精细有机合成讲义-牛瑞霞 2018/11/8 有 机 细 合 成 精 07级应用化学2004级.

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1 精细有机合成讲义-牛瑞霞 2018/11/8 有 机 细 合 成 精 07级应用化学2004级

2 本课程主要内容 第七章 氨解和胺化 绪 论 第八章 烃化 第一章 工艺学基础 第九章 酰化 第二章 卤化 第三章 磺化和硫酸化 第十章 氧化
第四章 硝化及亚硝化 第十一章 水解 第五章 氢化和还原 第十二章 缩合和环合 第六章 重氮化

3 第一章 精细有机合成工艺学基础 1.1 工艺学主要内容 1.2 精细有机合成中的溶剂效应 1.3 精细有机合成新技术 上页 下页 总目录
精细有机合成讲义-牛瑞霞 2018/11/8 第一章 精细有机合成工艺学基础 1.1 工艺学主要内容 1.2 精细有机合成中的溶剂效应 1.3 精细有机合成新技术 07级应用化学2004级 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 2018/11/8

4 1.1 工艺学主要内容 一、化学计量学 二、物料衡算与热量衡算 三、工艺流程的组织 四、精细化工常用设备 五、工艺设计的主要内容 上页 下页
精细有机合成讲义-牛瑞霞 2018/11/8 1.1 工艺学主要内容 一、化学计量学 二、物料衡算与热量衡算 三、工艺流程的组织 四、精细化工常用设备 五、工艺设计的主要内容 07级应用化学2004级 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

5 1.1 工艺学主要内容 一、化学计量学 1、反应物的摩尔比 2、限制反应物和过量反应物 3、过量百分数 4、转化率 5、选择性 6、理论效率
1.1 工艺学主要内容 一、化学计量学 1、反应物的摩尔比 2、限制反应物和过量反应物 3、过量百分数 4、转化率 5、选择性 6、理论效率 7、重量收率 8、原料消耗定额 9、单程转化率与总转化率 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

6 指加入反应器中的几种反应物之间的物质的量（摩尔）之比。
1、反应物的摩尔比 2、限制反应物和过量反应物 指加入反应器中的几种反应物之间的物质的量（摩尔）之比。 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 例: 化学计量比 投料摩尔数 反应物的摩尔比 硝酸的过量百分数＝ 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

7 过量反应物超过理论量部分占所需理论量的百分数。 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。
3、过量百分数 4、转化率(X) 过量反应物超过理论量部分占所需理论量的百分数。 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。 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。 硝酸过量多少？ 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

8 某一反应物转化为目的产物理论消耗的物质的量占该物质在反应中实际消耗的量物质的量的百分数，叫做选择性。
6、理论收率(Y) 5、选择性(S) 某一反应物转化为目的产物理论消耗的物质的量占该物质在反应中实际消耗的量物质的量的百分数，叫做选择性。 生成的目的产物的物质的量占输入的限制反应物的物质的量的百分数，叫做理论收率。 生成的目的产物的物质的量占理论上应得到的目的产物的物质的量的百分数，叫做理论收率。 化学计量比 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

9 例： 焦油 100mol mol 2mol 少量 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

10 目的产物的质量占某一输入反应物的质量百分数。 每生产1吨产品需要消耗的各种原料的量（t或kg）。
7、质量收率(Y质) 8、原料消耗定额 目的产物的质量占某一输入反应物的质量百分数。 每生产1吨产品需要消耗的各种原料的量（t或kg）。 例： 质量 kg kg 纯度 ％ ≥97％ 相对分子量 苯胺的消耗定额＝100÷217＝0.461t＝461kg 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

11 9、单程转化率(X单)和总转化率(X总) 例： ——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
回收60mol 100mol 40mol mol mol mol 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

12 反应器 分离器 产物 X单＝ (100－61)÷100×100％＝39％ X总＝ (100－61)÷(100－60)×100％＝97.5％
60mol ？mol 反应器 分离器 产物 氯苯 38mol 二氯苯 1mol 苯 61mol 氯苯 38mol 二氯苯 1mol 苯 1mol 苯 100mol X单＝ (100－61)÷100×100％＝39％ X总＝ (100－61)÷(100－60)×100％＝97.5％ S＝38×1÷(100－61)×100％ 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

13 二、物料衡算与热量衡算 1、物料衡算 根据反应方程式，运用化学计量系数进行计算 “直接计算法” 2、能量衡算
以物料衡算为基础，选定计算基准，298K。 系统中积累的能量 ＝输入系统中的总能量－从系统中输出的能量 或：系统与环境换热量的和 =离开系统各物料的焓-进入系统各物料的焓 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

