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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,精细有机合成的理论与技术基础,第一节 精细有机合成基础知识,一、有机反应中的电子效应与空间效应,1.,电子效应,电子效应可用来讨论分子中原子间的相互影响以及原子间电子云分布的变化。电子效应又可分为诱导效应和共轭效应。,（,1,）诱导效应,在有机分子中相互连接的不同原子间，由于原子各自的电负性不同而引起的连接键内电子云偏移的现象，以及原子或分子受外电场作用而引起的电子云转移的现象称作诱导效应，用,I,表示。根据作用特点，诱导效应可分为静态诱导效应和动态诱导效应。,第一节 精细有机合成基础知识,静态诱导效应,I,s,。,由于分子内成键原子的电负性不同所引起的，电子云沿键链（包括,键和,键）按一定方向移动的效应，或者说键的极性通过键链依次诱导传递的效应。这是化合物分子内固有的性质，被称为静态诱导效应，用,I,s,表示。诱导效应的方向是通常以,C,H,键作为基准的，比氢电负性大的原子或原子团具有较大的吸电性，称吸电子基，由此引起的静态诱导效应称为吸电静态诱导效应，通常以,I,s,表示；比氢电负性小的原子或原子团具有较大的供电性，称给电子基，由此引起的静态诱导效应称为供电静态诱导效应，通常以+,I,s,表示。其一般的表示方法如下（键内的箭头表示电子云的偏移方向）：,第一节 精细有机合成基础知识,诱导效应沿键链的传递是以静电诱导的方式进行的，只涉及电子云分布状况的改变和键的极性的改变，一般不引起整个电荷的转移、价态的变化。如：,由于氯原子吸电诱导效应的依次传递，促进了质子的离解，加强了酸性，而甲基则由于供电诱导效应的依次诱导传递影响，阻碍了质子的离解，减弱了酸性。,第一节 精细有机合成基础知识,在键链中通过静电诱导传递的诱导效应受屏蔽效应的影响是明显的，诱导效应的强弱是与距离有关的，随着距离的增加，由近而远依次减弱，愈远效应愈弱，而且变化非常迅速，一般经过三个原子以后诱导效应已经很弱，相隔五个原子以上则基本观察不到诱导效应的影响。,诱导效应不仅可以沿,键链传递，同样也可以通过,键传递，而且由于,键电子云流动性较大，因此不饱和键能更有效地传递这种原子之间的相互影响。,第一节 精细有机合成基础知识,动态诱导效应。在化学反应中，当进攻试剂接近底物时，因外界电场的影响，也会使共价键上电子云分布发生改变，键的极性发生变化，这被称为动态诱导效应，也称可极化性，用,I,d,表示。,发生动态导效应时，外电场的方向将决定键内电子云偏离方向。如果,I,d,和,I,s,的作用方向一致时，将有助于化学反应的进行。在两者的作用方向不一致时，,I,d,往往起主导作用。,诱导效应的相对强度。对于静态诱导效应，其强度取决于原子或基团的电负性。,第一节 精细有机合成基础知识,（,a）,同周期的元素中，其电负性和,I,s,随族数的增大而递增，但+,I,s,则相反。如：,I,s,：,F,OH,NH,2,CH,3,（b）,同族元素中，其电负性和,I,s,随周期数增大而递减，但+,I,s,则相反。如：,I,s,：,F,Cl,Br,I,（c）,同种中心原子上，带有正电荷的比不带正电荷的-,I,s,要强；带有负电荷的比同类不带负电荷的+,I,s,要强。例如：,I,s,：,+,NR,3,NR,2,+I,s,：,O,OR,（d）,中心原子相同而不饱和程度不同时，则随着不饱和程度的增大，,I,s,增强。,I,s,：=O,OR；N=NR,NR,2,当然这些诱导效应强弱次序的比较是以官能团与相同原子相连接为基础的，否则无比较意义。,第一节 精细有机合成基础知识,一些常见取代基的吸电子能力、供电子能力强弱的次序如下：,I,s,：,+,NR,3,+,NH,3,NO,2,SO,2,R,CN,COOH,F,Cl,Br,I,OAr,COOR,OR,COR,OH,C,CR,C,6,H,5,CH,CH,2,H,+I,s,：,O,CO,2,C(CH,3,),3,CH(CH,3,),2,CH,2,CH,3,CH,3,H,对于动态诱导效应，其强度与施加影响的原子或基团的性质有关，也与受影响的键内电子云可极化性有关。,第一节 精细有机合成基础知识,（,a,）,在同族或同周期元素中，元素的电负性越小，其电子云受核的约束也相应减弱，可极化性就越强，即,I,d,增大，反应活性增大。