合成化學(xué)技術(shù)7

1、 超聲波在有機(jī)合成中的應(yīng)用 通常把頻率為2X104-109 Hz的聲波叫做超聲波。超聲波作為一種波動(dòng)形式，可以用來作為探測(cè)和負(fù)載信息的載體或媒介，去影響、改變甚至破壞傳聲媒質(zhì)的狀態(tài)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)。超聲波在有機(jī)合成中的應(yīng)用發(fā)展很快，比傳統(tǒng)的有機(jī)合成方法更方便，可以使得許多有機(jī)反應(yīng)在較溫和的條件下進(jìn)行，或者提高產(chǎn)率，或者縮短反應(yīng)時(shí)間，甚至可以引起某些在傳統(tǒng)條件下不能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。超聲波輻射能加速各種有機(jī)均相和非均相反應(yīng)，特別是金屬參與的有機(jī)合成反應(yīng)，因此，超聲波方法在有機(jī)合成中的應(yīng)用越來越引起人們的重視。 20世紀(jì)20年代，美國(guó)人發(fā)現(xiàn)超聲波有加速化學(xué)反應(yīng)的作用。首次應(yīng)用于有機(jī)反應(yīng)是在1938年，直

2、至20世紀(jì)80年代，超聲波在化學(xué)合成中的應(yīng)用才迅速發(fā)展，以致形成了一門新興的交叉學(xué)科聲化學(xué)。新的聲化學(xué)雜志“Uirrasonic Sonochemistry”也于1994年3月創(chuàng)刊。目前，超聲波化學(xué)在有機(jī)合成中的研究越來越廣泛，已經(jīng)應(yīng)用于氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、加成反應(yīng)、取代反應(yīng)、縮合反應(yīng)、水解反應(yīng)等，幾乎涉及到有機(jī)化學(xué)的各個(gè)方面。一 超聲波在催化反應(yīng)中的作用機(jī)理： 到目前為止，對(duì)超聲波能夠產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)的原因仍然不十分清楚。一個(gè)普遍能夠接受的觀點(diǎn)認(rèn)為空化現(xiàn)象（cavitation )可能是化學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵。1 聲化學(xué)效應(yīng)的主要機(jī)制是聲空化（包括氣泡的生成、生長(zhǎng)和崩裂）。其現(xiàn)象包括兩個(gè)方面，即強(qiáng)超聲在

3、液體中產(chǎn)生氣泡和氣泡在強(qiáng)超聲作用下的特殊運(yùn)動(dòng)。在液體中施加聲場(chǎng)，當(dāng)超聲強(qiáng)度足夠大時(shí)，會(huì)是液體中產(chǎn)生成群的氣泡，稱為“聲空氣泡”。這些氣泡同時(shí)受到超聲的作用，經(jīng)歷生長(zhǎng)、收縮、再生長(zhǎng)、再收縮得多次周期性震蕩，最終以高速度崩裂并伴隨著能量的釋放，由此產(chǎn)生局部高溫、高壓和短暫的高能環(huán)境，為在一般條件下難以實(shí)現(xiàn)或者不可能實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)提供了一種新的非常特殊的物理化學(xué)環(huán)境，這些能量可以用來打開化學(xué)鍵，促使化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行。具體地說超聲波對(duì)有機(jī)合成反應(yīng)的影響包括：1）超聲波引起微泡爆裂，產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)；2）微泡爆裂時(shí)產(chǎn)生高能環(huán)境（高溫高壓）；3）微泡爆裂時(shí)從溶劑或者反應(yīng)試劑產(chǎn)生的活性物質(zhì)，如離子和自由基，如果

4、 離子和自由基存在競(jìng)爭(zhēng)，則有可能產(chǎn)生不同的產(chǎn)物。4）超聲波對(duì)溶劑本身的破壞。這些效應(yīng)單一或者共同作用的結(jié)果，可以使得反應(yīng)體系的反應(yīng)性能大大增強(qiáng)。二 實(shí)驗(yàn)室常用的超聲設(shè)備 實(shí)驗(yàn)室最常用的設(shè)備有兩類：一類是超聲清洗儀，另外一類是探頭式超聲系統(tǒng)。超聲清洗儀本身可以作為反應(yīng)容器，當(dāng)沁入清洗儀的介質(zhì)中，通過反應(yīng)器壁給反應(yīng)提供的能量一般較低。探頭式超聲系統(tǒng)可以讓超聲波直接進(jìn)入反應(yīng)體系而不通過任何媒介。2大多數(shù)有機(jī)反應(yīng)是在均相溶液中進(jìn)行的。超聲波在均相反應(yīng)體系中主要是通過超聲波產(chǎn)生的自由基或者自由基-離子中間體來實(shí)施對(duì)反應(yīng)的影響。1 Dield-Alder 反應(yīng)2 縮合反應(yīng) 利用氰乙酸乙酯和各種芳醛進(jìn)行Kn

