《精细有机合成与工艺》第三章-相转移催化 2014.11.12

精细有机合成与工艺主讲教师：范维玉中国石油大学化学工程学院第三章精细有机合成的工艺学基础

主要内容：

第一节概述

第二节化学反应的计量学

第三节精细有机合成中的溶剂效应

第四节

相转移催化

第五节均相配位催化第四节相转移催化PhaseTransferCatalysis,PTC上世纪60年代末发展起来的一种有机合成新方法

在精细有机合成领域有着广泛的应用，对促进精细化工技术进步具有重要的实际意义第四节相转移催化

概述一、相转移催化原理

二、相转移催化剂三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素

四、相转移催化的应用及其实例

五、液、固、液三相相转移催化剂概述双分子反应的基本条件：互不相溶的两相：如何碰撞反应？搅拌两亲溶剂更好的方法？碰撞均相非均相设想一下：互不相溶的两相中，加入另一种物质，这另一种物质能将反应质点转移到另一相中（相转移）概述相转移催化：两种处在不同相态间的反应物（互不相溶的两相）通过加入少量第三种物质后，可以使反应物在相间发生转换，从而使反应加速。相转移催化剂：加入的第三种物质概述相转移催化的优点：操作简便、反应条件缓和、反应时间短、产物收率高、产品质量高等概述相转移催化的应用范围：主要用于亲核取代和亲电取代应用的单元反应：卤化、烷化、酰化、羧化、酯化、硫化、氰基化、缩合、加成、氧化、还原等概述以负离子亲核取代反应为例：Nu-

亲核试剂用M+Nu-表示，其中M+是金属正离子,Nu-是希望参加反应的亲核基团，如F-、Br-、Cl-、CN-、OH-、CH3O-、C2H5O-、ArO-、－COO-等。一、相转移催化原理相转移催化剂：

Q+X-

，如季铵盐(R4N)+Cl-亲核反应试剂：M+Nu-亲核取代反应：反应物（基质）R－X

R－X

+M+Nu-

R－Nu+MX(油溶)

(水溶)一、相转移催化原理相转移催化原理示意图

季铵盐亲核试剂

水相

Q+X-

+M+Nu-

M+X-+Q+Nu-

(盐)

负离子交换

界面

(相转移)

(相转移)

油相

Q+X-

+R-Nu

R-X+Q+Nu-

目的产物亲核取代

有机反应物相转移催化剂季铵盐的特点：

(R4N)+Cl-（1）既溶于水相，也溶于油相（有机相）。季铵盐正离子只起着转移亲核试剂Nu-的作用。（2）反应中从R－X上脱落下来的X-并不要求与原季铵盐中的X-相同，只要能随Q+进入水相，且能与负离子Nu-进行交换即可。一、相转移催化原理1、基本要求：化学反应和工业应用化学反应方面：（1）能将反应所需离子从水相或固相转移到有机相（2）有利于该离子的迅速反应二、相转移催化剂工业应用方面：（1）用量少、效率高、不应消耗或失效（2）来源方便、价格合理（3）毒性小二、相转移催化剂2、相转移催化剂的类型：(1)季铵盐型：能将负离子从水相转移到有机相(2)聚醚型：开链聚醚（聚乙二醇、二烷基醚）和环状冠醚，能将正离子从水相或固相转移到有机相。二、相转移催化剂冠醚与正离子配合形成（伪）有机正离子MnO4-+18-冠醚-6的（伪）有机正离子二、相转移催化剂季铵盐型价格便宜，工业应用多；冠醚型效果好、但价贵，限于实验室研究；开链聚醚型（比季铵盐）效果差些，但价廉易得、废液易处理。不同类型相转移催化剂的应用情况：二、相转移催化剂1、对正离子的结构要求

季胺正离子中的4个烷基总碳原子数15－25正离子和负离子之间的中心距离应尽可能大（易分开、反应活性高）四个烷基最好相同（如四丁基胺正离子）三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素最常用的季铵盐：苄基三乙基氯化铵（BTEAC）四丁基硫酸胺（TBAB）三辛基甲基氯化铵（TOMAC）三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素·Cl-苄基三乙基氯化铵（BTEAC）三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素·HSO4-四丁基硫酸胺（TBAB）三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素2、对负离子的结构要求

