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1、第2章 精细有机合成 的理论基础,精细有机合成的化学基础 化学反应的计量学 精细有机合成中的溶剂效应 气-固相接触催化 相转移催化 均相配位催化 杂多化合物催化 分子筛催化剂 固体超强酸催化剂 光有机合成 电解有机合成 化学反应器,精细有机 合成反应,消除反应,重排反应,取代反应,加成反应,进行 方式,2.1 精细有机合成的化学基础 2.1.1 有机反应的进行方式,2.1.2 反应试剂,AX + Y AY + X,基质,产物,反应试剂,离去基团,2.1.2.1 亲电试剂,(1) 正离子：NO2+，R+ (2) 含有可极化或已极化共价键的分子偶极的正端：Cl2，HCl (3) 含可接受共用电子对
2、的分子：FeCl3，AlCl3 (4) 羰基的双键：C=O (5) 氧化剂：Fe3+，O3 (6) 碱类：OH- (7) 金属有机化合物中的烷基：RMgX,2.1.2.2 亲核试剂,(1) 负离子：OH-，RO- (2) 含有可极化或已极化共价键的分子偶极的正端：NH3，RNH2 (3) 烯烃的双键和芳环 (4) 还原剂：Fe2 (5) 酸类 (6) 卤代烷中的烷基：R-X,2.1.2.3 自由基试剂,热离解法、光离解法和电子转移法,邻位取代,对位取代,间位取代,2.1.3 亲电取代反应的定位规律,取代基效应,诱导效应（I）：由电负性大小决定。,共轭效应（T）：包括-共轭和p-共轭。,有+I，
3、无T： 如-C2H5 （1）使-配合物稳定，活化苯环； （2）使邻、对位取代产物更稳定； （3）为邻、对位定位基。,有-I，无T： 如-N+(CH3)3,-CF3,-CCl3等 （1）使-配合物均不稳定，使苯环钝化； （2）使邻、对位取代产物更不稳定； （3）为间位定位基。,有+I，+T： 如-O-,-CH3 （1）共轭效应与诱导效应作用一致； （2）则使苯环活化； （3）邻、对位定位基。,有-I，-T： 如-NO2,-CN,-COOH,-CHO等 （1）诱导效应与共轭效应作用一致； （2）则使苯环钝化； （3）间位定位基。,有-I，+T，且|-I|+T|： 如-OH,-OCH3,-NH2,-
4、N(CH3)2, -NHCOCH3等 （1）诱导效应与共轭效应作用不一致，共轭效应作用大于诱导效应，使苯环活化； （2）使邻、对位取代产物更稳定； （3）邻、对位定位基。,有-I，+T，且|-I|+T|： 如-F,-Cl,-Br,-I等 （1）总效果使苯环电子云密度降低； （2）使取代基邻、对位电子云密度低于间位； （3）邻、对位定位基。,两类定位基： 邻、对位定位基（第一类定位基）： -O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3, -F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等。 间位定位基（第二类定位基）： -
5、N+(CH3)3,-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO, -COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3等。,定位取代基的分类和定位作用,2.1.3.1 苯环上取代基的定位规律 （1）已有取代基的电子效应,(a)在极性效应相差不大时，已有取代基体积越大，邻位异构产物的比例越小。,表 一硝化（AcONO2,0)产物异构体比例,（2）已有取代基的空间效应,(b)当极性效应起主导作用时，结果可能相反。,表 一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25)产物异构体比例,（3）亲电试剂的电子效应,亲电试剂的活泼性越高，亲电取代反应速度越快，反应的选择性越低。
