8第八章 相转移催化剂的应用1

第八章相转移催化剂及在有机合成中的应用一、相转移催化简史1965~1975年迅速发展的一个新的化学领域。1913年首次报道了下面的实验结果：n-C8H17Cl+NaCN(H2O)回流2周无反应1.8小时n-C16H33P(n-Bu)3Br+-99%n-C8H17CN后来，三个研究小组的奠基性工作，使相转移催化快速发展。（1）波兰：M.Makosza碱水溶液中O、N烷基化反应，1965年∶CCl2的制备及研究成果，1969年（2）瑞典：A.Brändströn季铵盐在非极性介质中的反应（性质、应用）（3）美国：C.M.Starks1971年提出“PTC”名称，并在专利中使用。还提出“PTC”作用原理，使“PTC”迅速发展。二、相转移催化作用原理1、定义（1971年，C.M.Starks提出）当两种反应物分别处于互不相溶的两相中时，彼此不能反应。加入第三种物质后，由于它的作用，反应得以迅速进行。这种作用称为相转移催化作用，这种物质称为相转移催化剂。PTC：phasetransfercatalysisPTC：phasetransfercatalystPTC包括液—液固—液，气—液中性条件下的反应碱性条件下的反应2、相转移催化机理中性条件下，液—液PTC机理：StarksPTCcyclediagramR-X+MYR-Y+MXQXQY+R-XR-Y+QXQY+MXMY+QX+-+-+-+-+-+-有机相水相或：QY+R-XR-Y+QX+-+-+-+-MYQX有机相水相PTC：相转移催化剂，具有“搬运”离子的作用，“搬运工”。问题：若反应需在水相中进行呢？“逆相相转移催化剂”！三、相转移催化反应的特点1、都包含互不相溶的两相有机相：液体有机物或有机溶液无机相：酸、碱、盐水溶液或其固体有机反应是通过分子碰撞完成的，剧烈搅拌效果较差，且易乳化。使两相反应顺利进行的措施：（1）采用质子溶剂（如醇）：阳离子被溶剂化，活性降低，副反应增多。（2）采用极性非质子溶剂（如DMSO、DMF等）：成本高，溶剂回收问题。（3）采用PTC：Q+Y-进入有机相，Y-未被溶剂化，呈裸露态，活性高，选择性好。2、使用PTC优点（1）替代昂贵非质子溶剂（2）反应速度快，温度低（3）操作简便（4）改善反应选择性，提高产率四、相转移催化剂（一）PTC性能要求1、能形成离子对：如Q+Y-Q+X-2、Q+要有一定的亲脂性（亲脂链要有一定长度）3、Q+中烷基R多为直链，位阻尽可能小些4、良好的化学稳定性，能循环使用（二）PTC分类1、翁盐类R4NXR4PXR4AsXR4SbXR4BiX（1）优缺点优点1：R、X可调性大，PTC选择范围宽X：4,OH,RO,BH4,BF4,CN,ONO2,ClO4,IO4,SCN---------------常用：---ClBrHSO4R：一般为C2~C16之间的烷基，总碳数＞12或＞16一般总碳数：15~25之间较好（总碳数的多少，决定亲脂性）优点2：R中含有特殊官能团时，效果更好。如：OH-水化作用强，不易进入有机相，若R中含有基团能与OH作用，则萃取能力大增。-R3NCH2CHOHR'OH+β-OH易与OH-形成氢键，使难萃取的OH-进入有机相。缺点：R4NX稳定性较R4PX差，但R4PX较贵。（2）常用翁盐PTC(n-C4H9)4NCl(n-C4H9)4NBr(n-C4H9)4NHSO4C6H5CH2N(C2H5)3ClC6H5CH2N(C2H5)3Brn-C16H33N(CH3)3Cl(n-C8H17)3NCH3Cl(n-C8~C10)3NCH3Cl(n-C4H9)4PCln-C16H33P(n-C4H9)3BrTBACTBABTBABBTEACBTEABCTMACTCMACTBPCHDTBPB2、大环多醚类（冠醚、穴醚等）（1）冠醚、穴醚PTCOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOOONHOONHOONOONOOOO15C518C6DB18C6DC18C64,13-diaza-18C6穴醚[2.2.2]（2）冠醚作为PTC的作用机制冠醚同金属离子形成的“伪”正离子，与季铵盐离子具有类似的作用，它可将负离子以离子对的形式带入有机相，从而促进反应的进行。