第2章 精细有机合成基础

第2章

精细有机合成基础2023/2/51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2023/2/522.1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2023/2/53图2-1苯系亲电取代的能量变化图ΔE32023/2/54·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·2023/2/55二、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++2023/2/562、单环芳烃二元亲电取代反应的定位规律1、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2023/2/57表2-1邻、对位定位基和间位定位基2023/2/58练习1：指出下列物质取代反应的位置COCH3CH2CH3SO3H练习2：排出下列物质取代反应的难易顺序⑥CH3BrNO2OHCHOH①②③④⑤2023/2/59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？2023/2/510NO2BrCOOHCH3③氧化、硝化、溴化④CH3NO2BrCOOH硝化、溴化、氧化CH3BrCH3溴化？注1：引入第三个基团时，前两个基团的定位作用一致更好。KMnO4COOHNO2COOHHNO3H2SO4Br2/FeNO2BrCH3KMnO4HNO3H2SO4Br2/FeCH3NO2BrCOOH？2023/2/511三、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（I）：由电负性大小决定。共轭效应（T）：包括π-π共轭和p-π共轭。＋I:供电子-I:吸电子＋T:供电子-T:吸电子2023/2/512有+I，无T：如-C2H5，-CH3（1）使σ-配合物稳定，活化苯环；（2）使邻、对位取代产物更稳定；（3）为邻、对位定位基。2023/2/513有-I，无T：如-N+(CH3)3、-CF3、-CCl3等（1）使σ-配合物均不稳定，使苯环钝化；（2）使邻、对位取代产物更不稳定；（3）为间位定位基。2023/2/514有-I，-T：如-NO2、-CN、-COOH、-CHO等（1）诱导效应与共轭效应作用一致；（2）则使苯环钝化；（3）间位定位基。2023/2/515有+I，+T：如-O-（1）共轭效应与诱导效应作用一致；（2）则使苯环活化；（3）邻、对位定位基。2023/2/516有-I，+T，且|-I|<|+T|：如-OH、-OCH3、-NH2、-N(CH3)2、-NHCOCH3等（1）诱导效应与共轭效应作用不一致，共轭效应作用大于诱导效应，使苯环活化；（2）使邻、对位取代产物更稳定；（3）邻、对位定位基。

2023/2/517有-I，+T，且|-I|>|+T|：如-F,-Cl,-Br,-I等（1）总效果使苯环电子云密度降低；（2）使取代基邻、对位电子云密度高于间位；（3）邻、对位定位基。2023/2/518两类定位基：邻、对位定位基（第一类定位基）：

-O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3,-F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等。间位定位基（第二类定位基）：

-N+(CH3)3,-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO,-COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3,-CCl3等。2023/2/5192、已有取代基的空间效应已有取代基的空间效应(1)在极性效应相差不大时，已有取代基体积越大，邻位异构产物的比例越小。表一硝化（AcONO2,0℃)产物异构体比例2023/2/520(2)当极性效应起主导作用时，结果可能相反。表一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25℃)产物异构体比例2023/2/521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2023/2/5223、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。亲电试剂的活泼性越低，亲电取代反应速度越低，反应的选择性越高。2023/2/523表亲电试剂活泼性的影响2023/2/5242.1芳香族亲电取代的定位规律4、亲电试剂的空间效应5、新取代基的空间效应2023/2/525不可逆反应，电子效应对定位起主要作用。可逆反应，空间效应对定位起主要作用。6、反应的可逆性2023/2/526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2023/2/527（2）使不可逆的磺化、C-烷化反应转变为可逆反应，从而影响产物异构体的比例。实例1：磺化磺化2023/2/528实例2：2023/2/529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％2023/2/530催化剂的影响

（1）改变E+的极性效应或空间效应。（2）改变反应历程。磺化磺化HgSO4催化2023/2/531已有两个取代基为同一类型定位基，且处于间位，则定位作用一致。已有两个取代基为同一类型定位基，且处于邻、对位，则定位作用不一致——取决于定位能力的强弱。四、苯环上已有两个取代基的定位规律主产物少量2023/2/532已有两个取代基为不同类型定位基，且处于邻、对位，则定位作用一致。已有两个取代基为不同类型定位基，且处于间位，则定位作用不一致——取决于第一类定位基。2023/2/533