14 三、工艺流程的组织 1、确定合成路线 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

15 1）初步设计阶段—带控制点的工艺流程图 包括：设备、物料管路及主要的辅助管路、表示出控制 点和主要的阀件、主要管路的管径等。
2、工艺流程图 1）初步设计阶段—带控制点的工艺流程图 包括：设备、物料管路及主要的辅助管路、表示出控制 点和主要的阀件、主要管路的管径等。 2）施工图阶段—管道仪表流程图 包括：全部工艺设备、物流管路、阀件，进出设备的辅 助管路、工艺和自控仪表的图例、符号等。 区别：更详细；着重表达全部设备的全部管道连接关系、 测量、控制和调节手段。 图组成：图形、标注、图例、标题栏等 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

16 热塑性聚氨酯弹性体（TPU）的工艺流程图
生产磷酸二铵 (DAP) 的工艺流程图 热塑性聚氨酯弹性体（TPU）的工艺流程图 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

17 四、精细化工常用设备 1、按结构和用途分类 2、按材质分类 3、按受压情况分类 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4
5 2018/11/8

18 容器、塔器、换热器、反应器（反应釜、塔式、管式、固定床、流化床反应器）、搅拌器、分离器、贮存器
1、按结构和用途分类 2、按材质分类 容器、塔器、换热器、反应器（反应釜、塔式、管式、固定床、流化床反应器）、搅拌器、分离器、贮存器 金属设备：碳钢、合金钢、铸铁、铝、铜、不锈钢、铂 非金属设备：陶瓷、玻璃、塑料、搪瓷、木材 非金属材料衬里设备：衬橡胶、塑料、耐火材料、搪瓷等 3、按受压情况分类 常压设备 （P≤0.07MPa） 低压设备（代号L） （0.1MPa≤P<1.6Mpa） 中压设备（代号M） （1.6MPa≤P<10Mpa） 高压设备（代号H） （10MPa≤P<100Mpa） 超高压设备（代号U）（P≥100Mpa） 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

19 五、工艺设计的主要内容 1、方案设计（包括工艺路线的确定和生产流程的设计） 2、对单元反应确定最佳工艺条件 3、化工计算（工艺设计的核心）
4、车间布置设计（绘制车间平面和立面布置图） 5、化工管路设计 6、提供设计条件 (非工艺专业的设计条件 ) 7、经济核算 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

20 原料的预处理 (提纯、粉碎、干燥、溶解、蒸发等) 化工过程（即单元反应） 产物后处理 (精馏、吸收、萃取 、结晶、过滤、干燥等)
1、方案设计 1）工艺路线的确定 2）生产流程的设计 原料的预处理 (提纯、粉碎、干燥、溶解、蒸发等) 化工过程（即单元反应） 产物后处理 (精馏、吸收、萃取 、结晶、过滤、干燥等) 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

21 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

22 1）工艺条件（反应物分子比，反应温度、压力等） 2）合成技术（均相反应、非均相反应） 3）反应操作方法（间歇、连续、生产周期、生产规模等）
2、确定最佳单元反应的条件 1）工艺条件（反应物分子比，反应温度、压力等） 2）合成技术（均相反应、非均相反应） 3）反应操作方法（间歇、连续、生产周期、生产规模等） 3、化工计算 4、经常分析比较的技术经济指标 包括物料衡算、能量衡算、设备选型和计算。 在这三项计算的基础上绘制物料流程图、主要设备图、带控制点的工艺流程图。 1）产品成本 原材料、 辅助材料、水电气、 工资、设备折旧和维修等 2）基建投资 3）劳动生产率、投资回报率、消耗定额、劳动力需求量、 工资总额等。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 5 2018/11/8

23 1.2 精细有机合成中的溶剂效应 一、溶剂的作用 二、溶剂的分类和性质 三、离子化作用和离解作用 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3
1.2 精细有机合成中的溶剂效应 一、溶剂的作用 二、溶剂的分类和性质 三、离子化作用和离解作用 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

24 一、溶剂的作用 1、溶解作用 2、与溶质发生各种相互作用 库仑力(静电引力)：离子-离子力、离子-偶极力
范德华力(内聚力)：偶极-偶极力、偶极-诱导偶极力 瞬时偶极-诱导偶极力 非专一性力 (普遍） 专一性力：包括氢键缔合作用、电子对给体－受体作用、 溶剂化作用、离子化作用和离解作用等。 （特定） 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

