相轉移催化劑的應用課件

相轉移催化劑及在有機合成中的應用

1相轉移催化劑及在有機合成中的應用

1一、相轉移催化簡史1965~1975年迅速發(fā)展的一個新的化學領域。1913年首次報道了下面的實驗結果：回流2周無反應1.8小時99%2一、相轉移催化簡史1965~1975年迅速發(fā)展的一個新的化學

后來，三個研究小組的奠基性工作，使相轉移催化快速發(fā)展。（1）波蘭：M.Makosza堿水溶液中O、N烷基化反應，1965年∶CCl2的制備及研究成果，1969年（2）瑞典：A.Br?ndstr?n季銨鹽在非極性介質中的反應（性質、應用）（3）美國：C.M.Starks

1971年提出“PTC”名稱，并在專利中使用。還提出“PTC”作用原理，使“PTC”迅速發(fā)展。3后來，三個研究小組的奠基性工作，使相轉移催化快速發(fā)展。二、相轉移催化作用原理1、定義（1971年，C.M.Starks提出）

當兩種反應物分別處于互不相溶的兩相中時，彼此不能反應。加入第三種物質后，由于它的作用，反應得以迅速進行。這種作用稱為相轉移催化作用，這種物質稱為相轉移催化劑。PTC：phasetransfercatalysisPTC：phasetransfercatalystPTC包括液—液固—液，氣—液中性條件下的反應堿性條件下的反應4二、相轉移催化作用原理1、定義（1971年，C.M.S2、相轉移催化機理中性條件下，液—液PTC機理：有機相水相52、相轉移催化機理中性條件下，液—液PTC機理：有機相水相5或：有機相水相PTC：相轉移催化劑，具有“搬運”離子的作用，“搬運工”。問題：若反應需在水相中進行呢？“逆相相轉移催化劑”！6或：有機相水相PTC：相轉移催化劑，具有“搬運”離子的三、相轉移催化反應的特點1、都包含互不相溶的兩相有機相：液體有機物或有機溶液無機相：酸、堿、鹽水溶液或其固體

有機反應是通過分子碰撞完成的，劇烈攪拌效果較差，且易乳化。7三、相轉移催化反應的特點1、都包含互不相溶的兩相有機相：液體使兩相反應順利進行的措施：（1）采用質子溶劑（如醇）：陽離子被溶劑化，活性降低，副反應增多。（2）采用極性非質子溶劑（如DMSO、DMF等）：成本高，溶劑回收問題。（3）采用PTC：Q+Y-進入有機相，Y-未被溶劑化，呈裸露態(tài)，活性高，選擇性好。8使兩相反應順利進行的措施：（1）采用質子溶劑（如醇）：陽離子2、使用PTC優(yōu)點（1）替代昂貴非質子溶劑（2）反應速度快，溫度低（3）操作簡便（4）改善反應選擇性，提高產率92、使用PTC優(yōu)點（1）替代昂貴非質子溶劑（2）反應速度快，四、相轉移催化劑（一）PTC性能要求1、能形成離子對：如Q+Y-Q+X-2、Q+要有一定的親脂性（親脂鏈要有一定長度）3、Q+中烷基R多為直鏈，位阻盡可能小些4、良好的化學穩(wěn)定性，能循環(huán)使用10四、相轉移催化劑（一）PTC性能要求1、能形成離子對：如Q（二）PTC分類1、翁鹽類（1）優(yōu)缺點11（二）PTC分類1、翁鹽類（1）優(yōu)缺點11優(yōu)點1：R、X可調性大，PTC選擇范圍寬常用：R：一般為C2~C16之間的烷基，總碳數(shù)＞12或＞16一般總碳數(shù)：15~25之間較好（總碳數(shù)的多少，決定親脂性）12優(yōu)點1：R、X可調性大，PTC選擇范圍寬常用：R：一般為C優(yōu)點2：R中含有特殊官能團時，效果更好。如：OH-

水化作用強，不易進入有機相，若R中含有基團能與OH作用，則萃取能力大增。

β-OH易與OH-形成氫鍵，使難萃取的OH-進入有機相。缺點：R4NX穩(wěn)定性較R4PX差，但R4PX較貴。13優(yōu)點2：R中含有特殊官能團時，效果更好。如：OH（2）常用翁鹽PTC