如：,I,d,：,I,Br,Cl,F,CR,3,NR,2,OR,F,（,b,）,原子的富电荷性将增加基可极化的倾向。,I,d,：,O,OR,O,+,R,2,（,c,）,电子云的流动性越强，其可极化倾向也大。一般来说，不饱和化合物的不饱和程度大，其,I,d,也大。,I,d,：,C,6,H,5,CH,CH,2,CH,2,CH,3,第一节 精细有机合成基础知识,（,2,）共轭效应,共轭效应。在单双键交替排列的体系中，或具有未共用电子对的原子与双键直接相连的体系中，,p,轨道与,轨道或,轨道与,轨道之间存在着相互的作用和影响。电子云不再定域在成键原子之间，而是围绕整个分子形成了整体的分子轨道。每个成键电子不仅受到成键原子的原子核的作用，而且也受分子中其他原子核的作用，因而分子能量降低，体系趋于稳定。这种现象被称为电子的离域，这种键称为离域键，由此而产生的额外的稳定能被称为离域能（或叫共轭能）。含有这样一些离域键的体系通称为共轭体系，共轭体系中原子之间的相互影响的电子效应就叫共轭效应。,第一节 精细有机合成基础知识,1,3-,丁二烯在静态时的共轭效应，由于电子离域的结果，单键不再是一般的,C,C,单键，而表现为键长的平均化趋势，即在,C,2,和,C,3,间也有一定程度的,p,轨道交盖。,如果共轭键原子的电负性不同时，则共轭效应也表现为极性效应，如在丙烯腈中，电子云定向移动呈现正负偶极交替的现象。,第一节 精细有机合成基础知识,因此共轭效应也是分子中原子之间相互影响的电子效应。与诱导效应不同的是，它起因于电子的离域，而不仅是极性或极化的效应。它不像诱导效应那样可以存在于一切键上，而只存在于共轭体系之中；共轭效应的传递方式不靠诱导传递而愈远愈弱，而是靠电子离域传递的，对距离的影响是不明显的，而且共轭链愈长，电子离域就愈充分，体系的能量也就愈低，系统也就愈稳定，键长的平均化趋势就愈大。例如：苯分子是一个闭合的共轭体系，电子高度离域的结果，使得电子云分布呈平均化，苯分子根本不存在单、双键的区别，苯环为正六边形，,C,C,C,键角为,120,，,C,C,键长均为,0.139,nm,。,第一节 精细有机合成基础知识,共轭效应也分为静态（以,C,s,表示）和动态（以,C,d,表示）两种类型，其中又可细分为给电子效应的正共轭效应（,+,C,s,，,+,C,d,）,和吸电子效应的负共轭效应（,C,s,，,C,d,）；,静态共轭效应是共轭体系内在的、永久性的性质，而动态共轭效应则是由外电场作用所引起，仅在分子进行化学反应时才表现出来的一种暂时的现象。例如：,1,3-,丁二烯在基态时由于存在,C,s,，,表现出体系能量降低，,电子离域、键长趋于平均化。当其与,HCl,发生加成反应时，由于质子外电场的影响，丁二烯内部发生,C,d,效应，分子上,电子云沿着共轭链发生转移，出现各碳原子被极化,所带部分电荷正负交替分布的情况，这是动态共轭效应（,C,d,）,所致。,第一节 精细有机合成基础知识,在反应中生成的上述活性中间体正碳离子，由于结构上具有烯丙基型正碳离子的,p,-,共轭离域而稳定，并产生了,1,2-,加成和,1,4-,加成两种产物。,静态共轭效应可以促进也可以阻碍反应的进行，而动态共轭效应只能存在于反应过程 中，有利于反应进行时才能发生，因此，动态共轭效应只会促进反应的进行。与诱导效应类似，动态因素在反应过程中，往往是起主导、决定作用的。,第一节 精细有机合成基础知识,共轭体系。共轭体系中以,p,-,共轭、,-,共轭最为常见。,（,a,）,-,共轭体系。由单键双键交替排列组成的共轭体系是由,轨道与,轨道电子离域的体系称为,-,共轭体系。不只双键，其他,键如叁键也可组成,-,共轭体系，如：,（,b,）,p,-,共轭体系。具有处于,p,轨道的未共用电子对的原子与,键直接相连的体系，称为,p,-,共轭体系，如：,第一节 精细有机合成基础知识,正是因为,p,-,共轭效应的结果，氯乙烯键长有平均化的趋势，而且在与不对称亲电试剂的加成反应中也符合马尔可夫尼柯夫规则。羧酸为什么具有酸性？苯胺为什么比脂肪胺碱性弱？酰胺为什么碱性更弱？苯酚为什么与醇明显不同？这些都起因于,p,-,共轭效应的影响。,另外，还有一些如烯丙基型正离子或自由基等也是,p,-,共轭，不同的是体系是缺电子或含有独电子的,p,-,共轭。,烯丙基型正离子、自由基比较稳定，是,p,-,共轭效应分散了正电荷或独电子性的结果。,第一节 精细有机合成基础知识,共轭效应的相对强度。