相转移反应在精细合成中的应用

《相转移反应在精细合成中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《相转移反应在精细合成中的应用（12页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、相转移反应在精细合成中的应用反应物分子彼此接触、 碰撞时发生化学反应的基本条件。如果反应物分子无法彼此接触， 则无论其中一种反应物分子活性多大，也不能与另一反应物发生化学反应。 大多数的有机物化学反应都是在溶剂中在均相中容易进行反应。如果欲进行合成所用的反应物溶解性能不同，形成非均相的反应条件，特别是水相和有机相二相反应，则往往因其中一个反应物在一种溶剂中的溶解度太小，使得反应进行得很慢，甚至根本无法反应。用搅拌可增加反应物彼此接触的机会，但仍有许多反应进行得不理想。 虽然有时采用极性质子溶剂是反应形成为均相，但因反应物产生溶剂化作用，也影响了反应速度，而且这类溶剂一般较贵，而且要在无水条件下

2、进行，回收溶剂的工作也较困难。20 世纪 60 年代中后期，一种作为克服非均相体系溶解度的新方法，就是应用相转移催化作用问世。 即在两相体系中加入少量试剂相转移催化剂， 它可以将反应物从相界面使一相转移到另一相，然后发生反应。由于它的作用，反应进行较为迅速。相转移催化反应与常规操作相比具有下列突出优点：1. 不需要昂贵的无水溶剂或非质子溶剂，不要求无水操作；2. 增加反应速度，降低反应温度，反应条件更温和，操作条件简便，后处理简单；3. 能进行别的条件下不能进行的反应；4. 可选择适当的反应条件进行选择性的反应，抑制副反应进行，提高产率。由此可见，相转移催化反应与其他有机合成方法相比，具有许多

3、的优点，推广和发展这种技术尤其在精细有机合成中具有非常重要的意义。目前，相转移催化剂共有三大类型：鎓盐盐类、冠醚类和聚乙二醇等三大类型以及近年来正在发展的三相催化剂，也称为负载型相转移催化剂。根据催化剂活性基因不同而且有不同的催化剂活性。以两相（水相 -有机相）为例，来说明相转移催化原理。当用鎓盐作为相催化剂时有两个阶段即萃取和反应。在两相系统中，将反应物和催化剂作用的原理如下表示：在上述互不反应的两相体系中，亲核试剂M+Nu 只溶于水相，而不溶于有机相。有机反应物RX 只溶于有机相不溶于水相。两者溶于不相溶的溶剂中不易接近、碰撞面发生化学反应。 如果在上诉两相体系中加入相转移催化剂季铵盐QX

4、， 它的季铵阳离子Q+具有亲油性，因此季铵盐既能溶于水相，有能溶于有机相。当其在水相中与亲核试剂 M+Nu 相接触，亲核试剂中的阴离子Nu-可以同季铵盐中的阴离子 X-进行交换生成Q+Nu-离子对。这个离子对可以从水相转移到有机相，并且和有机相中的反应物RX 发生亲核取代反应而生成新的目的化合物RNu。在反应中生产的Q+X 离子对又可以从有机相转移到水相，从而完成相转移催化循环反应。在上述催化循环反应中，催化剂季铵阳离子Q+并不消耗，只是起着转移亲核试剂 Nu的作用。因而只需要一定量的季铵盐即可以完成上述反应。在上例中的季铵盐就是“相转移催化剂”，上述反应过程就叫“相转移催化反应” 。用作相转

5、移催化剂必须满足两个基本要求：一是能够将所需的离子从水相或固相转移到有机相；另一个是要有利于该离子的迅速反应。一种有工业化使用价值的相转移催化剂还必须具备以下条件：1. 用量少，效率高，自身不会发生不可逆的反应而被消耗掉，或是在反应过程中失去转移待定离子的能力；2. 制备容易，价格合理；3. 毒性小，对环境不破坏，可用于多种反应。下面分别对各类催化剂的制备与性能做简单介绍。第二节几种主要相转移催化剂一、 鎓盐类相转移催化剂这类催化剂中常用的由季铵盐（R3N+R X） ，其次为季鏻盐（R3P+RX） 、季砷盐（ R3As+RX） 、以及季锑盐（ R3Sb+RX）和季铋盐（ R3Bi+RX） 。后

6、几种由于制备困难，价格昂贵，有的毒性大，故一般不使用。当烷基相同时鎓盐的催化能力排序如下：R4N+ XR4P+ XR4As+ XR 4Sb+ X这与 N、P、As、Sb 元素的电负性和水溶液中负离子的结合力大小有关。鎓盐以通式Q+X 表示。由于季铵盐具有生产简便、价格便宜、毒性小等优点，故在工业生产中应用最广最多。季铵盐上烃基的大小与催化剂效果影响很大。烃基上的碳原子数目多，则脂溶性大， 可增加离子对在非极性或极性较小的溶剂中的溶解度。但四个烃基的碳原子总数相当大时，水溶性甚差，不能用于液-液相转移反应。反之，四个烃基的碳原子总数小于一定数值时，在有机相中的提取效果就很差，亦不利于反应的进行。