25 二、溶剂的分类和性质 无机溶剂 有机溶剂 1、按化学结构分 2、按Bronsted 酸碱理论分
质子给体溶剂：主要是酸，如H2SO4、CH3COOH 质子受体溶剂：主要是碱，如NH3、CH3CON(CH3)2 两性溶剂：既可接受质子，又可提供质子，如H2O 3、按偶极矩和介电常数分 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有机溶剂=0～5.5D 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

26 分子中没有永久偶极的溶剂，如环己烷、苯等。 无极性溶剂 μ＜2.5D的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等。
极性溶剂：分子中具有永久偶极的溶剂。 分子中没有永久偶极的溶剂，如环己烷、苯等。 无极性溶剂 μ＜2.5D的有机溶剂，如氯苯、二氯甲烷等。 μ主要影响在溶质（分子或离子）周围溶剂分子的定向。 2）介电常数（ε）也叫电容率或相对电容率 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。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。 ε主要影响溶剂中离子的溶剂化作用和离子体的离解作用。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

27 每一个被溶解的分子或离子被一层或几层溶剂分子或松或紧地包围的现象，称溶剂化作用。它包括溶剂与溶质之间所有专一性和非专一性相互作用的总和。
ε越大,溶剂极性越强。 极性溶剂：ε＞15～20 F•m-1 非极性溶剂：ε＜15～20F•m-1 极性溶剂：ε＞15～20 F•m-1或μ＞2.5D 非极性溶剂：ε＜ 15～20 F•m-1或μ＜2.5D 即： 常用溶剂介电常数。 3）溶剂极性的本质——溶剂化作用 每一个被溶解的分子或离子被一层或几层溶剂分子或松或紧地包围的现象，称溶剂化作用。它包括溶剂与溶质之间所有专一性和非专一性相互作用的总和。 4）溶剂极性参数 实验极性参数——ET(30)值 第30号染料在不同溶剂中的最长波长溶剂化显色吸收谱带的跃迁能。2,4,6-三苯基-N-(2,6-二苯基酚氧负离子)-吡啶鎓盐 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

28 EPA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。
4、按Lewis酸碱理论分类 A :B A:B 酸(EPA) 碱(EPD) 酸碱配合物 亲电试剂 亲核试剂 EPA/EPD配合物 EPA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、羰基化合物中的氧原子， 氨类和N－杂环化合物中的氮原子。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

29 质子传递型溶剂：氢键给体，质子给体，EPA。 如羟基、氨基、羧基和酰胺基 非质子传递型溶剂：氢键受体，EPD 。 如O、N
5、按其氢键给体的作用分类 质子传递型溶剂：氢键给体，质子给体，EPA。 如羟基、氨基、羧基和酰胺基 非质子传递型溶剂：氢键受体，EPD 。 如O、N 非质子溶剂不是氢键的给体， 有些是氢键的受体，如CH3COCH3、HCON（CH3）2等， 有些不是氢键的受体，如C6H6、n-C7H16等。 6、按专一性溶质、溶剂相互作用分类 1）极性质子溶剂： ε大，极性强，有能电离的质子的溶剂。如水，醇等。 能与阴离子或强电负性元素形成氢键，发生强溶剂化作用，使阳离子成为裸阳离子，利于共价键断裂（异裂），可促进离子型反应。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

30 ε大，极性强，有电负性较强的元素的溶剂。如DMF等。 能与阳离子产生强溶剂化作用，使阴离子成为裸阴离 子，可促进离子型反应。
2）极性非质子溶剂： ε大，极性强，有电负性较强的元素的溶剂。如DMF等。 能与阳离子产生强溶剂化作用，使阴离子成为裸阴离 子，可促进离子型反应。 二甲亚砜(DMSO) (CH3)2S=O 二甲基乙酰胺（DMAC） CH3CON(CH3)2 丙酮 (CH3)2C=O 二甲基甲酰胺(DMF） HCON(CH3)2 六甲基磷酰三胺(HMPA) [(CH3)2N]3P=O 3）非极性质子溶剂：如叔丁醇、异戊醇等。 4）非极性非质子溶剂：如苯、四氯化碳、脂肪烃等。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

31 三、离子化作用和离解作用 1、离子原和离子体 2、离子化过程和离解过程 3、离解性溶剂和离子化溶剂 水的溶剂作用 上页 下页 总目录 1.1
1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

