精细有机合成单元反应与合成设计第一章

石河子大学化学化工学院精细有机合成单元反应与合成设计二O一一年五月石河子大学化学化工学院●Tel:[phone]●E-mail:[e-mail]联系方式石河子大学化学化工学院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前言石河子大学化学化工学院精细化工的特点（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。石河子大学化学化工学院精细化工在国民经济中的作用（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）高经济效益石河子大学化学化工学院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、-NHAr、-NH2OH等（5）-N2+Cl、-N2+HSO4ˉ；（6）-OH、-OR、-OAr,-OAc等；（7）-R。例如-CH3、-C2H5、-CH(CH3)2等；精细有机合成的单元反应石河子大学化学化工学院为了在有机分子中引入或形成上述取代基，以及为了形成杂环和新的碳环，所采用的化学反应叫做单元反应或单元作业。最重要的单元反应有：磺化、硫酸化反应硝化反应卤化反应还原反应氨解反应烷基化反应酰化反应氧化反应羟基化反应酯化反应缩合反应石河子大学化学化工学院上述单元反应可以归纳为三种类型：第一类是有机分子中碳原于上的氢被各种取代基所取代的反应，例如卤化、磺化、硝化和亚硝化、C-酰化、C-烃化等。第二类是碳原子上的取代基转变为另一种取代基的反应，例如硝基还原为氨基等。第三类是在有机分子中形成杂环或新的碳环的反应即环合反应。石河子大学化学化工学院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。石河子大学化学化工学院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。磺化氯化C-烷化SO3HClCCH3CH3H氧化CCH3CH3OOH酸性重排分解OHCH3氧化COOH高压液相碱性水解气相接触催化水解水解（碱熔）氧化-脱羧石河子大学化学化工学院精细有机合成的原料资源精细有机合成的原料资源主要是煤、石油、天然气和农副产品。分别扼要叙述如下：1．煤的加工煤的主要成分是碳。煤的成分非常复杂，除了碳、碳氢化合物以外，还有含氧以及少量含硫、含氯化合物。另外还含有一些无机矿物质。煤的加工主要有四种方式，即（1）炼焦，（2）气化，（3）生产电石，（4）破坏加氢。其中与精细有机合成有密切关系的是炼焦副产品的回收，因为它可以提供多种芳香族原料。石河子大学化学化工学院2.石油加工（1）催化重整重整的最初目的是将重整原料油和直馏汽油里的一部分环烷烃和烷烃转变为芳烃，以提高汽油的辛烷值。是制取苯、甲苯和二甲苯等芳烃的重要方法之一。汽油重整主要采用含铂催化剂的铂重整法。（2）热裂解（3）催化裂化（4）临氢脱烷基化石河子大学化学化工学院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。石河子大学化学化工学院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。石河子大学化学化工学院精细有机合成反应按照进行方式不同，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石河子大学化学化工学院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β-消除和α-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石河子大学化学化工学院AB+BAClClhvCl+ClCHHHH+ClHCl+HHHC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。石河子大学化学化工学院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。自由基反应石河子大学化学化工学院化合物受热到一定温度发生热离解，产生游离基。不同化合物的热离解所需温度不同。Cl22Cl以上(CH3)4Pb以上Pb4CH3100℃600℃1.热离解法石河子大学化学化工学院含有弱键的化合物裂解所需温度低些，例如含有O-O键的过氧化二苯甲酰及偶氮二异丁腈都是常用的引发剂。COO250~100℃COO2CO2H3CCCNCH3NNCCH3CH3CN50~100℃H3CCCH3CN2N2石河子大学化学化工学院分子受到光的照射而被活化，活化分子具有较高的能量，它们可以满足化学键均裂所需要的能量。例如，卤素分子用光照射生成它们的原子，光离解可在任何温度下进行，并且能通过调节光的照射强度控制生成游离基的速度。Cl2Br22Cl2Brhvhv2.光离解法石河子大学化学化工学院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。石河子大学化学化工学院重金属离子具有得失电子的性能常被用于催化某些过氧化物的分解。Fe2HOOHFe3OHOHCo3+HOOC(CH3)3Co2+O(H3C)3COH+游离基反应属于连锁反应，其反应历程包括三个阶段，即链的引发、链的传递和链的终止。3电子转移法石河子大学化学化工学院主要可以分为三类：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。自由基反应的分类石河子大学化学化工学院(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c＝c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。石河子大学化学化工学院A+B-+ABCCH3CH3CH3ClCCH3CH3CH3++Cl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。石河子大学化学化工学院H2OSN1+重排CH3C-CHCH3CH3H3C+H2OCH3-C-CH-CH3CH3H3COHCH3-C-CH-CH3CH3BrH3CCH3-C-CH-CH3CH3H3C-H+石河子大学化学化工学院1.亲核取代反应RHZRZHRHZRZH精细有机合成中的亲核取代也可称为阴离子型取代反应，进攻试剂的性质和反应物分子中C-H键的断裂方式，可按如下反应通式表示：RHZRZH反应既包括芳香族亲核取代也包括脂肪族的亲核取代，但应用较多的为脂肪族的亲核取代反应，芳香族的则主要应用于亲核置换反应。第一章有机合成反应理论石河子大学化学化工学院第一章有机合成反应理论1.1脂肪族亲核取代反应RX+NuRNu+XSNNuX?1.1.1反应动力学方程RX+ROH+XOH石河子大学化学化工学院SN2反应r=k2[RX][Nu-]SN1反应r=k1[RX]石河子大学化学化工学院SN2反应RX+NuRNuX慢RNu+X过渡态快Ex1OH+CBrHHH慢CBrHHHHO过渡态快CHHHHO+Br石河子大学化学化工学院SN2反应SN2反应能量变化图RNuXE`ERX+NuRNu+X能量反应进程石河子大学化学化工学院SN1反应RX+NuR慢+XRRNu快Ex2(CH3)3CBr慢(CH3)3C+Br(CH3)3C+C2H5OH快(CH3)3COC2H5+H石河子大学化学化工学院SN1反应SN1反应能量变化图R3C-X+NuR3CXR3CX++NuR3CNuR3C-Nu+X能量反应进程石河子大学化学化工学院1.1.2影响反应的因素烷基结构对于SN2反应：伯→叔v↓103RX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v↓106RX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石河子大学化学化工学院1.1.2影响反应的因素立体化学和重排CH3CHC6H13II*-+CH3COCH3CCH3HC6H13I*+I-SR消旋化速度是交换反应速度的两倍CH3CCH3CH3CH2Br+C2H5O-C2H5OHCH3CCH3CH3CH2OC2H5+Br-石河子大学化学化工学院1.1.2影响反应的因素CH3CCH3CH3CH2BrC2H5OHCH3CCH3OC2H5CH2CH3+CH3CCH3CHCH3CH3CCH3CH3CH2BrCH3CCH3CH3CH2+Br-CH3CCH3CH3CH2CH3CCH3CH2CH3石河子大学化学化工学院1.1.2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。石河子大学化学化工学院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石河子大学化学化工学院1.1.2影响反应的因素离去基团C－X键越弱，X-越容易离去XC－X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-Cl-因此卤代烷的反应活性为：RIRBrRCl石河子大学化学化工学院除卤代烷的卤素外，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