7、因此，选择季铵盐做催化剂时， 既要考虑季铵盐的水溶性， 又要考虑形成的活性离子对的脂溶性。在季铵盐中的烃基的总碳原子数一般应大于12，R 一般在 C12C25左右。常用的四丁基铵盐、甲基三辛基铵盐、十六烷基三甲基铵盐或苄基三乙基铵盐。催化剂的负离子对催化效果也有影响，其中含有硫酸氢根（ HSO4-）和氯离子（ Cl-）的四级铵盐催化效果更好。因氯负离子亲水性较强。 硫酸氢根负离子经碱中和成硫酸根的离子，完全留在水中， 因此阳离子容易把反应所需的负离子带入有机相中。当季铵盐在碱液中遇到高温时易发生消除反应。如欲在高温下进行反应，宜改用在高温时（大于200）仍很稳定的季鏻盐，或采用稳定性更高的冠醚

8、。季铵盐的制备方法主要有三种：以伯、仲和叔胺为原料，与卤代烷反应；以低级胺如三甲胺、 三乙胺或吡啶与卤代烷反应；叔胺或铵盐与环氧乙烷反应。此外，叔胺由于它可以制备铵盐，所以它也可以用作催化剂，特别在二氯卡宾的反应中有突出的应用。二、 冠醚冠醚是一类大环多醚化合物， 亦称环聚醚。 它们的重要用途之一是络合金属离子的能力。在想转移反应中，它们与季铵盐不同，可以将水相中的离子对转移到有机相，而且可以在固液相体系中进行，在无水状态或在微量水存在下将固态的离子对转移到有机相。另外，冠醚可以与盐形成配合物， 如高锰酸钾被冠醚配合后钾离子被冠醚配合进入有机相， 而高锰酸根因静电引力相伴被萃取进入非极性有机溶

9、剂中，而呈现非溶剂化状态，被称为“裸阴离子”而暴露出来，增加了反应的活性。冠醚根据大环的原子数目和所含氧原子数目不同，可以分为许多类型。环大者其内孔径亦大。 由于结构的特点， 决定了它们催化的特点。冠醚作催化剂时的先决条件是：能与固体试剂形成配合物；配合物能够溶于有机相中， 亲酯性较大的冠醚将成为更为有效的相转移催化剂； 形成的金属离子冠醚配合物-裸阴离子能够和有机相中的反应物反应。而以上性能主要取决于两侧的官能团大小。虽然冠醚具有配合络合金属及一些离子的能力，得到了广泛应用，但由于合成困难，得率低，毒性大，价格昂贵，且不易回收，因而在工业上应用较少，主要在实验室及一些特殊的精细合成总应用。常

10、用的几种冠醚 18-冠醚-6 （I） ,15-冠醚-5 （II） ， 二苯并-18-冠醚-6 （III ）等。三、 聚乙二醇及醚聚乙二醇是我们较为熟悉的一类化工产品，其生产工艺成熟，化学稳定性好、无毒，它们还不受孔穴大小的限制， 价廉易得，使用方便，也可以用作相转移催化剂。 它们的相转移催化效果不如冠醚。在正离子的诱导下，会“圈起来” ，呈螺旋构象自由滑动的链，把正离子络合起来，形成冠醚。它们的络合能力不仅与所络合的离子性质有关，还与聚醚链的长短有关。 可以取代冠醚做相转移催化剂，现已大量用于工业生产中。主要有以下几种类型：（1）聚乙二醇（2）聚乙二醇单醚（3）聚乙二醇双醚（4）聚乙二醇单醚单

11、酯聚乙二醇及醚相对分子质量大小对反应的影响很大，一般相对分子质量在 400800时用作相转移催化剂比较合适。 当分子中乙二醇单元个数小于 5 时，不易成环，效率就低，而当分子量大于800 后，容易形成二环，这样也有一些单元环浪费。为一个单元节。聚乙二醇由于分子内容易形成氢键闭环，这样络合能力高； 醚不如醇易成环，这样络合能力低，但有时结果表明醚比醇催化效率高，实际上是因为醚提取有机相的能力比醇大。乙二醇亲水性很强， 提高水相的碱浓度可降低其亲水性，提高它在水相中的浓度。反应温度提高，可使乙二醇趋向于全交叉的稳定结构，分子间相遇机会增加， 反应速度也提高。 溶剂往往是反应好坏的重要因素。若选择得