(1)苯环上已有取代基的定位效应具有加和性。

(2)当苯环上已有两个取代基对新取代基的定位效应不一致时，新取代基进入苯环的位置取决于已有取代基定位效应的强弱。通常活化基的定位效应大于钝化基的定位效应；邻、对位的定位效应大于间位的定位效应。活化基的定位效应有下列强弱次序：

O-＞NH2＞NR2＞OH＞CH3、NHCOCH3＞CH3＞X(3)当苯环上两个取代基都是钝化基时，很难再进入新取代基。钝化基的定位效应有下列强弱次序：

N(CH3)3+＞NO2＞CN＞SO3H＞CHO＞COCH3＞COOH(4)新取代基一般不进入1,3-取代苯的2位。苯的多元亲电取代反应的定位规律2023/2/5342023/2/5352023/2/536练习：在下述两题中，各选择一条更好的合成路线。-BrCH3Br2/FeH2SO4H2SO4CH3SO3HBr2/FeKMnO4COOHCOOHBr2/FeCH3SO3H-BrCH3CH3CH3COOHCOOH-Br☺☺-BrCH3Br2/FeKMnO4CH32023/2/537五、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2023/2/538五、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2023/2/539（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2023/2/540已有一个取代基的定位作用（1）已有一个第一类取代基

大多使萘环活化，新取代基进入已有取代基的同环。2023/2/541（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。2023/2/542六、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。2023/2/543蒽醌环的定位规律催化剂的影响磺化磺化HgSO4催化2023/2/5442.2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2023/2/5452.2化学反应的计量学对具体产品选择和确定技术上和经济上最合理的合成路线和工艺路线。对单元反应确定最佳工艺条件、合成技术和完成反应的方法。2023/2/5461、合成路线：指的是选用什么原料，经由哪几个单元反应来制备目的产品。如苯酚的生产可以有好几条合成路线，它们各有优缺点。2、工艺路线：指的是对原料的预处理（提纯、粉碎、干燥、熔化、溶解、蒸发、汽化、加热）和反应物的后处理（蒸馏、精馏、吸收、吸附、萃取、结晶、冷凝、过滤、干燥等）应采用哪些化工过程（单元操作）、采用什么设备和什么生产流程等。3、反应条件：指的是反应物的摩尔比，主要反应物的转化率（反应深度）、反应物的浓度，反应过程的温度、时间和压力以及反应剂、辅助反应剂、催化剂和溶剂的使用和选择等。这些将结合到产品生产制备过程中讲，讨论影响反应的因素。4、合成技术：主要指的是非均相接触催化、相转移催化、均相络合催化、光有机合成和电有机合成以及酶催化等。5、完成反应的方法：主要指的是间歇操作和连续操作的选择，反应器的选择和设计。2023/2/547为完成化工生产，我们必须对所涉及的物料性质有充分了解，归纳起来有以下几点：（1）物料在一定条件下的化学稳定性、热稳定性、光稳定性以及贮存稳定性（包括与空气和水分长期接触的稳定性）等。（2）熔点（凝固点）、沸点、在不同温度下的蒸汽压；物料在水中的溶解度、水在液态物料中的溶解度；物料与水是否形成共沸物，以及共沸温度和共沸物组成等。（3）相对密度、折光率、比热、导热系数、蒸发热、挥发性和粘度等。（4）闪点、爆炸极限和必要的安全措施。（5）毒性，对人体的危害性，在空气中的允许浓度，必要的防护措施以及中毒的急救措施。（6）物料的商品规格、各种杂质和添加剂的允许含量、价格、供应来源、包装和贮运要求等。2023/2/548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：2.2化学反应的计量学2023/2/549二、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。限制反应物过量反应物2023/2/550三、过量百分数Ne——过量反应物的物质的量；Nt——与限制反应物完全反应所消耗的过量反应物物质的量。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＝2023/2/551例：化学计量比12投料摩尔数510.7投料摩尔比12.14硝酸过量百分之多少？硝酸的过量百分数＝限制反应物过量反应物2023/2/552四、转化率(X)某一反应物A反应掉的量nA,R占其投料量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＝2023/2/553五、选择性(S)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=pPSA＝nPapnA,R×100％＝×100％nPapnA,in－nA,out化学计量比2023/2/554六、理论收率(Y)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×X2023/2/555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％＝2023/2/556七、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：2023/2/557八、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93231.22023/2/558九、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100kg163.5kg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＝618kg2023/2/559九、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,outSnA,inS－×100％nA,outRnA,inRnA,outSnA,inS2023/2/560例：在苯一氯化制氯苯时，为了减少副产二氯苯的生成量，每100mol苯用40mol氯，反应产物中含38mol氯苯，1mol二氯苯，还有61mol未反应的苯，经分离后可回收60mol苯，损失1mol苯，如下图所示：2023/2/5612023/2/562302.3化学反应器化学反应器在结构和材料上的基本要求是：传质、传热、操作方式、机械强度和耐蚀性等。2023/2/563化学反应器是反应原料在其中进行化学反应、生成目的产物的设备。化学反应器在结构和材料上必须满足以下要求：（1）对反应物料（特别是非均相的气液反应物、液液反应物、气固反应物、液固反应物、气液固三相反应物）提供良好的传质条件，便于控制反应物系的浓度分布，以利于反应的顺利进行；（2）对反应物料（特别是强放热或强吸热的反应物系）提供良好的传热条件，便于热效应的移除或供给，以利于反应物系的温度控制；（3）在反应的温度、压力和介质条件下，具有良好的力学强度和耐腐蚀性能；（4）能适应反应器的操作方式（间歇操作或连续操作）。2.3化学反应器2023/2/564液-固相

