精細化學品合成原理-第2章-精細有機合成基礎1-2課件

12023/12/6復習－提問親電試劑親核試劑第一類定位基團，舉例第二類定位基團，舉例為下列定位基團分類，并按發(fā)生取代反應的難易排序：

-CHO,

-OH,

-NO2,

-OCH3,

-Cl,

-N+(CH3)322023/12/6一、反應歷程以苯的一元親電取代為例，其反應過程可表示如下：σ絡合物又叫惠蘭特中間體或碳正離子中間體K-1k1k2化學反應所經(jīng)歷的途徑或過程，又稱反應機理。2.1芳香族親電取代的定位規(guī)律32023/12/61、定位規(guī)律EAAEAEAE++①決定反應的難易——以苯的相對反應速率為標準，分為活化基和鈍化基②決定反應的位置——以鄰對位產(chǎn)率60%為標準，分為鄰對位基和間位基理論平均值：40%40%20%定位基團二、苯的二元親電取代反應42023/12/6表2-1鄰、對位定位基和間位定位基定位效應強度取代基電子效應綜合性質鄰、對位定位最強-O-給電子誘導效應、給電子共軛效應活化基強NR2、NHR、NH2、OH、OR吸電子誘導效應小于給電子共軛效應*給電子誘導效應，給電子超共軛效應中OCOR、NHCOR弱NHCHO、C6H5、CH3*、CR3*弱F、Cl、Br、I、CH2Cl、CH=CHCOOH、CH=CHNO2吸電子誘導效應大于給電子共軛效應間位定位強COR、CHO、COOR、CONH2、COOH，SO3H、CN、NO2、CF3**、CCl3**吸電子誘導效應、吸電子共軛效應**只有吸電子誘導效應鈍化基最強NH3+、NR3+吸電子誘導效應52023/12/6三、苯環(huán)上的已有取代基的定位規(guī)律及影響因素1、已有取代基的電子效應誘導效應(Inductiveeffect)

（I）：由電負性大小決定。共軛效應（T）：包括π-π共軛和p-π共軛。＋I:供電子-I:吸電子＋T:供電子-T:吸電子62023/12/6有+I，無T：如-C2H5，-CH3

（1）使σ-配合物穩(wěn)定，活化苯環(huán)；（2）使鄰、對位取代產(chǎn)物更穩(wěn)定；（3）為鄰、對位定位基。72023/12/6有-I，無T：如-N+(CH3)3、-CF3、-CCl3等（1）使σ-配合物均不穩(wěn)定，使苯環(huán)鈍化；（2）使鄰、對位取代產(chǎn)物更不穩(wěn)定；（3）為間位定位基。82023/12/6有-I，-T：如-NO2、-CN、-COOH、-CHO等（1）誘導效應與共軛效應作用一致；（2）則使苯環(huán)鈍化；（3）間位定位基。92023/12/6有+I，+T：如-O-、-CH3

（1）共軛效應與誘導效應作用一致；（2）則使苯環(huán)活化；（3）鄰、對位定位基。102023/12/6有-I，+T，且|-I|<|+T|：如-OH、-OCH3、-NH2、-N(CH3)2、-NHCOCH3等（1）誘導效應與共軛效應作用不一致，共軛效應作用大于誘導效應，使苯環(huán)活化；（2）使鄰、對位取代產(chǎn)物更穩(wěn)定；（3）鄰、對位定位基。

112023/12/6有-I，+T，且|-I|>|+T|：如-F,-Cl,-Br,-I等（1）總效果使苯環(huán)電子云密度降低；（2）使取代基鄰、對位電子云密度低于間位；（3）鄰、對位定位基。122023/12/6兩類定位基：鄰、對位定位基（第一類定位基）：

-O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3,-F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等。間位定位基（第二類定位基）：

-N+(CH3)3,-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO,-COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3等。132023/12/62、已有取代基的空間效應已有取代基的空間效應Ro/p-CH31.66-C2H50.90-CH(CH3)20.41-C(CH3)30.12(1)在極性效應相差不大時，已有取代基體積越大，鄰位異構產(chǎn)物的比例越小。

表一硝化（AcONO2,0℃)產(chǎn)物異構體比例142023/12/6(2)當極性效應起主導作用時，結果可能相反。Xo/p-F0.15-Cl0.55-Br0.77-I0.83

表一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25℃)產(chǎn)物異構體比例152023/12/63、親電試劑的活潑性（電子效應）親電試劑的活潑性越高，親電取代反應速度越快，反應的選擇性越低。親電試劑的活潑性越低，親電取代反應速度越低，反應的選擇性越高。162023/12/6異構產(chǎn)物比例，％反應類型氯化C-酰化C-烷化反應條件Cl2(CH3COOH,25℃)CH3COCl(AlCl3,C2H4Cl2,25℃)C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)kT/kB3401282.47表親電試劑活潑性的影響172023/12/64、親電試劑的空間效應5、新取代基的空間效應

