精细有机合成化学及工艺学

精细有机合成化学及工艺学主讲教师：刘鸿第一章绪论1.1精细化工的范畴精细化工：生产精细化学品的工业。精细化学品：一般指批量小，纯度或质量要求高，而且润高的化学品涂料颜料试剂和高纯物农药染料信息用化学品催化剂和各种助剂食品和饲料添加剂功能高分子材料日用化学品胶粘剂1.2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，市场竞争激烈5新产品开发成功率低，时间长，费用高6技术垄断性强，销售利润高，附加值高1.3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，如医药，农药等。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1.4本书的讨论范围有机化工产品：基本有机原料，有机中间体和有机产品。基本有机原料：指从石油，天然气或煤等天然资源经过一次或次数较少的化学加工而制得的结构比较简单的有机物，如乙烯，苯，甲苯等。中间体：指将基本原料经进一步加工而制得的结构比较复杂但还不具有特定用途的有机物，如甲醇，乙酸，环氧乙烷等。有机化工产品：指将有机中间体加工制得有特定用途的有机物，如医药，塑料，合成橡胶等。1.5精细有机合成的单元反应磺化氯化C-烷化SO3HClCHCH3CH3水解（碱熔）气固相接触催化水解高压液相碱性水解CCH3CH3OOH酸性重排分解OHCH3COOH氧化脱羧氧化氧化1.6精细有机合成的原料资源1.煤的加工2.石油加工包括：1）催化重整2）热裂解3）催化裂解4）临氢脱烷基化3.天然气的利用天然气主要是甲烷，可用来制碳黑，乙炔，氢氰酸，甲醇，甲醛等。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得到各种单糖，经适当的微生物酶发酵，可分别得到乙醇，乳酸，葡萄糖酸等物质。第2章精细有机合成的理论基础2.1反应试剂的分类1.极性试剂(a)亲电试剂：从基质上取走一对电子形成共价键的试剂，这种试剂电子云密度低，在反应中进攻其他分子的高电子云密度中心，具有亲电性。1.正离子：NO2R等2.含有可极化和已经极化共价键的分子：Cl2HBrRCOCl等3.含有可接受共用电子对的分子：AlCl3FeCl3BF3等。4.羰基的双键。5.氧化剂：Fe3+O3H2O2等。6.酸类7.卤代烷中烷基：RCl.(b)亲核试剂：把一对电子提供给基质以形成共价键的试剂，这种试剂具有较高的电子云密度，与其他分子作用时将进攻该分子的低电子云密度中心，具有亲核性。1.负离子：OHROCN等2.极性分子中偶极的负端：NH3NH2OH等3.烯烃双键和芳环：H2CCH2C6H6等4.还原剂：Fe2+金属等5.碱类6.有机金属化合物中的烷基：RMgXRCCM等2.自由基试剂：含有未成对单电子的自由基或是在一定条件下可产生自由基的化合物。2.2亲电取代反应通式：RH+ZRZ+H+或RH+ZYRZ+YH1.芳香族π配合物与σ配合物CF3+HNO2FBF3[CF3NO2BF4]-100℃[CF3HNO2BF4]-50℃CF3NO2+HF+BF3π配合物σ配合物2.芳香族亲电取代定位规律1.影响定位的主要因素：芳环已有一个或几个取代基，若再引入新取代基时，其进入的位置和反应进行的速度，主要取决于以下因素：（1）已有取代基的性质，包括极性效应和空间效应，如果已有几个取代基，则决定于它们的性质和相对位置。（2）亲电试剂的性质，也包括极性效应和空间效应。（3）反应的条件，主要是温度，催化剂和溶剂的影响。2.两类定位基第一类定位基：-O-N(CH3)2-NH2-OH-OCH3-NHCOCH3-OCOCH3-F-Cl-Br-I-CH3-CH2Cl-CH2COOH-CH2F等第二定位基：-N（CH3）3-CF3-NO2-CN-SO3H-COOH-CHO-COOCH3-COCH3-CONH2-NH3-CCl3等3.