32 指在固态时具有分子晶格的偶极型化合物，在液体时仍以分子状态存在，与溶剂发生作用时可形成离子。 如氯化氢、烷基卤和金属有机化合物等。
1、离子原和离子体 离子原 指在固态时具有分子晶格的偶极型化合物，在液体时仍以分子状态存在，与溶剂发生作用时可形成离子。 如氯化氢、烷基卤和金属有机化合物等。 离子体 固态时具有离子晶格结构，在熔融状态或稀溶液中以离子形式存在的化合物。如金属卤化物等。 2、离子化过程和离解过程 离子化过程：离子原的共价键发生异裂产生离子对的过程。 离解过程：离子对或缔合离子转变为独立离子的过程。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

33 EPD/EPA双进攻：生成溶剂化的正、负离子。
离子化方式： EPD进攻：使正离子溶剂化 EPA进攻：使负离子溶剂化 EPD/EPA双进攻：生成溶剂化的正、负离子。 3、离解性溶剂和离子化溶剂 离解性溶剂：具有高的介电常数。 离子化溶剂：具有强的EPD性质或EPA性质。 水、甲酸既是良离解性溶剂也是良离子化溶剂； 甲酚不是良离解性溶剂，是良离子化溶剂。 常见有机溶剂 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 2018/11/8

34 1.3 精细有机合成新技术 一、相转移催化技术 二、微波促进有机合成技术 三、超声有机合成技术 四、电解有机合成技术 上页 下页 总目录
1.3 精细有机合成新技术 一、相转移催化技术 二、微波促进有机合成技术 三、超声有机合成技术 四、电解有机合成技术 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

35 一、相转移催化技术(PTC) 1968年由Starks首先提出，并逐渐发展起来的有机合成新方法 。
技术特点：条件温和，操作简单，产率高，速率快，选择性好。 1、相转移催化剂 1）定义：能把反应物从一相转移到另一相的催化剂。 2）特点：既能溶于水相，又能溶于有机相；能与其中一个反应物反应、反应生成的产物能与另一个反应物反应。 3）相转移催化剂 ①翁盐类 季铵盐：三乙基苯甲基氯化铵（TEBA） 四正丁基溴化铵（TBAB） 三辛基甲基氯化铵（TOMAC） 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

36 季磷盐:结构和季铵盐相似、催化原理的也相同，但对碱和热的稳定性比季铵盐好，催化性能上也比季铵盐好。
季砷盐、季锑盐、季铋盐和季锍盐等翁盐也可以，但制备困 难、价格昂贵，目前只用于实验室研究。 有时也可以用叔胺(例如吡啶和三丁胺等)作相转移催化剂， 这是因为它们在反应条件下可生成季铵盐。 ②聚醚类 开链聚醚（又称多足体）：1970年开始做P.T.C.使用。 常用链状聚乙二醇、它的单或双烷基醚 。 价廉易得，耐热性好，使用方便，有发展前途。 环状冠醚——用于氧化、还原等反应。 常用18-冠-6，15-冠-5等。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

37 冠醚的催化效果非常好，但制备困难、价格贵，只有在高温相转移反应中季铵盐不稳定时，才考虑使用冠醚。
环状冠醚——用于氧化、还原等反应。 常用18-冠-6，15-冠-5等。 冠醚的催化效果非常好，但制备困难、价格贵，只有在高温相转移反应中季铵盐不稳定时，才考虑使用冠醚。 ③三相相转移催化剂 将翁盐或聚醚负载到高分子化合物（如聚苯乙烯）或吸附到 无机固相载体上的，不溶于水和有机溶剂的固态催化剂。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

38 4）用季铵盐作相转移催化剂时的主要影响因素
①季铵正离子的结构 四个烷基的总碳原子数一般是15~25，使Q+两亲性佳。 ②季铵盐中负离子的种类 最常用Q+·Cl-，价廉、易得。当亲核试剂负离子Nu-(例如F-、OH-)比Cl-更难提取到有机相时，就需要使用季铵的酸性硫酸盐Q+·HSO4- ，但后者制备复杂、价格贵，很少使用。 ③用量 1mol有机反应物用0.005～0.100mol季铵盐。 ④溶剂 有水存在时，可用不溶于水的非质子传递溶剂。 无水状态下进行固液相转移催化时，可用非质子传 递强极性溶剂。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