6、亲电试剂的活泼性越低，亲电取代反应速度越低，反应的选择性越高。,表 亲电试剂活泼性的影响,（4）亲电试剂的空间效应,新引入取代基的体积越大，邻位产物越少。,表 甲苯C-烷化反应新引入基团对异构体比例的影响,（5）新取代基的空间效应,（6）反应的可逆性,对于不可逆的亲电取代反应，电子效应对定位起主要作用，但是对于可逆的亲电取代反应，则空间效应对定位起主要作用,（7）反应条件的影响,温度 （1）通常情况下，温度升高，亲电取代反应活性增高，选择性下降 （2）使不可逆的磺化、C-烷化反应转变为可逆反应，从而影响产物异构体的比例 反应介质 催化剂的影响 （1）改变E+的极性效应或空间效应 （2）改变反应
7、历程,已有两个取代基为同一类型定位基，且处于间位，则定位作用一致。 已有两个取代基为同一类型定位基，且处于邻、对位，则定位作用不一致取决于定位能力的强弱。,2.1.3.2 已有两个取代基的定位规律,主产物,少量,已有两个取代基为不同类型定位基，且处于邻、对位，则定位作用一致。 已有两个取代基为不同类型定位基，且处于间位，则定位作用不一致取决于第一类定位基。,2.1.3.3 萘环的定位规律,萘环的特性,（1）比苯环更易发生亲电取代反应。,-位,-位,（2）位比位的亲电取代反应活性高，E+优先进攻位。,（3）某些反应在一定条件下可逆，使低温反应产物以位为主，高温反应产物以位为主。,60磺化,160
8、磺化,160异构化,已有一个取代基的定位作用,（1）已有一个第一类取代基,大多使萘环活化，新取代基进入已有取代基的同环。,（2）已有一个第二类取代基,使苯环钝化，新取代基进入异环的位。,2.1.3.4 蒽醌环的定位规律,蒽醌环的特点 （1）亲电取代反应活性低； （2）两个边环具有等同性； （3）位比位活泼。,蒽醌环的定位规律 催化剂的影响,2.1.4 反应历程,第一步 第二步,2.2 化学反应的计量学,Ne过量反应物的物质的量； Nt与限制反应物完全反应所消耗的过量反 应物物质的量。,过量反应物超过理论量部分占所需理论量的百分数，叫做过量百分数。,过量百分数,2.2.1 过量百分数,2.2.2
9、 转化率(X),某一反应物A反应掉的量nA,R占其投料量nA,in的百分数叫做反应物A的转化率XA。,XA ,2.2.3 选择性（S）,某一反应物转化为目的产物理论消耗的物质的量占该物质在反应中实际消耗的量物质的量的百分数，叫做选择性。,aA Bb = pP,化学计量比,生成的目的产物的物质的量占输入的限制反应物的物质的量的百分数，叫做理论收率。,生成的目的产物的物质的量占理论上应得到的目的产物的物质的量的百分数，叫做理论收率。,YSX,2.2.4 理论收率（Y）,2.2.5 总收率（Y总）,YP总 = YP YP分 例题：100摩尔硝基苯二硝化时，硝基苯完全二硝化，生成的二硝基苯混合物中含间
10、位体90%，邻位体9%，对位体1%，分离精制后得87.30摩尔间二硝基苯。所用硝化混酸中含硝酸108摩尔，硝化废酸中含硝酸3摩尔，试计算有关项目。,限制反应物 过量反应物 化学计量比 1 1 投料摩尔数 100 108 投料摩尔比 1 1.08 硝酸过量百分数= 硝酸转化率X硝酸,硝基苯的转化率X硝基苯 生成间二硝基苯的选择性 间二硝基苯的理论收率YP 间二硝基苯分离精制收率 间二硝基苯的总收论 或,2.2.6 单程转化率(X单)和总转化率(X总),， 反应物A输入和输出反应器的物质的量 ， 反应物A输入和输出全过程的物质的量,X单,X总,2.2.7 质量收率(Y质)和原料消耗定额,例：,目的
11、产物的质量占某一输入反应物的质量百分数，叫做质量收率。,质量 100kg 217kg,纯度 99 97,相对分子量 93 231.2,Y质217100100217,每生产一吨产品需要消耗的各种原料的量（吨或千克）叫做原料消耗定额。,质量 100kg 217kg,纯度 99 97,相对分子量 93 231.2,例：,苯胺的消耗定额1002170.461t461kg,2.3 精细有机合成中的溶剂效应 2.3.1 有机溶剂的分类,2.3.1.1 按化学结构分类,无机溶剂：水、液氨、液体二氧化硫、氟化氢、浓 硫酸、熔融氢氧化钠和氢氧化钾、四氯 化钛、三氯化磷合三氯氧磷等。 有机溶剂：脂烃、环烷烃、芳烃