苯环的定位规律（1）已有取代基的定位规律邻位共振结构ZHEZHEZHE[]对位共振结构ZZZHEHEHE[]间位共振结构ZZZHEHEHE[（1）取代基只有正的诱导效应（+I），如烷基，可使苯环活化，且是邻，对定位。其中甲基还具有超共轭效应，其活化作用大于其它烷基。（2）取代基中同苯环相连的原子具有未共用电子对，如等，其未共用电子对和苯环形成正的共轭效应（+T或+C），它们是邻，对定位，同时它们也具有诱导效应，如氨基和羟基，其（+T）大于（-I），所以它们使苯环活化。对于卤素，其正的共轭效应小于负的诱导效应，所以使苯环稍稍钝化。-O-NR2-OH-F-Cl（3）取代基具有负的诱导效应，且同苯环相连的原子没有共用电子对，如其中某些取代基除诱导效应外，还有负的共轭效应，它们使苯环钝化，是间位取代。（2）已有取代基的空间效应表1单烷基苯一硝基化时异构产物比率-N（CH3）3-CF3-NO2-CN-SO3H-COOH-CHO-COOCH3-COCH3-CONH2-NH3-CCl3等烷基苯异构产物生成比率（%）邻/对邻位间位对位甲苯61.41.637.01.66乙苯45.93.350.80.90异丙苯28.04.567.50.41叔丁苯10.06.883.20.123.亲电试剂的极性效应表2四种卤代苯一硝化时异构产物比率卤代苯异构产物生成比率（%）邻/对邻位间位对位氟苯130.6860.15氯苯350.94640.55溴苯430.9560.77碘苯451.3540.834.新取代基的空间效应如表1中，甲苯的C-烷基化中的叔丁基化，几乎没有邻位取代，主要生成对位产物。5.反应条件的影响（1）温度的影响CH334%25%41%丙烯，AlCl3,0℃CH32%65-70%28-30%丙烯，AlCl3,110℃（2）催化剂的影响：催化剂可改变亲电试剂的极性效应和空间效应。（3）介质的影响：主要是介质酸度的影响，如乙酰苯胺的硝化，用乙酐比用硫酸作介质将生成更多的邻位异构体。6.已有两个取代基的定位规律（1）当两个取代基属于同一类型，并处于间位，其定位作用是一致的CH3CH3COOHCOOH主要次要（2）当两个取代基属于不同类型并处于邻位或对位时，其定位作用也是一致的。CH3NO2ClCN硝化CH3NO2NO2硝化ClCNNO2（3）当两个取代基属于不同类型并处于间位时，其定位作用就是不一致的，这时新取代基进入第一类定位基的邻位或对位。（4）当两个取代基属于同一类型并处于邻位或对位，则新取代基进入的位置决定于定位能力较强的取代基。NHCOCH3COOH硝化NHCOCH3COOHNO2CH3NHCOCH3硝化CH3NHCOCH3O2N4.萘环的定位规律萘环的α位通常比β位活波，亲电试剂一般比较容易进入萘环的α位。95%5%90%10%85%15%硝化环上的氯化低温磺化当萘环上已有了一个第一类取代基时，新取代基进入它的同环，如已有取代基在α位，则新取代基进入它的邻位或对位，并且常常以其中一个位置为主。ONa+CO2羧化OHCOONaNH2+NNClNH2NN当已有取代基是第二类定位基，新取代基通常进入没有取代基的另一环上，并且主要是α位取代。SO3H硝化SO3HNO2SO3H+NO2习题练习一2.3亲核取代反应通式：RH+ZRZ+H或RH+ZYRZ+HY1.脂肪族亲核取代反应历程（1）双分子历程（SN2）Nu+RX[NuRCl]NuR+X过度态CClOH+慢[HOCCl]HOC（2）单分子历程（SN1）RX慢R+XR+NuRNuCRRRClCRRR+XCRRR+H2OCRRROH+H慢快2.反应的影响因素作用物结构的影响SN2历程：伯卤烷仲卤烷叔卤烷SN1历程：伯卤烷仲卤烷叔卤烷被取代基的影响离去基团L接受电子的能力越强越易离去，也有利于亲核取代反应的进行。RSO3IBrClRCOO-OH-NH2亲核试剂的影响大多亲核试剂的亲核能力与其碱性的强弱是一致的C2H5OOHC6H5OC2H5SH2O溶剂的影响溶剂的极性越强越有利于SN1历程，在非质子溶剂中有利于SN2反应历程。