精细有机合成单元反应_与合成设计第一章课件

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1、精细有机合成单元反应 与合成设计,二O一一年五月, Tel: 13565550964 E-mail:,联系方式,精细化工的范畴,生产精细化学品的工业，通称精细化学工业，简称精细化工。所谓精细化学品，一般指的是批量小、纯度或质量要求高，而且利润高的化学品。 医药、农药、染料、涂料、颜料、香料、粘合剂、表面活性剂、化妆品、助剂、食品添加剂、功能树脂和化学促进生命物质等。,0 前言,精细化工的特点,（1）高技术密集度。 （2）多品种。 （3）综合生产流程和多用途、多功能生产设备。 （4）商品性强。 （5）新品种开发成功率低、时间长、费用高。 （6）技术垄断性强、销售利润高、附加价值高。,精细化工在国

2、民经济中的作用,（1）直接用作最终产品或它的主要成分 （2）增加或赋予各种材料以特性 （3）增进和保障农、林、牧、渔业的丰产丰收 （4）丰富人民生活 （5）促进技术进步 （6）高经济效益,本课程所讨论内容,从分子结构来看，它们大多数是在脂链、脂环、芳环或杂环上含有一个或几个取代基的衍生物。其中最主要的取代基有： （1）-Cl、-Br、-I、-P等。 （2）-SO3H、-SO2Cl、-SO2NH2、-SO2NHR等 （3）-NO2、-NO。 （4）-NH2、-NHR、-NHA r、-NH2OH等 （5）-N2+Cl、-N2+HSO4； （6）-OH、-OR、-OAr, -OAc等； （7）-R。

3、例如-CH3、-C2H5、-CH(CH3)2等；,精细有机合成的单元反应,上述三类反应之间有密切的联系： 第一类反应常常为后两类反应准备条件。 进行第二类反应时所形成的取代基的位置常常就是上一步进行第一类反应所引入的取代基的位置。 而第三类反应也需要由碳原子上的取代基来提供C、N、O、S等原子来形成杂环或新的碳环。,例如苯酚的合成路线很多，其中在工业生产上曾经采用过的合成路线至少有以下五个，它们各有优缺点。,3 天然气的利用,天然气是埋藏在地下的可燃性气体，它的主要成分是甲烷。天然气可直接用来制炭黑、乙炔、氢氰酸（氨氧化法）、各种氯代甲烷、二硫化碳、甲醇、甲醛等产品。另外，天然气也可先制成合成

4、气（CO+H2的混合气体），一氧化碳经各种羰基合成反应可制得甲醇、高碳醇、正丁醛、甲酸、乙酸、丙酸、丙烯酸、丙烯酸酯和人造石油等化工产品。,4 农林牧渔副产品的利用,含糖或淀粉的农副产品经水解可以得到各种单糖，例如葡萄糖、果糖等。如果用适当的微生物酶进行发酵，可分别得到乙醇、丙酮/丁醇、丁酸、葡萄糖酸和醋酸等。 从含纤维素的农副产品经水解可以得到己糖和戊糖。己糖经发酵可得到乙醇，戊糖经水解可得到糠醛。 从含油的动植物可以得到各种动物油和植物油。它们也是有用的化工原料。油脂经水解可以得到甘油和各种脂肪酸。 另外，从某些动植物还可以提取药物、香料、食品添加剂以及制备它们的中间体。,精细有机合成反应

5、按照进行方式不同，从形式上可以分为取代反应、加成反应、消除反应，以及其他重排反应等。每一种反应又可以分为若干种类。,第一章 有机合成反应理论,取代反应根据反应试剂性质和反应物分子中碳-氢键断裂方式不同，分为亲电取代、亲核取代和游离基取代反应。加成反应根据加成的基本途径不同，可以分为亲电加成、亲核加成、游离基加成和环加成。消除反应可以根据被消除原子或原子团位置不同，分为-消除和-消除等。重排反应也可以分为许多类。,第一章 有机合成反应理论,键的断裂均裂和异裂,有机物在发生化学反应时，总是伴随着共价键的断裂的生成。共价键的断裂有两种方式均裂和异裂。 一、共价键的均裂两原子间的共用电子对平均分配，两