親電試劑／新引入取代基的體積越大，鄰位產(chǎn)物越少。

表甲苯C-烷化反應新引入基團對異構體比例的影響新引入基團反應條件異構產(chǎn)物比例，％鄰位間位對位CH3CH3Br(GaBr3,C6H5CH3,45℃)55.79.934.4C2H5C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)38.421.040.6CH(CH3)2CH(CH3)2Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)26.226.247.2C(CH3)3C(CH3)3Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)032.167.9182023/12/62.1芳香族親電取代的定位規(guī)律6、反應的可逆性對于不可逆的親電取代反應，電子效應對定位起主導作用，即各異構產(chǎn)物的生成比例主要取決于各異構物的δ配合物中間體的相對穩(wěn)定性。對于可逆的親電取代反應，則是空間效應對定位效應起主要作用，即各異構產(chǎn)物的生成比例主要取決于各異構產(chǎn)物之間的空間位阻和平衡關系。192023/12/62.1芳香族親電取代的定位規(guī)律6、反應的可逆性對于不可逆的親電取代反應，電子效應對定位起主導作用，即各異構產(chǎn)物的生成比例主要取決于各異構物的δ配合物中間體的相對穩(wěn)定性。對于可逆的親電取代反應，則是空間效應對定位效應起主要作用，即各異構產(chǎn)物的生成比例主要取決于各異構產(chǎn)物之間的空間位阻和平衡關系。202023/12/6溫度

（1）通常情況下，溫度升高，親電取代反應活性增高，選擇性下降?；焖嵯趸?℃5％94％1％40℃7％91％2％90℃13％85％2％7、反應條件的影響212023/12/6

（2）使不可逆的磺化、C-烷化反應轉變?yōu)榭赡娣磻?，從而影響產(chǎn)物異構體的比例。實例1：磺化磺化222023/12/6實例2：232023/12/6反應介質硝化反應介質++乙酸酐約92％少量約8％

硫酸約30％少量約70％242023/12/6催化劑的影響

（1）改變E+的極性效應或空間效應。（2）改變反應歷程?；腔腔疕gSO4催化252023/12/6已有兩個取代基為同一類型定位基，且處于間位，則定位作用一致。已有兩個取代基為同一類型定位基，且處于鄰、對位，則定位作用不一致——取決于定位能力的強弱。四、苯環(huán)上已有兩個取代基的定位規(guī)律主產(chǎn)物少量262023/12/6已有兩個取代基為不同類型定位基，且處于鄰、對位，則定位作用一致。已有兩個取代基為不同類型定位基，且處于間位，則定位作用不一致——取決于第一類定位基。272023/12/6(1)苯環(huán)上已有取代基的定位效應具有加和性。

(2)當苯環(huán)上已有兩個取代基對新取代基的定位效應不一致時，新取代基進入苯環(huán)的位置取決于已有取代基定位效應的強弱。通?；罨亩ㄎ恍笥阝g化基的定位效應；鄰、對位的定位效應大于間位的定位效應?；罨亩ㄎ恍邢铝袕娙醮涡颍?/p>

O-＞NR2＞NH2＞OH＞NHCOCH3＞X＞CH3(3)當苯環(huán)上兩個取代基都是鈍化基時，很難再進入新取代基。鈍化基的定位效應有下列強弱次序：

N(CH3)3+＞NO2＞CN＞SO3H＞COOH＞CHO＞COCH3

(4)新取代基一般不進入1,3-取代苯的2位。苯的多元親電取代反應的定位規(guī)律282023/12/6292023/12/6302023/12/6練習3：在下述兩題中，各選擇一條更好的合成路線。-BrCH3Br2/FeH2SO4H2SO4CH3SO3HBr2/FeKMnO4COOHCOOHBr2/FeCH3SO3H-BrCH3CH3CH3COOHCOOH-Br??-BrCH3Br2/FeKMnO4CH3312023/12/6練習4：選擇合理的合成路線氯化、磺化①ClSO3H②NO2COCH3?；?、硝化ClCl2/FeH2SO4HNO3/H2SO4CH3COCl/AlCl3COCH3NO2？322023/12/6NO2BrCOOHCH3③氧化、硝化、溴化④CH3NO2BrCOOH硝化、溴化、氧化CH3BrCH3溴化？注1：引入第三個基團時，前兩個基團的定位作用一致更好。KMnO4COOHNO2COOHHNO3H2SO4Br2/FeNO2BrCH3KMnO4HNO3H2SO4Br2/FeCH3NO2BrCOOH？332023/12/6五、萘環(huán)的定位規(guī)律

