相转移催化剂的应用课件

相转移催化剂及在有机合成中的应用

1相转移催化剂及在有机合成中的应用

1一、相转移催化简史1965~1975年迅速发展的一个新的化学领域。1913年首次报道了下面的实验结果：回流2周无反应1.8小时99%2一、相转移催化简史1965~1975年迅速发展的一个新的化学

后来，三个研究小组的奠基性工作，使相转移催化快速发展。（1）波兰：M.Makosza碱水溶液中O、N烷基化反应，1965年∶CCl2的制备及研究成果，1969年（2）瑞典：A.Brändströn季铵盐在非极性介质中的反应（性质、应用）（3）美国：C.M.Starks

1971年提出“PTC”名称，并在专利中使用。还提出“PTC”作用原理，使“PTC”迅速发展。3后来，三个研究小组的奠基性工作，使相转移催化快速发展。二、相转移催化作用原理1、定义（1971年，C.M.Starks提出）

当两种反应物分别处于互不相溶的两相中时，彼此不能反应。加入第三种物质后，由于它的作用，反应得以迅速进行。这种作用称为相转移催化作用，这种物质称为相转移催化剂。PTC：phasetransfercatalysisPTC：phasetransfercatalystPTC包括液—液固—液，气—液中性条件下的反应碱性条件下的反应4二、相转移催化作用原理1、定义（1971年，C.M.S2、相转移催化机理中性条件下，液—液PTC机理：有机相水相52、相转移催化机理中性条件下，液—液PTC机理：有机相水相5或：有机相水相PTC：相转移催化剂，具有“搬运”离子的作用，“搬运工”。问题：若反应需在水相中进行呢？“逆相相转移催化剂”！6或：有机相水相PTC：相转移催化剂，具有“搬运”离子的三、相转移催化反应的特点1、都包含互不相溶的两相有机相：液体有机物或有机溶液无机相：酸、碱、盐水溶液或其固体

有机反应是通过分子碰撞完成的，剧烈搅拌效果较差，且易乳化。7三、相转移催化反应的特点1、都包含互不相溶的两相有机相：液体使两相反应顺利进行的措施：（1）采用质子溶剂（如醇）：阳离子被溶剂化，活性降低，副反应增多。（2）采用极性非质子溶剂（如DMSO、DMF等）：成本高，溶剂回收问题。（3）采用PTC：Q+Y-进入有机相，Y-未被溶剂化，呈裸露态，活性高，选择性好。8使两相反应顺利进行的措施：（1）采用质子溶剂（如醇）：阳离子2、使用PTC优点（1）替代昂贵非质子溶剂（2）反应速度快，温度低（3）操作简便（4）改善反应选择性，提高产率92、使用PTC优点（1）替代昂贵非质子溶剂（2）反应速度快，四、相转移催化剂（一）PTC性能要求1、能形成离子对：如Q+Y-Q+X-2、Q+要有一定的亲脂性（亲脂链要有一定长度）3、Q+中烷基R多为直链，位阻尽可能小些4、良好的化学稳定性，能循环使用10四、相转移催化剂（一）PTC性能要求1、能形成离子对：如Q（二）PTC分类1、翁盐类（1）优缺点11（二）PTC分类1、翁盐类（1）优缺点11优点1：R、X可调性大，PTC选择范围宽常用：R：一般为C2~C16之间的烷基，总碳数＞12或＞16一般总碳数：15~25之间较好（总碳数的多少，决定亲脂性）12优点1：R、X可调性大，PTC选择范围宽常用：R：一般为C优点2：R中含有特殊官能团时，效果更好。如：OH-

水化作用强，不易进入有机相，若R中含有基团能与OH作用，则萃取能力大增。

β-OH易与OH-形成氢键，使难萃取的OH-进入有机相。缺点：R4NX稳定性较R4PX差，但R4PX较贵。13优点2：R中含有特殊官能团时，效果更好。如：OH（2）常用翁盐PTC

14（2）常用翁盐PTC142、大环多醚类（冠醚、穴醚等）（1）冠醚、穴醚PTC穴醚[2.2.2]152、大环多醚类（冠醚、穴醚等）（1）冠醚、穴醚PTC穴醚[2（2）冠醚作为PTC的作用机制冠醚同金属离子形成的“伪”正离子，与季铵盐离子具有类似的作用，它可将负离子以离子对的形式带入有机相，从而促进反应的进行。16（2）冠醚作为PTC的作用机制冠醚同金属离子形成的“伪18-C-6与钾离子的作用图示1718-C-6与钾离子的作用图示1718-C-6在不同介质中的结构图示1818-C-6在不同介质中的结构图示18（3）冠醚作为PTC的特点

Ⅰ.易与无机盐离子络和，促使固体反应物进入有机相，实现S-LPTC。Ⅱ.常为中性配体，不引入其它负离子。Ⅲ.优良的配位能力及配位选择性。Ⅳ.较昂贵，制备困难，有毒性如：KMnO4不溶于苯，加入18C6搅拌后，苯层变为紫色。19（3）冠醚作为PTC的特点Ⅰ.易与无机盐离子络和3、开链多醚类（1）聚乙二醇类（PEG）如：PEG–600，PEG–800，PEG–400等。特点：价格便宜，易与金属离子络合。polyethyleneglycol203、开链多醚类（1）聚乙二醇类（PEG）如：PEG–60（2）章鱼状化合物