6、原子各保留一个电子。共价键的这种断裂方式称键的均裂。,均裂生成的单电子原子或原子团叫做自由基或游离基。,自由基反应又称游离基反应，是精细有机合成中一类较重要的反应。常用的产生自由基方法有三种：热离解法、光离解法和电子转移法。,自由基反应,1.热离解法,2. 光离解法,光解生成自由基比起热解来市两个主要优点：首先是它能在任何温度下进行，特别适用于在较低湿度下不易裂解或根本不能裂解的强键。如偶氮烷类。,其次是它能通过调节光的照射强度和吸收物种的浓度来控制生成自由基的速度。,3 电子转移法,主要可以分为三类：自由基与饱和健反应，同时夺取一个原子；自由基加成到不饱和键上；自由基与其他自由基反应，产生偶

7、联或歧化。(A)夺取反应 自由基与饱和有机化合物反应时，通常要从碳原子上夺取一个原子，一般是氢。,自由基反应的分类,(B)加成反应 自由基可加成到各种不饱和基团上去。最重要的是加成到cc键上，这种加成反应的选择性良好。反应几乎全部发生在亚甲基上。,(C)偶联及歧化 两个白由基的化合导致生成新键，成为二聚物。,二、共价键的异裂两原子间的共用电子对在断键时，完全转移到其中一个原子上，共价键的这种断裂方式称键的异裂。共价键异裂的结果产生产生了带正电或负电的离子。,1.亲核取代反应,第一章 有机合成反应理论,第一章 有机合成反应理论,1.1 脂肪族亲核取代反应,?,1.1.1 反应动力学方程,SN2反

8、应,r = k2RXNu-,SN1反应,r = k1RX,SN2反应,Ex 1,SN2反应,SN2反应能量变化图,能量,反应进程,SN1反应,Ex 2,SN1反应,SN1反应能量变化图,能量,反应进程,1.1.2 影响反应的因素,烷基结构,对于SN2反应： 伯叔v103,RX的活性由高到低为：CH3X、伯卤烷（1o）、仲卤烷（2o）、叔卤烷（3o）,对于SN1反应： 叔伯v106,RX的活性由高到低为：烯丙基卤、苄基卤、叔卤烷（3o）、仲卤烷（2o）、伯卤烷（1o）、 CH3X,1.1.2 影响反应的因素,立体化学和重排,消旋化速度是交换反应速度的两倍,1.1.2 影响反应的因素,1.1.2

9、影响反应的因素,进入基团,亲核试剂,碱性：是对一个质子的亲和能力,亲核性：是对一个碱在过渡态对碳原子的亲和能力,亲核性取决于两个因素：碱性和可极化性,一般来说，第三、第四周期元素的亲核性强，第二周期元素的碱性强,碱性强弱与溶剂有很大的关系，所以亲核性也受溶剂的影响，但是可极化性很少受溶剂影响。,1.1.2 影响反应的因素,在质子溶剂中，常见的亲核试剂的亲核性由高到低的顺序：,RS-ArS-I-CN-OH-N3-Br-ArO-吡啶AcO-H2O,在偶极溶剂中，有些试剂的亲核性顺序是相反的：,F-Cl-Br-I-,在SN1反应中，反应速率与亲核试剂无关,1.1.2 影响反应的因素,离去基团,CX键

10、越弱，X-越容易离去,CX键的强弱取决与X-的电负性，即X-的碱性，也就是说离去基团的碱性越弱，形成的的负离子愈稳定，也就越被亲核基团所取代。,碱性大小：I-Br-RBrRCl,除卤代烷的卤素外，硫酸酯及磺酸酯的酸根均是好的离去基团，如：,1.1.2 影响反应的因素,CH3SO3-、PhSO3-、p-Me-PhSO3-,OH-、OR-、NH2-、NHR-因为碱性强，是不好的离去基团,因此：,1.1.2 影响反应的因素,溶剂效应,质子溶剂有利于SN1反应，而对于SN2反应时，亲核试剂被溶剂分子包围，必须要除掉亲核试剂周围的部分溶剂分子，才能与底物接触 。,在偶极溶剂中，亲核试剂不受偶极溶剂分子的

11、包围，负离子很难溶剂化，所以SN2反应在偶极溶剂中进行比在质子溶剂中快。,增加溶剂的极性有利于SN1反应，而对于SN2反应不利。,1.1.3 氧亲核试剂的反应,酯的水解,羧酸的酯化,1.1.3 氧亲核试剂的反应,（1）使某一个反应底物过量，一般是醇； （2）通过蒸馏移出生成的酯或者水； （3）通过共沸蒸馏移除水； （4）通过使用吸水试剂去除水。,1.1.3 氧亲核试剂的反应,酯的醇解 即转酯反应,通过蒸除较低沸点的醇，就可把较低沸点的酯转变成较高沸点的酯。,1.1.3 氧亲核试剂的反应,酰卤的醇解,R和R可以时伯、仲、叔烷基或芳基。,用酚的铊盐可高产率的获得酚酯。,氯甲酸甲酯为农药多菌灵的中间

