精细有机合成及答案课件

第2章

精细有机合成基础12/24/20221本章教学基本内容和要求1、芳香族亲电取代的定位规律2、化学反应的计量学3、化学反应器4、精细有机合成中的溶剂效应5、有机合成新技术教学重点：芳香族亲电取代反应及定位规律教学难点：有机合成新技术12/24/202222.1芳香族亲电取代的定位规律问题:芳烃最主要的化学性质是什么?一、反应历程以苯的一元亲电取代为例，其反应过程可表示如下：σ络合物又叫惠兰特中间体或碳正离子中间体K-1k1k2化学反应所经历的途径或过程，又称反应机理。σ络合物证据12/24/20223·σ络合物，橙色固体，熔点-15℃支持σ络合物存在的证据：σ络合物，固体，无一定熔点·12/24/20225二、苯的二元亲电取代反应1、概念苯的二元亲电取代是指一元取代苯再进行第二次亲电取代的反应。在绝大多数情况下，反应的结果是苯环上的另一个氢被取代成为二元取代苯。BAABABAB++12/24/202261、定位规律EAAEAEAE++①决定反应的难易——以苯的相对反应速率为标准，分为活化基和钝化基②决定反应的位置——以邻对位产率60%为标准，分为邻对位基和间位基理论平均值：40%40%20%定位基团二、苯的二元亲电取代反应12/24/20227表2-1邻、对位定位基和间位定位基(C,I)定位效应强度取代基电子效应综合性质邻、对位定位最强-O-给电子诱导效应、给电子共轭效应活化基强NR2、NHR、NH2、OH、OR吸电子诱导效应小于给电子共轭效应*给电子诱导效应，给电子超共轭效应中OCOR、NHCOR弱NHCHO、C6H5、CH3*、CR3*弱F、Cl、Br、I、CH2Cl、CH=CHCOOH、CH=CHNO2吸电子诱导效应大于给电子共轭效应间位定位强COR、CHO、COOR、CONH2、COOH，SO3H、CN、NO2、CF3**、CCl3**吸电子诱导效应、吸电子共轭效应**只有吸电子诱导效应钝化基最强NH3+、NR3+吸电子诱导效应12/24/20228练习3：选择合理的合成路线氯化、磺化①ClSO3H②NO2COCH3酰基化、硝化ClCl2/FeH2SO4HNO3/H2SO4CH3COCl/AlCl3COCH3NO2？12/24/202210三、苯环上的已有取代基的定位规律及影响因素1、已有取代基的电子效应诱导效应(Inductiveeffect)

I:由电负性大小决定。共轭效应(Conjugation)C：包括π-π共轭和p-π共轭。＋I:供电子-I:吸电子＋C:供电子-C:吸电子12/24/2022122、已有取代基的空间效应已有取代基的空间效应Ro/p-CH31.66-C2H50.90-CH(CH3)20.41-C(CH3)30.12(1)在极性效应相差不大时，已有取代基体积越大，邻位异构产物越少。表一硝化（AcONO2,0℃)产物异构体比例12/24/202214(2)当极性效应起主导作用时，结果可能相反(邻位多)。Xo/p-F0.15-Cl0.55-Br0.77-I0.83表一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25℃)产物异构体比例12/24/2022153、新引入基团的空间效应新引入取代基的体积越大，邻位产物越少。表甲苯C-烷化反应新引入基团对异构体比例的影响新引入基团反应条件异构产物比例，％邻位间位对位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℃)032.167.912/24/2022164、亲电试剂的活泼性（电子效应）亲电试剂的活泼性越高，亲电取代反应速度越快，反应的选择性越低。5、亲电试剂的空间效应

（P10表2-3，烷基化反应）

6、反应的可逆性12/24/202217温度（1）通常情况下，温度升高，亲电取代反应活性增高，选择性下降。混酸硝化0℃5％94％1％40℃7％91％2％90℃13％85％2％7、反应条件的影响12/24/202218实例2：12/24/202220反应介质硝化反应介质++乙酸酐约92％少量约8％硫酸约30％少量约70％12/24/202221已有两个取代基为同类型定位基，定位作用一致。已有两个取代基为同类型定位基，定位作用不一致：强者决定。四、苯环上已有两个取代基的定位规律主产物少量12/24/202223已有两取代基不同类型且处于邻、对位，则定位作用一致。已有两取代基不同类型且定位作用不一致：第一类定位基决定。12/24/202224五、萘环的定位规律萘的结构X－射线衍射结果：萘分子中，18个原子共平面。∴萘分子中亦有离域现象，单、双键键长趋于平均化（但未完全平均化）。