39 利用相转移催化剂在两相之间运送离子使反应发生
2、相转移催化原理 利用相转移催化剂在两相之间运送离子使反应发生 RX Q+CN- Q+X RCN 反应物 相转移催化剂 产物 有机相 水相 NaX Q+CN- Q+X NaCN 反应物 相转移催化剂 从上图可以看出；相转移催化剂不断地将CN-从水相运送到有机相，然后又将X-从有机相运送到水相。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

40 (提高产率、降低反应温度、缩短反应时间。)
3、相转移催化在有机合成中的应用 (提高产率、降低反应温度、缩短反应时间。) eg 1. eg 2. 1-溴辛烷与氰化钠水溶液反应。不加P.T.C.，加热两周也不反应。 eg 3. 醇在氢氧化钠水溶液中与卤代烷反应。不加P.T.C. ，需无水。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

41 eg 4. eg 5. 生成 卤素交换反应。可通过加入相转移催化剂而加速。 二氯卡宾的产生和应用 PTC技术最早和最特殊的应用。 水相
有机相 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

42 扁桃酸钠的生成 应用 苯甲醛在氯仿溶液中在相转移催化剂TEBA存在下，与50%NaOH水溶液相作用，可一步直接制得扁桃酸钠（医药中间体）。进一步反应可得扁桃酸，抑菌消炎。 总反应式： 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

43 二、微波促进有机合成技术 微波是频率大约在300MHz～300GHz电磁波。
民用微波频率为 915 ±15 MHz 和 2450 ±50MHz 。 应用于有机合成的研究则始于1986年，Gedye和Smith 通过比较常规条件与微波辐射条件下进行酯化、水解、 氧化等反应 ，反应得到了不同程度的加快，而且有的反 应速度被加快了几百倍。 又称MORE化学(Microwave-Induced Organic Reaction Enhancement Chemistry) ，倍受关注 。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

44 气体不被加热，分子间距大，之间无位阻，容易改变方向。 非极性介质分子不被加热，不会因电磁场变频而改变方向。 如凝聚态物质：
1、微波促进有机反应机理 观点一：微波的致热效应。 观点二：微波的致热和非致热两重效应。 注意：必须是极性介质分子。 气体不被加热，分子间距大，之间无位阻，容易改变方向。 非极性介质分子不被加热，不会因电磁场变频而改变方向。 如凝聚态物质： L----极性溶剂； S-----石墨、Fe3O4、V2O5、MnO2等介电常数大的固体。 由此，玻璃、聚四氟乙烯、金刚石、Al2O3等不会被加热，可做容器。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

45 1) C-烷化——微波法合成2-叔丁基对苯二酚（TBHQ） 项目 微波 常规加热 收率/% 52.3 46.8 反应时间/h 0.5 4.5
2、微波促进有机合成技术方法 1）微波密闭合成技术 2）微波常压合成技术 3）微波干法合成技术 4）微波连续合成技术 3、应用 1) C-烷化——微波法合成2-叔丁基对苯二酚（TBHQ） 项目 微波 常规加热 收率/% 52.3 46.8 反应时间/h 0.5 4.5 2) O-酰化反应 3) N-烃化、N-酰化、C-烃化、S-烃化和S-酰化反应 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

46 三、超声有机合成技术 超声波是指频率范围在20～106 kHz 的机械波。超声波由一 系列疏密相间的纵波构成， 并通过液体介质向四周传播。
波速约为1500 m/s。功率大，λ=10～0.01cm 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

47 空化现象：存在于液体中的微小气泡在超声场的作用下 被激活，表现为泡核的形成、振荡、生长、收缩乃至崩
1、超声作用原理 空化现象：存在于液体中的微小气泡在超声场的作用下 被激活，表现为泡核的形成、振荡、生长、收缩乃至崩 溃等一系列动力学过程，及其引发的物理和化学效应。 气泡寿命约为0.1us，在几微秒之内突然崩溃，气泡破 裂类似于一个小小的爆炸过程，产生极短暂的高能环 境，由此产生大约4000K 和100MPa的局部的高温、高 压。同时这种局部高温、高压存在的时间非常短，仅有 几微秒，所以温度的变化率非常大，这就为在一般条件 下难以实现或不可能实现的化学反应提供了一种非常特 殊的环境。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

48 高温有利于反应物种的裂解和自由基的形成，提高了化 学反应速率。 高压有利于气相中的反应；另一方面，当气泡破裂产生高压
的同时，还伴随强烈的冲击波，其速度可以达100 m/s的微 射流，对于有固体参加的非均相体系起到了很好的冲击作 用，导致分子间强烈的相互碰撞和聚集，对固体表面形态、 表面组成产生极为重要的作用。 因此空化作用可以看作聚集声能的一种形式，能够在微观尺 度内模拟反应器内的高温高压，促进反应的进行。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

