《精細(xì)有機(jī)合成與工藝》 第三章 精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)

第三章精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)一、概述二、化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量學(xué)三、化學(xué)反應(yīng)器（略）四、精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)五、氣固相接觸催化（略）六、相轉(zhuǎn)移催化PTC（PhaseTransferCatalysis）七、均相配位催化八、光有機(jī)合成：自學(xué)九、電解有機(jī)合成：自學(xué)

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)一、概述

對一具體產(chǎn)品，工藝學(xué)上要解決的問題主要包括：合成路線的確定、原料預(yù)處理方法、反應(yīng)方式及反應(yīng)條件的選擇、產(chǎn)物后處理方法、工藝流程的組織等。這些問題既要從技術(shù)角度考慮，又要從經(jīng)濟(jì)角度考慮，還要從對環(huán)境的影響（污染物、付產(chǎn)物的處理與排放）上考慮。應(yīng)使得最終產(chǎn)品高質(zhì)量、高收率、成本最低。

精細(xì)有機(jī)合成反應(yīng)過程主要特點(diǎn)有：產(chǎn)品種類多、原料多、反應(yīng)種類多（各種單元反應(yīng)）、反應(yīng)形式多（均相：氣相、液相，非均相：氣－液、氣－固、液－固等，光有機(jī)合成、電解有機(jī)合成、酶催化等）、催化劑多（Cat.有固相、液相、氣相，還有光、熱引發(fā)等）。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-概述

原料、產(chǎn)物、催化劑之間縱橫交錯(cuò)。如同一種產(chǎn)品可以用不同的原料、不同的催化劑、或不同的反應(yīng)形式得到。例如，苯酐的合成，既可以用萘、也可以用鄰二甲苯作原料，既可以用固定床、也可以用流化床反應(yīng)器反應(yīng)得到。再如苯酚的合成，工業(yè)上可以采用的路線有5條：如苯磺化堿熔法、氯苯催化水解法、異丙苯氧化法、甲苯氧化法等。

精細(xì)有機(jī)合成過程的復(fù)雜性，給工藝路線選擇帶來很大困難。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-概述工藝（技術(shù)）路線選擇的主要原則①原料價(jià)廉可靠。在一般生產(chǎn)中，原料成本是產(chǎn)品成本的主要部分。要考慮：首先選擇價(jià)格便宜、來源可靠的原料；還要考慮原料的質(zhì)量和輔助原料的供應(yīng)。②技術(shù)先進(jìn)可靠?？紤]目前生產(chǎn)合理的現(xiàn)實(shí)意義與持續(xù)生產(chǎn)的長遠(yuǎn)意義。技術(shù)先進(jìn)包括能使用廉價(jià)可靠的原料、先進(jìn)的反應(yīng)裝置、高效的催化劑、設(shè)備少、流程短、能耗低、污染物少、以及管理方便、操作安全等。③產(chǎn)品合格化和綜合利用。符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(國家、行業(yè)、企業(yè))。④環(huán)境保護(hù)：切實(shí)可行。⑤特殊材料及設(shè)備：來源有保證或有代用品。⑥消耗指標(biāo)：主要原材料消耗指標(biāo)、熱、能耗指標(biāo)低。技術(shù)路線選擇的合適與否，最終表現(xiàn)在消耗指標(biāo)上。

工藝學(xué)包含的內(nèi)容很多。其中原料的預(yù)處理方法及產(chǎn)物的后處理方法，涉及有關(guān)單元設(shè)備及流程的問題，在化工原理和精細(xì)化工過程及設(shè)備課中講述。有關(guān)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器方面的問題，在化學(xué)反應(yīng)工程課中講述。因此這兩部分內(nèi)容本章不作介紹。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-概述

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)二、化學(xué)反應(yīng)的計(jì)量學(xué)（9個(gè)基本概念）1、反應(yīng)物的摩爾比：

加入反應(yīng)器中的反應(yīng)物之間的摩爾比。根據(jù)反應(yīng)需要而定，不一定與化學(xué)計(jì)量比相同。2、限制反應(yīng)物和過量反應(yīng)物：

不按化學(xué)計(jì)量比投料時(shí)，其中以最小化學(xué)計(jì)量數(shù)存在的反應(yīng)物叫限制反應(yīng)物。而某種反應(yīng)物的量超過限制反應(yīng)物完全反應(yīng)的理論量，則該物叫過量反應(yīng)物。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-化學(xué)計(jì)量學(xué)3、過量百分?jǐn)?shù)：

過量反應(yīng)物超過限制反應(yīng)物所需理論量部分占所需理論量的百分?jǐn)?shù)叫過量百分?jǐn)?shù)。即

過量百分?jǐn)?shù)

=100%×（ne—nt）/nt

式中，ne-過量反應(yīng)物的摩爾數(shù)，nt-與限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所消耗的摩爾數(shù)。

例：氯苯的二硝化

ClC6H5+2HNO3ClC6H3(NO2)2

＋2H2O

化學(xué)計(jì)量比12

投料摩爾數(shù)5.0010.70∴ne=10.70,nt=10.0,過量%=(10.7-10)/10=7%

或按照書上(P.40.)的計(jì)算方法。(書上的投料化學(xué)計(jì)量數(shù)指將反應(yīng)物均折算成1:1的比例)。限制反應(yīng)物過量反應(yīng)物精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-化學(xué)計(jì)量學(xué)4、轉(zhuǎn)化率：通常以X表示。

某反應(yīng)物A反應(yīng)掉的量(nA,R)占反應(yīng)器輸入量(nA,in)的百分?jǐn)?shù)。XA＝（nA,R

/nA,in

）×100％＝100％×(nA,in—nA,out)/nA,in反應(yīng)器原料

A產(chǎn)物P

式中，nA,out

－從反應(yīng)器輸出的A量。注意：一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，用不同反應(yīng)物作基準(zhǔn)所得轉(zhuǎn)化率不同。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-化學(xué)計(jì)量學(xué)5、選擇性：（以S表示）

某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物理論消耗的摩爾數(shù)占該反應(yīng)物在反應(yīng)中實(shí)際消耗掉的總摩爾數(shù)的百分?jǐn)?shù)。對反應(yīng)：S＝100％×（np

(a/p)/(nA,in—nA,out)反應(yīng)器原料A產(chǎn)物P

式中，np

－生成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)。反應(yīng)：

aApP精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-化學(xué)計(jì)量學(xué)6、理論收率(以Y表示)

指某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)占輸入的該反應(yīng)物摩爾數(shù)的百分?jǐn)?shù)。對反應(yīng)：Yp＝（np

(a/p)/nA,in）×100％

式中，np

－生成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)。反應(yīng)：aApP

轉(zhuǎn)化率、選擇性、理論收率三者之間的關(guān)系：

Y=S.X(3-5)

例題見P.41.。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-化學(xué)計(jì)量學(xué)7、質(zhì)量收率：（以Y質(zhì)表示）

目的產(chǎn)物的質(zhì)量占某一輸入反應(yīng)物質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。

Y質(zhì)=(所得目的產(chǎn)物的質(zhì)量/某輸入反應(yīng)物的質(zhì)量)×100%

例題，P.42.上部。8、原料消耗定額：

生產(chǎn)一噸產(chǎn)品需要消耗的原料量。（對主要反應(yīng)物來說，實(shí)際上是質(zhì)量收率的倒數(shù)）精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-化學(xué)計(jì)量學(xué)9、單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率