槽式、转鼓球磨反应器间歇操作反应器液相（均相或非均相）槽式气-液相（气-液-固三相）槽式、塔式；鼓泡或喷射环流气-固相特殊结构操作方式：间歇操作、连续操作2023/2/565气-液-固三相：固定床、悬浮床连续操作反应器液相：理想混合型、理想置换型气-液相：

塔式、多槽串联、降膜反应器气-固相接触催化：

绝热固定床、列管式固定床、流化床2023/2/5662023/2/5672023/2/568双桨式（单桨式）框锚式叶片锚式直叶涡轮框式单螺带螺杆双螺带各种搅拌器形式2023/2/5692023/2/570d2023/2/5712023/2/5722023/2/5732023/2/5742.4精细有机合成中的溶剂效应一、溶剂的分类按化学结构分类无机溶剂：水、液氨、液体二氧化硫、氟化氢、浓硫酸、熔融氢氧化钠和氢氧化钾、四氯化钛、三氯化磷合三氯氧磷等。有机溶剂：脂烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、醇、醚、酚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基物、胺、腈、酰胺、砜和亚砜、杂环化合物等。2023/2/575按偶极矩和介电常数分类：极性溶剂和非极性溶剂（1）偶极矩（μ）：指偶极分子中电量相等的两个相反电荷中的一个电荷的电量（q），与这两个电荷间距离（d）的乘积，单位：德拜（D）。即：μ＝q×d例：μ＝1.54D2023/2/576极性溶剂：分子中具有永久偶极的溶剂。有机溶剂的偶极矩μ在0～5.5D之间。非极性溶剂分子中没有永久偶极的溶剂，如环己烷、苯等。μ＜2.5D的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等。偶极矩主要影响在溶质（分子或离子）周围溶剂分子的定向作用。2023/2/577（2）介电常数（ε）也叫电容率或相对电容率，是表示电介质或绝缘材料电性能的一个重要参数。具有永久偶极或诱导偶极的溶剂分子被充电的电容器板强制形成一个有序排列，即极化作用，极化作用越大，介电常数越大。介电常数表示溶剂分子本身分离出电荷的能力，或溶剂使它偶极定向的能力。2023/2/578极性溶剂：ε＞15～20非极性溶剂：ε＜15～20介电常数主要影响溶剂中离子的溶剂化作用和离子体的离解作用。有机溶剂的介电常数ε在2～190之间，ε越大，溶剂极性越强。2023/2/579按能否提供质子形成氢键来分类：质子传递型溶剂：能提供质子形成氢键。如羟基、氨基、羧基和酰胺基非质子传递型溶剂：不能提供质子形成氢键。2023/2/580按专一性溶质、溶剂相互作用分类质子传递极性溶剂：水、甲酸、甲醇、乙醇、正丁醇、乙二醇及其单甲醚和单乙醚等。质子传递非极性溶剂：乙酸、戊醇、乙二醇单乙醚等。非质子传递极性溶剂：高介电常数，高偶极矩。丙酮、DMF、硝基苯、乙腈、二甲基亚砜、环丁砜等。非质子传递非极性溶剂：低介电常数，低偶极矩。烷烃、环烷烃、芳烃、卤代烃、叔胺、二硫化碳等。2023/2/581按Lewis酸碱理论分类Lewis酸碱理论：酸是电子对受体（EPA）碱是电子对给体（EPD）:

A+:BAB

酸(EPA)碱(EPD)酸-碱配合物亲电试剂亲核试剂EPA/EPD配合物

2023/2/582EPA溶剂：具有缺电子或酸性部位，亲电试剂，

择优使EPD或负离子溶剂化。如水、醇、酚、羧酸等。EPD溶剂：具有富电子或碱性部位，亲核试剂，

择优使EPA或正离子溶剂化。如：醇、醚、羰基化合物中的氧氨类和N－杂环化合物中的氮原子2023/2/583二、“相似相溶”原则溶质易溶于化学结构相似的溶剂，不易溶于化学结构完全不同的溶剂。2023/2/584三、溶剂极性对反应速率的影响1、Houghes-Ingold规则对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度增加的反应，溶剂极性增加，使反应速度加快。异性电荷分离电荷密度增加SN1反应：R－Xδ+RXδ-R+X-+2023/2/585对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度降低的反应，溶剂极性增加，使反应速度减慢。SN2反应电荷分散电荷密度降低Y－RX-R－XY-+RXδ-δ-Y+对于从起始反应物变为活化配合物时电荷密度变化很小或无变化的反应，溶剂极性的改变对反应速度的影响极小。局限性：忽略了溶剂的类型、溶剂的EPD和EPA性质及专一性溶剂化作用对反应速度的影响。2023/2/586四、有机反应中溶剂的使用和选择①溶剂对反应物和反应产物不发生化学反应，不降低催化剂的活性。溶剂本身在反应条件下和后处理条件下是稳定的。②溶剂对反应物有较好的溶解性，或者使反应物在溶剂中能很好的分散。③溶剂容易从反应体系中回收，损失少，不影响产品质量。④溶剂应尽可能不需要太高的技术安全措施,溶剂的毒性小、含溶剂的废水容易治理。⑤溶剂的价格便宜、供应方便。2023/2/5872.5有机合成技术(可根据课时，酌情处理)2.5.1气-固相接触催化一、气-固相接触催化反应概念指气态反应物在一定的温度、压力下连续地通过固体催化剂的表面而完成反应的。如气相催化加氢、气-固相催化氧化反应等。2023/2/588二、催化剂的活性和寿命(1)催化剂的活性指加速化学反应的能力，习惯上常以每单位体积(或单位质量)催化剂在指定反应条件下，单位时间内所得到的目的产物的质量来表示，单位是L·L-1·h-1(或㎏·㎏-1·h-1)。又称为催化剂的负荷，这种参数主要用于连续生产。催化剂从开始使用到完全丧失活性的期限称催化剂寿命，催化剂寿命是使用催化剂的重要经济指标。(2)催化剂的寿命2023/2/589三、催化剂的毒物、中毒和再生催化剂的毒物：指能使催化剂活性或选择性下降的微量外来物质。催化剂中毒：指微量外来毒物使催化剂活性或选择性下降的现象。它通常发生在催化活性组分的活性中心上。中毒分暂时中毒和永久中毒，催化剂暂时中毒，可设法活化再生。催化剂中毒的预防合再生：控制反应原料中毒物的最高允许含量。再生一般是将空气、水蒸汽或氢气在一定温度下通过催化剂以除去积碳、焦油物或硫化氢等毒物。2023/2/590四、催化剂的组成如硝基苯气相催化加氢制苯胺用催化剂：铜-硅胶载体型催化剂如萘气相催化氧化制邻苯二甲酸酐用催化剂：

