn)品生產(chǎn)制備過程中講，討論影響反應(yīng)的因素。4、合成技術(shù)：主要指的是非均相接觸催化、相轉(zhuǎn)移催化、均相絡(luò)合催化、光有機(jī)合成和電有機(jī)合成以及酶催化等。5、完成反應(yīng)的方法：主要指的是間歇操作和連續(xù)操作的選擇，反應(yīng)器的選擇和設(shè)計。432023/8/22

為完成化工生產(chǎn)，我們必須對所涉及的物料性質(zhì)有充分了解，歸納起來有以下幾點：（1）物料在一定條件下的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性以及貯存穩(wěn)定性（包括與空氣和水分長期接觸的穩(wěn)定性）等。（2）熔點（凝固點）、沸點、在不同溫度下的蒸汽壓；物料在水中的溶解度、水在液態(tài)物料中的溶解度；物料與水是否形成共沸物，以及共沸溫度和共沸物組成等。（3）相對密度、折光率、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、蒸發(fā)熱、揮發(fā)性和粘度等。（4）閃點、爆炸極限和必要的安全措施。（5）毒性，對人體的危害性，在空氣中的允許濃度，必要的防護(hù)措施以及中毒的急救措施。（6）物料的商品規(guī)格、各種雜質(zhì)和添加劑的允許含量、價格、供應(yīng)來源、包裝和貯運(yùn)要求等。442023/8/22化學(xué)計量比12投料摩爾數(shù)510.7反應(yīng)物的摩爾比12.14

一、反應(yīng)物的摩爾比

指加入反應(yīng)器中的幾種反應(yīng)物之間的物質(zhì)的量（摩爾）之比。例如：2.2化學(xué)反應(yīng)的計量學(xué)452023/8/22二、限制反應(yīng)物和過量反應(yīng)物化學(xué)計量比12投料摩爾數(shù)510.7投料摩爾比12.14

化學(xué)反應(yīng)物不按化學(xué)計量比投料時，以最小化學(xué)計量數(shù)存在的反應(yīng)物叫做限制反應(yīng)物，而投入量超過限制反應(yīng)物完全反應(yīng)的理論量的反應(yīng)物叫做過量反應(yīng)物。限制反應(yīng)物過量反應(yīng)物462023/8/22三、過量百分?jǐn)?shù)Ne——過量反應(yīng)物的物質(zhì)的量；Nt——與限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所消耗的過量反應(yīng)物物質(zhì)的量。

過量反應(yīng)物超過理論量部分占所需理論量的百分?jǐn)?shù)，叫做過量百分?jǐn)?shù)。過量百分?jǐn)?shù)＝472023/8/22例：化學(xué)計量比12投料摩爾數(shù)510.7投料摩爾比12.14硝酸過量百分之多少？硝酸的過量百分?jǐn)?shù)＝限制反應(yīng)物過量反應(yīng)物482023/8/22四、轉(zhuǎn)化率(X)

某一反應(yīng)物A反應(yīng)掉的量nA,R占其投料量nA,in的百分?jǐn)?shù)叫做反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率XA。XA＝nA,RnA,in×100％×100％nA,out-nA,innA,in＝492023/8/22五、選擇性(S)

某一反應(yīng)物A轉(zhuǎn)化為目的產(chǎn)物P時，化學(xué)計量系數(shù)是a/p，設(shè)A輸入和輸出反應(yīng)器的物質(zhì)的量為nA,in和nA,out，實際生成目的產(chǎn)物P的物質(zhì)的量為nP，理論上應(yīng)消耗的A的物質(zhì)的量為nPa/p。則由A生成P的選擇性S為：aA＋bB=pPSA＝nPapnA,R×100％＝×100％nPapnA,in－nA,out502023/8/22六、理論收率(Y)

當(dāng)輸入反應(yīng)物A的物質(zhì)的量為nA，in時，實際得到的目的產(chǎn)物P的物質(zhì)的量nP占理論應(yīng)得到的目的產(chǎn)物P的物質(zhì)的量的百分?jǐn)?shù)，叫做理論收率。YP＝×100％nPapnA,inYP＝×100％nPapnA,inY＝S×X512023/8/22例：100mol89mol2mol少量+焦油X苯胺＝100－2100×100％＝98％S＝＝90.82％89×1×100％100－2Y＝X苯胺×S＝98％×90.82％＝89.0％89100×1×100％＝+522023/8/22七、總收率

指反應(yīng)物經(jīng)過預(yù)處理、化學(xué)反應(yīng)和后處理之后，所得目的產(chǎn)物的總收率。例：將前述例題中生成對氨基苯磺酸的反應(yīng)物通過分離精制后，得到87mol的對氨基苯磺酸，則分離過程的收率為：總收率：532023/8/22八、質(zhì)量收率(Y質(zhì))例：

目的產(chǎn)物的質(zhì)量占輸入主反應(yīng)物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，叫做質(zhì)量收率。質(zhì)量100kg163.5kg純度99％≥98％相對分子量93231.2542023/8/22九、原料消耗定額

每生產(chǎn)一噸產(chǎn)品需要消耗的各種原料的量（噸或千克）叫做原料消耗定額。對主要反應(yīng)物來說，它實際上就是質(zhì)量收率的倒數(shù)。質(zhì)量100kg163.5kg純度99％≥98％相對分子量93231.2例：苯胺的消耗定額＝100×99%/163.5×98%＝0.618t＝618kg552023/8/22九、單程轉(zhuǎn)化率(X單)和總轉(zhuǎn)化率(X總)

，—反應(yīng)物A輸入和輸出反應(yīng)器的物質(zhì)的量，—反應(yīng)物A輸入和輸出全過程的物質(zhì)的量X單＝nA,inRnA,outRnA,inR－×100％X總＝nA,inSnA,outSnA,inS－×100％nA,outRnA,inRnA,outSnA,inS562023/8/22例：在苯一氯化制氯苯時，為了減少副產(chǎn)二氯苯的生成量，每100mol苯用40mol氯，反應(yīng)產(chǎn)物中含38mol氯苯，1mol二氯苯，還有61mol未反應(yīng)的苯，經(jīng)分離后可回收60mol苯，損失1mol苯，如下圖所示：572023/8/22582023/8/22302.3化學(xué)反應(yīng)器化學(xué)反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)和材料上的基本要求是：傳質(zhì)、傳熱、操作方式、機(jī)械強(qiáng)度和耐蝕性等。592023/8/22

化學(xué)反應(yīng)器是反應(yīng)原料在其中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、生成目的產(chǎn)物的設(shè)備?；瘜W(xué)反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)和材料上必須滿足以下要求：（1）對反應(yīng)物料（特別是非均相的氣液反應(yīng)物、液液反應(yīng)物、氣固反應(yīng)物、液固反應(yīng)物、氣液固三相反應(yīng)物）提供良好的傳質(zhì)條件，便于控制反應(yīng)物系的濃度分布，以利于反應(yīng)的順利進(jìn)行；（2）對反應(yīng)物料（特別是強(qiáng)放熱或強(qiáng)吸熱的反應(yīng)物系）提供良好的傳熱條件，便于熱效應(yīng)的移除或供給，以利于反應(yīng)物系的溫度控制；（3）在反應(yīng)的溫度、壓力和介質(zhì)條件下，具有良好的力學(xué)強(qiáng)度和耐腐蝕性能；（4）能適應(yīng)反應(yīng)器的操作方式（間歇操作或連續(xù)操作）。2.