12、、卤代烃、醇、醚、 酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、 胺、腈、酰胺、砜和亚砜、杂环化合物等。,2.3.1.2 按偶极矩和介电常数分类,（1）偶极矩（）：,指偶极分子中电量相等的两个相反电荷中的一个电荷的电量（q），与这两个电荷间距离（d）的乘积，单位：德拜（D）。即：, qd,例：, 1.54D,极性溶剂：分子中具有永久偶极的溶剂。,有机溶剂的偶极矩在05.5D之间。,无极性溶剂,分子中没有永久偶极的溶剂，如环己烷、苯等。,2.5D的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等。,偶极矩主要影响在溶质（分子或离子）周围溶剂分子的定向作用。,（2）介电常数（）,也叫电容率或相对电容率，是表示电介质或绝缘材料电
13、性能的一个重要参数。,具有永久偶极或诱导偶极的溶剂分子被充电的电容器板强制形成一个有序排列，即极化作用，极化作用越大，介电常数越大。,介电常数表示溶剂分子本身分离出电荷的能力，或溶剂使它偶极定向的能力。,极性溶剂：1520 非极性溶剂：1520,介电常数主要影响溶剂中离子的溶剂化作用和离子体的离解作用。,有机溶剂的介电常数在2190之间，越大，溶剂极性越强。,2.3.1.3 按Lewis酸碱理论分类,Lewis酸碱理论：酸是电子对受体（EPA） 碱是电子对给体（EPD）,:,A + :B A B 酸(EPA) 碱(EPD) 酸-碱配合物 亲电试剂 亲核试剂 EPA/EPD配合物,EPA溶剂：具
14、有缺电子或酸性部位，亲电试剂， 择优使EPD或负离子溶剂化。 如水、醇、酚、羧酸等。,EPD溶剂：具有富电子或碱性部位，亲核试剂， 择优使EPA或正离子溶剂化。 如：醇、醚、羰基化合物中的氧 氨类和N杂环化合物中的氮原子,质子给体溶剂：主要是酸，如H2SO4、CH3COOH 质子受体溶剂：主要是碱，如NH3、CH3CON(CH3)2 两性溶剂：既可接受质子，又可提供质子，如H2O,2.3.1.4 按Brnsted 酸碱理论分类,2.3.1.5 按起氢键给体的作用分类,质子传递型溶剂：氢键给体，质子给体，EPA。 如羟基、氨基、羧基和酰胺基 非质子传递型溶剂：氢键受体，EPD。 如O、N,按专一
15、性溶质、溶剂相互作用分类,质子传递型溶剂：含有能与电负性元素(F、Cl、O、S、 N、P)相结合的氢原子，15。 水、醇、酚、羧酸、氨、未取代酰胺等 非质子传递极性溶剂：高介电常数，高偶极矩。 丙酮、DMF、硝基苯、乙腈、二甲 基亚砜、环丁砜等 非质子传递非极性溶剂：低介电常数，低偶极矩。 烷烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、 叔胺、二硫化碳,2.3.2 有机溶剂的作用,2.3.2.1 溶解作用 ：相似相溶,离子原,指在固态时具有分子晶格的偶极型化合物，在液体时仍以分子状态存在，与溶剂发生作用时可形成离子。 如氯化氢、烷基卤和金属有机化合物等。,离子体,固态时具有离子晶格结构，在熔融状态或稀溶液中以离子形式存在的化合物，如金属卤化物等,2.3.2.2 溶剂化作用,离子化过程：离子原的共价键发生异裂产生离子对的过程。 离解过程：离子对或缔合离子转变为独立离子的过程。,A+与B-的作用力与溶剂的成反比,溶剂必须对离子原 的共价键进行进攻,2.3.3 溶剂性质对反应速率的影响,2.3.3.1 Houghes-Ingold规则 （1） 对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度增加的反应，溶剂极性增加，有利于配合物的形成，使反应速度加快。,电荷密度增加,（2）对于从起始反应物变为活化配合物时，电荷密度减小的反应，溶剂极性增加，不利于配合物的形成，使反应速率变慢。 电荷