1974年首次合成，六取代苯衍生物，形似章鱼。水溶性油状物，对阳离子有极强配位能力，萃取能力比相应冠醚溶液更强。臂短或少时，萃取能力降低。OctopusmoleculesorOctopuscompounds21（2）章鱼状化合物1974年首次合成，六取代苯衍生物RRRR22RRRR224、三相催化剂

Triphasetransfercatalyst聚合物支载的相转移催化剂Polymer–supportedPTC问题：以上三类PTC的共同缺点是反应完后PTC的回收不易！解决办法：若将PTC联接到聚合物载体上，将具有保存、分离、回收方便等优点！

1975年，S.L.Regen首次报道了支载的三烷基苄铵盐的应用，提出“三相催化剂”这一术语。234、三相催化剂Triphasetransferc（1）三相催化剂种类负载季铵盐：负载化形成季铵盐速写为：24（1）三相催化剂种类负载季铵盐：负载化形成季铵盐速写为：24强碱性阴离子交换树脂：氯型氢氧型载体有机载体：高分子聚合物无机载体：硅胶、氧化铝等25强碱性阴离子交换树脂：氯型氢氧型载体有机载体：高分子聚合物无负载季磷盐：粒度：60~100目或100~200目负载冠醚：26负载季磷盐：粒度：60~100目负载冠醚：262727无机载体负载的PTC：（2）负载PTC的特点操作简便，易自动化、工业化PTC易回收、易分离，可循环使用，不污染环境产物易分离纯化负载催化剂活性比未负载时低28无机载体负载的PTC：（2）负载PTC的特点操作简便，易自动（3）负载PTC应用实例95%94%97%99%51%同上同上同上29（3）负载PTC应用实例95%94%97%99%51%同上同五、影响相转移催化反应的因素反应物的结构试剂的性质催化剂的种类反应溶剂反应温度影响较大1、相转移催化剂的影响（种类、结构）30五、影响相转移催化反应的因素反应物的结构试剂的性质催化剂的种催化剂相对反应速度12.2×10-47.0×10-12.2×10-23.9×10-25.05.531催化剂相对反应速度12.2×10-47.0×10-12.2×一般规律：（1）PTC活性大致顺序：冠醚＞磷盐＞铵盐且：DC18C6＞18C6＞DB18C6（2）较大烷基比较小烷基有效（3）四烷基对称比仅含一个长链烷基者有效（总碳数相当）（4）负离子一般选Cl,Br,HSO4，不选IR4NI易进入有机相，对其它负离子的携带能力不强。PTC用量：液-液1~3%固-液~10%32一般规律：（1）PTC活性大致顺序：冠醚＞磷盐＞铵盐且：DC2、溶剂的影响

溶剂的性质对催化剂在水相和有机相的分配关系影响很大！常用溶剂有机溶剂：苯、甲苯、简单烷烃、卤代烃、极性非质子溶剂等无机溶剂：水

一般不用极性质子溶剂，由于负离子被溶剂化，活性低。

有机物本身为液体则不用溶剂，所选溶剂应能溶解反应物之一。332、溶剂的影响溶剂的性质对催化剂在水相和有机相的分配关溶剂选择原则：（1）有机物本身为液体，一般不用溶剂（2）若离子对有一定亲水性，可选低级卤代烷为溶剂（3）对正离子体积大，负离子亲脂性差（如OH-），可选乙醚、石油醚、甲苯等低极性溶剂（4）极性非质子溶剂效果好，但较贵，且一般沸点较高。34溶剂选择原则：（1）有机物本身为液体，一般不用溶剂（2）若离六、相转移催化法在有机合成中的应用（一）不用碱的相转移催化取代反应通式：Y：1、卤代烷的制备（RI、RF）（1）RI的制备35六、相转移催化法在有机合成中的应用（一）不用碱的相转移催化取（2）RF的制备X：Cl、Br100%100%100%36（2）RF的制备X：Cl、Br100%100%100%36（3）长链醇制长链卤代烷R≤C4~C6R：C6~C16＞90%2、腈的制备不同RX的反应速度：1°RX＞2°RXPTC：翁盐、冠醚（18C6、15C5）37（3）长链醇制长链卤代烷R≤C4~C6R：C6~C16＞903、酯的制备＜5%而：高产率PTC：翁盐、冠醚、穴醚RCOO-进入有机相，亲核性增强！383、酯的制备＜5%而：高产率PTC：翁盐、冠醚、穴醚RCOO（2）4、其它取代反应39（2）4、其它取代反应39（二）有外加碱的相转移催化反应C、O、N的烷基化碳-碳叁键、双键等的亲核加成α、β、γ消除反应水解反应等