14（2）常用翁鹽PTC142、大環(huán)多醚類（冠醚、穴醚等）（1）冠醚、穴醚PTC穴醚[2.2.2]152、大環(huán)多醚類（冠醚、穴醚等）（1）冠醚、穴醚PTC穴醚[2（2）冠醚作為PTC的作用機制冠醚同金屬離子形成的“偽”正離子，與季銨鹽離子具有類似的作用，它可將負離子以離子對的形式帶入有機相，從而促進反應的進行。16（2）冠醚作為PTC的作用機制冠醚同金屬離子形成的“偽18-C-6與鉀離子的作用圖示1718-C-6與鉀離子的作用圖示1718-C-6在不同介質中的結構圖示1818-C-6在不同介質中的結構圖示18（3）冠醚作為PTC的特點

Ⅰ.易與無機鹽離子絡和，促使固體反應物進入有機相，實現(xiàn)S-LPTC。Ⅱ.常為中性配體，不引入其它負離子。Ⅲ.優(yōu)良的配位能力及配位選擇性。Ⅳ.較昂貴，制備困難，有毒性如：KMnO4不溶于苯，加入18C6攪拌后，苯層變?yōu)樽仙?9（3）冠醚作為PTC的特點Ⅰ.易與無機鹽離子絡和3、開鏈多醚類（1）聚乙二醇類（PEG）如：PEG–600，PEG–800，PEG–400等。特點：價格便宜，易與金屬離子絡合。polyethyleneglycol203、開鏈多醚類（1）聚乙二醇類（PEG）如：PEG–60（2）章魚狀化合物

1974年首次合成，六取代苯衍生物，形似章魚。水溶性油狀物，對陽離子有極強配位能力，萃取能力比相應冠醚溶液更強。臂短或少時，萃取能力降低。OctopusmoleculesorOctopuscompounds21（2）章魚狀化合物1974年首次合成，六取代苯衍生物RRRR22RRRR224、三相催化劑

Triphasetransfercatalyst聚合物支載的相轉移催化劑Polymer–supportedPTC問題：以上三類PTC的共同缺點是反應完后PTC的回收不易！解決辦法：若將PTC聯(lián)接到聚合物載體上，將具有保存、分離、回收方便等優(yōu)點！

1975年，S.L.Regen首次報道了支載的三烷基芐銨鹽的應用，提出“三相催化劑”這一術語。234、三相催化劑Triphasetransferc（1）三相催化劑種類負載季銨鹽：負載化形成季銨鹽速寫為：24（1）三相催化劑種類負載季銨鹽：負載化形成季銨鹽速寫為：24強堿性陰離子交換樹脂：氯型氫氧型載體有機載體：高分子聚合物無機載體：硅膠、氧化鋁等25強堿性陰離子交換樹脂：氯型氫氧型載體有機載體：高分子聚合物無負載季磷鹽：粒度：60~100目或100~200目負載冠醚：26負載季磷鹽：粒度：60~100目負載冠醚：262727無機載體負載的PTC：（2）負載PTC的特點操作簡便，易自動化、工業(yè)化PTC易回收、易分離，可循環(huán)使用，不污染環(huán)境產物易分離純化負載催化劑活性比未負載時低28無機載體負載的PTC：（2）負載PTC的特點操作簡便，易自動（3）負載PTC應用實例95%94%97%99%51%同上同上同上29（3）負載PTC應用實例95%94%97%99%51%同上同五、影響相轉移催化反應的因素反應物的結構試劑的性質催化劑的種類反應溶劑反應溫度影響較大1、相轉移催化劑的影響（種類、結構）30五、影響相轉移催化反應的因素反應物的結構試劑的性質催化劑的種催化劑相對反應速度12.2×10-47.0×10-12.2×10-23.9×10-25.05.531催化劑相對反應速度12.2×10-47.0×10-12.2×一般規(guī)律：（1）PTC活性大致順序：冠醚＞磷鹽＞銨鹽且：DC18C6＞18C6＞DB18C6（2）較大烷基比較小烷基有效（3）四烷基對稱比僅含一個長鏈烷基者有效（總碳數(shù)相當）（4）負離子一般選Cl,Br,HSO4，不選IR4NI易進入有機相，對其它負離子的攜帶能力不強。PTC用量：液-液1~3%固-液~10%32一般規(guī)律：（1）PTC活性大致順序：冠醚＞磷鹽＞銨鹽且：DC2、溶劑的影響