共轭效应的强弱与组成共轭体系的原子性质、价键状况以及空间位阻等因素有关。静态共轭效应（,C,s,）,和动态共轭效应（,C,d,）,有相同的传递方式，它们的强弱比较次序是一致的。,（,a,）,同族元素与碳原子形成,p,-,共轭时，随元素的原子序数增加，正共轭效应,+,C,减少。而同族元素与碳原子形成,-,共轭时，随元素的原子序数增加，其负共轭效应,C,也变大。,+,C,：,F,Cl,Br,I,（,b,）,同周期元素与碳原子形成,p,-,共轭时，,+,C,效应随原子序数的增加而变小；与碳原子形成,-,共轭时，,C,效应随原子序数的增加而变大。,+,C,：,NR,2,OR,F,（,c,）,带正电荷的取代基具有相对更强的,C,效应，带负电荷的取代基具有相对更强的,+,C,效应：,+,C,：,O,OR,O,+,R,2,第一节 精细有机合成基础知识,（,3,）超共轭效应,单键与重键以及单键与单键之间也存在着电子离域的现象，即出现,-,共轭和,-,共轭，一般被称为超共轭效应。例如丙烯分子中，甲基上的,C,H,键可与不饱和体系发生共轭，使,键和,键间的电子云发生离域，形成,-,键共轭体系，致使丙烯中甲基上的氢原子比丙烷中的甲基氢原子活泼得多，丙烯分子中的,C,2,C,3,键（,0.150,nm,）,也比一般的,C,C,键（,0.154,nm,）,略短一些。,第一节 精细有机合成基础知识,C,H,键的电子云也可离域到相邻的空,p,-,轨道或仅有单个电子的,p,-,轨道上，形成,-,p,超共轭效应，使电荷分散，体系稳定性增加。例如：,超共轭效应多数是给电子性的。它可使分子内能降低，稳定性增加。但与普通的共轭效应相比，其影响较弱。,第一节 精细有机合成基础知识,2,空间效应,空间效应是由分子中各原子或基团的空间适配性，或反应分子间的各原子或基团的空间适配性所引起的一种形体效应，其强弱取决于相关原子或基团的大小和形状。最普通的空间效应是所谓的空间位阻，一般是指体积庞大的取代基直接影响化合物反应活性部位的显露，阻碍反应试剂对反应中心的有效进攻；也可以是指进攻试剂的庞大体积影响其有效地进入反应位置。例如，对烷基苯进行一硝化反应时，随着烷基基团的增大，硝基进入取代基邻位的空间位阻也增大，从而使邻位产物的生成量下降，而对位产物的生成量上升，见表,2-1,。,第一节 精细有机合成基础知识,同样，在向甲苯分子中引入甲基、乙基、异丙基和叔丁基时，随着引入基团（进攻试剂）体积的增大，进入甲基邻位的空间位阻也增大，所以邻、对位产物比例发生变化，见表,2-2,。,第一节 精细有机合成基础知识,又如，卤代烷与胺类物质进行,N-,烷化反应时，一般不用卤代叔烷作烷化剂，这是因为卤代叔烷的空间位阻大。在反应条件下，卤代叔烷的反应中心不能有效地作用于氨基，相反，自身却容易发生消除反应，产生烯烃副产物。,在分子内部，各原子之间也有空间适配性问题。例如，,p,-,共轭体系中的各原子其,p,-,轨道必须是平行的或很接近于平行，这样才能通过,-,轨道发生有效的电子云离域。如果这一平行状态受到阻碍，则电子云的离域就受到抑制。例如,N,N-,二甲基苯胺具有,p,-,共轭结构，苯环可有效地进攻重氮鎓阳离子,PhN,+2，,产生偶联在氮的对位产物。,第一节 精细有机合成基础知识,但以,N,N-,二甲基苯胺的,2,6-,二甲基衍生物,为原料，在相同的条件下不能得到类似的对位偶联产物。这是因为连接在取代基,N(CH,3,),2,邻位的两个甲基在空间上对氮原子上的,p,-,轨道产生干扰，使其不能与芳环上的,p,-,轨道相平行，从而破坏了,p,-,共轭体系，电荷不发生如同在,N,N-,二甲基苯胺中那样的迁移。,第一节 精细有机合成基础知识,二、有机反应试剂,1,极性试剂,极性试剂是指那些能够供给或接受电子对以形成共价键的试剂。极性试剂又分为亲电试剂和亲核试剂。,（,1,）亲电试剂,亲电试剂是从基质上取走一对电子形成共价键的试剂。这种试剂电子云密度较低，在反应中进攻其他分子的高电子云密度中心，具有亲电性能，包括以下几类：,阳离子，如,NO,+2、,NO,+,、,R,+,、,R,C,+,O,、,ArN,+2、,R,4,N,+,等；,含有可极化和已经极化共价键的分子，如,Cl,2,、,Br,2,、,HF,、,HCl,、,SO,3,、,RCOCl,、,CO,2,等；,含有可接受共用电子对的分子（未饱和价电子层原子的分子），如,AlCl,3,、,FeCl,3,、,BF,3,等；,羰基的双键；,氧化剂，如,Fe,3+,、,O,3,、,H,2,O,2,等；,酸类；,卤代烷中的烷基等。