某些反應(yīng)過程，反應(yīng)物一次經(jīng)過反應(yīng)器后的轉(zhuǎn)化率并不高，有時(shí)很低。因此有時(shí)需將主反應(yīng)物從產(chǎn)物中分離后循環(huán)使用，有時(shí)甚至是多次循環(huán)使用。故有單程轉(zhuǎn)化率和總轉(zhuǎn)化率之分。如

單程轉(zhuǎn)化率＝[(nRA,in-nRA,out)/nRA,in]×100%

循環(huán)A

反應(yīng)物A

反應(yīng)器

分離器

產(chǎn)物

總轉(zhuǎn)化率＝[(nSA,in

-nSA,out)/nSA,in]×100%R：反應(yīng)器；S：全過程例題：P.42.。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-化學(xué)計(jì)量學(xué)苯的單程轉(zhuǎn)化率＝[(100-61)/100]×100%=39.00%C6H6,60

C6H6,100

反應(yīng)器

分離器

產(chǎn)物例題：（P.42.）C6H6,61C6H5Cl,38C6H5Cl2,1C6H6,1C6H5Cl,38C6H5Cl2,1每100mol苯用40mol氯（為減少二氯苯的生成量）苯的總轉(zhuǎn)化率＝[(100-61)/(100-60)]×100%=97.50%生成氯苯的選擇性＝[(38×1/1)/(100-61)]×100%=97.44%

生成氯苯的總收率＝[(38×1/1)/(100-60)]×100%=95.00%

或97.50%×97.44%=95.00%

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)四、精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)1、概述2、溶劑的分類3、離子化作用和離解作用4、溶劑靜電效應(yīng)對反應(yīng)速度的影響(Houghes-Ingold規(guī)則)5、專一性溶劑化作用對SN反應(yīng)速度的影響6、有機(jī)反應(yīng)中溶劑的使用和選擇精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

1、概述（1）溶劑對有機(jī)反應(yīng)的影響溶劑的作用：①溶解作用；②影響反應(yīng)機(jī)理。

溶劑不僅有溶解作用，而且對反應(yīng)產(chǎn)生重要影響。主要是通過與反應(yīng)物或產(chǎn)物發(fā)生各種相互作用來影響反應(yīng)過程。如可提高反應(yīng)選擇性(提高主反應(yīng)速度、抑制副反應(yīng))、影響反應(yīng)歷程、反應(yīng)方向和立體化學(xué)等。因此，了解并合理選擇溶劑具有重要意義。概述（2）溶液和溶解作用溶液：溶質(zhì)溶解于溶劑而形成的均態(tài)混合物體系。主要的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是“相似相溶”。但也有例外。影響溶解作用的主要因素：①分子間引力的相互作用。即相同分子間引力與不同分子間引力的相互關(guān)系。②由分子的極性所引起的締合程度。③溶劑化作用。④溶劑和溶質(zhì)的分子量。⑤溶劑活性基團(tuán)的種類和數(shù)目。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

概述（3）溶劑和溶質(zhì)之間的相互作用力大量溶劑和少量溶質(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(VanderWaals)力：亦稱“內(nèi)聚力”。它包括偶極-偶極力(定向力)、偶極-誘導(dǎo)偶極力(誘導(dǎo)力)和瞬時(shí)偶極-誘導(dǎo)偶極力(色散力)。③專一性力：它包括氫鍵締合作用、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、離解作用和憎溶劑相互作用等。

前兩類力是普遍存在的非專一性力。第三類分子間力是只有在一定結(jié)構(gòu)之間才能發(fā)生的、有一定方向的專一性力。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

2、溶劑的分類（根據(jù)目的不同有多種方案，各有局限性）（1）按化學(xué)結(jié)構(gòu)分類:分無機(jī)溶劑和有機(jī)溶劑。（2）按偶極矩μ和介電常數(shù)ε分類

（3）按Lewis酸堿理論分類

（4）按Brφnsted酸堿理論分類

（5）按其起氫鍵給體的作用分類

（6）按專一性溶質(zhì)溶劑相互作用分類

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類（1）按化學(xué)結(jié)構(gòu)分類:分為無機(jī)溶劑和有機(jī)溶劑。無機(jī)溶劑：種類少。

主要有：水、液氨、液體二氧化硫、氟化氫、濃硫酸、熔融氫氧化鈉和氫氧化鉀、熔融的氯化鋅、三氯化鋁和五氯化銻、四氯化鈦、三氯化磷和三氯氧磷等。有機(jī)溶劑：非常多。

如脂烴、環(huán)烷烴、芳烴、鹵代烴、醇、酚、醚、醛、酮、羧酸及其酯、胺、腈、酰胺、亞砜、砜、硝基化合物、雜環(huán)化合物、季銨鹽等。

總之，在反應(yīng)條件下（主要T、P）能成為液態(tài)的物質(zhì)或混合物都可以用作溶劑。（2）按偶極矩μ和介電常數(shù)ε分類

偶極矩μ和介電常數(shù)ε是表示溶劑極性的兩個(gè)重要參數(shù)，因此該分類法具有重要的實(shí)際意義。

按偶極矩μ分類：偶極矩：正、負(fù)電荷中心間的距離r和電荷中心所帶電量q的乘積，叫做偶極矩μ＝r×q。它是一個(gè)矢量，方向規(guī)定為從正電荷中心指向負(fù)電荷中心。

偶極矩的計(jì)量單位：法定計(jì)量單位：庫侖.米(C.m)。常用單位：Debye(德拜，D)。1D＝3.33564×10-30C.m。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類

按偶極矩μ和介電常數(shù)ε分類

按偶極矩μ分類：

分子呈電中性，但因空間構(gòu)型的不同，正負(fù)電荷中心可能重合，也可能不重合（電荷不對稱）。前者稱為非極性分子，后者稱為極性分子，分子極性大小用偶極矩μ來度量。

說明：根據(jù)討論的對象不同，偶極矩可以指鍵偶極矩，也可以是分子偶極矩。分子偶極矩可由鍵偶極矩經(jīng)矢量加法后得到。實(shí)驗(yàn)測得的偶極矩可以用來判斷分子的空間構(gòu)型。例如，同屬于AB2型分子，CO2的μ=0，可以判斷它是直線型的；H2S的μ≠0，可判斷它是折線型的。可以用偶極矩表示極性大小。鍵偶極矩越大，表示鍵的極性越大；分子的偶極矩越大，表示分子的極性越大。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類

按偶極矩μ和介電常數(shù)ε分類

按偶極矩μ分類：

永久偶極矩：在電中性分子中由于電荷不對稱而產(chǎn)生的偶極矩叫永久偶極矩。如氯苯、酰胺等P.52.。

誘導(dǎo)偶極（矩）：沒有永久偶極矩的溶劑分子在外電場的作用下會(huì)分離出電荷而產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極（矩）。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類

按偶極矩μ分類：

對有機(jī)溶劑（μ=0～5.5D）：

偶極矩主要影響在溶質(zhì)(分子或離子)周圍的溶劑分子的定向作用。μ>2.5D溶劑為極性溶劑，（永久偶極）

μ<2.5D（非質(zhì)子弱極性溶劑）為非極性溶劑

如氯苯(1.54D)、乙酸乙酯(1.78D)為非極性溶劑。（雖有永久偶極）精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類

按介電常數(shù)ε分類：

介電常數(shù)(permeablity):

介質(zhì)在外加電場時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，原外加電場(真空中)與最終介質(zhì)中電場比值即為介電常數(shù)(permeablity),又稱誘電率。或：電容器極板間充滿電介質(zhì)時(shí),電容增大的倍數(shù)叫做電介質(zhì)的介電常數(shù),用ε表示。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類