溶劑的性質對催化劑在水相和有機相的分配關系影響很大！常用溶劑有機溶劑：苯、甲苯、簡單烷烴、鹵代烴、極性非質子溶劑等無機溶劑：水

一般不用極性質子溶劑，由于負離子被溶劑化，活性低。

有機物本身為液體則不用溶劑，所選溶劑應能溶解反應物之一。332、溶劑的影響溶劑的性質對催化劑在水相和有機相的分配關溶劑選擇原則：（1）有機物本身為液體，一般不用溶劑（2）若離子對有一定親水性，可選低級鹵代烷為溶劑（3）對正離子體積大，負離子親脂性差（如OH-），可選乙醚、石油醚、甲苯等低極性溶劑（4）極性非質子溶劑效果好，但較貴，且一般沸點較高。34溶劑選擇原則：（1）有機物本身為液體，一般不用溶劑（2）若離六、相轉移催化法在有機合成中的應用（一）不用堿的相轉移催化取代反應通式：Y：1、鹵代烷的制備（RI、RF）（1）RI的制備35六、相轉移催化法在有機合成中的應用（一）不用堿的相轉移催化?。?）RF的制備X：Cl、Br100%100%100%36（2）RF的制備X：Cl、Br100%100%100%36（3）長鏈醇制長鏈鹵代烷R≤C4~C6R：C6~C16＞90%2、腈的制備不同RX的反應速度：1°RX＞2°RXPTC：翁鹽、冠醚（18C6、15C5）37（3）長鏈醇制長鏈鹵代烷R≤C4~C6R：C6~C16＞903、酯的制備＜5%而：高產率PTC：翁鹽、冠醚、穴醚RCOO-進入有機相，親核性增強！383、酯的制備＜5%而：高產率PTC：翁鹽、冠醚、穴醚RCOO（2）4、其它取代反應39（2）4、其它取代反應39（二）有外加堿的相轉移催化反應C、O、N的烷基化碳-碳叁鍵、雙鍵等的親核加成α、β、γ消除反應水解反應等

底物去質子化后變?yōu)樨撾x子再參與反應。40（二）有外加堿的相轉移催化反應C、O、N的烷基化碳-碳叁鍵底物酸性與堿的選擇：（1）NaOH水溶液（50%~60%）/R4NX：使pKa為22~25的底物去質子化。如：醛、酮、酯、腈的α-H，酸性N-H、ROH、ArOH、端炔氫等41底物酸性與堿的選擇：（1）NaOH水溶液（50%~60%）/（2）粉狀KOH或K2CO3或t-BuOK/冠醚或穴醚/適當溶劑：使Ph2CH2、Ar3CH等更弱的酸性化合物去質子化。pKa：31~35（3）NaNH2或KH等/冠醚或穴醚/THF：使(p-CH3C6H4)2CH2、NH3、CH2=CHCH3等去質子化。1、O-烷基化（合成醚）＞80%醇、酚RX≠3°RX42（2）粉狀KOH或K2CO3或t-BuOK/冠醚或穴醚/適2、N-烷基化常見酸性N—H：亞胺類：酰亞胺：取代肼：腙：某些酰胺：磺酰胺：432、N-烷基化常見酸性N—H：亞胺類：酰亞胺：取代肼：腙：某＞80%對比：44＞80%對比：443、C-烷基化通式：R1、R2、R3中至少有一個為吸電基，如：-COOR、-CN、-C6H5、-COCH3等。PTC：n-Bu4NBr、n-Bu4NCl、n-Bu4NHSO4、18C6、DC18C6、穴醚等。453、C-烷基化通式：R1、R2、R3中至少有一個為吸電基，如4、加成和縮合反應（1）乙炔親核加成（2）Michael加成（3）羥醛縮合、安息香縮合464、加成和縮合反應（1）乙炔親核加成（2）Michael加5、消除反應（三）氧化-還原反應氧化：KMnO4,K2Cr2O7,NaOCl,HNO3,H2SO4,HClO4等均為水溶性物質，加入PTC，提高氧化劑在油相中的濃度，增強氧化能力，降低反應溫度。475、消除反應（三）氧化-還原反應氧化：KMnO4,K2Cr七、相轉移催化的近期發(fā)展（一）逆向相轉移催化作用1、逆向相轉移催化IPTC是Mathias1986年首次提出的。InveresPhaseTransferCtalysisIPTC48七、相轉移催化的近期發(fā)展（一）逆向相轉移催化作用1、逆向相轉DMAPDMAP作為逆向相轉移催化劑的催化循環(huán)示意圖49DMAPDMAP作為逆向相轉移催化劑的催化循環(huán)示意圖49（2）逆向相轉移催化劑（1）吡啶及其衍生物DMAPPNO50（2）逆向相轉移催化劑（1）吡啶及其衍生物DMAPPNO50例：95%（2）杯芳烴60℃Ln(n=4,6,8)X=Cl,Br,IY=CN,SCN,IR=C7H15,PhCH2,C8H1751例：95%（2）杯芳烴60℃Ln(n=4,6,8)X=（3）環(huán)糊精及其衍生物