3.芳香族已有取代基的亲核置换反应SO3Na+2NaOH碱熔ONa+Na2SO3+H2ONO2NO2ClNa2SO3NO2NO2SO3Na芳环上其他取代基对反应的影响ClNO2Na2CO2,H2O,130℃H2O,HOHNO2ClNO2Na2CO2,H2O,100℃H2O,HOHNO2ClNO2Na2CO2,H2O,温热H2O,HOHNO2NO2NO2NO2O2NNO2O2N4.消除反应E2历程：CHCHX[CHCHXNu]过度态CC+HXE1历程：CHCX慢XCHC快CCBHβ消除反应的定向（1）查依采夫法则：CH3CH2CBrCH3HCCH3CH3CH3CH2CCH3CCH3CH3（2）霍夫曼法则：H3CCHCH3HCCH3NR3HNR3H3CCHCH3CHCH2（3）若分子中已有一个双键，消除反应后形成新的双键位置，不论按何种消除历程，均以形成共轭双键产品为主CH3CHCHCH2CHBrCH2CH3二甲基吡啶-HBrCH3CHCHCHCHCH2CH3α-消除反应α-消除反应是在相同的碳原子上消除两个原子，形成高度活泼的缺电性质点（即卡宾），卡宾能与多种单键发生插入反应。CH+CH2CHCH2[]CH2CHCCCH2CC+CH2CCCH2消除反应影响因素1.反应物分子的空间效应：被消除原子所连的碳原子有支链时，对消除反应有利。2.反应物分子的电子效应：分子中在β-碳原子上有吸电基（CN，NO2等），增加β-氢原子的活性，使E2消除反应加速。3.离去基团的性质：离去基团吸电能力增加，使β-氢原子的电子云密度下降，有利于双分子E2消除反应，离去基团对E1历程无明显影响。4.反应条件的影响：试剂的碱性对于E2和SN2是有影响的，碱性即是对质子的亲和力，试剂的碱性增大，E2反应更容易进行；溶剂的极性对反应的影响与亲核取代反应相似；对于反应温度，无论是单分子历程还是双分子历程，提高反应温度，都有利于消除反应的进行。2.5自由基反应自由基反应又称游离基反应，它一经引发，就能很快进行反应，是快速链反应。自由基的产生有：1.热离解法：化合物受热到一定温度发生热离解，产生自由基.Cl2100℃以上加热2Cl2（C6H5COO)260-100℃2C6H5COO+C6H5+2CO22.光离解法：3.电子转移法：Fe2+HOOHFe3+OH+HOCo3+(CH3)3COOHCo2+H+(CH3)3COOCl2hv2ClBr2hv2Br2.6加成反应有亲电加成，亲核加成和自由基加成三种类型1.亲电加成：一般发生在碳-碳重键上，烯烃和炔烃分子中的π电子具有较大的活动性，易与多种亲电试剂发生亲电加成反应；常见的亲电试剂有卤素，卤化氢，次卤酸，卤代烷和硫酸。2.亲核加成：最重要的是碳氧双键的亲核加成。（1）能形成碳负离子的化合物，主要是含有活泼α-氢的醛，酮，羧酸及其衍生物和亚砜等。（2）具有未共用电子对的化合物或离子（3）含氢负离子的金属氢化物3.自由基加成：在光，高温或引发剂的作用下先生成自由基，然后与碳碳重键发生加成反应，是链式反应。如卤素，卤化氢与碳碳双键的加成。COδδ2.7重排反应1.分子间重排NClH3CCO+HClNClH3CCOHClNHCOCH3+Cl2NHCOCH3+NHCOCH3ClCl2.分子内亲电重排（1）联苯胺重排NHNHHH2NNH2（2）N-取代苯胺的重排（3）羟基的迁移NRNOHClNHNORHNOHH2SO4NH2OH+NH2OH3.分子内亲核重排（1）亲核中心是碳正离子引起的重排反应在试剂的作用下首先形成碳正离子，相继临近原子上的基团带着一对电子，向带正电荷的碳原子迁移，发生亲电重排反应。CRCROHRROH+H-H2OCRCRRROHCRCRRRO+H（2）亲电中心是卡宾引起的重排反应COCHN2R-N2COCHR[]OCCHRH2OROHNH3RCH2COOHRCH2COORRCH2CONH2（3）亲电中心是氮宾引起的重排反应R