精細(xì)有機(jī)合成的理論與技術(shù)基礎(chǔ)-新型精細(xì)有機(jī)合成技術(shù)（有機(jī)合成課件）

Contents目1反應(yīng)原理2電解反應(yīng)全過程錄電解有機(jī)合成技術(shù)3電解反應(yīng)的應(yīng)用1834年，法國(guó)化學(xué)家法拉第在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了首次有機(jī)電合成反應(yīng)——電解乙酸鈉溶液制取乙烷。20世紀(jì)60年代，現(xiàn)代有機(jī)電合成工業(yè)開始發(fā)展——以電合成己二腈和四乙基鉛的工業(yè)化為標(biāo)志。電解有機(jī)合成，也稱有機(jī)電化學(xué)合成，它是用電化學(xué)技術(shù)和方法研究有機(jī)化合物合成的一門新型學(xué)科。電解有機(jī)合成技術(shù)電解有機(jī)合成可分為直接法、間接法和成對(duì)法三種類型。直接法是直接利用電解槽中的陽極或陰極完成特定的有機(jī)反應(yīng)。間接法是由可變價(jià)金屬離子鹽的水溶液電解得到所需的氧化劑或還原劑，在另一反應(yīng)器中完成底物的氧化或還原反應(yīng)，用過的無機(jī)鹽水溶液送回電解槽使又轉(zhuǎn)化成氧化劑或還原劑。1．反應(yīng)原理成對(duì)法則是將陽極和陰極同時(shí)利用起來。例如，苯先在陽極被氧化成對(duì)苯醌，再在陰極還原為對(duì)苯二酚。隔膜：離子選擇透過性膜、非選擇透過性膜單極性電解槽雙極性電解槽從理論上講，任何一種可用化學(xué)試劑完成的氧化或還原反應(yīng)，都可以用電解方法實(shí)現(xiàn)。在電解槽的陽極進(jìn)行氧化過程。絕大多數(shù)有機(jī)化合物并不能電離，因此，氧化劑主要來源于水中的OH－，它在陽極失去一個(gè)電子形成·OH，然后進(jìn)一步形成過氧化氫或是釋出原子氧?！肙H－→·OH＋e2·OH→H2O22·OH→H2O＋O

其他負(fù)離子如X－，在陽極生成X·或X2，而后與有機(jī)物發(fā)生加成或取代反應(yīng)，如電解氟化。電解還原則發(fā)生在電解槽的陰極，其基本反應(yīng)為：H＋＋e→H氫離子在陰極接受電子形成原子氫，由原子氫還原有機(jī)化合物。電解反應(yīng)是由電化學(xué)過程、物理過程和化學(xué)過程等許多步驟組成的。例如，圖2-13是丙烯腈電解加氫二聚制己二腈的全過程。（1）底物S（CH2=CHCN）在電解液中通過擴(kuò)散和泳動(dòng)到達(dá)陰極表面；（2）在陰極表面發(fā)生吸附形成S吸；2．電解反應(yīng)的全過程（3）S吸與電極之間產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移，生成Ⅰ’吸（即C(·)H2—C(··)HCN），屬電化學(xué)過程；（4）Ⅰ’吸脫吸附成為Ⅰ’；（5）Ⅰ’擴(kuò)散或泳動(dòng)離開電極表面；（6）Ⅰ’反應(yīng)生成Ⅱ’（在本反應(yīng)中可生成三種Ⅱ’）；（7）由Ⅱ’得到P，即己二腈。

電解合成具有條件溫和（常溫、常壓）、易于控制、污染少、流程短和產(chǎn)物選擇性高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是電耗高，電解裝置復(fù)雜、專用性強(qiáng)，技術(shù)難度大。但電解有機(jī)合成作為一種環(huán)境友好的潔凈合成方法，代表了現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)發(fā)展的方向。近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)電解合成精細(xì)化學(xué)品的研究開發(fā)十分活躍。目前，已商品化的有機(jī)電解產(chǎn)品約60余種，尚有約40種正在開發(fā)中。3．有機(jī)電解反應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用Contents目1擔(dān)體結(jié)合法、架橋法2包容法、吸附法錄酶的固定化方法酶的固定化就是針對(duì)酶的分離、回收問題而提出來的。它的含義是將酶固定在某一特定空間區(qū)域內(nèi)（物質(zhì)上），既可以使酶保持原有的催化活性和壽命，又可以使酶回收再用。