,由该类试剂进攻引起的离子反应叫亲电反应。例如，亲电取代、亲电加成。,第一节 精细有机合成基础知识,（,2,）亲核试剂,能将一对电子提供给底物以形成共价键的试剂称亲核试剂。这种试剂具有较高的电子云密度，与其他分子作用时，将进攻该分子的低电子云密度中心，具有亲核性能，包括以下几类：,阴离子，如,OH,、,RO,、,ArO,、,NaSO,3、,NaS,、,CN,等；,极性分子中偶极的负端，,N(,)H,3,、,RN(,)H,2,、,RR,N(,)H,、,ArN,(,)H,和,N(,)H,2,OH,等；,烯烃双键和芳环，如,CH,2,=CH,2,、,C,6,H,6,等；,还原剂，如,Fe,2+,、,金属等；,碱类；,有机金属化合物中的烷基，如,RMgX,、,RC,CM,等。,由该类试剂进攻引起的离子反应叫亲核反应。例如，亲核取代、亲核置换、亲核加成等。,2自由基试剂,含有未成对单电子的自由基（也称游离基）或是在一定条件下可产生自由基的化合物称自由基试剂。例如，氯分子（,Cl,2,）,可产生氯游离基（,Cl,）。,第一节 精细有机合成基础知识,三、有机反应溶剂与催化剂,1.,溶剂,在精细有机合成中，溶剂不只是使反应物溶解，更重要的是溶剂可以和反应物发生各种相互作用。因此，了解溶剂的性质、分类以及溶剂与溶质之间的相互作用，并合理地选择溶剂，对于目的反应的顺利完成有重要意义。,（,1,）溶剂的分类与性质,溶剂的分类有多种方法，各有一定的用途。若根据溶剂是否具有极性和能否放出质子，可将溶剂分为四类：,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、醇是最常用的极性质子溶剂。它们最显著的特点是能同负离子或强电负性元素形成氢键，从而对负离子产生很强的溶剂化作用。因此，极性质子溶剂有利于共价键的异裂，能加速大多数离子型反应。,第一节 精细有机合成基础知识,极性非质子溶剂。该类溶剂又称偶极非质子溶剂或情性质子溶剂。其介电常数大于,15,，偶极矩大于,2.5,D,，,故具有较强的极性。分子中的氢一般同碳原子相连，由于,C,H,键结合牢固，故难以给出质子。常见的偶极非质子溶剂有,N,N-,二甲基甲酰胺（,DMF,）、,二甲基亚砜（,DMSO,）、,四甲基砜、碳酸乙二醇酯（,CEG,）、,六甲基磷酰三胺（,HMPA,），,以及丙酮、乙睛、硝基烷等。由于这类溶剂一般含有负电性的氧原子（如,C,O,、,S,O,、,P,O,），,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。,第一节 精细有机合成基础知识,非极性质子溶剂。该类溶剂极性很弱，常见的是一些酸类，如叔丁醇、异戊醇等。它们的羟基质子可以被活泼金属置换。,非极性非质子溶剂。这类溶剂的介电常数一般在,8,以内，偶极矩在,0,2,D,之间，在溶液中既不能给出质子，极性又很弱。如一些烃类化合物和醚类化合物等。常见的溶剂分类及某些物性参数见表,2-3,。,第一节 精细有机合成基础知识,第一节 精细有机合成基础知识,（,2,）溶剂对有机合成反应的影响,溶剂在许多有机反应中是必不可少的。它可以对有机反应的反应速率、反应历程、反应方向和立体化学等产生影响。,对于质子性溶剂（如水、醇等），所起的作用是多方面的，它们和溶质分子以氢键相缔合，或形成,离,子，在介质中增加离子的溶剂化效应，它们自己往往是酸碱催化剂。虽然多数有机分子是不能在溶剂中离解的，但是质子化的结果把极性分子变成不稳定的活性中间体，碳正离子或,离,子，促进了离子反应。但当反应中有两个不相似的离子时，正离子和负离子在这种介质中相互离开，而且它们的电荷被分散，反应便减慢。,对于非质子无极性溶剂（如苯、,CCl,4,等），它们对电荷分散不起作用，介电能力很低，也不能生成氢键，在这类溶剂中不易进行离子的分隔，不相似的离子极易接近而迅速结合成中性分子。如果反应中带电荷的和不带电荷的反应物在不同溶剂中相遇，可以归纳出极性和非极性溶剂对反应速度的影响如表,2-4,第一节 精细有机合成基础知识,表,2-4,溶剂的极性对各种电荷类型反应的影响,反应类型,产物,影响情况,非极性溶剂促进其反应,极性溶剂促进其反应,溶剂的极性对其影响不大,极性溶剂稍有利,非极性溶剂稍有利,第一节 精细有机合成基础知识,（,3,）有机反应中溶剂的使用和选择,在有机化学反应中溶剂的使用和选择，除了考虑溶剂对反应的上述影响以外，还必须考虑以下因素：溶剂对反应物和反应产物不发生化学反应，不降低催化剂的活性。