V2O5-K2SO4-SiO2催化剂活性物质、助催化剂、载体等组成。2023/2/591五、催化剂的制备一般一种优良的催化剂应具备以下性能：1、活性高、选择性好、对过热或毒物稳定、使用寿命长、容易再生。2、机械强度和导热性好。3、具有合适的宏观结构（如比表面记、孔隙度、孔径分布、颗粒度、视密度）和微观结构。4、制备简单，价格便宜。2023/2/592五、催化剂的制备常用催化剂的制备方法有以下几种：金属氧化物催化剂①干混热分解法将容易热分解的金属盐类（如硝酸盐、碳酸盐、草酸盐等）进行烘焙热分解，制得金属氧化物催化剂。如：天然气脱硫用的氧化锌就是由碳酸锌热分解所制得。②共沉淀法；③浸渍法；④涂布法；⑤还原法。2023/2/5932.5.2相转移催化一、相转移催化定义及相转移催化剂相转移催化：就是利用催化剂将反应物从一相转移到另一相中，然后发生反应。相转移过程：以离子对转移形式进行相间传质作用，有人称其为离子对萃取反应。2023/2/594（1）不要求无水操作（2）提高反应速率（3）降低反应温度（4）产品收率高（5）操作简便，特别是分离操作比较简单（6）碱催化反应可以用NaOH代替昂贵和危险试剂（7）应用广泛，并有可能完成使用其他方法不能实现的合成反应（8）副反应易控制相转移催化的优点2023/2/595二、相转移催化剂原理相转移催化反应包括二个基本阶段：（1）将一种物质从一相转移到另一相中；（2）被转移的物质和另一种物质发生反应；也可以说包括三个阶段：（3）将一种产物从反应相中转移到另一相中。2023/2/596（1）负离子交换（4）相转移（2）相转移水相有机相相界面（3）亲核取代目的产物图2-15相转移合成原理示意图季铵盐亲核试剂2023/2/5972023/2/598作为相转移催化剂应具有下列性能：应具备形成离子对的条件；必须有足够多的碳原子使形成的离子对具有亲有机溶剂的能力；R在空间位阻尽可能小，因此R一般多是直链；在反应条件下，应是化学稳定的，便于回收。三、相转移催化剂2023/2/599季铵盐季鏻盐季鉮盐季锑盐季铋盐冠醚穴醚……十二烷基苯磺酸钠十二烷基磺酸钠硬脂酸钠……聚乙二醇SP-80生物表面活性剂环糊精杯芳烃……有毒，不常用最常用剧毒，实验室用不易得，少用鎓盐Onium与阴离子形成离子对对阳离子配位转移阴离子转移阳离子普适2023/2/51002023/2/5101

相转移催化剂的应用范围很广。从理论上讲，凡是能与相转移催化剂形成可溶于有机相的离子对的各类化合物，均可用相转移催化方法进行反应。相转移催化目前已成功地应用于催化卤化、烷化、酰化、羧基化、酯化、醚化、氰基化、缩合、加成、氧化、还原等多种反应。四、相转移催化的应用2023/2/5102主要指的是用过渡金属的可溶性配合物作催化剂,在液相对有机反应进行催化的方法。如消除、氧化和还原等单元反应中的应用。2.5.3均相配位催化（自学）2023/2/5103有机催化中常用酸碱：酸：质子酸：如硫酸、高氯酸等Lewis酸：氯化锌、三氯化铁等有机酸：PTS（对甲基苯磺酸）、MS（分子筛）等。碱：有机碱：吡啶、三乙胺、哌嗪等无机碱：无水乙酸钠等。杂多酸催化固体酸及超强酸催化2.5.4杂多酸（盐）催化2023/2/51042.5.4杂多酸（盐）催化杂多酸（Heteropolyacid，简称HPA）杂多酸定义:是由两种以上无机含氧酸缩合而成的多元酸的总称。如磷钼杂多酸：PO43-+12MoO42-+27H+

H3PMo12O40+12H2O杂多酸负离子可以用以下通式来表示：[XxMmOy]q（x≤m）[PMo12O40]3-12-钼磷酸负离子H4[SiW12O40]12-钨硅酸Na5[PW10V2O40]10-钨-2-钒磷酸钠2023/2/5105杂多酸的酸根是由中心原子和氧离子组成的四面体或八面体和多个共面、共棱或共点的、由配位原子M与氧离子组成的八面体配位而成。中心原子多为磷、硅，配位原子多为钼、钨等。HPA在水溶液中可以完全离解。