49 用作紫外滤光剂和光敏剂的成分、纤维染色剂的中间体以及杀菌剂 一种人工合成的香料，广泛用于肥皂和化妆品，也是生产乙氧基萘青霉素的原料
2、在有机合成方面的应用 用作紫外滤光剂和光敏剂的成分、纤维染色剂的中间体以及杀菌剂 1）均相反应 如α-氰基肉桂酸乙酯的制备。 氰乙酸乙酯和各种芳香醛经Knoevenagel缩合。 传统方法：用吡啶作cat加热回流。反应速率慢、产率低。 超声波方法：条件缓和，反应时间缩短，收率提高 (80%~96%)。 再如，对羟基苯甲醛在传统的制备方法中收率为58%，而在超声波作用下，收率为94%。 一种人工合成的香料，广泛用于肥皂和化妆品，也是生产乙氧基萘青霉素的原料 2）液-液多相反应 如：β-萘乙醚的合成 产率94.2%，cat用量减半，反应时间5h 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

50 四、电解有机合成技术 1、电解过程的基本反应 阳极，有机反应物(R-H)发生失电子反应(氧化)，转变成正离子基[R-H]+.。
正离子基在界面或电解液中可进一步发生氧化、还原、歧化、偶联、与亲核试剂或碱的反应等基本反应。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

51 . 氧化（E或C）： 还原（E或C）： 偶联（C）： 歧化（C）： 与Nu-(碱)（C）： 与Nu-(亲核试剂)（C）：
+ [R-H] . e R-H 阴极，有机反应物发生得电子反应(还原)，转变成负离子基[R-H]-.。负离子基可在界面或电解液中进一步发生氧化、还原、歧化、偶联、与亲电试剂反应等基本反应。 负离子基除了可以发生氧化还原歧化和偶联反应外，还可以与亲电试剂E+发生化学反应： 各种离子基、双电荷离子和自由基还可以进一步发生各种各样的反应而生成目的产物，几乎所有类型的有机反应都可以用电化学方法来实现。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

52 起始反应物在电解槽中所经历的电化学反应(E)和化学反应(C)的顺序，即反应历程。 如丙烯腈电解加氢二聚生成乙二腈（ECECC历程）反应式为：
2、电解过程的反应顺序 起始反应物在电解槽中所经历的电化学反应(E)和化学反应(C)的顺序，即反应历程。 如丙烯腈电解加氢二聚生成乙二腈（ECECC历程）反应式为： 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

53 如丙烯腈按ECC生成己二腈的全过程。（P91）
3、电解反应的全过程 包括反应质点从电解液中扩散到电极表面，吸附在电极表面，发生电化学反应(E)生成中间产物I，I从电极表面脱吸附，扩散到电解液中，在电解液中发生化学反应(C)生成中间产物Ⅱ，Ⅱ再经过E或C……最后生成目的产物。 如丙烯腈按ECC生成己二腈的全过程。（P91） 4、电化学合成工艺 工艺流程通常包括电解合成前处理、电解合成、电解合成后处理各步，其中电解合成是最重要的步骤。电解合成前后处理与化学合成相似，通常为净化、除湿、精制、分离等操作。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

54 阴极还原过程包括阴极二聚和交联反应、有机卤化物的电还原、羰基化合物的电还原反应、硝基化合物的电还原反应、腈基化合物的电还原反应等。
5、有机电合成的分类 1) 按电极表面发生的有机反应类别 阳极氧化过程和阴极还原过程。 阳极氧化过程包括电化学环氧化反应、电化学卤化反应、 苯环及苯环上侧链基团的阳极氧化反应、杂环化合物的阳 极氧化反应、含氮硫化物的阳极氧化反应等。 阴极还原过程包括阴极二聚和交联反应、有机卤化物的电还原、羰基化合物的电还原反应、硝基化合物的电还原反应、腈基化合物的电还原反应等。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