12、好，聚乙二醇的催化能力与冠醚不相上下。四、 负载型相转移催化剂也称三相相转移催化剂。把相转移催化剂负载到不溶性聚合物上，得到不溶性固体催化剂，用于加速水相-有机相之间的反应，而本身又为固相，所以反应体系形成三相，故又称为三相相转移催化剂。一般以交联的聚苯乙烯树脂或硅胶做载体，将具有相转移催化活性的基团键在这些载体上。其优点是：操作方便；反应后容易分离；催化剂可回收再使用。 这种催化剂已用于合成氰醇、 氰乙基化和安息香缩合等反应，此外， 还可以用子氨基醇立体异构体分离、不对称有机化合物的合成等。根据催化剂活性基团的不同，可分为三大类型。（1）不溶性季铵盐和季鏻盐（2）不溶性冠醚和穴醚（3）不溶性

13、潜溶剂由聚乙醇单醚和大孔聚苯乙烯制得的一种接枝共聚物作为不溶性潜溶剂。催化剂固载后， 由于载体的引入增加了反应物扩散的困难，使其催化活性比固载前有所降低。但近来有人发现冠醚和聚乙二醇固载后，其催化活性有所上升。其他相转移催化剂还有金属盐二氯二丁基锡，以烷烃为母体的开链醚如章鱼状分子， 10-二氮双环 -23 等。第三节 相转移催化在精细有机合成中的应用由于相转移催化反应具有操作简单、 反应速度快、产品的产率高、可以在水相与有机相两相中进行反应的优点，因而已广发用于精细有机合成的单元操作，如烃化反应、酰化反应氧化和酯化等反应。限于篇幅，只能介绍几个方面的应用例子说明。一、C-烃基化反应在有机合成

14、中，形成C-C 键，使碳链增长是极为重要的反应。采用相转移反应进行碳烃化反应，可使反应操作简便， 溶剂和试剂相对便宜。下面介绍几类重要的在相转移催化下的C-烃化反应。（1）腈化物的烃化反应取代乙腈是研究最多的反应之一。 许多脂肪腈或芳香腈都能烃基化， 特备是苯乙腈在季铵盐催化下进行反应。例如：苯乙腈烃化，可以生成一元或二元烃基化合物。实际得到哪种产物，决定于试剂的摩尔比和反应时间的长短。用二卤化物，还可以生成环状化合物。例如：若烃基化试剂的一个碳原子上有两个卤原子，则会形成双取代产物。例如：取代的苯乙腈对活化的芳香卤化物还发生亲核取代，生成芳香基化合物。如：取代乙腈除了进行取代外， 它所形成的

15、负碳离子还可以与炔、羰基化合物等发生亲核加成反应。 如氯代乙腈， 在相转移催化剂反应中与环己酮生成 ， -环氧氰化物：农药除虫菊酯是一种高效低毒、广谱性的杀虫剂， 对多种昆虫具有快速击倒的作用。 天然除虫菊花中仅含0.5%0.3%，因而开展了拟除虫菊酯的合成工作。 日本的大野信夫采用相转移催化合成中间体 -（4-氯苯基） -异戊酸，得到高产率的产品。南开大学元素有机化学研究所在第一部腈化和第二部烷基化反应中，均采用了相转移催化反应，收率均高达90%以上。见反应式：美国 Rohm 和 Hass公司利用相转移催化合成了一种内吸杀菌剂Sisthame ，对于多种难处理的真菌具有内吸杀菌活性，其结构为

16、：对于一般烃化试剂卤代烃而言，伯卤代烃收率最高， 仲卤代烃烷收率较低，而叔卤代烃反应则很难进行。溴化物比氯化物作用好，但较贵，而且某些溴化物及碘化物对烃化反应有时会产生不良反应，因而在工业上仍以应用氯代烃基试剂为多。（2）醛、酮、酯、砜的烃基化醛、酮化合物的活性 -H，一般需要在碱存在下，失去质子， 形成负碳离子，与卤代烃进行碳的烃化反应。醛的 -碳烃化较为少见， 因为醛在碱性催化下容易发生羟醛缩合，一般可将醛转变为烯胺后进行烃基化反应。采用相转移催化剂，可以不需经过烯胺直接进行烃基化反应。可以用氢氧化钠溶液代替强碱，收率也高。例如：丙酮的 -H 原子酸比较弱，需要很强的碱才能消去。而采用相转移催化剂季铵盐可以在60%的氢氧化钠溶液中进行烃基化反应。如用三辛基甲基氯化铵催化剂与氯代异丙烯反应，得到异戊烯基丙酮：其他酮类化合物都可以顺利地进行 -碳的烃基化反应。如苯基丙酮与溴乙烷的反应：与 1,2-二卤代物反应时，可得到环丙烷取代物：含有两个 -H 的羰基化合物， 在过量卤化物存在