第七章 精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)與催化

第七章精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)與催化第一頁，共十六頁，2022年，8月28日8.1溶劑的分類和性質(zhì)根據(jù)溶劑是否具有極性和能否放出質(zhì)子，可將溶劑分成四類：(1)極性質(zhì)子溶劑這類溶劑極性強(qiáng)，介電常數(shù)大，具有能電離的質(zhì)子，水、醇是常用的極性質(zhì)子溶劑，人民最顯著的特點(diǎn)是能同負(fù)離子或強(qiáng)電負(fù)性元素形成氫鍵，從而可對(duì)負(fù)離子產(chǎn)生很強(qiáng)的溶劑化作用。第二頁，共十六頁，2022年，8月28日(2)極性非質(zhì)子溶劑又稱偶極非質(zhì)子溶劑或惰性質(zhì)子溶劑，其介電常數(shù)大于15，偶極矩大于2.5D，故具有較強(qiáng)的極性。由于這類溶劑一般含有電負(fù)性的氧原子（如C=O,S=O,P=O）,而且氧原子周圍無空間障礙，因此，能對(duì)正離子產(chǎn)生很強(qiáng)的溶劑化作用。相反在這類溶劑的結(jié)構(gòu)中正電性部分一般包藏于分子內(nèi)部，故難于對(duì)負(fù)離子發(fā)生溶劑化。如：DMF,DMSO,CEG,HMPA等。(3)非極性質(zhì)子溶劑(4)非極性非質(zhì)子溶劑第三頁，共十六頁，2022年，8月28日8.2精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng)溶劑效應(yīng)：溶劑對(duì)合成反應(yīng)所產(chǎn)生的影響稱為溶劑效應(yīng)。一、溶劑和溶質(zhì)之間的相互作用力大量溶劑分子和少量溶質(zhì)分子之間的相互作用力可分為三大類：（1）庫侖力：即靜電吸引力，它包括離子－離子力和離子－偶極力。（2）范德華力：亦稱內(nèi)聚力，它包括偶極－偶極力（定向力）、偶極－誘導(dǎo)偶極力（誘導(dǎo)力）和瞬間偶極－誘導(dǎo)偶極力（色散力）。（3）專一性力：包括氫鍵締和作用、電子對(duì)給體/電子對(duì)受體相互作用（電荷轉(zhuǎn)移力）、溶劑化作用、離子化作用、離解作用和增溶性相互作用等。第四頁，共十六頁，2022年，8月28日二、離子化及離解作用離子原：在固體時(shí)具有分子晶體的偶極型化合物，在液態(tài)時(shí)它仍以分子狀態(tài)存在，但是當(dāng)它與溶劑發(fā)生作用時(shí)可以形成離子。例如鹵化物RX、氫化物HX和金屬有機(jī)化合物等。離子體：在晶體態(tài)時(shí)是離子型的，而在熔融狀態(tài)以及在稀溶液中則只以離子形式存在的化合物，例如金屬鹵化物等二元鹽。離子化過程：離子原的共價(jià)鍵發(fā)生異裂產(chǎn)生離子對(duì)的過程。離解過程：離子對(duì)（締和離子）轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)立離子的過程。溶劑化作用：化合物A-B在溶劑中溶解時(shí)，溶劑與溶質(zhì)（電解質(zhì)）間發(fā)生特殊的相互作用，使溶質(zhì)改變?cè)瓉淼男螒B(tài)形成溶液，通常把這種作用叫做溶劑化作用。離子對(duì)：具有共同溶劑化層、電荷相反的成對(duì)電子，在溶劑中離子對(duì)和獨(dú)立離子對(duì)處于平衡狀態(tài)。第五頁，共十六頁，2022年，8月28日第六頁，共十六頁，2022年，8月28日三、偶極非質(zhì)子溶劑與離子或分子的作用偶極非質(zhì)子溶劑是極性或可極化化合物的良好溶劑?；衔锶苋脒@些溶劑中，正離子和負(fù)離子的溶劑化程度并不相同，這是因?yàn)樵谂紭O非質(zhì)子溶劑的分子結(jié)構(gòu)中，常含有電負(fù)性的氧原子（如C=O,S=O,P=O）,負(fù)電中心位于氧上，而且氧原子周圍無空間障礙，因此特別容易和正離子發(fā)生離子－偶極相互作用，即溶劑與正離子產(chǎn)生很強(qiáng)的溶劑化作用。而偶極非質(zhì)子溶劑的分子結(jié)構(gòu)中，正極部分空間阻礙較大，故難于對(duì)負(fù)離子發(fā)生溶劑化。如：DMF（N，N－二甲基甲酰胺）,DMSO（二甲基亞砜）,CEG,HMPA（六甲基磷酰胺）等。第七頁，共十六頁，2022年，8月28日四、溶劑對(duì)親核取代反應(yīng)速度的影響溶劑化效應(yīng)對(duì)飽和碳上的親核取代反應(yīng)影響很大。