要求：软负离子（季铵盐正离子是软正离子）最常用的季铵盐是氯化季铵盐当亲核试剂负离子Nu-（如F-、OH-

）比Cl-更难提取到油相时，常使用季铵的酸性硫酸盐，它在碱性介质中会变成更难提取的SO4=三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素季铵正离子对负离子的提取能力

季铵盐正离子将反应所需的负离子从水相提取到有机溶剂相中的能力对不同的负离子是有差别的（提取能力排序）三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素2,4,6-(NO2)3C6H2O->ClO4->I->4-CH3C6H4SO3-

>NO2->C6H5COO->Cl->HSO4->CH3COO->F-,OH->SO42->CO32->PO43-

各种负离子被季胺正离子提取到非极性有机溶剂中的容易程度三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素3、季铵盐的用量

一般0.5～10％（mol）（因反应而异）注意：季铵盐耐温性差三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素4、溶剂

反应物或目的产物是液态，不需溶剂反应物和目的产物在反应条件下都是固态，需使用非水溶性的有机溶剂。三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素对溶剂的要求：

溶解性好、不参加反应、对亲核离子提取能力强不一定对反应物全部溶解，部分溶解或良好的分散润湿能力即可（有利于表面更新）三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素可选溶剂的类型：

二氯甲烷、氯仿、1,2－二氯乙烷、石油醚（烷烃）、甲苯、氯苯、醋酸乙酯等。对于要求在无水状态下进行的固液相相转移催化过程，可选介电常数高的非质子传递强极性溶剂来提高反应试剂M+Nu-的离解性，并使负离子成为裸离子，容易与季铵正离子形成离子对而进入有机相。三、季铵盐作催化剂时的主要影响因素

根据相转移催化原理，只要反应试剂能与相转移催化剂形成可溶于有机相的离子对，就可采用相转移催化法。因此可采用该方法的单元反应很多，以下列举部分实例。四、相转移催化的应用及其实例1、二氯卡宾的产生和应用二氯卡宾（︰CCl2）：二氯碳烯、二氯亚甲基是一个非常活泼的中间体，通过与烯烃、芳烃、碳环、醇、酚、醛、胺、酰胺等化合物加成可合成许多化合物产品。如用于与苯甲醛反应合成医药中间体扁桃酸（α-羟基苯乙酸钠）。四、相转移催化的应用及其实例

氯仿和氢氧化钠很容易产生二氯卡宾，但二氯卡宾极易水解，在水中寿命不到一秒。而在有机相中二氯卡宾水解很慢可存活数日。CHCl3+NaOH

:CCl2

(怕水)传统方法：绝对无水操作以及其他苛刻条件四、相转移催化的应用及其实例Q+Cl-+Na+OH-Q+OH-+Na+Cl-Q+CCl-3+H2OQ+OH-+HCCl3Q+Cl-+:CCl2

水相界面油相氯仿制备二氯卡宾的相转移催化历程季铵碱氯仿三氯甲基季铵盐二氯卡宾四、相转移催化的应用及其实例2、O－烃化（醚类的合成）

如对-硝基苯乙醚的合成：对硝基氯苯与氢氧化钠的乙醇溶液反应得到C2H5OH+NaOHC2H5O-Na++H2ONO2C6H4Cl+C2H5O-Na+NO2C6H4OC2H5+NaCl(对硝基氯苯)

(对-硝基苯乙醚)四、相转移催化的应用及其实例●

老工艺：在高压釜中加热几十小时，转化率只有75％，且分离难、废液多，收率只有85％～88％。四、相转移催化的应用及其实例●

相转移催化法：常温、常压下只需几小时，转化率达99％，收率92％～94％，纯度99％以上。3、O-酰化反应（酯类的合成）

如乙基对硫磷（有机磷杀虫剂）的合成：由二乙氧基硫代磷酰氯与对硝基苯酚钠在水介质中制备（O-酰化）:

加入少量三甲胺或季铵盐，反应效果即非常明显。(C2H5O)2P-O-C6H4-NO2S四、相转移催化的应用及其实例