按介電常數(shù)ε分類：

有機(jī)溶劑的介電常數(shù)ε約在2(環(huán)己烷、正己烷)~190(N-乙基甲酰胺)之間。附常見溶劑的介電常數(shù)如下：

H2O(水)78.5

HCOOH(甲酸)58.5

HCON(CH3)2(N,N-二甲基甲酰胺)36.7

CH3OH(甲醇)32.7

C2H5OH(乙醇)24.5

CH3COCH3(丙酮)20.7

n-C6H13OH（正己醇）13.3

CH3COOH(乙酸或醋酸)6.15

C6H6(苯)2.28

CCl4(四氯化碳)2.24

n-C6H14

（正己烷）1.88精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類

按介電常數(shù)ε分類：

ε>15～20，為極性溶劑；

ε<15～20，為非極性溶劑。（μ<2.5D的為非極性溶劑）

溶劑的極性越強(qiáng)、極化作用越大、介電常數(shù)越大。極化作用：具有永久偶極或誘導(dǎo)偶極的溶劑分子被充電的電容器板強(qiáng)制形成一個(gè)有序排列，即引起所謂的“極化作用”。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類

溶劑化作用：每個(gè)被溶解的分子(或離子)被（一層或幾層）溶劑分子所包圍的現(xiàn)象。

溶劑化作用是一種十分復(fù)雜的現(xiàn)象（它包括溶劑與溶質(zhì)之間所有專一性和非專一性相互作用的總和），很難用一個(gè)簡單的物理量來表示，習(xí)慣上常常用偶極矩或介電常數(shù)表示，但這兩個(gè)物理量只能反映溶劑的一部分性質(zhì)或某種作用。盡管如此，在實(shí)際應(yīng)用中還是具有重要意義的。

溶劑化作用是溶劑極性的本質(zhì)。溶劑的“極性”，反應(yīng)的就是它的總的溶劑化能力。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類

溶劑極性參數(shù)：也是一種表示溶劑極性的嘗試。溶劑實(shí)驗(yàn)極性參數(shù)的種類很多，其中最常用的是Er(30)值。即第30號(hào)染料在不同溶劑中的最長波長溶劑化顯色吸收譜帶的躍遷能，見P.53.。只能作為參考。第30號(hào)染料R1=R2=H，R3=C6H5精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類（3）按Lewis酸堿理論分類（美國，路易斯）酸－電子對受體(EPA，ElectronicPairAccept)；堿－電子對給體(EPD,ElectronicPairDevote)。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類Lewis酸包括：●正離子（Li+、Na+

、K+不表現(xiàn)為Lewis酸）●含有價(jià)殼層未充滿原子的化合物，如BX3、AlCl3●具有極性雙鍵的分子（如羰基的分子）●含有價(jià)殼可擴(kuò)展的原子的化合物，SnCl4、HgCl2Lewis堿包括：●負(fù)離子●具有孤對電子的中性分子，如NH3、H2O、CO2●含有碳-碳雙鍵的分子，如CH2=CH2按Lewis酸堿理論分類:分為電子對受體溶劑和電子對給體溶劑

電子對受體溶劑：具有一個(gè)缺電子部位或酸性部位，是親電試劑，能擇優(yōu)地使電子對給體分子或負(fù)離子溶劑化。最重要的這類溶劑含有羥基、氨基、羧基和酰胺基等基團(tuán)，如水、醇、酚和羧酸等。(負(fù)離子溶劑化溶劑)

電子對給體溶劑：具有一個(gè)富電子部位或堿性部位，是親核試劑，能擇優(yōu)地使電子對受體分子或正離子溶劑化。最重要的電子對給體是醇類、醚類和羰基化合物中的氧原子以及氨類和N-雜環(huán)化合物中的N原子，它們都具有孤對n-電子。如六甲基磷酰三胺，N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、甲醇、水和吡啶等。(正離子溶劑化溶劑)精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類按Lewis酸堿理論分類注意：①大多數(shù)溶劑都是兩性的，如水，既有受體作用（利用形成氫鍵）又有給體作用（利用氧原子）。但許多溶劑只突出一種性質(zhì)，如N,N-二甲基甲酰胺，由于位阻因素，酰胺基N原子不易作為電子對受體，主要是利用其中的氧原子作為電子對給體使正離子溶劑化。②極性溶劑才能按此法分類，某些溶劑如烷烴和環(huán)烷烴就不能納入此類分法(既不具有電子對受體也不具有電子對給體)。

硬軟酸堿原則(HSAB原則)：即硬酸容易與硬堿結(jié)合，軟酸容易與軟堿結(jié)合。

“硬”、“軟”的劃分是以電負(fù)性的高低為原則。硬酸和硬堿一般都具有低的極化度，軟酸與軟堿一般都是可極化的。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類（4）按Brφnsted酸堿理論分類(丹麥，布朗斯特，1923)

酸－質(zhì)子給體（任何能釋放質(zhì)子的物種）堿－質(zhì)子受體（任何能結(jié)合質(zhì)子的物種）注意：無鹽的概念；酸堿具有相對概念：酸堿可以是分子、正離子、負(fù)離子；酸堿概念決定于兩種反應(yīng)物質(zhì)的相對酸堿強(qiáng)度：

HClO4(酸)+H2SO4（堿）ClO4-（堿）+H3SO4+（酸）

(質(zhì)子酸堿理論，只適用于包含有質(zhì)子轉(zhuǎn)移的反應(yīng))

（水、醇、酚為兩性溶劑）精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類

（5）按其起氫鍵給體的作用分類按此分類方法分為：質(zhì)子傳遞型溶劑和非質(zhì)子傳遞型溶劑。

氫鍵定義：當(dāng)與電負(fù)性大的原子共價(jià)結(jié)合的H原子與另一個(gè)電負(fù)性大的原子（如O、N等）形成第二個(gè)鍵時(shí)，這第二個(gè)鍵就叫氫鍵。

氫鍵給體(質(zhì)子給體)：電子對受體。如羥基、氨基、羧基、酰胺基等。

氫鍵受體：電子對給體。如醇、醚、羰基化合物中的氧原子以及氨類和雜環(huán)化合物中的N原子。

氫鍵的形成示例：R-X-H＋:Y-R'R-X-H…Y-R'氫鍵給體氫鍵受體精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類（6）按專一性溶質(zhì)溶劑相互作用分類

按此分類方法分為三類：

也叫Parker分類法，見P.55.圖3-12。

三者的主要區(qū)別在于溶劑的極性以及它們形成氫鍵的能力。

注意：該分類法也不夠嚴(yán)謹(jǐn)。因?yàn)橛行┤軇┎荒苊鞔_歸類。如醚類、羧酸酯類等。見表中類別之間的框中的化合物。

非質(zhì)子傳遞非極性溶劑非質(zhì)子傳遞極性溶劑質(zhì)子傳遞型溶劑精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-溶劑的分類

質(zhì)子傳遞性溶劑：除乙酸及其同系物外，都是強(qiáng)極性。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