12、体。,1.1.4 硫亲核试剂的反应,硫亲核试剂反应要比氧亲核试剂更为快速和平稳 。,烷基磺酸盐,阴离子表面活性剂,1.1.4 硫亲核试剂的反应,1.1.5 氮亲核试剂的反应,氨或胺的烷基化,氨基酸碱性比氨还弱的伯胺,1.1.5 氮亲核试剂的反应,1.1.6 卤素亲核试剂的反应,常用的卤素亲核试剂：HX、无机酰卤、SOCl2、PCl3、PCl5、 POCl3,1.1.7在磺酰基硫上的亲核取代反应,磺酰氯在无酸的条件下，用水就能水解； 磺酸酯易水解，用水或稀碱即可； 磺酰胺水解比上两种难，需要用酸水解。,1.2 芳香族亲电取代反应,1.2.1 苯的一元亲电取代反应,p-络合物,s-络合物,s-络合

13、物,1.2.1 苯的一元亲电取代反应,芳香族亲电取代反应历程：,1,2,1.2.2 苯的二元亲电取代反应,定位规律：,取代基的性质：,活化基：,钝化基：,邻、对位定位,间位定位,1.2.2 苯的二元亲电取代反应,1.2.2 苯的二元亲电取代反应,硝基苯的硝化,1.2.2 苯的二元亲电取代反应,氯苯的硝化,1.2.2 苯的二元亲电取代反应,影响苯的二元产物异构体比例的因素：,A 反应温度 如：反应温度从0oC升高到100oC，对 位异构体占优势,B 空间效应,C 催化剂 如：溴苯溴化时用不同的催化剂,D 亲电试剂,E 反应的可逆性,苯甲醚直接硝化，对位为67，邻位为31，如果用硝乙酐做硝化剂，则

14、邻位产物为71，对位为28,1.2.4 稠环化合物的亲电取代反应,对于萘的亲电取代反应在a位比b位更容易,对于萘可逆的亲电取代反应，取代基会转移到空间阻碍作用较小的b位，如萘的磺化，当温度为80oC时，主要生成a位产物，但当温度升高到160oC时，则产物就转变成b位产物。,1.2.4 稠环化合物的亲电取代反应,萘的二元亲电取代反应,当萘环上已有的a位取代基为活化基时：,萘的二元亲电取代反应,当萘环上已有的a位取代基为钝化基时：,萘的二元亲电取代反应,萘的磺化还出现一些例外情况,萘的多元亲电取代反应,萘的多元亲电取代反应 基本上与苯的多元取代类似,1.3芳香族亲核取代反应,芳香族亲核取代是亲核试

15、剂对芳环进攻的反应，这类取代按反应类型可以分为：芳环上氢的亲核取代；芳环上已有取代基的亲核取代和通过苯炔中间体的亲核取代。按反应历程可以分为：双分子反应，单分子反应和苯炔中间体等历程。,1.3.1反应动力学与历程,(1)双分子反应 大多数亲核取代反应是双分子反应，在动力学上属二级反应；最常见的芳香族亲核取代反应是从被吸电子基活化的卤代物中对卤素的置换，例如对硝基卤苯与亲核试剂的反应。,(2)单分子反应 非常普遍的例子是芳香重氮盐的亲核置换：反应的速率只与ArN2+有关，而与Nu-无关。该反应分两步进行：第一步 第二步,（3）用氨基碱氨解,二. 消除反应,消除反应同取代反应相同的是也分单分子和双

16、分子两种反应机理。 1. 单分子消除反应（E1）E1反应与SN1反应的机理相似，也是分二步进行，同样有正碳离子中间体生成。影响反应速率的因素仅与卤烷有关。反应机理如下：,有利于SN1反应的因素，同样也有利于E1反应，这两种反应是竞争反应。生成正碳离子中间体后，OH进攻正碳离子，则是SN1反应，若进攻H，则是E1反应。在E1反应中生成的正碳离子也会重成更稳定的正碳离子，消除H 后得到的也是重排后的产物。,过渡态,双分子消除反应（E2）与SN2反应类似，整个反应一步完成。,碱进攻不同的位置，发生不同的反应，对同一个卤烷在某条件下是发生SN反应还是E反应？,此反应反应速率与卤烷及进攻试剂（碱）的浓度都有关，所以是双分子消除反应（E2）。E2反应与SN2反应的关系与E1与SN1反应的关系相同，也是互为竞争反应。有利于E2反应的反应因素同样有利于SN2 反应。,