相转移催化原理和应用

CompanyLOGO相转移催化原理及应用CompanyLogo相转移催化反应概述1相转移催化作用原理2相转移催化剂3相转移催化在有机合成中的应用4相转移催化的发展5一、相转移催化反应概述发展历史20世纪60年代后期，一种克服非均相体系溶解性差的新方法问世，Starks称这一新技术为相转移催化（phasetransfercatalysis,PTC），它通过加入催化剂量的第三种物质（即相转移催化剂）或采用具有特殊性质的反应物，使一种反应物从一相转移到另一相中，并且与后一相中的另一反应物起反应，从而变非均相反应为均相反应，确保并加速了反应的顺利进行。相转移催化作用相转移催化的转移作用相转移催化的活化作用相转移催化的提高选择性的作用相转移催化反应体系液—液相转移催化反应体系液—固相转移催化反应体系气—液相转移催化反应体系液—液—固相转移催化反应体系液—液—液相转移催化反应体系固—固—液相转移催化反应体系二、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+MXQXQYR-XR-YQXQYMXMYQX+++++-+-+-+-+-+-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”！3、PTC优点提高反应速率，提高反应的专一性；耗费较低的能源；可使用廉价非毒性、能回收的溶剂，或直接使用液体试剂作为溶剂；相转移催化使用的催化剂和介质极易获得；工艺流程简单、设备尺寸小；产品容易分离。三、相转移催化剂1、能形成离子对：如Q+Y-Q+X-2、Q+要有一定的亲脂性3、良好的化学稳定性，能循环使用PTC性能要求季铵、鏻、砷、锍盐、叔胺、冠醚、开链醚及负离子化合物鎓盐类冠醚类开链聚醚类催化活性稳定性制备难易价格回收反应体系无机离子毒性一般（与结构有关）在120℃以下较为稳定，鏻盐比铵盐稳定，但两者在强碱条件下都不稳定易一般不困难（依赖于反应条件）液-液相，液-固相不重要小一般（与结构有关）除强酸外，基本稳定部分易较贵蒸馏液-固相重要大不定（与结构及反应条件有关）除强酸外，基本稳定易低蒸馏液-液相，液-固相不重要小PTC分类相转移催化剂：鎓盐类催化剂(1)鎓盐类催化剂由中心原子、中心原子上的取代基和负离子三部分组成，催化活性与这三部分有关。催化活性的影响因素①中心原子：R3P+＞R3N+＞R3As+＞R3Sb+电负性和水溶液中阴离子的结合力大小有关。②负离子的影响：Iˉ＞Brˉ＞CNˉ＞Clˉ＞OHˉ＞Fˉ＞SO42ˉ③取代基的影响：溶剂萃取常数R=CH3—C2H5—C3H7—C4H9—C5H11—CH2Cl2CHCl3C6H6CCl41.50.22220210.222.9×1044.4×103354.8×1068.1×1053.9×103872.45×1087.9×1052.9×104*萃取常数ER4N+（Pic-)=[R4N+Pic-]/{[R4N+]水·[Pic-]水}，Pic为苦味酸根均四取代季铵盐的萃取常数相转移催化剂：鎓盐类催化剂(2)Q+Br-CnlogEQ+Br-CnlogEN(n-C16H33)(CH3)3BrN(n-C15H31)(CH3)3BrN(n-C14H29)(CH3)3BrN(n-C12H25)(CH3)3Br191817133.883.282.660.34N(n-C14H29)(C2H5)3BrN(n-C12H25)(C2H5)3BrN(n-C10H21)(C2H5)3BrN(n-C10H21)(n-C3H5)3BrN(n-C10H21)(n-C4H9)3Br20181619223.722.541.363.914.15不同季铵盐由水相到1，2-二氯乙烷中的萃取常数1.固定3个取代基，改变一个取代基，则长链取代基季铵盐的萃取常数大；2.对称性强的季铵盐的萃取效率比对称性差的季铵盐高。相转移催化剂：鎓盐类催化剂(3)①季铵盐阳离子的结构为了使季铵盐阳离子既具有较好的亲油性，又具有较好的亲水性，季铵盐阳离子中的四个烷基的总碳原子数一般以15-25为宜.为了提高亲水试剂中阴离子的活性，亲核试剂的阳离子与阴离子在有机溶剂中应该容易分开，即阳离子和阴离子之间的中心距离应尽可能大一些，因此，四个烷基最好是相同的.②季镀盐中阴离子的影响常用的季铵盐是季铵的氯化物，因为它们制备容易、价格较便宜。如果当亲核试剂的阴离子Nu-(如F-、OH-)比Cl-更难提取到有机相时，就需要使用季铵酸性硫酸盐，因为HSO4-在碱性介质中会转变成更难提取的SO42-.由于季铵酸性硫酸盐的制备较复杂、价格较贵，使用较少.相转移催化剂：冠醚及聚醚类相转移催化剂冠醚催化原理为利用环中氧原子与金属离子形成配位化合物正离子，常用于液-固相反应体系。