OH-萘酚–OH-萘酚12/24/202226五、萘环的定位规律萘环的特性（1）比苯环更易发生亲电取代反应。α-位β-位12/24/202227（2）α位比β位的亲电取代反应活性高，E+优先进攻α位。（3）某些反应在一定条件下可逆，使低温反应产物以α位为主，高温反应产物以β位为主。＜60℃磺化＞160℃磺化160℃异构化原因解释:12/24/202228（2）已有一个第二类取代基使苯环钝化，新取代基进入异环的α位。12/24/202230六、蒽醌环的定位规律蒽醌环的特点（1）亲电取代反应活性低；（2）两个边环具有等同性；（3）α位比β位活泼。12/24/202231蒽醌环的定位规律催化剂的影响磺化磺化HgSO4催化12/24/2022322.2化学反应的计量学反应物的摩尔比限制反应物和过量反应物过量百分数转化率选择性理论收率质量收率原料消耗定额单程转化率和总转化率12/24/202233化学计量比12投料摩尔数510.7反应物的摩尔比12.14

一、反应物的摩尔比指加入反应器中的几种反应物之间的物质的量（摩尔）之比。例如：12/24/202234二、限制反应物和过量反应物

化学计量比12投料摩尔数510.7投料摩尔比12.14

化学反应物不按化学计量比投料时，以最小化学计量数存在的反应物叫做限制反应物，而投入量超过限制反应物完全反应的理论量的反应物叫做过量反应物。12/24/202235三、过量百分数Ne——过量反应物的物质的量；Nt——理论上与限制反应物完全反应所需要的过量反应物物质的量。e:excess,t:theory

过量反应物超过理论量部分占所需理论量的百分数，叫做过量百分数。过量百分数＝12/24/202236例：化学计量比12投料摩尔数510.7投料摩尔比12.14硝酸过量百分数？硝酸的过量百分数＝限制反应物过量反应物12/24/202237四、转化率(X)P15某一反应物A反应掉的量nA,r占总投料量nA,in的百分数叫做反应物A的转化率XA。XA＝nA,rnA,in×100％×100％nA,out-nA,innA,in＝in:总投入量，out：总出来量(未反应的量)

r：reaction反应的量12/24/202238五、选择性(S)S:selectivity;P:product某一反应物A转化为目的产物P时，化学计量系数是a/p,设A输入和输出反应器的物质的量为nA,in和nA,out,实际生成目的产物P的物质的量为nP，理论上应消耗的A的物质的量为nPa/p。则由A生成P的选择性S为：aA＋bB=pP;(a/p)A→PSA＝nPapnA,R×100％＝×100％nPapnA,in－nA,out化学计量比12/24/202239六、理论收率(Y),Y:yield当输入反应物A的物质的量为nA,in时，实际得到的目的产物P的物质的量nP占理论应得到的目的产物P的物质的量的百分数，叫做理论收率。YP＝×100％nPapnA,inYP＝×100％nPapnA,inY＝S×X,理论收率=选择性×转化率12/24/202240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％＝12/24/202241七、总收率指反应物经过预处理、化学反应和后处理之后，所得目的产物的总收率。例：将前述例题中生成对氨基苯磺酸的反应物通过分离精制后，得到87mol的对氨基苯磺酸，则分离过程的收率为：总收率：12/24/202242八、质量收率(Y质)例：目的产物的质量占某一输入反应物的质量百分数，叫做质量收率。质量100kg163.5kg纯度99％≥98％相对分子量93231.212/24/202243九、原料消耗定额每生产一吨产品需要消耗的各种原料的量(吨或千克)叫做原料消耗定额。对主要反应物来说，它实际上就是质量收率的倒数。质量100kg217kg纯度99％≥98％相对分子量93231.2例：苯胺的消耗定额＝100×99%/163.5×98%＝0.618t＝618kg12/24/202244十、单程转化率(X单)和总转化率(X总)，——反应物A输入和输出反应器的物质的量，——反应物A输入和输出全过程的物质的量X单＝nA,inRnA,outRnA,inR－×100％X总＝nA,inSnA