目前，酶的固定化主要有四種方法。酶的固定化（l）擔(dān)體結(jié)合法把酶固定在一個(gè)事先制好的擔(dān)體上。該方法的優(yōu)點(diǎn)是擔(dān)體的制作與生物過程無關(guān)，但酶與擔(dān)體之間能否牢固結(jié)合是值得注意的問題。（2）架橋法此法是將酶加入到尚未成型的擔(dān)體混合物中，擔(dān)體成型后酶就自然固定在擔(dān)體的網(wǎng)架中。這種方法使用得較多。此法是將酶固定（包容）于多孔狀高分子聚合物的微囊或細(xì)格之中。即在酶的存在下，預(yù)先形成的高聚物分子進(jìn)一步交聯(lián)形成高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使酶被包容在其中。交聯(lián)可以是共價(jià)鍵的，也可以是離子鍵的。這是目前制取生物催化劑使用得最多，也是最有工業(yè)前途的方法。（3）包容法吸附法，即將酶吸附在某一適當(dāng)?shù)墓腆w吸附劑（載體）上。此法的優(yōu)點(diǎn)是制備簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是吸附量小，載體中酶的濃度低，酶與載體的結(jié)合強(qiáng)度低，容易脫落。在工業(yè)上已經(jīng)制成的固定化酶包括葡萄糖異構(gòu)酶、葡萄糖氧化酶和麥霉素酸化酶等。（4）吸附法葡萄糖異構(gòu)酶葡萄糖氧化酶例如，小顆粒葡萄糖異構(gòu)酶是一種經(jīng)固定化處理的酶催化劑，它可將葡萄糖異構(gòu)為果糖。1980年開始投入工業(yè)化生產(chǎn)，到1983年，在美國(guó)利用該類催化劑生產(chǎn)的果糖已達(dá)到6Mt。該異構(gòu)酶的固定方法為：將選定的酶絮凝在擔(dān)體（如MgO）上，然后用孔徑為0.59mm的篩過濾（酶細(xì)胞內(nèi)含水量達(dá)80%），再經(jīng)過流化床干燥（溫度55～60℃），最后可制得濕度為10%的酶催化劑制品。微波有機(jī)合成裝置實(shí)驗(yàn)中微波有機(jī)合成一般在家用微波爐或經(jīng)改裝后的微波爐中進(jìn)行。反應(yīng)容器一般采用不吸收微波的玻璃或聚四氟乙烯材料。從安全和方便操作等因素出發(fā)，微波爐需改裝，所選反應(yīng)器的體積不可過小，加入的溶劑量應(yīng)少于容器體積的1/6；加液、攪拌和冷凝過程應(yīng)在微波爐腔外進(jìn)行。常用的微波常壓反應(yīng)裝置如圖2-12所示。微波常壓合成反應(yīng)技術(shù)的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了微波有機(jī)合成化學(xué)的發(fā)展。密封釜式反應(yīng)裝置在微波常壓合成技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，英國(guó)科學(xué)家Villemin發(fā)明了微波干法合成反應(yīng)技術(shù)。所謂干法，是指以無機(jī)固體為載體的無溶劑有機(jī)反應(yīng)。將有機(jī)反應(yīng)物浸漬在氧化鋁、硅膠、粘土、硅藻土或高嶺石等多孔性無機(jī)載體上，干燥后置于密封的聚四氟乙烯管中，放入微波爐內(nèi)，啟動(dòng)微波進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，產(chǎn)物用適當(dāng)溶劑萃取后再純化。無機(jī)固體載體不吸收2450MHz的微波，而吸附在固體介質(zhì)表面的羥基、水或極性分子則可強(qiáng)烈地吸收微波，從而使這些附著的分子被激活，反應(yīng)速率大大提高。1991年法國(guó)科學(xué)家Bram等利用Al2O3和Fe3O4作墊底在玻璃容器上，以酸性粘土作催化劑，由鄰苯甲酰基苯甲酸合成蒽醌。1995年我國(guó)吉林大學(xué)李耀先等采用常壓微波反應(yīng)器用微波干法技術(shù)合成出L-四氫噻唑-4-羧酸。但是干法反應(yīng)只能在載體上進(jìn)行，從而使參加反應(yīng)的反應(yīng)物的量受到了很大限制。