冠醚催化效率影响因素有：①冠醚孔径②环上取代基苄基氯酯化时二环己基-18-冠-6＞二苯基-18-冠-6＞18-冠-6聚醚催化剂具有价格低、稳定性好、合成方便等特点，主要类型有：聚乙二醇HO(CH2CH2O)nH聚乙二醇脂肪醚C12H25O(CH2CH2O)nH聚乙二醇烷基苯醚C8H7–C6H5-O(CH2CH2O)nH冠醚腔孔直径/nm金属离子离子直径/nm12-冠-415-冠-518-冠-621-冠-70.11～0.140.17～0.220.26～0.320.34～0.42Li+Na+K+Cs+0.1360.1940.2660.388相转移催化剂：多环穴醚2(ClCH2CH2OCH2)2+2NH2-TsOONONOTsTs(ClCOCH2OCH2)2OONONOOOOOLiAlH4OONONOOO[2,2,2]-穴醚穴醚是可以与阳离子发生配位的双环和多环多齿配体。“穴醚（cryptand）”一词是指该配体形如空穴，将底物分子容纳在里面。整个分子是一个三维的结构。因此与单环的冠醚相比，穴醚配合物更加稳定，对底物分子的选择性也更强。形成的复合物具有脂溶性。唐纳德·克拉姆、让-马里·莱恩和查尔斯·佩德森通过对穴醚和冠醚进行研究，开创了超分子化学的先例，并因此获得了1987年的诺贝尔化学奖。相转移催化剂：三相相转移催化剂将可溶性相转移催化剂(PTC)固载到高分子载体上制得的一类既不溶于水,也不溶于有机相的固载化相转移催化剂称为三相相转移催化剂(triphasephasetransfercatalyst,简称TPPTC)；三相相转移催化剂的特点：⒈不溶于水、酸、碱和有机溶剂，反应结束后只需简单过滤即可定量回收；⒉可多次重复使用，而活性不降低或稍微降低，反应产物从反应体系中的分离提取也很方便；⒊由于催化剂已高分子化，挥发性小、相应减少了毒性；⒋适合于工业上的连续化生产。常见的TPPTC有固载化季铵盐、固载化冠醚、固载化聚乙二醇等，其中研究最多、使用最广泛的是固载化聚乙二醇。四、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+KF18C6CH3CNNO2O2NF100%CH3COCl+KF18C6CH3COF+KFBr18C6100%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：鎓盐、冠醚（18C6、15C5）3、酯的制备RCOOAg+R'XRCOOR'+AgX＜5%RCOOK+R'XRCOOR'+KX(1)(s)PTCCH3CN高产率PTC：季铵盐、冠醚、穴醚RCOO-进入有机相，亲核性增强！PTC：CTMAB，收率90.2%.十六烷基三甲基溴化铵例1：卢言菊,赵振东,陈玉湘,等.相转移催化法合成松香树脂酸烯丙酯工艺.化工进展,2009,28(7):1261-1265.RCOONaPhCH2ClTBABCTMABRCOOCH2Ph+or羧酸苄酯：收率85%以上。HCOOCH2PhCH3COOCH2PhCH3CH2COOCH2PhCH3CH2CH2COOCH2PhPhCOOCH2Ph甲酸苄酯乙酸苄酯89%丙酸苄酯98.5%丁酸苄酯苯甲酸苄酯89%例2：酯类香精羧酸苄酯的合成（2）RCOOH+R3N+R'XRCOOR'+R3NR'X+-RCOOH+R3NRCOONHR3R3N+R'XR3NR'X+-RCOONaR3NR'XRCOOR'R3NR'XNaCl++++-+乙酸苄酯合成工艺流程氯化苄三乙胺季铵盐脱水酯化水解醋酸钠亚硫酸氢钠脱醛水洗硼酸蒸馏产品利用氯化苄与水形成共沸物可快速脱去结晶醋酸钠中结晶水；在弱碱性条件下水解酯化后混和物使未反应氯化苄水懈成苯甲醇，二氯化苄水解成苯甲醛，然后再用亚硫酸氢钠洗涤半成品除去苯甲醛；加入少量硼酸进行蒸馏，蒸馏时硼酸与苯甲醇酯化成高沸点的酯，使之与产品乙酸苄酯易于通过蒸馏分离开来。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：（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°RXnC4H9OHnC6H13ClNaOH水溶液Bu4NHSO4nC4H9OC6H13nCHOOHOCH3(CH3)2SO440%NaOH/PhHTEBACHOOCH3OCH3NaOSO2OCH3H2O在黄连素中间体的生产中，甲基化一步采用相转移催化法后，避免了Cannizaro副反应，使收率提高了25%，单耗降低了37%，三废排放减少三分之一。RXNHOO+n-C16H33P(n-Bu)3BrNaOHC6H5CH3NOORNH2-NH2RNH2＞80%2、N-烷基化可以用手性PTC实现α-氨基酸的不对称合成.3、C-烷基化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-Bu4