5、oevenagel反應(yīng)，傳統(tǒng)的方法是用吡啶作催化劑，加熱回流，反應(yīng)速率慢，產(chǎn)率低。而超聲波的相應(yīng)反應(yīng)可緩和反應(yīng)條件，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)產(chǎn)率（80-96%）。3第一章 進(jìn)行有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的手段和方法物質(zhì)的加熱直火加熱：在反應(yīng)體系中無固體、無低沸點(diǎn)溶劑以及反應(yīng)不需攪拌情況下，可用酒精燈、電爐隔石棉網(wǎng)或者電熱套進(jìn)行加熱。間接加熱：為了保證加熱均勻，經(jīng)常選擇熱浴來進(jìn)行間接加熱。100以下選用水浴；100-250 可采用油浴（豆油、硅油和液體石蠟等）；更高的溫度下可采用砂浴（300 或者以上）反應(yīng)體系的冷卻0 使用冰水浴冷卻-20 時(shí)用食鹽/碎冰（1:3），由于結(jié)塊實(shí)際溫度-5-20 .-50 時(shí)用六

6、水氯化鈣/碎冰（10:8），實(shí)際溫度-5-20 .液氨可用于-33 得體系冷卻。將干冰與適當(dāng)有機(jī)溶劑混合，可得到更低溫度；與乙醇混合為-72 ；與乙醚或丙酮可達(dá)-78 。 液氮可冷至-188 。 -38 時(shí)要更換溫度計(jì)，因低于該溫度水銀凝固，需要使用內(nèi)裝有機(jī)液體和少許顏料的溫度計(jì)。如甲苯的低溫溫度計(jì)可達(dá)-90 ；而正戊烷可達(dá)-130 。4物質(zhì)的干燥液體的干燥 有機(jī)物的干燥通常將干燥劑直接與之接觸，因而所用干燥劑不與該物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)且不溶于該液體之中。常用的干燥劑 無水氯化鈣：用于烴類、醚類化合物的干燥。不適用于醇、酚、胺、酰胺，因?yàn)槟芘c它們形成絡(luò)合物。 無水硫酸鈉（鎂）：中性干燥劑，不與大多數(shù)有

7、機(jī)化合物和酸性物質(zhì)起反應(yīng)，可干燥許多不能用氯化鈣干燥的有機(jī)化合物。 氫氧化鈉（鉀）：堿性干燥劑，一般用于胺類化合物的干燥。 金屬鈉：適用于已初步干燥的醚、烷烴、芳烴等有機(jī)化合物中微量水分的除去。操作時(shí)應(yīng)將鈉處理成鈉絲或鈉砂，干燥時(shí)應(yīng)注意有氫氣放出，所以應(yīng)在瓶塞中插入一無水氯化鈣的干燥管，使氫氣放出而水氣不知進(jìn)入。干燥完畢后應(yīng)將殘留的鈉回收在煤油或二甲苯中保存，或者用無水乙醇處理后棄去，切忌直接導(dǎo)入回收容器中，以免發(fā)生爆炸事故。5儀器的選擇燒瓶的選擇 根據(jù)液體的體積而定，一般液體的體積應(yīng)戰(zhàn)容器體積的1/32/3，進(jìn)行減壓蒸餾和水蒸氣蒸餾是液體體積不應(yīng)超過溶劑的1/2。冷凝管的選擇 一般情況下，回

8、流時(shí)選用球形冷凝管，蒸餾時(shí)用直型冷凝管。當(dāng)溫度超過140 ，可改用空氣冷凝管，以防溫差較大時(shí)，直型冷凝管因受熱不均而炸裂。溫度計(jì)地選擇 實(shí)驗(yàn)室一般備有100 、200 和300 三種溫度計(jì)，根據(jù)所測(cè)溫度可選用不同的溫度計(jì)，一般選用的溫度計(jì)要比被測(cè)溫度高出1020 。6減壓蒸餾：減壓蒸餾適用于那些在常壓下蒸餾往往會(huì)發(fā)生部分分解的有機(jī)化合物以及一些高沸點(diǎn)的化合物的分離和提純克氏蒸餾頭（Claisen);蒸餾接頭（減壓蒸餾尾接管）沸騰毛細(xì)管7水蒸氣蒸餾：水蒸氣蒸餾操作是將水蒸氣通入含有不溶或難于溶解于水的但有一定揮發(fā)性的有機(jī)物質(zhì)的混合物中，是該有機(jī)化合物在低于100 的溫度下隨水蒸氣一起蒸餾出來。A