萘的結構X－射線衍射結果：萘分子中，18個原子共平面?！噍练肿又幸嘤须x域現(xiàn)象，單、雙鍵鍵長趨于平均化（但未完全平均化）。

OHa-萘酚–OHb-萘酚342023/12/6五、萘環(huán)的定位規(guī)律萘環(huán)的特性

（1）比苯環(huán)更易發(fā)生親電取代反應。α-位β-位352023/12/6

（2）α位比β位的親電取代反應活性高，E+優(yōu)先進攻α位。

（3）某些反應在一定條件下可逆，使低溫反應產(chǎn)物以α位為主，高溫反應產(chǎn)物以β位為主。＜60℃磺化＞160℃磺化160℃異構化原因解釋:362023/12/6已有一個取代基的定位作用（1）已有一個第一類取代基

大多使萘環(huán)活化，新取代基進入已有取代基的同環(huán)。372023/12/6

（2）已有一個第二類取代基

使苯環(huán)鈍化，新取代基進入異環(huán)的α位。382023/12/6六、蒽醌環(huán)的定位規(guī)律蒽醌環(huán)的特點（1）親電取代反應活性低；（2）兩個邊環(huán)具有等同性；（3）α位比β位活潑。392023/12/6蒽醌環(huán)的定位規(guī)律催化劑的影響磺化磺化HgSO4催化402023/12/62.2化學反應的計量學反應物的摩爾比限制反應物和過量反應物過量百分數(shù)轉化率選擇性理論收率質量收率原料消耗定額單程轉化率和總轉化率412023/12/62.2化學反應的計量學對具體產(chǎn)品選擇和確定技術上和經(jīng)濟上最合理的合成路線和工藝路線。對單元反應確定最佳工藝條件、合成技術和完成反應的方法。422023/12/61、合成路線：指的是選用什么原料，經(jīng)由哪幾個單元反應來制備目的產(chǎn)品。如苯酚的生產(chǎn)可以有好幾條合成路線，它們各有優(yōu)缺點。2、工藝路線：指的是對原料的預處理（提純、粉碎、干燥、熔化、溶解、蒸發(fā)、汽化、加熱）和反應物的后處理（蒸餾、精餾、吸收、吸附、萃取、結晶、冷凝、過濾、干燥等）應采用哪些化工過程（單元操作）、采用什么設備和什么生產(chǎn)流程等。3、反應條件：指的是反應物的摩爾比，主要反應物的轉化率（反應深度）、反應物的濃度，反應過程的溫度、時間和壓力以及反應劑、輔助反應劑、催化劑和溶劑的使用和選擇等。這些將結合到產(chǎn)品生產(chǎn)制備過程中講，討論影響反應的因素。4、合成技術：主要指的是非均相接觸催化、相轉移催化、均相絡合催化、光有機合成和電有機合成以及酶催化等。5、完成反應的方法：主要指的是間歇操作和連續(xù)操作的選擇，反應器的選擇和設計。432023/12/6

為完成化工生產(chǎn)，我們必須對所涉及的物料性質有充分了解，歸納起來有以下幾點：（1）物料在一定條件下的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性以及貯存穩(wěn)定性（包括與空氣和水分長期接觸的穩(wěn)定性）等。（2）熔點（凝固點）、沸點、在不同溫度下的蒸汽壓；物料在水中的溶解度、水在液態(tài)物料中的溶解度；物料與水是否形成共沸物，以及共沸溫度和共沸物組成等。（3）相對密度、折光率、比熱、導熱系數(shù)、蒸發(fā)熱、揮發(fā)性和粘度等。（4）閃點、爆炸極限和必要的安全措施。（5）毒性，對人體的危害性，在空氣中的允許濃度，必要的防護措施以及中毒的急救措施。（6）物料的商品規(guī)格、各種雜質和添加劑的允許含量、價格、供應來源、包裝和貯運要求等。442023/12/6化學計量比12投料摩爾數(shù)510.7反應物的摩爾比12.14

一、反應物的摩爾比

指加入反應器中的幾種反應物之間的物質的量（摩爾）之比。例如：2.2化學反應的計量學452023/12/6二、限制反應物和過量反應物化學計量比12投料摩爾數(shù)510.7投料摩爾比12.14

化學反應物不按化學計量比投料時，以最小化學計量數(shù)存在的反應物叫做限制反應物，而投入量超過限制反應物完全反應的理論量的反應物叫做過量反應物。限制反應物過量反應物462023/12/6三、過量百分數(shù)Ne——過量反應物的物質的量；Nt——與限制反應物完全反應所消耗的過量反應物物質的量。