3、離子化作用和離解作用（1）離子原和離子體電解質(zhì)的分類：電解質(zhì)離子原離子體離子體：在晶態(tài)時(shí)是離子型的。在熔融狀態(tài)以及在稀溶液中也只以離子形式存在的化合物。(無論什么狀態(tài)下均以離子態(tài)存在)。如：金屬鹵化物等二元鹽。離子原：在固態(tài)時(shí)具有分子晶格的偶極型化合物，在液態(tài)時(shí)它仍以分子狀態(tài)存在。但是當(dāng)它與溶劑作用時(shí)可以形成離子。(即無溶劑時(shí)是分子態(tài)，只有與溶劑作用時(shí)可形成離子，“給溶劑提供離子”)。如：鹵化氫、烷基鹵、金屬有機(jī)化合物等。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-離子化作用和離解作用（2）離子化過程和離解過程

離子化過程：離子原的共價(jià)鍵發(fā)生異裂產(chǎn)生離子對的A

過程。

離解過程：離子對(締合離子)轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)立離子的過程。

離子對：具有共同溶劑化層、電荷相反的成對離子。

在溶劑中這些離子類型之間的關(guān)系如P.56.(3－26)所示，處于平衡狀態(tài)。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-離子化作用和離解作用離子化過程和離解過程示意圖如下（P.56）離子化離子原[A—B]溶[A＋B－]離子體溶劑化[A＋B－]溶離解締合[A＋]溶+[B－]溶溶劑化的離子對（締合離子）溶劑化的正離子溶劑化的負(fù)離子

（溶劑化的獨(dú)立離子）

在溶劑中這些離子類型之間，處于平衡狀態(tài)。

溶劑的性質(zhì)不僅影響溶液中離子對和獨(dú)立離子的比例，而且影響離子(正離子或負(fù)離子)的反應(yīng)活性。（3）溶劑介電常數(shù)對離解過程的影響E離子-離子＝(Z1+.Z2-)/(ε.r2)

式中，E離子-離子－離子與離子相互作用的勢能（靜電吸引力）；Z－正離子和負(fù)離子的電荷；r－離子間的距離；ε－介電常數(shù)。

該式表明，兩種電荷相反的離子之間的靜電吸引力(庫侖力)與溶劑的介電常數(shù)成反比。(ε越大，吸引力越小)。ε足夠大，使異性電荷之間的靜電吸引力E顯著降低，能夠使離子對離解為獨(dú)立離子的溶劑，稱為“離解性溶劑”。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-離子化作用和離解作用溶劑介電常數(shù)對離解過程的影響ε>40，強(qiáng)極性溶劑，溶質(zhì)在其中幾乎不存在離子締合作用。但強(qiáng)極性容易引起離子的溶劑化作用，從而妨礙離子的自由運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)活性。這類溶劑如甲酸、甲酰胺、二甲基亞砜、環(huán)丁砜等。水的介電常數(shù)特別高(ε＝78.4),所以離子對在水中幾乎完全離解。僅在濃度很高時(shí)，才能明顯觀察到離子締合作用。因此水常常作為離子型反應(yīng)的溶劑。(對有機(jī)反應(yīng)，水往往不合適)。ε＝20～40，中等極性溶劑，如乙醇、丙酮、硝基苯、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺等。在這類溶劑中，獨(dú)立離子和締合離子的比例取決于溶劑和電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)(如離子大小、電荷分布、氫鍵締合的離子對、離子的專一性溶劑化作用等)，如在丙酮(ε＝20.7)中，鹵化鋰是很弱的電解質(zhì)，而四烷基鹵化銨則強(qiáng)烈離解。ε<10～15，非極性（弱）溶劑。如烴類、三氯甲烷、1,4-二氧六環(huán)、乙酸等，在這類溶劑中實(shí)際上觀測不出自由離子。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-離子化作用和離解作用（4）離子原的離子化方式：（變成離子對）離子原的離子化方式(有三種)：

溶劑的離子化能力主要取決于溶劑必須具有強(qiáng)的電子對給體(EPD)或電子對受體(EPA)的能力。這樣才能使離子原的共價(jià)鍵異裂為離子鍵。而并不是取決于有較高的介電常數(shù)。EPD(電子對給體)進(jìn)攻

EPA(電子對受體)進(jìn)攻

雙進(jìn)攻

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-離子化作用和離解作用離子原的離子化方式EPD進(jìn)攻：通過進(jìn)攻離子原中共價(jià)鍵的正端使正離子溶劑化。而負(fù)離子基本沒有被溶劑化，這種自由的或裸(露)的負(fù)離子成為高活性的反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)。如六甲基磷酰三胺溶劑使金屬有機(jī)化合物離子化的過程：

[(CH3)2N]3P=O+Cl-Mgδ+

—

δ-CH2C6H5,具體過程見P.57.。

EPA進(jìn)攻：與EPD進(jìn)攻恰好相反，使負(fù)離子溶劑化。例子見P.57.。

雙進(jìn)攻：一種EPD溶劑和一種EPA溶劑或一種兩性溶劑同時(shí)進(jìn)攻離子原的正端和負(fù)端，使正離子和負(fù)離子都溶劑化。如P.57.兩性溶劑H2O使HCl的正離子(H+)和負(fù)離子(Cl-)都溶劑化。....精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-離子化作用和離解作用（5）離解性溶劑和離子化溶劑

離子化溶劑：有強(qiáng)的EPD性質(zhì)或EPA性質(zhì)、能使離子原離子化成離子對的溶劑。

使離子原離子化成離子對的決定因素是溶劑必須具有強(qiáng)的EPD性質(zhì)或EPA性質(zhì)。而由離子對離解成獨(dú)立離子，則溶劑必須具有高的介電常數(shù)。

離解性溶劑：具有高的介電常數(shù)、能夠使離子對離解為獨(dú)立離子的溶劑。非質(zhì)子強(qiáng)極性溶劑屬此類。

水既有很高的介電常數(shù)，又可起EPD作用和EPA作用，所以水既是離解性溶劑，又是離子化溶劑。六甲基磷酰三胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、吡啶也都既是離解性溶劑，又是離子化溶劑。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-離子化作用和離解作用

離解性溶劑和離子化溶劑K離子化K離解

用三苯基氯甲烷離子原作溶質(zhì)，可以鑒別各種溶劑的離子化能力和離解能力。如在SO2溶劑中：[(C6H5)3Cδ+—Clδ-

]SO2[(C6H5)3C+·Cl-]SO2（黃色無導(dǎo)電性）

[(C6H5)3C+]SO2

＋[Cl-]SO2(黃色，有導(dǎo)電性)精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-離子化作用和離解作用離解性溶劑和離子化溶劑表3-1是三苯基氯甲烷在各種溶劑中的離子化平衡常數(shù)。

三苯基氯甲烷在間甲酚(ε＝11.8)和甲酸(ε＝58.5)溶劑中的K離子化值都相當(dāng)大（3600和3100，見表3-1，即強(qiáng)烈離子化），說明間甲酚和甲酸都是好的離子化溶劑。但是在間甲酚中則只微弱地離解（即導(dǎo)電性低），說明間甲酚不是離解性溶劑（ε?。６诩姿嶂袆t強(qiáng)烈的離解（ε大），說明甲酸是離解性溶劑。

雙溶劑可以促進(jìn)離子原的離子化。故有時(shí)反應(yīng)使用雙溶劑（離子化溶劑和離解性溶劑配合使用）。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-離子化作用和離解作用4、溶劑靜電效應(yīng)對反應(yīng)速度的影響(Houghes-Ingold規(guī)則)