溶剂本身在反应条件下和后处理条件下是稳定的。溶剂对反应物有较好的溶解性，或者使反应物在溶剂中能良好分散。溶剂容易从反应体系中回收，损失少，不影响产品质量。溶剂应尽可能不需要太高的技术安全措施。溶剂的毒性小、含溶剂的废水容易治理。溶剂的价格便宜、供应方便。,第一节 精细有机合成基础知识,2,催化剂,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。催化剂参与化学反应，催化剂与反应物作用，通过降低反应活化能参与化学反应，反应结束时催化剂又重新再生，从而实现少量催化剂起到活化很多反应物分子的作用。催化剂只能改变反应速度，但不能改变反应平衡点的位置。催化作用是决定现代化学合成工业发展的一项重要手段。精细有机合成中常见的催化体系有：均相催化、多相催化、相转移催化及酶催化等。对于多相催化、相转移催化和酶催化等内容将在后面相关章节中加以介绍，这里仅介绍均相催化剂及催化作用。,均相催化作用指催化剂与反应物处于同一物相，反应在均一的单相体系内发生。均相催化反应可分为气相和液相两类，但常见的为液相。用于液相均相反应的催化剂有酸碱催化剂和均相配合物催化剂。,第一节 精细有机合成基础知识,（,1,）酸碱催化剂及其催化作用,常用作酸碱催化剂的物质有：,Br,nstaed,酸（即为质子给予体，如,H,2,SO,4,、,HCl,、,H,3,PO,4,、,CH,3,COOH,、,CH,3,C,6,H,4,SO,3,H,等）和,Lewis,酸（即为电子对接受体，如,AlCl,3,、,BF,3,等），,Br,nstaed,碱（即为质子接受体，如,NaOH,、,NaOC,2,H,5,、,NH,3,、,RNH,2,等）。其催化作用可从广义酸碱概念来理解，即通过催化剂和反应物的自由电子对，使反应物与催化剂形成非均裂键，然后再分解为产物。例如，催化异构化反应中，反应物烯烃与催化剂的酸性中心作用，生成活泼的正碳离子中间化合物：,这类催化剂可用于水合、脱水、裂化、烷基化、异构化、歧化、聚合等反应的催化。,第一节 精细有机合成基础知识,（,2,）均相配合物催化剂及其催化作用,这类催化剂是由特定的过渡金属原子与特定的配位体相配而成。通常有三类：一是只含有过渡金属的配合物，如烯烃加氢催化剂,RhCl,P(C,6,H,5,),3,3,；,二是含有过渡金属及典型金属的配合物，如,Ziegler-,Natta,定向聚合催化剂,TiCl,-Al(C,2,H,5,),2,Cl,等；三是电子接受,(,EDA),配合物，如蒽钠及石墨,-,碱金属的夹层化合物等。常见的过渡金属配合物或配合离子为多面体构型，金属原子位于中心，配位体在其周围。常见的配位体有,Cl,、,Br,、,H,2,O,、,NH,3,、,P(C,6,H,5,),3,、,C,2,H,5,、,CO,等，配合物中典型的键为配位键。,第一节 精细有机合成基础知识,在均相配位催化剂分子中，参加化学反应的主要是过渡金属原子，而许多配位体只起着调整催化剂的活性、选择性和稳定性的作用，而并不参加化学反应。其催化作用是通过配位体，反应物分子与配合物催化剂分子中的金属原子的配位活化、配位体的交换、配位体的离解（与配合物催化剂的金属脱络）、配位体向金属,C,和金属,H,键插入等步骤循环进行的。这类催化剂广泛用于烯烃的氧化、氢甲酰化、聚合、加氢、加成，甲醇羰基化，烷烃氧化，芳烃氧化和酯交换等反应的催化。,第一节 精细有机合成基础知识,四、合成反应器,1,反应器的类型,反应器的分类方式很多，可按物料的聚集状态、反应操作方式、反应器换热方式、反应温度控制方式和反应器结构等不同加以分类。这里仅介绍按反应器结构不同的分类方式。,按反应器结构外形可将其分为槽形反应器、管形反应器和柱形（塔形）反应器。,（,1,）,槽形反应器（反应釜或釜式反应器）,其结构如图,2-1,所示。它是由筒体,1,、夹套,2,、盖,3,、搅拌器,4,、蛇管,5,等构成。搅拌器的作用是使反应物均匀混合，夹套和蛇管的作用是使反应能够保持在某一规定的温度下进行。此类反应器适用于液,-,液、液,-,固、气,-,液及气,-,液,-,固三相反应，操作方式可满足间歇式、连续式及半间歇和半连续式要求。,第一节 精细有机合成基础知识,第一节 精细有机合成基础知识,（,2,）管形反应器（管式反应器）,管形反应器可以由一根或若干根管串联或并联构成（图,2-2,）。