在極性溶劑中，反應(yīng)物（如鹵代烷）受溶劑的作用，容易發(fā)生鍵的異裂，由于所得的正離子和負(fù)離子北一層溶劑分子所包圍，離子重新結(jié)合成分子的傾向減小，從而有利于經(jīng)碳正離子中間體進(jìn)行的但分組親核取代反應(yīng)。但是負(fù)離子親核試劑在這類溶劑中的強(qiáng)溶劑化對(duì)雙分子親核取代反應(yīng)卻很不利，因?yàn)楸仨毾哪芰看蚱朴H核試劑的“溶劑包圍層”，才能形成SN2的過渡態(tài)。和極性質(zhì)子溶劑相反，偶極非質(zhì)子溶劑對(duì)親核試劑不發(fā)生溶劑化，或者溶劑化作用很小，此親核試劑為“自由離子”，這類“自由離子”，的親核性很高，故偶極非質(zhì)子溶劑能大大促進(jìn)SN2反應(yīng)的進(jìn)行。如利用鹵素交換制備氟代烷反應(yīng)：第八頁，共十六頁，2022年，8月28日8.3有機(jī)反應(yīng)對(duì)溶劑的要求溶劑對(duì)合成體系中反應(yīng)物有較好的溶解性，或者使反應(yīng)物在溶劑中能良好分散。溶劑對(duì)反應(yīng)物和產(chǎn)物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不影響體系中催化劑的活性。溶劑容易從反應(yīng)物中回收，損失少，不影響精化產(chǎn)品后處理及提純。溶劑本身在反應(yīng)條件下及回收溶劑過程中是穩(wěn)定的。溶劑盡可能不需要太高的技術(shù)安全措施。溶劑的毒性小，含溶劑廢水容易處理。溶劑的價(jià)格便宜，供應(yīng)方便。

第九頁，共十六頁，2022年，8月28日8.4精細(xì)有機(jī)合成與催化催化劑是一種能改變給定反應(yīng)的速度，但不參與化學(xué)計(jì)量的物質(zhì)。催化劑能使反應(yīng)按新的途徑，通過一系列基本步驟進(jìn)行，催化劑是其中第一步的反應(yīng)物，最后一步的產(chǎn)物，亦即催化劑參與了反應(yīng)，但經(jīng)過一次化學(xué)循環(huán)后又恢復(fù)原來的組成。催化劑之所以能加速反應(yīng)是走一條新的反應(yīng)途徑，降低總反應(yīng)的活化能來實(shí)現(xiàn)的。第十頁，共十六頁，2022年，8月28日8.5均相催化作用均相催化作用：催化劑與反應(yīng)物處于同一物相，反應(yīng)在整個(gè)相同的體系內(nèi)發(fā)生。均相催化反應(yīng)可分為氣相的和液相的均相反應(yīng)兩種。(1)均相酸堿催化作用(2)均相絡(luò)合催化作用(3)金屬絡(luò)合物催化劑及催化作用第十一頁，共十六頁，2022年，8月28日8.6相轉(zhuǎn)移催化相轉(zhuǎn)移催化（PhaseTransferCatalysisPTC）反應(yīng)屬于兩相反應(yīng)，一相是含鹽、酸、堿的水溶液或其固體，另一相是溶有反應(yīng)物質(zhì)的有機(jī)介質(zhì)溶液。相轉(zhuǎn)移催化作用能使離子化合物與不溶于水的有機(jī)物質(zhì)在低極性溶劑中進(jìn)行反應(yīng)，或加速這些反應(yīng)。最常用的催化劑是鎓鹽，或是能與堿金屬絡(luò)合而成增溶性的絡(luò)合劑。這種催化劑的基本作用是將反應(yīng)鹽的陰離子以離子對(duì)的形式轉(zhuǎn)移到有機(jī)介質(zhì)中，由于陰離子未被溶劑化，所以相轉(zhuǎn)移活性很大。第十二頁，共十六頁，2022年，8月28日一、相轉(zhuǎn)移催化原理及相轉(zhuǎn)移催化劑用于合成反應(yīng)的相轉(zhuǎn)移催化劑應(yīng)滿足兩項(xiàng)基本要求：一是能把所需的離子帶入有機(jī)相中；二是有利于離子迅速進(jìn)行反應(yīng)。在陰離子反應(yīng)中，常用的相轉(zhuǎn)移催化劑是季銨鹽類Q+X-。另一類相轉(zhuǎn)移催化劑是聚醚，其中主要以鏈狀聚乙二醇、二烷基醚合環(huán)狀冠醚。其特點(diǎn)是：催化能力很強(qiáng)。第十三頁，共十六頁，2022年，8月28日第十四頁，共十六頁，2022年，8月28日二、相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)條件的選擇（1）反應(yīng)的溶劑選擇可考慮的溶劑有：二氯甲烷、氯仿、石油醚、甲苯、氯苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯等。（2）PTC的結(jié)構(gòu)選擇選擇的季銨陽離子既具有較好的親油性，又具有一定的親水性。目前使用較多的是：C6H5CH2N+(C2H5)3Cl-,(C8H17)3N+CH3Cl-,(C4H9)4N+Cl-（3）相轉(zhuǎn)移催化劑用量及分離再生一般每摩爾的有機(jī)反應(yīng)物使用0.005－0.1mol的季銨鹽。第十