精细有机合成中的溶剂效应与催化课件

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1、8.1 8.1 溶剂的分类和性质溶剂的分类和性质根据溶剂是否具有极性和能否放出质子，根据溶剂是否具有极性和能否放出质子，可将溶剂分成四类：可将溶剂分成四类：(1)(1)极性质子溶剂极性质子溶剂这类溶剂极性强，介电常数大，具有能电离的质子，水、这类溶剂极性强，介电常数大，具有能电离的质子，水、醇是常用的极性质子溶剂，人民最显著的特点是能同醇是常用的极性质子溶剂，人民最显著的特点是能同负离子或强电负性元素形成氢键，从而可对负离子产负离子或强电负性元素形成氢键，从而可对负离子产生很强的溶剂化作用。生很强的溶剂化作用。(2)(2)极性非质子溶剂极性非质子溶剂又称偶极非质子溶剂或惰性质子溶剂，其介电常数

2、大于又称偶极非质子溶剂或惰性质子溶剂，其介电常数大于1515，偶，偶极矩大于极矩大于2.5D2.5D，故具有较强的极性。由于这类溶剂一般含有电，故具有较强的极性。由于这类溶剂一般含有电负性的氧原子（如负性的氧原子（如C=O,S=O,P=OC=O,S=O,P=O）,而且氧原子周围无空间障碍，而且氧原子周围无空间障碍，因此，能对正离子产生很强的溶剂化作用。相反在这类溶剂的因此，能对正离子产生很强的溶剂化作用。相反在这类溶剂的结构中正电性部分一般包藏于分子内部，故难于对负离子发生结构中正电性部分一般包藏于分子内部，故难于对负离子发生溶剂化。如：溶剂化。如：DMF,DMSO,CEG,HMPADMF,D

3、MSO,CEG,HMPA等。等。(3)(3)非极性质子溶剂非极性质子溶剂(4)(4)非极性非质子溶剂非极性非质子溶剂8.2 8.2 精细有机合成中的溶剂效应精细有机合成中的溶剂效应溶剂效应：溶剂对合成反应所产生的影响称为溶剂效应。溶剂效应：溶剂对合成反应所产生的影响称为溶剂效应。一、溶剂和溶质之间的相互作用力一、溶剂和溶质之间的相互作用力大量溶剂分子和少量溶质分子之间的相互作用力可分为三大类：大量溶剂分子和少量溶质分子之间的相互作用力可分为三大类：（1 1）库仑力：即静电吸引力，它包括离子离子力和离子偶）库仑力：即静电吸引力，它包括离子离子力和离子偶极力。极力。（2 2）范德华力：亦称内聚力，

4、它包括偶极偶极力（定向力）、）范德华力：亦称内聚力，它包括偶极偶极力（定向力）、偶极诱导偶极力（诱导力）和瞬间偶极诱导偶极力（色偶极诱导偶极力（诱导力）和瞬间偶极诱导偶极力（色散力）。散力）。（3 3）专一性力：包括氢键缔和作用、电子对给体）专一性力：包括氢键缔和作用、电子对给体/电子对受体相电子对受体相互作用（电荷转移力）、溶剂化作用、离子化作用、离解作互作用（电荷转移力）、溶剂化作用、离子化作用、离解作用和增溶性相互作用等用和增溶性相互作用等 。二、离子化及离解作用二、离子化及离解作用离子原：离子原：在固体时具有分子晶体的偶极型化合物，在液态时它仍以分子在固体时具有分子晶体的偶极型化合物，

5、在液态时它仍以分子状态存在，但是当它与溶剂发生作用时可以形成离子。例如卤化物状态存在，但是当它与溶剂发生作用时可以形成离子。例如卤化物RXRX、氢化物氢化物HXHX和金属有机化合物等。和金属有机化合物等。离子体：离子体：在晶体态时是离子型的，而在熔融状态以及在稀溶液中则只以在晶体态时是离子型的，而在熔融状态以及在稀溶液中则只以离子形式存在的化合物，例如金属卤化物等二元盐。离子形式存在的化合物，例如金属卤化物等二元盐。离子化过程：离子化过程：离子原的共价键发生异裂产生离子对的过程。离子原的共价键发生异裂产生离子对的过程。离解过程：离解过程：离子对（缔和离子）转变为独立离子的过程。离子对（缔和离子