（1）Houghes-Ingold規(guī)則：（通過形成過渡態(tài)時(shí)電荷密度的變化來判斷溶劑極性對反應(yīng)速度的影響）Houghes和Ingold采用過渡狀態(tài)理論來處理溶劑對反應(yīng)速度的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常遇到的反應(yīng)，其過渡態(tài)大都是偶極型活化配合物，它們在電荷分布上比相應(yīng)的起始反應(yīng)物常常有明顯的差別。Houghes-Ingold對這類反應(yīng)的宏觀溶劑效應(yīng)，用靜電效應(yīng)作了概括，即根據(jù)從起始反應(yīng)物變?yōu)榛罨浜衔飼r(shí)，電荷密度的變化來判斷溶劑極性對反應(yīng)速度的影響：①若電荷密度增加，則增加溶劑極性使反應(yīng)速度加快；②若電荷密度降低，則增加溶劑極性使反應(yīng)速度減慢；③若電荷密度變化很小或不變化，則溶劑極性的變化對反應(yīng)速度影響極小。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-離子化作用和離解作用精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

（2）Houghes-Ingold規(guī)則的應(yīng)用：溶劑對親核取代反應(yīng)的影響

該規(guī)則對許多偶極型過渡態(tài)反應(yīng)，如親核取代反應(yīng)、消除反應(yīng)、不飽和體系的親電加成和親電取代反應(yīng)可以用來預(yù)測其溶劑效應(yīng)。P.58.表3－2是對各種SN1和SN2反應(yīng)的溶劑效應(yīng)的預(yù)測。與表3－2相應(yīng)的具體實(shí)例，見隨后的1、2、3三個(gè)反應(yīng)。Houghes-Ingold規(guī)則的應(yīng)用表3－2親核取代反應(yīng)速率的預(yù)測溶劑效應(yīng)反應(yīng)類型起始反應(yīng)物活化配合物活化過程的電荷變化溶劑極性的增加對反應(yīng)速率的影響●

（a）SN1（b）SN1（c）SN2（d）SN2（e）SN2（f）SN2R—XR—X+

Y+R—XY－

+R－XY+R—X+Y－

+R—X+

Rδ+

…Xδ－

Rδ+

…Xδ+

Yδ+…R…Xδ－Yδ－…R…Xδ－Yδ+…R…Xδ＋Yδ－…R…Xδ＋

異號(hào)電荷的分離電荷分散異號(hào)電荷的分離電荷分散電荷分散電荷減少明顯加快略微減慢明顯加快略微減慢略微減慢明顯減慢●“明顯”和“略微”這兩個(gè)詞來源于電荷分散效應(yīng)必然顯著低于電荷增加或電荷減少效應(yīng)的理論，因而只具有相對意義。

異號(hào)電荷的分離，表明增加了電荷密度；電荷分散，電荷密度基本不變（略微減少）；電荷減少，則降低了電荷密度。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

Houghes-Ingold規(guī)則的應(yīng)用實(shí)例1、（a）型反應(yīng)的實(shí)例：叔丁基氯的溶劑分解反應(yīng)(3-32)δ+

δ-

℃

≠離解溶劑負(fù)離子產(chǎn)物溶劑C2H5OHCH3OHHCONH2HCOOHH2Ok1εμ(D)124.551.73932.701.70430111.03.371220058.51.8233500078.391.82

活化過程異號(hào)電荷分離，電荷密度增加。故隨溶劑極性的增加，反應(yīng)速度明顯加快（甲酰胺例外—非質(zhì)子傳遞型極性溶劑）。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

Houghes-Ingold規(guī)則的應(yīng)用2、(c)型反應(yīng)的實(shí)例：叔胺與烷基鹵生成季銨鹽的反應(yīng)(3-33)溶劑CH3(CH2)4CH3H5C2OC2H5CHCl3CH3NO2k2(相對)εμ(D)11.8801204.341.30130004.811.1511100035.873.56

活化過程異號(hào)電荷分離，屬電荷密度增加的反應(yīng)。隨溶劑極性的增加，反應(yīng)速度明顯加快。(H7C3)2N:+CH3I[(C7H3)3Nδ+…CH3…Iδ-]≠(H7C3)3N+CH3+I-

k220℃μ=0.7Dμ=1.64Dμ=8.7D精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

Houghes-Ingold規(guī)則的應(yīng)用3、(d)型反應(yīng)的實(shí)例：放射性標(biāo)記碘負(fù)離子與碘甲烷之間的鹵素交換反應(yīng)溶劑CH3COCH3C2H5OH(CH2OH)2CH3OHH2Ok2(相對)εμ(D)1300020.702.864424.551.731737.72.281632.701.70178.391.82

活化過程產(chǎn)生電荷分散作用，因此隨溶劑極性的增加，反應(yīng)速度略微減慢(乙二醇例外)。但在丙酮中反應(yīng)速度相當(dāng)快—非質(zhì)子傳遞型極性溶劑(不會(huì)使負(fù)離子發(fā)生溶劑化，其它溶劑為質(zhì)子型)。I-+CH3I[Iδ-…CH3…Iδ-]≠I—CH3+I-

k220℃（3-34）··精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

該規(guī)則對許多偶極型過渡態(tài)反應(yīng)，如親核取代反應(yīng)、消除反應(yīng)、不飽和體系的親電加成和親電取代反應(yīng)可以用來預(yù)測其溶劑效應(yīng)。（3）Houghes-Ingold規(guī)則的局限性的原因①從過渡狀態(tài)理論來說，靜電效應(yīng)主要考慮活化焓△H＃的變化，而活化熵△S＃則忽略不計(jì)；但從上述實(shí)例也反應(yīng)出該規(guī)則存在局限性。②靜電效應(yīng)沒有考慮溶劑的類型(質(zhì)子型和非質(zhì)子型)、溶劑的EPD、EPA、以及溶劑化能力或配位能力等專一性溶劑化作用對反應(yīng)速度的影響。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

5、專一性溶劑化作用對SN反應(yīng)速度的影響從質(zhì)子型和非質(zhì)子型兩類溶劑分別討論。（1）質(zhì)子傳遞型溶劑對SN反應(yīng)速度的影響

質(zhì)子傳遞型溶劑H-S(僅表示質(zhì)子傳遞型溶劑)具有氫鍵締合作用，是電子對受體，它能使負(fù)離子專一性溶劑化。（2）非質(zhì)子傳遞型極性溶劑對SN反應(yīng)速度的影響

前已述及，許多非質(zhì)子傳遞型極性溶劑是電子對給體，因此它們對SN反應(yīng)速度的影響常常與質(zhì)子傳遞型溶劑相反，它能使正離子專一性溶劑化。精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

專一性溶劑化作用對SN反應(yīng)速度的影響

（1）質(zhì)子傳遞型溶劑（H-S

）：具有氫鍵締合作用，是電子對受體，它能使負(fù)離子專一性溶劑化：①加速(a)型SN1反應(yīng)，因質(zhì)子傳遞型溶劑有利于離去負(fù)離子X－的專一性溶劑化。見(3－32)。（加速裸正離子的反應(yīng)）R－X+HS[Rδ+…Xδ-…HS]#R＋＋X－…

HS

Y－

a

R－Y＋X－…

HS

SN1

②加速(c)型SN2反應(yīng)，因?yàn)樗尤氲馁|(zhì)子傳遞型溶劑對活化配合物負(fù)端的氫鍵締合作用比對反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)Y：的締合作用強(qiáng)。如：