这类装置非常适用于气相反应系统或均相液,-,液反应系统，并适宜进行高温、高压反应；对于液,-,液非均相反应一般采用单管式反应器；对于气,-,固相反应可选用列管式反应器。主要用于连续操作。,第一节 精细有机合成基础知识,（,3,）柱形反应器,鼓泡式反应器、塔式反应器和流化床反应器都属于这类反应器。,图,2-3,是气液连续鼓泡塔的示意图。这类反应器最简单的结构为一个空圆柱体，塔的底都有一多孔板，以分散气体成为适宜尺寸的气泡，以便气体均匀通过床层。床内充满液体反应物。液态物料以连续方式从塔底加入而自塔顶引出（或逆方向），气体以气泡形式通过液相后自塔顶逸出。气体反应物溶解进入液相后，与液相中的反应物发生反应。由于气泡的搅拌作用造成塔内液体剧烈的混和运动，其液相均处于强烈的返混和强烈的微团混和状态。为了限制气液鼓泡反应器中液相的返混程度，通常可采取在塔内放置填料、设置横向档板和安置垂直套管等措施。鼓泡塔主要适用于气,-,液相反应，通常采用连续操作。,第一节 精细有机合成基础知识,图2-3 气液连续鼓泡塔,第一节 精细有机合成基础知识,塔式设备的用途极为广泛，不仅可作气体、液体物料的化学反应器，而最主要的应用是作为蒸馏、萃取、吸收、吸附等过程的设备，也可以作气体的净化、除尘和冷却。,塔式设备的外形基本相同，内部结构则根据物料性质、用途而异。泡罩型反应塔的结构与用作气体吸收、蒸馏等的多层塔板型塔是相同的，有的在每层塔板上装有搅拌叶轮，使固体物料与气体充分接触。如图,2-4,所示。,流化床反应器的基本结构如图,2-5,所示。它的主要部件是壳体、气体分布板、热交换器和催化剂回收装置。有时为了减少反向混合并改善流态化质量，还在催化剂床层内附加挡板或挡网等内部构件。流化床反应器主要适用于气,-,固相催化反应，采用连续操作方式。,第一节 精细有机合成基础知识,第一节 精细有机合成基础知识,2,反应器的操作方式,在反应器中实现化学反应可以有三种操作方式，即间歇操作、连续操作和半间歇操作。,（1）间歇操作 生产是分批进行的。以釜式反应器为例，将需要反应的原料一次加入釜中，使在一定的条件下进行反应。当反应达到规定的转化率时，将全部生成物放出，清洗反应器。这种操作称为间歇式操作。,间歇操作中，每批生产过程包括加料、反应、卸料和清洗等阶段。它的特点是在反应期间反应物的浓度随着反应的进行而发生变化，是不稳定的操作。由于有加料、卸料和清洗等阶段，所以设备利用率不高，工人劳动强度大，不易自动控制。,间歇操作通常用于小批量生产或反应时间需要很长的生产中，或用一个反应器生产几种不同产品的场合。因此，对于多品种、产量不大的精细化工产品的生产，间歇操作仍有着广泛应用。,第一节 精细有机合成基础知识,（,2,）连续操作,将需要反应的各种原料按一定顺序和速率连续地从反应器的一侧加入，反应后的产物不断地从反应器的另一侧排出。当稳定操作时，反应器中各处的温度、压力、浓度和流量都不随时间而变化。,连续操作的优点是设备利用率高、节省劳力和易于实现节能、产品质量稳定、易于自动控制，适合于大规模生产。,（,3,）半间歇操作,以甲醛和氨生产乌洛托品为例，先将甲醛水溶液加入反应器中，然后逐渐加入氨水溶液，反应进行很快，会有大量热量放出。为了使反应温度保持稳定，除了对反应器进行冷却外，还必须控制氨水的加料速度。因此，在这个生产中，对甲醛来说是间歇的，对氨水是连续的，所以称为半间歇操作。,第一节 精细有机合成基础知识,五、有机合成反应计算,1,有关化学反应计算的基本术语,（,1,）反应物的摩尔比（反应配比或投料比）,反应物的摩尔比指的是加入反应器中的几种反应物之间的物质的量之比。这个物质的量比值可以和化学反应式的物质的量之比相同，即相当于化学计量比。但是对于大多数有机反应来说，投料的各种反应物的摩尔比并不等于化学计量比。,（,2,）限制反应物和过量反应物,化学反应物不按化学计量比投料时，其中以最小化学计量数存在的反应物叫作“限制反应物”。而某种反应物的量超过“限制反应物”完全反应的理论量，则该反应物称为“过量反应物”。,第一节 精细有机合成基础知识,（,3,）过量百分数,过量反应物超过限制反应物所需理论量部分占所需理论量的百分数称作,“,过量百分数,”,。