6、）转变为独立离子的过程。溶剂化作用：溶剂化作用：化合物化合物A-BA-B在溶剂中溶解时，溶剂与溶质（电解质）间发在溶剂中溶解时，溶剂与溶质（电解质）间发生特殊的相互作用，使溶质改变原来的形态形成溶液，通常把这种作用生特殊的相互作用，使溶质改变原来的形态形成溶液，通常把这种作用叫做溶剂化作用。叫做溶剂化作用。离子对：离子对：具有共同溶剂化层、电荷相反的成对电子，在溶剂中离子对和具有共同溶剂化层、电荷相反的成对电子，在溶剂中离子对和独立离子对处于平衡状态。独立离子对处于平衡状态。A-BA+B-离离子子化化离离子子原原离离子子体体溶溶剂剂化化溶溶剂剂化化的的紧紧密密离离子子对对溶溶剂剂化化的的溶溶剂

7、剂氛氛离离子子对对溶溶剂剂化化的的正正离离子子溶溶剂剂化化的的负负离离子子离离解解缔缔合合（1 1）（2 2）（3 3）（4 4）A+B-A+s B-sA+sB-s+三、偶极非质子溶剂与离子或分子的作用三、偶极非质子溶剂与离子或分子的作用偶极非质子溶剂是极性或可极化化合物的良好溶剂。化合物溶入偶极非质子溶剂是极性或可极化化合物的良好溶剂。化合物溶入这些溶剂中，正离子和负离子的溶剂化程度并不相同，这是因为这些溶剂中，正离子和负离子的溶剂化程度并不相同，这是因为在偶极非质子溶剂的分子结构中，常含有电负性的氧原子（如在偶极非质子溶剂的分子结构中，常含有电负性的氧原子（如C=O,S=O,P=OC=O,

8、S=O,P=O）,负电中心位于氧上，而且氧原子周围无空间障碍，负电中心位于氧上，而且氧原子周围无空间障碍，因此特别容易和正离子发生离子偶极相互作用，即溶剂与正离因此特别容易和正离子发生离子偶极相互作用，即溶剂与正离子产生很强的溶剂化作用。而偶极非质子溶剂的分子结构中，正子产生很强的溶剂化作用。而偶极非质子溶剂的分子结构中，正极部分空间阻碍较大，故难于对负离子发生溶剂化。如：极部分空间阻碍较大，故难于对负离子发生溶剂化。如：DMFDMF（N N，N N二甲基甲酰胺）二甲基甲酰胺）,DMSO,DMSO（二甲基亚砜）（二甲基亚砜）,CEG,HMPA,CEG,HMPA（六甲基（六甲基磷酰胺）等。磷酰胺

9、）等。四、溶剂对亲核取代反应速度的影响四、溶剂对亲核取代反应速度的影响溶剂化效应对饱和碳上的亲核取代反应影响很大。在极性溶剂中，溶剂化效应对饱和碳上的亲核取代反应影响很大。在极性溶剂中，反应物（如卤代烷）受溶剂的作用，容易发生键的异裂，由于所得反应物（如卤代烷）受溶剂的作用，容易发生键的异裂，由于所得的正离子和负离子北一层溶剂分子所包围，离子重新结合成分子的的正离子和负离子北一层溶剂分子所包围，离子重新结合成分子的倾向减小，从而有利于经碳正离子中间体进行的但分组亲核取代反倾向减小，从而有利于经碳正离子中间体进行的但分组亲核取代反应。但是负离子亲核试剂在这类溶剂中的强溶剂化对双分子亲核取应。但是

10、负离子亲核试剂在这类溶剂中的强溶剂化对双分子亲核取代反应却很不利，因为必须消耗能量打破亲核试剂的代反应却很不利，因为必须消耗能量打破亲核试剂的“溶剂包围溶剂包围层层”，才能形成，才能形成SN2SN2的过渡态。和极性质子溶剂相反，偶极非质子的过渡态。和极性质子溶剂相反，偶极非质子溶剂对亲核试剂不发生溶剂化，或者溶剂化作用很小，此亲核试剂溶剂对亲核试剂不发生溶剂化，或者溶剂化作用很小，此亲核试剂为为“自由离子自由离子”，这类，这类“自由离子自由离子”，的亲核性很高，故偶极非质，的亲核性很高，故偶极非质子溶剂能大大促进子溶剂能大大促进SN2SN2反应的进行。反应的进行。如利用卤素交换制备氟代烷反应：

11、如利用卤素交换制备氟代烷反应：IFCHFICH338.4 8.4 精细有机合成与催化精细有机合成与催化催化剂是一种能改变给定反应的速度，但不参与化催化剂是一种能改变给定反应的速度，但不参与化学计量的物质。学计量的物质。催化剂能使反应按新的途径，通过一系列基本步骤催化剂能使反应按新的途径，通过一系列基本步骤进行，催化剂是其中第一步的反应物，最后一步的进行，催化剂是其中第一步的反应物，最后一步的产物，亦即催化剂参与了反应，但经过一次化学循产物，亦即催化剂参与了反应，但经过一次化学循环后又恢复原来的组成。环后又恢复原来的组成。催化剂之所以能加速反应是走一条新的反应途径，催化剂之所以能加速反应是走一条