OOOOOOK+MnO4-OOOOOOK+CN-RBr+KCNRCN+KBr18-C-6+KCN+KBr18-C-6Br(CH2)12BrNC(CH2)12CN18-C-6与钾离子的作用图示18-C-6在不同介质中的结构图示（3）冠醚作为PTC的特点Ⅰ.易与无机盐离子络和，促使固体反应物进入有机相，实现S-LPTC。Ⅱ.常为中性配体，不引入其它负离子。Ⅲ.优良的配位能力及配位选择性。Ⅳ.较昂贵，制备困难，有毒性如：KMnO4不溶于苯，加入18C6搅拌后，苯层变为紫色。3、开链多醚类（1）聚乙二醇类（PEG）ROOOR'nn≥7R,R'=H,alkylect.如：PEG–600，PEG–800，PEG–400等。特点：价格便宜，易与金属离子络合。polyethyleneglycol（2）章鱼状化合物1974年首次合成，六取代苯衍生物，形似章鱼。水溶性油状物，对阳离子有极强配位能力，萃取能力比相应冠醚溶液更强。臂短或少时，萃取能力降低。SOOORSOOORSOOORSOOORSOOORSOOOROctopusmoleculesorOctopuscompoundsSOOORSOOORM+RRRR4、三相催化剂Triphasetransfercatalyst聚合物支载的相转移催化剂Polymer–supportedPTC问题：以上三类PTC的共同缺点是反应完后PTC的回收不易！解决办法：若将PTC联接到聚合物载体上，将具有保存、分离、回收方便等优点！1975年，S.L.Regen首次报道了支载的三烷基苄铵盐的应用，提出“三相催化剂”这一术语。（1）三相催化剂种类负载季铵盐：CH2-CH()nHCHO+HClZnCl2CH2-CH()nCH2ClR3NCH2-CH()nCH2NR3Cl+-负载化形成季铵盐+-PCH2NR3Cl速写为：+-PCH2N(CH3)3ClNaOH+-PCH2N(CH3)3OH强碱性阴离子交换树脂：氯型氢氧型载体有机载体：高分子聚合物无机载体：硅胶、氧化铝等负载季磷盐：P+-+AlCl3PBr(CH2)nBrCH2Br()nP(n-Bu)3N2PCH2P(n-Bu)3Br()n90℃110℃n=2~4粒度：60~100目或100~200目负载冠醚：PCH2NHOOOOOOPCH2N(CH2)9C2H5OOOOOOPCH2NHOOOOO无机载体负载的PTC：+-OSiOO(CH2)3P(n-Bu)3Br（2）负载PTC的特点操作简便，易自动化、工业化PTC易回收、易分离，可循环使用，不污染环境产物易分离纯化负载催化剂活性比未负载时低（3）负载PTC应用实例+-PPhCH2Cl+NaCN+H2OCH2N(CH3)2n-BuClPhCH2CN+-P+NaCl+H2OCH2N(CH3)2n-BuCln-C10H21Brn-C10H21Cl+PhOHn-C4H9Br+NaOHPhOC4H9-n+NaOHPh-C=CH2CH3+CHCl3Ph-CCH2ClClCH3PhCH2OH+NaOClPhCHOPhCH3H2O95%94%97%99%51%同上同上同上五、影响相转移催化反应的因素反应物的结构试剂的性质催化剂的种类反应溶剂反应温度影响较大1、相转移催化剂的影响（种类、结构）SK+n-C8H17BrS-C8H17-nPTC催化剂相对反应速度(n-C4H9)4NI(n-C4H9)4NBr(CH3)4NBrC6H13N(C2H5)3BrC12H25N(CH3)3Br(n-C4H9)4PClDC18C612.2×10-47.0×10-12.2×10-23.9×10-25.05.5一般规律：（1）PTC活性大致顺序：冠醚＞磷盐＞铵盐且：DC18C6＞18C6＞DB18C6（2）较大烷基比较小烷基有效（3）四烷基对称比仅含一个长链烷基者有效（总碳数相当）（4）负离子一般选Cl,Br,HSO4，不选IR4NI易进入有机相，对其它负离子的携带能力不强。