55 直接有机电合成反应和间接有机电合成反应。 直接有机电合成反应直接在电极表面完成。 间接有机电合成氧化(或还原)反应是先在化学反应器中
(2) 按合成方法分类 直接有机电合成反应和间接有机电合成反应。 直接有机电合成反应直接在电极表面完成。 间接有机电合成氧化(或还原)反应是先在化学反应器中 用可变价金属盐类的水溶液将有机反应物氧化或还原成 目的产物，然后将用过的盐类水溶液在电解槽中再转变 成所需的氧化剂或还原剂，循环利用。 对于氧化反应，常用离子对：Ce4+／Ce3+和Mn3+／Mn2+。 对于还原反应，常用离子对：Fe2+／Fe3+、Sn2+／Sn4+ 和Ti3+／Ti4+。 间接电合成法有两种操作方式：槽内式和槽外式。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

56 槽内式间接电合成是在同一装置中进行化学合成反应和电 解反应，因此这一装置既是反应器也是电解槽。
槽外式间接电合成法是在电解槽中进行媒质的电解，电解 好的媒质从电解槽转移到反应器中，在此处进行有机物化 学合成反应。 6、电极界面(双电层)的结构 1）电荷转移层(接触吸附层)离电极最近、最薄、电势梯度非 常大(～107 V／cm)，反应质点在这一层呈有序排列，并发 生电子转移作用生成中间产物I。 2）扩散双电层(静吸附层)离子或分子只有较弱的有序定向。 3）扩散层 由起始反应物和生成物的浓度梯度造成，常是电 极反应的控制步骤，应尽可能薄。双电层的外层是电解液。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

57 当水对有机反应物的溶解度太差时，要用高介电常数 的极性有机溶剂或水-有机溶剂混合液。溶剂在工作电 极电势下必须是电化学惰性的。 5）隔膜
7、电解有机合成特有的主要影响因素 1）电极电势 阳极工作电势一般在+3V～0V； 阴极工作电势一般在 0V～3V。 2）槽电压 3）电解质 电解质的基本作用是使电流能通过电解液。 4）溶剂 当水对有机反应物的溶解度太差时，要用高介电常数 的极性有机溶剂或水-有机溶剂混合液。溶剂在工作电 极电势下必须是电化学惰性的。 5）隔膜 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

58 常用的阴极材料有： 汞、铅、锡、铜、铁、铝、铂、镍和碳等。合适的阳极材料是非常少的。
6）电极材料 常用的阴极材料有： 汞、铅、锡、铜、铁、铝、铂、镍和碳等。合适的阳极材料是非常少的。 对于阳极氧化反应，要选用氧超电势高的阳极材料和氢超电势尽可能低的阴极材料。 对于阴极还原反应，要选用氢超电势高的阴极材料和氧超电势尽可能低的阳极材料。 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 1 2 3 4 2018/11/8

59 END

60 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

61 间歇釜式反应器 塔式反应器 管式反应器 固定床、流化床反应器
上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

62 常用搅拌器 推进式 桨式 涡轮式 螺杆式 锚、框式 特殊框式 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

63 间歇与连续反应的区别 间歇操作：反应物料一次性加入、一次性卸出，反应器 内物系的组成仅随时间而变化，属非稳态过程。
适于多品种、小批量、反应速率较慢的反应过程。 连续操作：原料连续流入反应器，反应产物则连续从反 应器流出。反应器内任何部位的物系组成均不 随时间变化，属稳态操作。适于大批量生产。 半间歇半连续操作：指原料与产物只有其中一种为连续 输入或输出，而其余则为分批加入或输出的操 作，同时兼有间歇操作和连续操作某些特点。 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

64 常用溶剂的介电常数 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

65 如氯化钠水溶液中，Na+和Cl-的溶剂化
上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

66 溶剂必须对离子原 的共价键进行进攻 A+与B-的作用力与溶剂的ε成反比
溶剂化 离子化 离子体 溶剂化的离子对 （缔合离子） 溶剂化正离子 溶剂化负离子 溶剂化的独立离子 A+与B-的作用力与溶剂的ε成反比 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

67 常用有机溶剂性质表1 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 2018/11/8 solvent polarity
Viscosity(cp20℃) Boiling point(℃) UV cutoff(nm) i-pentane(戊烷) -- 30 n-pentane 0.23 36 210 Petroleum ether(石油醚) 0.01 0.3 30-60 Hexane(己烷) 0.06 0.33 69 Cyclohexane(环己烷) 0.1 1 81 Isooctane(异辛烷) 0.53 99 Trifluoroacetic acid(三氟乙酸) 72 Trimethylpentane(三甲基戊烷) 0.47 215 Cyclopentane(环戊烷) 0.2 49 n-heptane(庚烷) 0.41 98 200 Butyl chloride(丁基氯; 丁酰氯) 0.46 78 220 Trichloroethylene(三氯乙烯; 乙炔化三氯) 0.57 87 273 Carbon tetrachloride(四氯化碳) 1.6 0.97 77 265 Trichlorotrifluoroethane(三氯三氟代乙烷) 1.9 0.71 48 231 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