12、新的反应途径，降低总反应的活化能来实现的。降低总反应的活化能来实现的。8.5 8.5 均相催化作用均相催化作用均相催化作用：催化剂与反应物处于同一物相，反应均相催化作用：催化剂与反应物处于同一物相，反应在整个相同的体系内发生。在整个相同的体系内发生。均相催化反应可分为气相的和液相的均相反应两种。均相催化反应可分为气相的和液相的均相反应两种。(1)(1)均相酸碱催化作用均相酸碱催化作用(2)(2)均相络合催化作用均相络合催化作用(3)(3)金属络合物催化剂及催化作用金属络合物催化剂及催化作用8.6 8.6 相转移催化相转移催化相转移催化（相转移催化（Phase Transfer Catalysi

13、s PTCPhase Transfer Catalysis PTC）反应属于两相反应，）反应属于两相反应，一相是含盐、酸、碱的水溶液或其固体，另一相是溶有反应物质的一相是含盐、酸、碱的水溶液或其固体，另一相是溶有反应物质的有机介质溶液。有机介质溶液。相转移催化作用能使离子化合物与不溶于水的有机物质在低极性溶相转移催化作用能使离子化合物与不溶于水的有机物质在低极性溶剂中进行反应，或加速这些反应。剂中进行反应，或加速这些反应。最常用的催化剂是鎓盐，或是能与碱金属络合而成增溶性的络合剂。最常用的催化剂是鎓盐，或是能与碱金属络合而成增溶性的络合剂。这种催化剂的基本作用是将反应盐的阴离子以离子对的形式转

14、移到这种催化剂的基本作用是将反应盐的阴离子以离子对的形式转移到有机介质中，由于阴离子未被溶剂化，所以相转移活性很大。有机介质中，由于阴离子未被溶剂化，所以相转移活性很大。一、相转移催化原理及相转移催化剂一、相转移催化原理及相转移催化剂用于合成反应的相转移催化剂应满足两项基本要求：一是能把所用于合成反应的相转移催化剂应满足两项基本要求：一是能把所需的离子带入有机相中；二是有利于离子迅速进行反应。需的离子带入有机相中；二是有利于离子迅速进行反应。在阴离子反应中，常用的相转移催化剂是季铵盐类在阴离子反应中，常用的相转移催化剂是季铵盐类Q Q+X X-。另一类相转移催化剂是聚醚，其中主要以链状聚乙二醇

15、、二烷基另一类相转移催化剂是聚醚，其中主要以链状聚乙二醇、二烷基醚合环状冠醚。其特点是：催化能力很强。醚合环状冠醚。其特点是：催化能力很强。水水相相界界面面有有机机相相季季铵铵盐盐亲亲核核试试剂剂（盐盐）阴阴离离子子交交换换（相相转转移移）亲亲核核取取代代目目标标产产物物有有机机反反应应物物Q+X-M+Nu-M+X-Q+Nu-+R-NuR-XQ+X-+Q+Nu-（相相转转移移）二、相转移催化反应条件的选择二、相转移催化反应条件的选择（1）反应的溶剂选择）反应的溶剂选择可考虑的溶剂有：二氯甲烷、氯仿、石油醚、甲苯、氯苯、乙酸乙可考虑的溶剂有：二氯甲烷、氯仿、石油醚、甲苯、氯苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯

16、等。酯、乙酸丁酯等。（2）PTC的结构选择的结构选择选择的季铵阳离子既具有较好的亲油性，又具有一定的亲水性。选择的季铵阳离子既具有较好的亲油性，又具有一定的亲水性。目前使用较多的是：目前使用较多的是：C6H5CH2N+(C2H5)3Cl-,(C8H17)3N+CH3 Cl-,(C4H9)4N+Cl-（3）相转移催化剂用量及分离再生）相转移催化剂用量及分离再生一般每摩尔的有机反应物使用一般每摩尔的有机反应物使用0.0050.1mol 的季铵盐。的季铵盐。三、相转移催化在精细有机合成中的应用三、相转移催化在精细有机合成中的应用凡是能和相转移催化剂形成可溶于有机相离子对的凡是能和相转移催化剂形成可溶于有机相离子对的多类化合物，均可采用相转移催化法进行合成。多类化合物，均可采用相转移催化法进行合成。1.1.烷氧基化和芳氧基化反应烷氧基化和芳氧基化反应2.2.羧酸及其盐与卤代烷相转移催化酯化羧酸及其盐与卤代烷相转移催化酯化3.3.相转移催化相转移催化C C烷基化烷基化