精细化学品合成原理-第2章-精细有机合成基础1-2

12023/8/22复习－提问亲电试剂亲核试剂第一类定位基团，举例第二类定位基团，举例为下列定位基团分类，并按发生取代反应的难易排序：

-CHO,

-OH,

-NO2,

-OCH3,

-Cl,

-N+(CH3)322023/8/22一、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。2.1芳香族亲电取代的定位规律32023/8/221、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42023/8/22表2-1邻、对位定位基和间位定位基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52023/8/22三、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（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62023/8/22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。72023/8/22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。82023/8/22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。92023/8/22有+I，+T：如-O-、-CH3

（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。102023/8/22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。

112023/8/22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、对位电子云密度低于间位；（3）邻、对位定位基。122023/8/22两类定位基：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。132023/8/222、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，邻位异构产物的比例越小。

表一硝化（AcONO2,0℃)产物异构体比例142023/8/22(2)当极性效应起主导作用时，结果可能相反。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152023/8/223、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。162023/8/22异构产物比例，％反应类型氯化C-酰化C-烷化反应条件Cl2(CH3COOH,25℃)CH3COCl(AlCl3,C2H4Cl2,25℃)C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)kT/kB3401282.47表亲电试剂活泼性的影响172023/8/224、亲电试剂的空间效应5、新取代基的空间效应

亲电试剂／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℃)032.167.9182023/8/222.1芳香族亲电取代的定位规律6、反应的可逆性对于不可逆的亲电取代反应，电子效应对定位起主导作用，即各异构产物的生成比例主要取决于各异构物的δ配合物中间体的相对稳定性。对于可逆的亲电取代反应，则是空间效应对定位效应起主要作用，即各异构产物的生成比例主要取决于各异构产物之间的空间位阻和平衡关系。192023/8/222.1芳香族亲电取代的定位规律6、反应的可逆性对于不可逆的亲电取代反应，电子效应对定位起主导作用，即各异构产物的生成比例主要取决于各异构物的δ配合物中间体的相对稳定性。对于可逆的亲电取代反应，则是空间效应对定位效应起主要作用，即各异构产物的生成比例主要取决于各异构产物之间的空间位阻和平衡关系。202023/8/22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212023/8/22

（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222023/8/22实例2：232023/8/22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％242023/8/22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252023/8/22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262023/8/22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。272023/8/22(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-＞NR2＞NH2＞OH＞NHCOCH3＞X＞CH3(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＞COOH＞CHO＞COCH3

(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282023/8/22292023/8/22302023/8/22练习3：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/FeKMnO4CH3312023/8/22练习4：选择合理的合成路线氯化、磺化①ClSO3H②NO2COCH3酰基化、硝化ClCl2/FeH2SO4HNO3/H2SO4CH3COCl/AlCl3COCH3NO2？322023/8/22NO2BrCOOHCH3③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？332023/8/22五、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）。

OHa-萘酚–OHb-萘酚342023/8/22五、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352023/8/22

（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:362023/8/22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。372023/8/22

（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。382023/8/22六、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。392023/8/22蒽醌环的定位规律催化剂的影响磺化磺化HgSO4催化402023/8/222.2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412023/8/222.2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。422023/8/221、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。432023/8/22

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。442023/8/22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452023/8/22二、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462023/8/22三、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＝472023/8/22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482023/8/22四、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＝492023/8/22五、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,out502023/8/22六、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×X512023/8/22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％＝+522023/8/22七、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：532023/8/22八、质量收率(Y质)例：

目的产物的质量占输入主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93231.2542023/8/22九、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＝618kg552023/8/22九、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,inS562023/8/22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：572023/8/22582023/8/22302.3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。592023/8/22

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.