68 常用有机溶剂性质表2 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 2018/11/8 solvent polarity
Viscosity(cp20℃) Boiling point(℃) UV cutoff(nm) i-propyl ether(丙基醚; 丙醚) 2.4 0.37 68 220 Toluene(甲苯) 0.59 111 285 p-xylene(对二甲苯) 2.5 0.65 138 290 Chlorobenzene(氯苯) 2.7 0.8 132 -- o-dichlorobenzene(领二氯苯) 1.33 180 295 Ethyl ether(二乙醚; 醚) 2.9 0.23 35 Benzene(苯) 3 80 280 Isobutyl alcohol(异丁醇) 4.7 108 Methylene chloride(二氯甲烷) 3.4 0.44 40 245 Ethylene dichloride(二氯化乙烯) 3.5 0.79 84 228 n-butanol(丁醇) 3.9 2.95 117 210 n-butyl acetate(醋酸丁酯; 乙酸丁酯) 4 --- 126 254 n-propanol(丙醇) 2.27 98 Methyl isobutyl ketone() 4.2 119 330 Tetrahydrofuran( 四氢呋喃) 0.55 66 上页 下页 总目录 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

69 常用有机溶剂性质表3 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8 solvent polarity
Viscosity(cp20℃) Boiling point(℃) UV cutoff(nm) ethanol 4.3 1.2 79 210 Ethyl acetate 0.45 77 260 i-propanol(丙醇) 2.37 82 Chloroform(氯仿) 4.4 0.57 61 245 Methyl ethyl ketone(甲基乙基酮) 4.5 0.43 80 330 Dioxane(二恶烷; 二氧六环; 二氧杂环己烷) 4.8 1.54 102 220 Pyridine(吡啶) 5.3 0.97 115 305 Acetone(丙酮) 5.4 0.32 57 Nitromethane(硝基甲烷) 6 0.67 101 380 Acetic acid(乙酸) 6.2 1.28 118 230 Acetonitrile(乙腈) 0.37 Aniline(苯胺) 6.3 184 -- Dimethyl formamide(二甲基甲酰胺) 6.4 0.92 153 270 Methanol() 6.6 0.6 65 Ethylene glycol(乙二醇) 6.9 19.9 197 Dimethyl sulfoxide() 7.2 2.24 189 268 water 10.2 1 100 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

70 微波 (Microwave） 米波： 300M~3000M f=300M~3000GHz 厘米波： 3G~30G 毫米波： 30G~300G
λ=1m~ 0.1mm 毫米波： 30G~300G 亚毫米波：300G~3000G 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

71 传统加热与微波加热的区别 传统加热（外部加热） 利用热传导、对流、热辐射等将热量传递到物体表面，再经热传导将内部加热，需要一定的时间。
微波加热（内加热） 对物体内外进行“整体”加热 。 通常，一些介质材料由极性分子和非极性分子组成。在自然状态下，介质内的偶极子作杂乱无章的运动和排列。在微波电磁场的作用下，介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向。由于微波波段电磁场频率高达109数量级，在微波场中，介质中相邻分子间的相互作用和极性分子的变“极”效应产生极其强烈的类似摩擦的作用，使极性分子在瞬间获得巨大能量，并以热量的形式表现出来，介质温度便随之升高 。（如采用的微波频率为2450MHz，就会出现每秒24亿5千万次交变，分子间就会产生激烈的摩擦。 ） 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

72 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

73 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8

74 TBHQ的主要合成方法 (1) 以液体无机强酸为催化剂，在水和有机溶剂组成的混合溶剂中对苯二酚(HQ)与异丁烯、叔丁醇或甲基叔丁基醚(MTBE)进行烷基化反应。 优点：TBHQ选择性达77%，但后处理麻烦，酸催化剂污染大，使该工艺应用受到一定限制。 (2) 以固体酸为催化剂，在有机溶剂中对苯二酚与异丁烯或MTBE进行烷基化反应。 优点：催化剂分离方便，可循环使用，污染小，但对反应体系中的水分控制要求严格。 (3) 烷基合成转移法，将TBHQ副产物2,5-二叔丁基对苯二酚(DTBHQ)进行烷基转移反应，以提高TBHQ的收率。 上页 下页 总目录 返回 1.1 1.2 1.3 2018/11/8