環(huán)糊精（CD）是一種具有疏水性內腔的盆狀化合物，其外沿有一定親水性。環(huán)糊精的疏水性內腔能包含有機分子、無機分子及氣體分子，因此，環(huán)糊精能將不溶于水的有機分子帶入水相進行反應。52（3）環(huán)糊精及其衍生物環(huán)糊精（CD）是一種具有疏水性53535454（二）溫控相轉移催化——水/有機兩相催化新進展大連理工大學金子林等首次1994年報道。1、問題的提出

均相絡合催化的核心問題是過渡金屬催化劑的分離及其循環(huán)使用。（1）將催化劑靜態(tài)固定在高分子或無機載體上的固載均相催化?！獰o法解決金屬的脫落流失問題。（2）采用水溶性膦配體，將均相催化劑動態(tài)擔載在與產物互不相溶的水相而實現(xiàn)的水/有機兩相催化。優(yōu)點：催化劑活性高，選擇性好，反應條件溫和，產物易分離。缺點：反應的進行受底物水溶性的限制。55（二）溫控相轉移催化——水/有機兩相催化新進展大連理工大學水溶性膦配體改善底物水溶性的辦法：（1）加入共溶劑或PTC—分離有困難（2）采用兩性水溶性膦配體或分子中有長鏈烷基的水溶性膦配體。56水溶性膦配體改善底物水溶性的辦法：（1）加入共溶劑或PTC—（3）將水溶性催化劑擔載在附于玻璃球腔孔的水膜上，構成固載水相催化劑（SAPC）。載體的高比表面積為催化劑提供了足夠的反應中心，使憎水底物以較快速率反應。但SAPC對水量很敏感，反應中水流失常常使催化劑失活。（4）以非離子表面活性膦為配體的“溫控相轉移催化”在這方面有重要進展。2、非離子表面活性膦配體及溫控相轉移催化（1）非離子表面活性膦配體的特征

非離子表面活性膦配體是指分子結構中含有以乙氧基鏈為親水基的有機膦化合物。57（3）將水溶性催化劑擔載在附于玻璃球腔孔的水膜（4）以非離子

金子林等首次提出并設計、合成的膦配體的典型結構如下：58金子林等首次提出并設計、合成的膦配體的典型結構如下：58其它非離子表面活性膦配體59其它非離子表面活性膦配體59特征：不但具有水溶性，而且具有非離子表面活性劑的“濁點”。

以乙氧基鏈為親水基的醇醚型非離子表面活性劑的水溶性是有乙氧基鏈和水分子間的氫鍵所致。因此呈現(xiàn)逆反的溫度—水溶性特征，即常溫溶于水的非離子表面活性劑，在溫度升至某最低臨界溶解溫度（濁點:CP）時會因氫鍵的破