除此之外，臺(tái)灣大學(xué)Chen等建立了連續(xù)微波合成技術(shù)，后來Cablewski等進(jìn)一步完善了這一技術(shù)；Raner等還設(shè)計(jì)了可適用于高溫（260℃）、高壓（10MPa）的釜式多功能微波反應(yīng)器，利用這一裝置還可進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。Contents目1微波定義2研究背景及應(yīng)用錄微波照射有機(jī)合成技術(shù)微波照射有機(jī)合成技術(shù)微波定義：微波（MW）是頻率大約在300MHz~300GHz，即波長(zhǎng)在100cm至1mm范圍內(nèi)的電磁波。它位于電磁波譜的紅外輻射（光波）和無線電波之間。醫(yī)學(xué)及家用等民用微波頻率一般為900(±15)MHz和2450(±50)MHz。研究背景20世紀(jì)30年代，發(fā)明產(chǎn)生微波的電子管。開始微波技術(shù)僅用于軍事雷達(dá)；1947年，美國(guó)發(fā)明了第一臺(tái)加熱食品的機(jī)器—微波爐；1952年，微波等離子體用于光譜分析；60年代后，用于無機(jī)材料的合成，如表面膜（金剛石膜、氮化硼膜等）和納米粉體材料的合成；1975年，Mosian等發(fā)明了一種表面波器件；1976年，Beenakker提出了Tmoio諧振腔并獲得了常壓氦微波等離子體；1981年，嘉茂睦等用微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，以CH4與H2為原料，在鉬與硅基上沉積出厚度為1-2m的金剛石膜，此方法現(xiàn)已用于微波電子材料的刻蝕、凈化，高分子材料的表面改性與光刻膠的剝蝕等加工過程，并已形成一定產(chǎn)業(yè)；直到

1986年起，加拿大化學(xué)家Gedye等發(fā)現(xiàn)微波輻射下的4-氰基苯氧離子與氯芐的SN2親核取代反應(yīng)可以使反應(yīng)速率提高1240倍，并且產(chǎn)率也有不同程度的提高。從此微波有機(jī)合成逐漸變得流行起來。（標(biāo)志著微波有機(jī)合成化學(xué)開始）至今,微波促進(jìn)有機(jī)合成反應(yīng)已經(jīng)越來越被化學(xué)界人士所看好,而且形成了一門倍受關(guān)注的領(lǐng)域—MORE化學(xué)(Microwave-InducedOrganicReactionEnhancementChemistry)即微波促進(jìn)有機(jī)化學(xué),也可叫做微波誘導(dǎo)催化有機(jī)反應(yīng)化學(xué)。將微波用于有機(jī)合成的研究涉及酯化、Diels-Alder、重排、KnoevenagelPerkin、Witting、Reformatsky、Dveckman、羧醛縮合、開環(huán)、烷基化、水解、烯烴加成、消除、取代、自由基、立體選擇性、成環(huán)、環(huán)反轉(zhuǎn)、酯交換、酯胺化、催化氫化、脫羧等反應(yīng)及糖類化合物、有機(jī)金屬、放射性藥劑等的合成反應(yīng)。Contents目1鹵代烷的制備2腈的制備錄3酯的制備相轉(zhuǎn)移催化的應(yīng)用相轉(zhuǎn)移催化的應(yīng)用相轉(zhuǎn)移催化劑的應(yīng)用范圍很廣。從理論上講，凡是能與相轉(zhuǎn)移催化劑形成可溶于有機(jī)相的離子對(duì)的各類化合物，均可用相轉(zhuǎn)移催化方法進(jìn)行反應(yīng)。相轉(zhuǎn)移催化目前已成功地應(yīng)用于催化鹵化、烷化、?；Ⅳ然?、酯化、醚化、氰基化、縮合、加成、氧化、還原等多種反應(yīng)。（1）鹵代烷的制備反應(yīng)通式(X:Cl，Br)(100%)(100%)不同RX的反應(yīng)速度：1°RX＞2°RX（2）腈的制備PTC：鎓鹽、冠醚（18C6、15C5）PTC：季銨鹽、冠醚、穴醚RCOO-進(jìn)入有機(jī)相，親核性增強(qiáng)（3）酯的制備＜5%Contents目1相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)2相轉(zhuǎn)移催化原理錄相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)相轉(zhuǎn)移催化技術(shù)在有機(jī)合成中，當(dāng)反應(yīng)體系是非均相體系時(shí)，處于不同相的反應(yīng)物之間彼此不能接觸，從而使反應(yīng)效果不佳或根本不反應(yīng)。