9、）水蒸氣發(fā)生器（盛水3/4); B）安全波管；C）溫度計(jì)套管；D）蒸餾瓶（液體，或者少量水的固體）E和F）分別為蒸氣導(dǎo)入和導(dǎo)出管；G）放水閥。8 水蒸氣蒸餾主要是適用于在反應(yīng)產(chǎn)物中有大量樹枝狀雜質(zhì)的情況下，效果較蒸餾和重結(jié)晶為好。被提純物質(zhì)應(yīng)該具備下列條件：不溶或者幾乎不溶解于水，在沸騰時(shí)長(zhǎng)時(shí)間與水共存而不其化學(xué)變化；在100左右時(shí)必須有一定的蒸氣壓（一般不小于1.33kPa)少量物質(zhì)的水蒸氣蒸餾可用克氏蒸餾瓶替代圓底燒瓶9色譜法在有機(jī)化學(xué)中的應(yīng)用鑒定化合物：在條件完全一致的情況，純粹的化合物在薄層色譜或紙色譜中都呈現(xiàn)一定的移動(dòng)距離，稱比移值（Rf值），所以利用色譜法可以鑒定化合物的純度或確定

10、兩種性質(zhì)相似的化合物是否為同一物質(zhì)。但影響比移值的因素很多，如薄層的厚度，吸附劑顆粒的大小，酸堿性，活性等級(jí)，外界溫度和展開劑純度、組成、揮發(fā)性等。所以，要獲得重現(xiàn)的比移值就比較困難。為此，在測(cè)定某一試樣時(shí)，最好用已知樣品進(jìn)行對(duì)照。跟蹤一些化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程：可以利用薄層色譜或紙色譜觀察原料色點(diǎn)的逐步消失，以證明反應(yīng)完成與否。10薄層色譜示意圖11減壓蒸餾實(shí)驗(yàn)裝置12酮醛縮合的部分實(shí)例13羰-酯縮合（克萊森反應(yīng)Claisen）在堿性條件下，羧酸酯以它的烷氧基與醛（酮）的-氫原子相結(jié)合，成為醇分子失去，最后形成二酮的反應(yīng)，稱為克萊森縮合。酮的結(jié)構(gòu)對(duì)縮合反應(yīng)的影響：甲基酮最活潑，取代甲基酮比較不活潑。一

11、是烷基是推電子基團(tuán)；二是空間位阻。但取代基團(tuán)如果是拉電子的芳基，仍可使-氫活潑。酯結(jié)構(gòu)的影響：也是由電子效應(yīng)和空間相應(yīng)兩方面因素所決定14酯中的R基團(tuán)對(duì)縮合反應(yīng)也有影響。如：-不飽和酸乙酯在堿性催化劑下，發(fā)生邁克爾加成；如果是用酚酯，就可以進(jìn)行縮合。催化劑必須是強(qiáng)堿，才能使得反應(yīng)進(jìn)行完全。氫氧化鈉使酯水解，當(dāng)然不能用；氨基鈉有時(shí)發(fā)生氨解使縮合反應(yīng)難以進(jìn)行；醇鈉反應(yīng)速度較快，作為一般的選用催化劑，但活性不夠大；金屬鈉也常做催化劑，但是有時(shí)發(fā)生還原反應(yīng)；氫化鈉對(duì)該反應(yīng)最為有利，產(chǎn)物成氫氣逸去，并且沒有還原作用。15實(shí)驗(yàn)操作許多-二酮可以有兩條路線制備，用不同的酯和酮進(jìn)行合成。如2，4-己二酮可以經(jīng)下列兩種反應(yīng)制得：儀器裝置要能隔絕濕氣，原料和溶劑也要無水、無醇，最好是在氮?dú)饣驓鍤庵羞M(jìn)行操作。如果所用的酯比較便宜，一般都用過量的酯作為溶劑，否則可用乙醚、四氫呋喃、苯和石油醚等作為溶劑。用乙醇鈉、甲醇鈉或金屬鈉為催化劑時(shí)，與酮的比例是1：1，酯過量。用氨化鈉、氫化鈉等催化劑時(shí)，和酮的用量應(yīng)