2023/2/5106杂多化合物很适合催化科学的基础研究，这是因为：（1）杂多酸组成简单，结构确定，一些催化性能可在杂多阴离子的分子水平上表征；（2）由于表面层结构和体相结构差别很小，且具有所谓“准液相”的特性；2023/2/5107（3）杂多酸不仅同时具有多元酸和多电子还原能力，而且它们的酸性和氧化还原性还可通过变更组成元素在很大的范围内系统地调节，因此，杂多酸既可做酸催化剂又可做氧化催化剂，或二者兼而有之，是一种所谓的“双功能”催化剂；（4）杂多化合物具有较好的热稳定性和可溶性，因此既可作均相催化剂又可作非均相催化剂。2023/2/51082.5有机合成技术2.5.4杂多化合物催化杂多酸在催化中的应用:均相催化：烯烃水合、炔烃水合、烯烃加成反应、异丙苯过氧化物分解、环氧化合物开环、酯类醇交换、酸交换、弗-克反应等。在这些液相酸催化反应中，HPA显示出比无机酸高的活性，如HPA对烯烃水合反应的催化活性是硫酸或硝酸的2~3倍，反应活化能低得多。非均相反应：以固体HPA为催化剂的反应如2-丁烯的顺反异构化、醇脱水、羧酸分解、异丁烯和甲醇合成甲基叔丁基醚、二甲苯异构体和甲苯烷基化反应等。2023/2/51092.5.5分子筛催化分子筛是一种具有立方晶格的硅铝酸盐化合物，主要由硅铝通过氧桥连接组成空旷的骨架结构，在结构中有很多孔径均匀的孔道和排列整齐、内表面积很大的空穴。此外还含有电价较低而离子半径较大的金属离子和化合态的水。由于水分子在加热后连续地失去，但晶体骨架结构不变，形成了许多大小相同的空腔，空腔又有许多直径相同的微孔相连，这些微小的孔穴直径大小均匀，能把比孔道直径小的分子吸附到孔穴的内部中来，而把比孔道大得分子排斥在外,因而能把形状直径大小不同的分子，极性程度不同的分子，沸点不同的分子，饱和程度不同的分子分离开来，即具有“筛分”分子的作用，故称为分子筛。目前分子筛在冶金，化工，电子，石油化工，天然气等工业中广泛使用。

气体行业常用的分子筛型号;

A型:钾A(3A),钠A(4A),钙A(5A；X型:钙X(10X),钠X(13X)

Y型:,钠Y,钙Y2023/2/5110固体超强酸定义：固体的表面酸强度大于100%的硫酸。即Hammett酸函数H0<-11.9。2.5.6固体超强酸催化剂2023/2/5111沸石分子筛离子交换树脂杂多酸及其盐酸催化传统催化剂腐蚀性强污染严重后处理复杂固体酸催化剂环境友好分离简易低温高活性高稳定性2023/2/51122.5.7不对称合成催化剂2.5.8生物催化有机合成2023/2/51132.5.9电解有机合成电解有机合成可分为直接法、间接法和成对法三种类型。直接法是直接利用电解槽中的阳极或阴极完成特定的有机反应。间接法是由可变价金属离子盐的水溶液电解得到所需的氧化剂或还原剂，在另一反应器中完成底物的氧化或还原反应，用过的无机盐水溶液送回电解槽使又转化成氧化剂或还原剂。成对法则是将阳极和阴极同时利用起来。例如，苯先在阳极被氧化成对苯醌，再在阴极还原为对苯二酚。这三种电解方法在实际生产中均有应用。一、反应原理2023/2/5114从理论上讲，任何一种可用化学试剂完成的氧化或还原反应，都可以用电解方法实现。在电解槽的阳极进行氧化过程。绝大多数有机化合物并不能电离，因此，氧化剂主要来源于水中的OH－，它在阳极失去一个电子形成·OH，然后进一步形成过氧化氢或是释出原子氧。∶OH－—→·OH＋e2·OH—→H2O22·OH—→H2O＋O

其他负离子如X－，在阳极生成X·或X2，而后与有机物发生加成或取代反应，如电解氟化。电解还原则发生在电解槽的阴极，其基本反应为：H＋＋e—→H

氢离子在阴极接受电子形成原子氢，由原子氢还原有机化合物。

2023/2/5115+e+H++e+H+得电子还原（E）负离子基（Ⅱ）加质子（C）自由基（Ⅲ）丙烯腈（Ⅰ）得电子还原（E）负离子基（Ⅳ）二聚（偶联）（C）加质子（C）负离子基（Ⅴ）己二腈（Ⅵ）二、电解过程的反应顺序——反应机理例：丙烯腈在阴极电解加氢二聚（偶联）制己二腈。2023/2/5116三、电解反应的全过程例：丙烯腈在阴极电解加氢二聚（偶联）制己二腈。（Ⅰ）①扩散②④③，+e⑤⑥，+H+⑦⑧⑩⑾（Ⅰ）吸附（Ⅰ）ad电化学（E）（Ⅱ）ad脱附（Ⅱ）扩散（Ⅱ）化学（C）（Ⅲ）扩散（Ⅲ）吸附（Ⅲ）ad⑨