SN2H-SY：＋R－X[Yδ+…R…Xδ-]#Y＋－R＋X－…HS

專一性溶劑化作用對SN反應(yīng)速度的影響

SN2H-SY－

＋R－X[Yδ-…R…Xδ-]#Y－R＋X－(3-37)③減慢(d)型SN2反應(yīng)，因?yàn)橘|(zhì)子傳遞型溶劑比較容易使反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)Y-專一性溶劑化。負(fù)離子Y-越硬(即體積越小、電荷對體積之比越大，或電荷密度越高)，Y-在質(zhì)子傳遞型溶劑中的專一性溶劑化傾向越強(qiáng)。（2）非質(zhì)子傳遞型極性溶劑，是電子對給體，它能使正離A

子專一性溶劑化：①對(a)型SN1反應(yīng)，不是使負(fù)離子X－溶劑化而是使反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)R＋專一性溶劑化，抑制反應(yīng)速度。甚至改變反應(yīng)歷程，將(a)型SN1反應(yīng)歷程改為(d)型SN2反應(yīng)歷程。

②對(c)型SN2反應(yīng)，非質(zhì)子傳遞型極性溶劑不能使反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)Y：專一性溶劑化，但能使活化配合物的正端專一性溶劑化，使SN2反應(yīng)加速。使Yδ+…R…Xδ-正端溶劑化，不能使Y：溶劑化。

如前述三丙胺與碘甲烷作用生成季銨鹽的反應(yīng)(3-33）(C3H7)3N：＋CH3I[(C3H7)3Nδ+…CH3…Iδ－]#

(C3H7)3N+CH3

＋I(xiàn)－

非質(zhì)子傳遞型極性溶劑（如硝基甲烷）使反應(yīng)大大加速。專一性溶劑化作用對SN反應(yīng)速度的影響③對(d)型SN2反應(yīng)，使反應(yīng)加速。因?yàn)榉琴|(zhì)子傳遞型極性溶劑介電常數(shù)高，易使親核試劑M+Y－(離子體)離解，且易使正離子M+專一性溶劑化(溶劑的正端位阻大不易使Y－專一性溶劑化)，從而使Y－成為活潑的“裸負(fù)離子”，見P(3－38)。(丙酮使反應(yīng)加速，3-34)OO—

(位阻小)M+OMCH3—C—N(CH3)2CH3—C=N+(CH3)2CH3—C=N+(CH3)2

(3-38)

(位阻大)非質(zhì)子傳遞型極性溶劑專一性溶劑化作用對SN反應(yīng)速度的影響精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)

6、有機(jī)反應(yīng)中溶劑的使用和選擇

（1）有機(jī)反應(yīng)對溶劑的要求（2）常用溶劑：各類反應(yīng)的適用溶劑見P.62.。

在選擇和使用溶劑時(shí)，除前述要考慮的因素(對主反應(yīng)速度、反應(yīng)歷程、反應(yīng)方向、立體化學(xué)的影響)外，還要考慮以下因素：①結(jié)構(gòu)、組成穩(wěn)定。在反應(yīng)過程及后處理時(shí)不反應(yīng)，不影響催化活性。②對反應(yīng)物溶解性好。③容易回收。④使用安全。⑤毒性小，三廢易處理。⑥價(jià)格便宜，來源方便。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)六、相轉(zhuǎn)移催化PTC（PhaseTransferCatalysis）1、概述2、“相轉(zhuǎn)移催化”原理3、相轉(zhuǎn)移催化劑4、季銨鹽作催化劑時(shí)的主要影響因素5、相轉(zhuǎn)移催化的應(yīng)用及其實(shí)例6、液、固、液三相相轉(zhuǎn)移催化劑

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化1、概述

雙分子反應(yīng)的基本條件是必須發(fā)生碰撞?；ゲ幌嗳艿挠退畠上嗳缢酂o機(jī)鹽與油相有機(jī)物的反應(yīng)，無法碰撞反應(yīng)。相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)：兩種處在不同相態(tài)間的反應(yīng)物（互不相溶的兩相）通過加入少量第三種物質(zhì)后，可以使反應(yīng)物在相間發(fā)生轉(zhuǎn)換，從而使反應(yīng)加速。這類反應(yīng)就稱為“相轉(zhuǎn)移催化”反應(yīng)。這種可以使反應(yīng)物在相間發(fā)生轉(zhuǎn)換從而加速反應(yīng)的物質(zhì)叫“相轉(zhuǎn)移催化劑”。

相轉(zhuǎn)移催化劑的應(yīng)用范圍：主要用于親核取代和親電取代。應(yīng)用的單元反應(yīng)包括：鹵化、烷化、?；Ⅳ然?、酯化、硫化、氰基化、縮合、加成、氧化、還原等。

相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)的特點(diǎn)：操作簡便、反應(yīng)條件緩和、反應(yīng)時(shí)間縮短、產(chǎn)品質(zhì)量和收率高等。2、“相轉(zhuǎn)移催化”原理

親核試劑用M+Nu-表示，其中M+是金屬正離子,Nu-是希望參加反應(yīng)的親核基團(tuán)，如F-、Br-、Cl-、CN-、OH-、CH3O-、C2H5O-、ArO-、－COO-等。

以相轉(zhuǎn)移催化劑Q＋X－進(jìn)行親核反應(yīng)為例：

R－X(油溶)+M+Nu-(水溶)

R－Nu+MX

常用季銨鹽

(R4N)+Cl-作相轉(zhuǎn)移催化劑，用Q＋X－代表季銨鹽(R4N)+Cl-。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化“相轉(zhuǎn)移催化”原理R－X(油溶)+M+Nu-(水溶)R－Nu+MX

則反應(yīng)過程：（以相轉(zhuǎn)移催化劑Q＋X－進(jìn)行親核反應(yīng)為例）

季銨鹽親核試劑負(fù)離子交換

水相

Q＋X－

+M+Nu-

M+X－

+Q＋Nu－

(鹽類)

界面(相轉(zhuǎn)移)(相轉(zhuǎn)移)

親核取代

有機(jī)相

Q＋X－

+R-NuR－X

＋Q＋Nu－

目的產(chǎn)物有機(jī)反應(yīng)物

該原理示意圖最早由施塔克斯（Starks）提出。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化親核試劑季銨鹽Q＋X－[(R4N)+Cl-]的特點(diǎn)：（1）既溶于水，也溶于油相（有機(jī)相）。從而使上述親核取代反應(yīng)順利完成。上述反應(yīng)中，季銨鹽正離子Q＋只起著轉(zhuǎn)移親核試劑Nu-的作用。（2）上述反應(yīng)中從R－X上脫落下來的X-并不要求與原季銨鹽中的X-相同，只要能隨Q+進(jìn)入水相，且能與負(fù)離子Nu-進(jìn)行交換即可。

相轉(zhuǎn)移催化廣泛用于許多親核取代反應(yīng)，也可用于其它反應(yīng)，如氧化等。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化3、相轉(zhuǎn)移催化劑（1）相轉(zhuǎn)移催化劑的基本要求：①相轉(zhuǎn)移催化劑的化學(xué)基本要求：

a.能將反應(yīng)所需離子從水相或固相轉(zhuǎn)移到有機(jī)相；

b.有利于該離子的迅速反應(yīng)。

②相轉(zhuǎn)移催化劑的工業(yè)基本要求：

a.用量少、效率高、不應(yīng)消耗或失效；

b.來源方便、價(jià)格合理；

c.毒性小。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化相轉(zhuǎn)移催化劑（2）相轉(zhuǎn)移催化劑的類型：主要有季銨鹽型：將負(fù)離子從水相轉(zhuǎn)移到有機(jī)相。價(jià)格便宜，工業(yè)應(yīng)用多。(R4N)+Cl-冠醚型：將正離子或中性離子從水相或固相轉(zhuǎn)移到有機(jī)相。