此時(shí)，若在反應(yīng)體系中加入少量“相轉(zhuǎn)移催化劑”（phasetransfercatalysis，簡(jiǎn)稱PTC）使兩反應(yīng)物轉(zhuǎn)移到同一相中，便可使反應(yīng)順利進(jìn)行。這種反應(yīng)就稱為相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)，具有反應(yīng)條件緩和、操作簡(jiǎn)便、反應(yīng)時(shí)間短、產(chǎn)品收率高、產(chǎn)品純度高等突出優(yōu)點(diǎn)。相轉(zhuǎn)移催化原理相轉(zhuǎn)移催化主要用于液-液體系，也可以用于液-固體系。以季銨鹽為例，親核試劑M+Y－（反應(yīng)試劑）和有機(jī)反應(yīng)物R—X分別處于互不相溶的水相和有機(jī)相（油相）中。水相有機(jī)相或?qū)τ袡C(jī)反應(yīng)物而言，并不要求其中的負(fù)離子X－與季銨鹽中的負(fù)離子X－完全相同，但要求與Q+形成的離子對(duì)必須能回到水相，并可與親核試劑中的負(fù)離子Y－進(jìn)行交換。對(duì)親核試劑而言，M+Y－中M+是金屬陽離子，而Y－是親核反應(yīng)基團(tuán)，如F－、Br－、Cl－、CN－、OH－、CH3O－、C2H5O－、ArO－、—COO－等。PTC：相轉(zhuǎn)移催化劑，具有“搬運(yùn)”離子的作用，“搬運(yùn)工”。問題：若反應(yīng)需在水相中進(jìn)行呢？逆向相轉(zhuǎn)移催化劑Contents目1季鎓鹽類相轉(zhuǎn)移催化劑2聚醚類相轉(zhuǎn)移催化劑錄相轉(zhuǎn)移催化劑3三相催化劑相轉(zhuǎn)移催化劑季鎓鹽類相轉(zhuǎn)移催化劑能夠?qū)⒇?fù)離子轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中，它由第V主族元素N、P、As等組成，其中季銨鹽因制作簡(jiǎn)便、價(jià)格便宜、毒性小而被廣泛應(yīng)用；其它季鎓鹽，如季磷鹽、季砷鹽等因制作困難、價(jià)格昂貴，只限于實(shí)驗(yàn)室使用。（1）季鎓鹽類相轉(zhuǎn)移催化劑季銨鹽中，季銨陽離子的含碳數(shù)越多，親油性越好。四個(gè)烷基的總碳原子數(shù)以12～25為宜，其陰離子中，Cl－和HSO4－因親水性強(qiáng)而使用得最多。常用的季銨鹽有：芐基三乙基氯化銨（C6H5—CH2N+(C2H5)3·Cl－）；三辛基甲基氯化銨（(C8H17)3N+CH3·Cl－）；四丁基硫酸氫銨（(C4H9)4N+·HSO4－）等。當(dāng)有機(jī)反應(yīng)物是鹵代烷時(shí)，也可用叔胺作相轉(zhuǎn)移催化劑。這是因?yàn)樵诜磻?yīng)過程中，鹵代烷可與叔胺形成季銨鹽，然后該季銨鹽就作為相轉(zhuǎn)移催化劑起催化作用。這種方法較為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便。季鎓鹽類催化劑只適用于液-液兩相的相轉(zhuǎn)移過程。季銨鹽的熱穩(wěn)定性較差，不宜在較高的溫度下使用。聚醚類相轉(zhuǎn)移催化劑能夠?qū)崿F(xiàn)陽離子的相轉(zhuǎn)移，適用于液-固或液-液相的相轉(zhuǎn)移催化過程。例如，可將水相中的陽離子轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中，也可在無水或微水狀態(tài)下將固態(tài)離子轉(zhuǎn)移到有機(jī)相中。聚醚相轉(zhuǎn)移催化劑中，主要有開鏈聚醚和環(huán)狀冠醚。（2）聚醚類相轉(zhuǎn)移催化劑環(huán)狀冠醚是一類具有特殊結(jié)構(gòu)的大環(huán)多醚化合物，能配合溶液中的陽離子，形成（偽）有機(jī)正離子。二苯并-15-冠醚-518-冠醚-6的偽有機(jī)正離子AcryptandAcationAcryptatecomplex開鏈聚醚具有容易制得，無毒、價(jià)廉、蒸氣壓小，在使用過程中不受孔穴大小的限制，反應(yīng)條件溫和，操作簡(jiǎn)便及產(chǎn)率較高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的冠醚替代品。常用的開鏈聚醚有：聚乙二醇類、聚氧乙烯脂肪醇類和聚氧乙烯烷基酚類等。它們也能與金屬離子形成配合物。（3）三相催化劑三相催化