PTC用量：液-液1~3%固-液~10%2、溶剂的影响溶剂的性质对催化剂在水相和有机相的分配关系影响很大！常用溶剂有机溶剂：苯、甲苯、简单烷烃、卤代烃、极性非质子溶剂等无机溶剂：水一般不用极性质子溶剂，由于负离子被溶剂化，活性低。有机物本身为液体则不用溶剂，所选溶剂应能溶解反应物之一。溶剂选择原则：（1）有机物本身为液体，一般不用溶剂（2）若离子对有一定亲水性，可选低级卤代烷为溶剂（3）对正离子体积大，负离子亲脂性差（如OH-），可选乙醚、石油醚、甲苯等低极性溶剂（4）极性非质子溶剂效果好，但较贵，且一般沸点较高。六、相转移催化法在有机合成中的应用（一）不用碱的相转移催化取代反应通式：RX+QYRY+QXPTCCNXRCOOSH----Y：1、卤代烷的制备（RI、RF）CH3(CH2)7Br+KIPTCCH3(CH2)7I+KBrCH2Cl2+NaIPTCClCH2I+CH2I2-PTC:n-C16H33P(n-Bu)3Br+（1）RI的制备（2）RF的制备-n-C16H33P(n-Bu)3Br+RCH2X+KFRCH2F+KXor18C6X：Cl、BrNO2O2NCl+KF18C6CH3CNNO2O2NFCH3COCl+KF18C6CH3COF+KFBr18C6100%100%100%（3）长链醇制长链卤代烷ROH+HClRCl+H2OZnCl2R≤C4~C6-n-C16H33P(n-Bu)3Br+ROH+HClRCl+H2OR：C6~C16＞90%2、腈的制备PTCRX+KCNNaCNRCN+KXNaX不同RX的反应速度：1°RX＞2°RXPTC：翁盐、冠醚（18C6、15C5）3、酯的制备RCOOAg+R'XRCOOR'+AgX＜5%而：RCOOK+R'XRCOOR'+KX(1)(s)PTCCH3CN高产率PTC：翁盐、冠醚、穴醚RCOO-进入有机相，亲核性增强！（2）RCOOH+R3N+R'XRCOOR'+R3NR'X+-RCOOH+R3NRCOONHR3R3N+R'XR3NR'X+-4、其它取代反应RXKSCNKSHNaNO3NaNO2RSHRSCNRONORONO2（二）有外加碱的相转移催化反应C、O、N的烷基化碳-碳叁键、双键等的亲核加成α、β、γ消除反应水解反应等底物去质子化后变为负离子再参与反应。底物酸性与碱的选择：（1）NaOH水溶液（50%~60%）/R4NX：使pKa为22~25的底物去质子化。如：醛、酮、酯、腈的α-H，酸性N-H、ROH、ArOH、端炔氢等NHOONH（2）粉状KOH或K2CO3或t-BuOK/冠醚或穴醚/适当溶剂：使Ph2CH2、Ar3CH等更弱的酸性化合物去质子化。pKa：31~35（3）NaNH2或KH等/冠醚或穴醚/THF：使(p-CH3C6H4)2CH2、NH3、CH2=CHCH3等去质子化。1、O-烷基化（合成醚）RX+R'OHn-Bu4NHSO450%NaOHROR'＞80%醇、酚RX≠3°RX2、N-烷基化常见酸性N—H：(C6H5)2NHNHNHNNHNHNHOONHOOC6H5NHNHC6H5NHArRR'RCONHC6H5CH3SO2NHR亚胺类：酰亚胺：取代肼：腙：某些酰胺：磺酰胺：RXNHOO+n-C16H33P(n-Bu)3BrNaOHC6H5CH3NOORNH2-NH2RNH2＞80%RXNHOONOORKOHNKOO对比：3、C-烷基化通式：RXCHR1R2R3+PTC50%NaOHCRR1R2R3R1、R2、R3中至少有一个为吸电基，如：-COOR、-CN、-C6H5、-COCH3等。PTC：n-Bu4NBr、n-Bu4NCl、n-Bu4NHSO4、18C6、DC18C6、穴醚等。4、加成和缩合反应（1）乙炔亲核加成RHCNPh+HR'(C2H5)4NB