(P.69.)。效果好、價(jià)格貴，目前限于實(shí)驗(yàn)室研究。其它類型：如開鏈聚醚（聚乙二醇）。能配位正離子。有發(fā)展前途。價(jià)廉、方便、廢液易處理。其它還有烷基磺酸鹽、苯基硼化物等，能配位正離子。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化相轉(zhuǎn)移催化劑MnO4－+冠醚18-冠醚-6的（偽）有機(jī)正離子

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化4、季銨鹽作催化劑時(shí)的主要影響因素

（1）對正離子的結(jié)構(gòu)要求：

季銨鹽是兩親表面活性劑。要求：季胺正離子中的4個(gè)烷基總碳原子數(shù)15－25，正離子和負(fù)離子之間的中心距離應(yīng)盡可能大（易分開、反應(yīng)活性高）。四個(gè)烷基最好相同（如四丁基胺正離子）。

最常用的有：芐基三乙基氯化銨（BTEAC）、三辛基甲基氯化銨（TOMAC）、四丁基硫酸胺（TBAB）。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化·Cl芐基三乙基氯化銨（BTEAC）·HSO4—四丁基硫酸胺（TBAB）季銨鹽作催化劑時(shí)的主要影響因素

（2）對負(fù)離子的要求：

要求：軟負(fù)離子。（因?yàn)榧句@鹽正離子是軟正離子）

季銨鹽正離子將反應(yīng)所需的負(fù)離子從水相提取到有機(jī)溶劑相中的能力對不同的負(fù)離子是有差別的。見P.69.的排序（提取能力排序）。

最常用的季銨鹽是氯化季銨鹽，制備容易、價(jià)格便宜。

若反應(yīng)所需的負(fù)離子比氯離子更難提取時(shí)，常使用（HSO4-），它在堿性介質(zhì)中會(huì)變成更難提取的SO4=。但季胺的酸性硫酸鹽難制備、價(jià)貴。

注意：季銨鹽的耐溫性差。

（3）用量：一般0.5～10％（mol）。（因反應(yīng)而異）

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化2,4,6-(NO2)3C6H2O->ClO4

->I->4-CH3C6H4SO3

–

>NO2

->C6H5COO->Cl->HSO4

->CH3COO->F-,OH->SO42

->CO32

->PO43-

各種負(fù)離子被季胺正離子提取到非極性溶劑中的容易程度季銨鹽作催化劑時(shí)的主要影響因素

（4）溶劑：

反應(yīng)物或目的產(chǎn)物是液態(tài)，不需溶劑。

反應(yīng)物和目的產(chǎn)物在反應(yīng)條件下都是固態(tài)，需使用非水溶性的有機(jī)溶劑。

對溶劑的要求：溶解性好、不參加反應(yīng)、對親核離子提取能力強(qiáng)。不一定對反應(yīng)物全部溶解，部分溶解或良好的分散潤濕能力即可（有利于表面更新）。

可選擇的溶劑：二氯甲烷、氯仿、1,2－二氯乙烷、石油醚（烷烴）、甲苯、氯苯、醋酸乙酯等。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化5、相轉(zhuǎn)移催化的應(yīng)用及其實(shí)例

從相轉(zhuǎn)移催化原理可知，只要化合物能與相轉(zhuǎn)移催化劑形成可溶于有機(jī)相的離子對，就可采用相轉(zhuǎn)移催化法進(jìn)行反應(yīng)?？刹捎孟噢D(zhuǎn)移催化法的單元反應(yīng)很多，部分實(shí)例如下（見P.70.）。（1）二氯卡賓的產(chǎn)生和應(yīng)用

二氯卡賓（:CCl2）是一個(gè)非?；顫姷闹虚g體，通過與烯烴、芳烴、碳環(huán)、醇、酚、醛、胺、酰胺等化合物加成可合成許多化合物產(chǎn)品。采用氯仿和氫氧化鈉很容易產(chǎn)生二氯卡賓，但二氯卡賓極易水解，在水中壽命不到一秒。而在有機(jī)相中可存活數(shù)日?？刹捎孟噢D(zhuǎn)移催化法合成，見P.70.圖3－14。用于合成醫(yī)藥中間體扁桃酸，見式（3-39）。CHCl3+NaOH

:CCl2(怕水)

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化相轉(zhuǎn)移催化的應(yīng)用及其實(shí)例（2）O－烴化（醚類的合成）

如對-硝基苯乙醚的合成。老工藝在壓熱釜中加熱幾十小時(shí)，轉(zhuǎn)化率只有75％，且分離難、廢液多，收率只有85～88％。采用相轉(zhuǎn)移催化劑，常溫、常壓下只需幾小時(shí)，轉(zhuǎn)化率達(dá)99％，收率92～94％。（3）O-酰化反應(yīng)（酯類的合成）如有機(jī)磷殺蟲劑乙基對硫磷的合成。P.71.。

（4）N－烴化、N－?；?、C－烴化、S－烴化和S－?；名u烷或酰鹵進(jìn)行上述反應(yīng)時(shí)，常常需要用縛酸劑來促進(jìn)鹵化氫的脫落。加入相轉(zhuǎn)移催化劑可取得良好效果。如除草劑菌達(dá)滅的合成（P.72.式3－44）。

（5）～（9），見書P.72.。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化6、液、固、液三相相轉(zhuǎn)移催化劑

液體相轉(zhuǎn)移催化劑難回收，故發(fā)展了固體相轉(zhuǎn)移催化劑。即將液體相轉(zhuǎn)移催化劑連接到聚合物上得到的固體相轉(zhuǎn)移催化劑,相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)在水相、固體催化劑和有機(jī)相三相之間進(jìn)行，故又叫“三相催化劑”。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-相轉(zhuǎn)移催化

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)七、均相配位催化

均相配位催化:

使用可溶性過渡金屬配合物作為催化劑，在液相對有機(jī)反應(yīng)進(jìn)行均相催化的方法。

應(yīng)用：廣泛用于催化有機(jī)合成，如烯烴的齊聚與共聚、烯烴的異構(gòu)化與氧化、烯烴與二烯烴的加成、雙鍵的加氫和羰基化反應(yīng)等。

主要優(yōu)點(diǎn)：選擇性好、收率、純度高。

本節(jié)主要內(nèi)容1、過渡金屬化學(xué)2、均相配位催化劑3、均相配位催化的基本反應(yīng)4、均相配位催化循環(huán)5、重要的均相配位催化過程6、均相配位催化的優(yōu)缺點(diǎn)7、均相配位催化劑的固體化

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化1、過渡金屬化學(xué)

最常用的過渡金屬是Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Re。d軌道S軌道P軌道

（1）過渡金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與配位體

過渡金屬原子具有5個(gè)d軌道、1個(gè)s軌道和3個(gè)P軌道。在特定情況下，這9個(gè)軌道最多可以與9個(gè)配位體成鍵(外層電子充滿為18個(gè)電子)。

以Co為例：Co原子的外層電子排布：3d74s2

，外層軌道（Co原子）：

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化過渡金屬化學(xué)—過渡金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與配位體

以Re為例：Re原子的外層電子排布：5d56s2

外層軌道（Re原子）：d軌道S軌道P軌道

錸的配合物：ReH7(P(C2H5)2(C6H5))2，它具有7個(gè)Re-H共價(jià)鍵和2個(gè)ReP

配位鍵（每個(gè)P提供2個(gè)電子形成1個(gè)配位鍵），即一共和9個(gè)配位體成鍵。

配位體提供一個(gè)電子與過渡金屬原子形成共價(jià)鍵的配位體稱單電子配位體。（如H基、甲基、乙基）

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化過渡金屬化學(xué)—過渡金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與配位體