若以,n,e,表示过量反应物的物质的量，,n,t,表示它与限制反应物完全反应所消耗的物质的量，则过量百分数为：,【例,2-1,】：氯苯二硝化为二硝基氯苯,ClC,6,H,5,2HNO,3,ClC,6,H,3,(NO,2,),2,2H,2,O,物料名称,化学计量比（系数）,投料摩尔数,投料 摩尔比,投料化学计量数,氯苯,1 5.00 1 5,硝酸,2 10.70 2.14 5.35,第一节 精细有机合成基础知识,因此，氯苯是限制反应物，硝酸是过量反应物。,应该指出，对于苯的一硝化或一氯化等反应，常常使用不足量的硝酸或氯气等反应剂，但这时仍以主要反应物（苯）作为配料基准。例如，在使,1,mol,苯进行一硝化时用,0.98,mol,硝酸，通常表示苯与硝酸的摩尔比为,1:0.98,，硝酸用量是理论量的,98%,。但这种表示法不利于计算转化率。,第一节 精细有机合成基础知识,2.,转化率、选择性及收率的计算,（,1,）转化率（以,x,表示）,某一种反应物,A,反应掉的量,n,A,r,占其向反应器中输入量,n,A,in,的百分数，叫做反应物,A,的转化率,x,A,。,上式中,n,A,out,表示,A,从反应器输出的量。均以摩尔数表示。,一个化学反应以不同的反应物为基准进行计算，可得到不同的转化率。因此，在计算时必须指明某反应物的转化率。若没有指明，则常常是主要反应物或限制反应物的转化率。,第一节 精细有机合成基础知识,有些生产过程，主要反应物每次经过反应器后的转化率并不太高，有时甚至很低，但是未反应的主要反应物大部分可经分离回收循环再用。这时要将转化率分为单程转化率,x,单,和总转化率,x,总,两项。设和表示反应物,A,输入和输出反应器的摩尔数。和表示反应物,A,输入和输出全过程的摩尔数。则：,第一节 精细有机合成基础知识,【例,2-2,】：在苯一氯化制氯苯时，为了减少副产二氯苯的生成量，每,100,mol,苯用,40,mol,氯，反应产物中含,38,mol,氯苯，,1,mol,二氯苯，还有,61,mol,未反应的苯，经分离后可回收,60,mol,苯，损失,1,mol,苯，如图,2-7,所示。,苯的单程转化率：,苯的总转化率：,由上例可以看出，对于某些反应，其主反应物的单程转化率可以很低，但是总转化率却可以很高。,第一节 精细有机合成基础知识,（,2,）选择性（以,S,表示）,选择性是指某一反应物转变成目的产物，其理论消耗的摩尔数占该反应物在反应中实际消耗掉的总摩尔数的百分数。设反应物,A,生成目的产物,P,，,n,P,表示生成目的产物的摩尔数，,a,，,p,分别为反应物,A,和目的产物,P,的化学计量系数，则选择性为：,例如，【例,2-2,】中苯氯化生成氯苯的选择性为：,第一节 精细有机合成基础知识,（,3,）理论收率（以,y,表示）,收率是指生成的目的产物的摩尔数占按输入反应器的反应物摩尔数计算应得的产物摩尔数的百分数。这个收率又叫做理论收率。,当反应系统有物料循环时，通常需要用总收率来表示。相应地，物料一次通过反应器所得产物所计算的收率称为单程收率。设表示从反应器输出的目的产物的摩尔数，表示从整个系统输出的目的产物的摩尔数，,n,A,循,表示反应物,A,在系统内循环的摩尔数。则：,第一节 精细有机合成基础知识,例如，在【例,2-2,】中苯通过氯化反应器生成氯苯的单程收率为：,对于整个系统，苯转化成氯苯的总收率为：,转化率、选择性和理论收率三者之间的关系是：,y,=,S,x,应当指出，利用上述三者关系进行计算时，应注意对应关系，如单程转化率对应于单程收率。,因此，【例2-2】中苯通过反应器生成氯苯的单程收率也可作如下计算：,y,单,=,S,x,单,=97.44%,39.00%=38.00%,第一节 精细有机合成基础知识,（,4,）质量收率（以,y,w,表示）,在工业生产中，还常常采用质量收率,y,w,来衡量反应效果。它是目的产物的质量占某一输入反应物质量的百分数。,【例,2-3,】：,100,kg,苯胺（纯度,99%,，分子量,93,）经培烘磺化和精制后得,217,kg,对氨基苯磺酸钠（纯度,97%,，分子量,231.2,）。则按苯胺计，对氨基苯磺酸钠的理论收率：,对氨基苯磺酸钠的质量收率：,在这里，质量收率大于100%，主要是因为目的产物的分子量比反应物的分子量大。,第一节 精细有机合成基础知识,3,原料消耗定额,这指的是每生产,1,t,产品需消耗多少吨（或公斤）各种原料。对于主要反应物来说，它实际上就是质量收率的倒数。消耗定额的高低，说明生产工艺水平的高低及操作技术水平的好坏。在【例,2-3,】中，每生产,1,t,对氨基苯磺酸钠时，苯胺的消耗定额是：,100/217=0.461,t=461kg,。