底物去质子化后变为负离子再参与反应。40（二）有外加碱的相转移催化反应C、O、N的烷基化碳-碳叁键底物酸性与碱的选择：（1）NaOH水溶液（50%~60%）/R4NX：使pKa为22~25的底物去质子化。如：醛、酮、酯、腈的α-H，酸性N-H、ROH、ArOH、端炔氢等41底物酸性与碱的选择：（1）NaOH水溶液（50%~60%）/（2）粉状KOH或K2CO3或t-BuOK/冠醚或穴醚/适当溶剂：使Ph2CH2、Ar3CH等更弱的酸性化合物去质子化。pKa：31~35（3）NaNH2或KH等/冠醚或穴醚/THF：使(p-CH3C6H4)2CH2、NH3、CH2=CHCH3等去质子化。1、O-烷基化（合成醚）＞80%醇、酚RX≠3°RX42（2）粉状KOH或K2CO3或t-BuOK/冠醚或穴醚/适2、N-烷基化常见酸性N—H：亚胺类：酰亚胺：取代肼：腙：某些酰胺：磺酰胺：432、N-烷基化常见酸性N—H：亚胺类：酰亚胺：取代肼：腙：某＞80%对比：44＞80%对比：443、C-烷基化通式：R1、R2、R3中至少有一个为吸电基，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中至少有一个为吸电基，如4、加成和缩合反应（1）乙炔亲核加成（2）Michael加成（3）羟醛缩合、安息香缩合464、加成和缩合反应（1）乙炔亲核加成（2）Michael加5、消除反应（三）氧化-还原反应氧化：KMnO4,K2Cr2O7,NaOCl,HNO3,H2SO4,HClO4等均为水溶性物质，加入PTC，提高氧化剂在油相中的浓度，增强氧化能力，降低反应温度。475、消除反应（三）氧化-还原反应氧化：KMnO4,K2Cr七、相转移催化的近期发展（一）逆向相转移催化作用1、逆向相转移催化IPTC是Mathias1986年首次提出的。InveresPhaseTransferCtalysisIPTC48七、相转移催化的近期发展（一）逆向相转移催化作用1、逆向相转DMAPDMAP作为逆向相转移催化剂的催化循环示意图49DMAPDMAP作为逆向相转移催化剂的催化循环示意图49（2）逆向相转移催化剂（1）吡啶及其衍生物DMAPPNO50（2）逆向相转移催化剂（1）吡啶及其衍生物DMAPPNO50例：95%（2）杯芳烃60℃Ln(n=4,6,8)X=Cl,Br,IY=CN,SCN,IR=C7H15,PhCH2,C8H1751例：95%（2）杯芳烃60℃Ln(n=4,6,8)X=（3）环糊精及其衍生物

环糊精（CD）是一种具有疏水性内腔的盆状化合物，其外沿有一定亲水性。环糊精的疏水性内腔能包含有机分子、无机分子及气体分子，因此，环糊精能将不溶于水的有机分子带入水相进行反应。52（3）环糊精及其衍生物环糊精（CD）是一种具有疏水性53535454（二）温控相转移催化——水/有机两相催化新进展大连理工大学金子林等首次1994年报道。1、问题的提出

均相络合催化的核心问题是过渡金属催化剂的分离及其循环使用。（1）将催化剂静态固定在高分子或无机载体上的固载均相催化。——无法解决金属的脱落流失问题。（2）采用水溶性膦配体，将均相催化剂动态担载在与产物互不相溶的水相而实现的水/有机两相催化。优点：催化剂活性高，选择性好，反应条件温和，产物易分离。缺点：反应的进行受底物水溶性的限制。55（二）温控相转移催化——水/有机两相催化新进展大连理工大学水溶性膦配体改善底物水溶性的办法：（1）加入共溶剂或PTC—分离有困难（2）采用两性水溶性膦配体或分子中有长链烷基的水溶性膦配体。56水溶性膦配体改善底物水溶性的办法：（1）加入共溶剂或PTC—（3）将水溶性催化剂担载在附于玻璃球腔孔的水膜上，构成固载水相催化剂（SAPC）。载体的高比表面积为催化剂提供了足够的反应中心，使憎水底物以较快速率反应。但SAPC对水量很敏感，反应中水流失常常使催化剂失活。（4）以非离子表面活性膦为配体的“温控相转移催化”在这方面有重要进展。2、非离子表面活性膦配体及温控相转移催化（1）非离子表面活性膦配体的特征

非离子表面活性膦配体是指分子结构中含有以乙氧基链为亲水基的有机膦化合物。57（3）将水溶性催化剂担载在附于玻璃球腔孔的水膜（4）以非离子

金子林等首次提出并设计、合成的膦配体的典型结构如下：58金子林等首次提出并设计、合成的膦配体的典型结构如下：58其它非离子表面活性膦配体59其它非离子表面活性膦配体59特征：不但具有水溶性，而且具有非离子表面活性剂的“浊点”。

以乙氧基链为亲水基的醇醚型非离子表面活性剂的水溶性是有乙氧基链和水分子间的氢键所致。因此呈现逆反的温度—水溶性特征，即常温溶于水的非离子表面活性剂，在温度升至某最低临界溶解温度（浊点:CP）时会因氢键的破