再如銠Rh：4d85s1

外層軌道（Rh原子）：d軌道S軌道P軌道

銠的配合物：Rh(CO)(H)(PPh3)3

，是進(jìn)行氫甲酰化反應(yīng)的均相催化劑，其中銠原子具有9個(gè)價(jià)電子，CO分子提供2個(gè)電子(形成兩個(gè)配位鍵)、H原子提供1個(gè)電子、3個(gè)三苯基膦配位體提供6個(gè)電子，總共是18個(gè)電子。

象CO、膦基這種配位體是提供2個(gè)電子與過渡金屬原子形成配位鍵，這種配位體稱二電子配位體（CO、膦基、胺基、單烯烴等）。還有多電子配位體。(吝)

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化

（3）過渡金屬及其配合物起催化作用的主要原因（2）18電子規(guī)則

實(shí)驗(yàn)證明，這種18電子配合物是穩(wěn)定的。反應(yīng)時(shí)，先從18電子配合物上解離下來一個(gè)給電子配位體，生成一個(gè)16電子的“配位不飽和”型配合物，該配合物可以再和其它配位體結(jié)合，又生成飽和的18電子配合物。已知許多均相配位催化反應(yīng)常常是通過配位體解離－結(jié)合，即16電子和18電子的中間產(chǎn)物交替出現(xiàn)而完成的，這就是所謂的18電子規(guī)則(也稱“16和18電子規(guī)則”)。（當(dāng)然均相配位并非總是經(jīng)過18電子配合物）

過渡金屬及其配合物起催化作用的主要原因是存在空d軌道。“18電子規(guī)則”的基礎(chǔ)是過渡金屬及其配合物空d軌道的存在。這些空d軌道與特定的配位體以共價(jià)鍵或配位鍵兩種不同的鍵型相結(jié)合而給出各種不同功能的催化劑。d軌道形成的配位鍵不強(qiáng)不弱（太強(qiáng)活性低、太弱穩(wěn)定性差），適合催化反應(yīng)。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化2、均相配位催化劑

組成：過渡金屬原子（中心原子）和配位體兩部分：

ReH7(P(C2H5)2(C6H5))2，Rh(CO)(H)(PPh3)3

不同的反應(yīng)要求的過渡金屬原子和配位體不同（活性和穩(wěn)定性不同）。

過渡金屬原子與多種不同的配位體結(jié)合從而得到多種功能的催化劑。因此只有選擇好過渡金屬原子與特定的配位體，才能得到高效高選擇性的催化劑。

兩個(gè)部分的作用：對均相配位催化劑來說，參加化學(xué)反應(yīng)的主要是過渡金屬原子（活性組分），配位體大多并不參加反應(yīng)，主要是起調(diào)整催化劑活性、選擇性和穩(wěn)定性的作用。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化均相配位催化劑

烯烴的加氫、加成、齊聚、一氧化碳的羰基合成：用軟的或可極化的配位體，如CO、胺類、膦類、較大的鹵素負(fù)離子、CN-負(fù)離子等。

不同的反應(yīng)要求的過渡金屬原子和配位體不同（活性和穩(wěn)定性不同）的實(shí)例：

如加氫：氯化三苯基膦配銠RhCl(P(C6H5)3)3、氰基鈷負(fù)離子Co(CN)63-等。

氫甲酰化：HCo(CO)4(操作條件：140-180℃、20－30Mpa，活性好、穩(wěn)定性差、選擇性差)、HCo(CO)3P(n-C4H9)3(操作條件：160-200℃、5－10Mpa，穩(wěn)定性好、活性差、選擇性差)、HRh(CO)4、HRh(CO)(PPh3)3(操作條件：90-110℃、1－2Mpa，活性、穩(wěn)定性都好)等。溫度反映了催化劑的活性，壓力反映了催化劑的穩(wěn)定性。Rh比Co活性高得多。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化丙烯氫甲?；普∪┐呋瘎┑陌l(fā)展過程HCo(CO)4(操作條件：140-180℃、20－30Mpa，活性好、穩(wěn)定性差、選擇性差)HCo(CO)3P(n-C4H9)3

(操作條件：160-200℃、5－10Mpa，穩(wěn)定性好、活性差、選擇性差)HRh(CO)4HRh(CO)(PPh3)3(操作條件：90-110℃、1－2Mpa，活性、穩(wěn)定性都好)等。溫度反映了催化劑的活性，壓力反映了催化劑的穩(wěn)定性。Rh比Co活性高得多。

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化3、均相配位催化的基本反應(yīng)

均相配位催化過程中的基本反應(yīng)主要包括P.76-78.上的反應(yīng)類型，通過這些反應(yīng)的適當(dāng)組合組成催化循環(huán)，得到目的產(chǎn)物。(1)配位與解配配位解配

解配就是配位的逆反應(yīng)，即金屬—配位體之間的共價(jià)鍵或配位鍵發(fā)生斷裂使該配位體從配合物中解離下來。

配位：一個(gè)配位體以簡單的共價(jià)鍵或配位鍵與過渡金屬原子結(jié)合而生成配位配合物的反應(yīng)。例：

以含膦螯合配位體的氫化鎳為催化劑（以M—H表示），乙烯與鎳原子的配位結(jié)合：

M—HM—H+CH2=CH2CH2=CH2（3-52）

π配合物

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化均相配位催化的基本反應(yīng)

(2)插入和消除

插入：與過渡金屬原子配位結(jié)合的雙鍵（如烯烴、二烯烴、炔烴、芳烴和一氧化碳等配位體中的雙鍵）中的π-鍵打開、并插入到另一個(gè)金屬-配位體之間。例如，乙烯齊聚的第二步基本反應(yīng)就是乙烯插到M—H鍵之間。（可以看作是一個(gè)配位體從過渡金屬原子上轉(zhuǎn)移到一個(gè)具有雙鍵的配位體的β位上）

M—HCH2=CH2乙烯插入（或氫轉(zhuǎn)移）M—C2H5CH2=CH2配位M—C2H5CH2=CH2乙烯插入（或乙基轉(zhuǎn)移）M—CH2—CH2—C2H5nCH2=CH2配位,乙烯插入M—CH2—CH2—(C2H4)n—C2H5（3-53）

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化均相配位催化的基本反應(yīng)

插入和消除

消除：一個(gè)配位體上的β氫（或其他基團(tuán)）轉(zhuǎn)移到過渡金屬原子的空配位上，同時(shí)，該配位體-金屬之間的鍵斷裂，使該配位體成為具有雙鍵的化合物，從金屬上消除下來。M—CH2—CH—(C2H4)n—C2H5Hβ-氫消除M—H+CH2=CH—(C2H4)n—C2H5（3-54）

精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ)-均相配位催化均相配位催化的基本反應(yīng)

(3)氧化和還原：

在氧化/還原反應(yīng)中，配位催化劑中的過渡金屬原子通常是在兩個(gè)比較穩(wěn)定的氧化態(tài)之間循環(huán)。如

CoII/CoIII

、MnII/MnIII、CuI/CuII，單電子循環(huán)；也可以在零價(jià)態(tài)和氧化態(tài)之間循環(huán)。如

Pdo/PdII

，雙電子循環(huán)。Mo+H—CN