,第二节,有机反应类型及其基本原理,一、取代反应,取代反应通常是指与碳原子相连的原子或基团被另一个原子或基团所替代的反应。它可分为亲电取代、亲核取代及游离基取代反应三类。其中，比较重要的是脂肪族的亲核取代、芳香族的亲电取代和亲核取代反应。,1,脂肪族的亲核取代反应,脂肪族的亲核取代反应可以用以下通式表达：,此反应是亲核试剂对带有部分正电荷的碳原子进行攻击，属于亲核取代反应，用,S,N,表示。,R-L,是受攻击对象，称为底物；把进行反应的碳原子称为中心碳原子；,Nu,是亲核试剂或称进入基团，亲核试剂可以是中性的，也可以带有负电荷；,L,为反应中离开的基团，称为离去基团。脂肪族饱和碳原子上的亲核取代反应中，以卤代烷的亲核取代最为典型。其反应历程可分为,S,N,2,和,S,N,1,两种类型。,第二节,有机反应类型及其基本原理,（,1,）双分子亲核取代反应（,S,N,2,）,发生,S,N,2,的一般通式是：,过渡态,以伯卤代烷的水解为例：,第二节,有机反应类型及其基本原理,亲核试剂从离去基团的背面，接近中心碳原子，并与之形成较弱的键。由于亲核试剂的插入，离去基团与中心碳原子的键开始变弱，中心碳原子上的其它三个键也逐渐从远离离去基团的地方向接近离去基团的方向偏移。当这三个键同处于一个平面，并垂直于亲核试剂、中心碳原子和离去基团三者所连成的直线时，即形成了过渡态。这个过程较慢，是速度控制步骤。,当过渡态向产物转化时，离去基团,X,离开中心碳原子。同时，处于一个平面内的三个键完全转向另一边，完成了构型的逆转。构型逆转是发生,S,N,2,的重要标志。由于是双分子的共同作用，才形成了过渡状态，所以叫双分子亲核取代反应。该反应为二级反应，反应速度可表示为：,第二节,有机反应类型及其基本原理,（,2,）单分子亲核取代反应（,S,N,1,）,发生,S,N,1,的一般通式是：,反应物首先离解为正碳离子与带负电荷的离去基团，此步反应速度慢，是整个反应的控制步骤。当反应物分子离解后，正碳离子马上与亲核试剂结合，其速度极快，是快速反应步骤。由于决定反应速度的一步只涉及一种分子，是单分子的，因此这种反应是单分子亲核取代反应。该反应为一级反应，反应速度可表示为：,v,=,k,R,L,第二节,有机反应类型及其基本原理,（,3,）影响因素,影响亲核取代反应历程和速度的因素主要有底物的结构、离去基团和亲核试剂的性质、浓度以及溶剂的性质等。,反应物的结构。反应物的结构对,S,N,1,和,S,N,2,反应速度有不同的影响。例如卤代烷的水解，按,S,N,2,历程进行时，其反应速度的快慢顺序是：伯卤烷仲卤烷叔卤烷；按,S,N,1,历程进行，则是：烯丙基卤苄基卤代物叔卤烷仲卤烷伯卤烷,CH,3,X,。,在反应物分子中，当中心碳原子上有给电子性基团时，有利于,S,N,1,反应；有吸电子基团时，有利于,S,N,2,反应。,离去基团。离去基团携带着原来共有的一对电子而离去，其接受电子的能力越强，对,S,N,1,和,S,N,2,反应越有利。一般情况下，离去基团的离去能力的大小顺序是：,RSO,3,I,Br,Cl,RCOO,OH,NH,2,第二节,有机反应类型及其基本原理,亲核试剂。亲核试剂的性质，在,S,N,1,历程中对反应速度没有影响；但在,S,N,2,历程中，由于亲核试剂是组成过渡态的一部分，它的性质对反应速度有明显的影响。各种亲核试剂的亲核能力的大小顺序为：,C,2,H,5,O,OH,PhO,CH,3,CH,2,H,2,O,在同族元素中，亲核试剂随着原子序数的增大，其给出电子倾向也越大，从而使亲核性增强。,I,Br,Cl,F,在发生亲核取代反应的同时，存在着消除反应的竞争。其中，,S,N,2,和,E2,的最大区别在于前者是对中心碳原子的进攻，而后者则是碱性物质对氢原子的进攻。,第二节,有机反应类型及其基本原理,2,芳香族的亲电取代反应,芳香族化合物中的芳环是一个环状的共轭体系，环上的,-,电子云高度离域，具有很高的流动性，容易与亲电试剂发生亲电取代反应。主要包括磺化、硝化、卤化、,C,烷化、,C,酰化、,C,羧化、氯甲基化等亲电取代反应。,（,1,）芳香族,-,络合物与,-,络合物,芳烃具有与一系列亲电试剂形成络合物的特性。根据芳烃碱性的强弱和试剂亲电能力的强弱，所形成的络合物分为,-,络合物和,-,络合物两大类，它们在结构和性质上是完全不同的。这两类络合物都很不稳定。在一般情况下，都不能从溶液中分离出来，只有在特殊条件下才能被观察到。其中,-