過量反應物超過理論量部分占所需理論量的百分數(shù)，叫做過量百分數(shù)。過量百分數(shù)＝472023/12/6例：化學計量比12投料摩爾數(shù)510.7投料摩爾比12.14硝酸過量百分之多少？硝酸的過量百分數(shù)＝限制反應物過量反應物482023/12/6四、轉化率(X)

某一反應物A反應掉的量nA,R占其投料量nA,in的百分數(shù)叫做反應物A的轉化率XA。XA＝nA,RnA,in×100％×100％nA,out-nA,innA,in＝492023/12/6五、選擇性(S)

某一反應物A轉化為目的產(chǎn)物P時，化學計量系數(shù)是a/p，設A輸入和輸出反應器的物質的量為nA,in和nA,out，實際生成目的產(chǎn)物P的物質的量為nP，理論上應消耗的A的物質的量為nPa/p。則由A生成P的選擇性S為：aA＋bB=pPSA＝nPapnA,R×100％＝×100％nPapnA,in－nA,out502023/12/6六、理論收率(Y)

當輸入反應物A的物質的量為nA，in時，實際得到的目的產(chǎn)物P的物質的量nP占理論應得到的目的產(chǎn)物P的物質的量的百分數(shù)，叫做理論收率。YP＝×100％nPapnA,inYP＝×100％nPapnA,inY＝S×X512023/12/6例：100mol89mol2mol少量+焦油X苯胺＝100－2100×100％＝98％S＝＝90.82％89×1×100％100－2Y＝X苯胺×S＝98％×90.82％＝89.0％89100×1×100％＝+522023/12/6七、總收率

指反應物經(jīng)過預處理、化學反應和后處理之后，所得目的產(chǎn)物的總收率。例：將前述例題中生成對氨基苯磺酸的反應物通過分離精制后，得到87mol的對氨基苯磺酸，則分離過程的收率為：總收率：532023/12/6八、質量收率(Y質)例：

目的產(chǎn)物的質量占輸入主反應物的質量百分數(shù)，叫做質量收率。質量100kg163.5kg純度99％≥98％相對分子量93231.2542023/12/6九、原料消耗定額

每生產(chǎn)一噸產(chǎn)品需要消耗的各種原料的量（噸或千克）叫做原料消耗定額。對主要反應物來說，它實際上就是質量收率的倒數(shù)。質量100kg163.5kg純度99％≥98％相對分子量93231.2例：苯胺的消耗定額＝100×99%/163.5×98%＝0.618t＝618kg552023/12/6九、單程轉化率(X單)和總轉化率(X總)

，—反應物A輸入和輸出反應器的物質的量，—反應物A輸入和輸出全過程的物質的量X單＝nA,inRnA,outRnA,inR－×100％X總＝nA,inSnA,outSnA,inS－×100％nA,outRnA,inRnA,outSnA,inS562023/12/6例：在苯一氯化制氯苯時，為了減少副產(chǎn)二氯苯的生成量，每100mol苯用40mol氯，反應產(chǎn)物中含38mol氯苯，1mol二氯苯，還有61mol未反應的苯，經(jīng)分離后可回收60mol苯，損失1mol苯，如下圖所示：572023/12/6582023/12/6302.3化學反應器化學反應器在結構和材料上的基本要求是：傳質、傳熱、操作方式、機械強度和耐蝕性等。592023/12/6

化學反應器是反應原料在其中進行化學反應、生成目的產(chǎn)物的設備?；瘜W反應器在結構和材料上必須滿足以下要求：（1）對反應物料（特別是非均相的氣液反應物、液液反應物、氣固反應物、液固反應物、氣液固三相反應物）提供良好的傳質條件，便于控制反應物系的濃度分布，以利于反應的順利進行；（2）對反應物料（特別是強放熱或強吸熱的反應物系）提供良好的傳熱條件，便于熱效應的移除或供給，以利于反應物系的溫度控制；（3）在反應的溫度、壓力和介質條件下，具有良好的力學強度和耐腐蝕性能；（4）能適應反應器的操作方式（間歇操作或連續(xù)操作）。2.3化學反應器602023/12/6612023/12/6型式圖號結構特點適用場合及應用舉例立式攪拌鍋1-1a標準型,帶橢圓底或折邊球形底在液體介質內(nèi)進行的各種反應1-1b帶錐形底結晶形產(chǎn)物或需靜止分層的產(chǎn)物1-1c半球形底壓熱反應,如氨化、水解等加壓下的反應622023