精细有机化学品的合成与工艺学_精细有机合成与工艺学

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精细有机化学品的合成与工艺学

第一章

绪

论

1.1 精细化工的范畴

生产精细化学品的工业，通称精细化学工业，简称精细化工。所谓精细化学品，一般指的是批量小、纯度或质量要求高，而且利润高的化学品。最早的精细化工行业，例如染料、医药、肥皂、油漆、农药等行业，在19世纪前就已出现。随着科学技术的不断发展，一些新兴的精细化工行业正在不断出现。例如，到1981年列入日本《精细化工年鉴》的精细化工行业共有34个即医药、兽药、农药、染料、涂料、有机颜料、油墨、催化剂、试剂、香料、粘合剂、表面活性剂、化妆品、感光材料、橡胶助剂、增塑剂、稳定剂、塑料添加剂、石油添加剂、饲料添加剂、食品添加剂、高分子凝聚剂、工业杀菌防霉剂、芳香防臭剂、纸浆及纸化学品、汽车化学品、脂肪酸及其衍生物、稀土金属化合物、电子材料、精密陶瓷、功能树脂、生命体化学品和化学促进生命物质等。由此可见，精细化工的范畴相当广泛。

1.2 精细化工的特点

精细化学品在量和质上的基本特点是小批量、多品种、特定功能和专用性质。精细化学品的全生产过程除了化学合成（包括前处理和后处理）以外，还涉及到剂型（制剂）和商品化（标准化）两部分。这就导致精细化工必然要具备以下特点：

（1）高技术密集度

因为精细化工涉及到各种化学的、物理的、生理的、技术的、经济的等多方面的要求和考虑。

（2）多品种

例如，根据《染料索引》（Colour Index）1976年第三版的统计，共包括不同化学结构的染料品种5232入其中已公布化学结构的1536个。主要国家经常生产的染料品在2000个以上。

（3）综合生产流程和多用途、多功能生产设备

由于精细化工品种多、批量小，并经常更换和更新品种，为了取得高经济效益，目前许多工厂已采用上述 2 措施。

（4）商品性强，市场竞争激烈。

（5）新品种开发成功率低、时间长、费用高。（6）技术垄断性强、销售利润高、附加价值高。

1.3 精细化工在国民经济中的作用

精细化工是国民经济中不可缺少的一个组成部分。其作用主要有以下几方面：

（1）直接用作最终产品或它的主要成分

例如，医药、兽药、农药、染料、颜料、香料、味精、糖精等。

（2）增加或赋予各种材料以持性

例如塑料工业所用的增塑别、程定剂等各种助剂。彩色照相所用的成色剂、显影剂和增感剂等。

（3）增进和保障农、林、牧、渔业的丰产丰收

例如，选种、浸种、育秧、病虫害防治、土壤化学、改良水质、果品早熟、保鲜等都需要借助精细化学品的作用来完成。

（4）丰富人民生活

例如，保障和促进人类健康、提供优生优育条件、保护环境清洁卫生、以及为人民生活提供丰富多彩的衣食住行等享受性用品，都需要添加精细化学品来发挥其特定功能。

（5）促进技术进步

例如，电子液晶显示器所用的液晶染料、电传纸所用的热敏材料、功能树脂、人造器官、化学促进物质等对于科学技术的进一步发展都起了重要作用。

（6）高经济效益

这已影响到一些国家的技术经济政策，把精细化工视为生财和聚财之道,不断提高化学工业内部结构中精细化工所占的比重。

1.4 本课程所讨论内容

有机化工产品按其所起作用和相互关系，大体上可分为三大类：（1）基本有机原料；（2）有机中间体；（3）有机产品。

所谓基本有机原料，指的是从石油、天然气或煤等天然资源经过一次或次数较少的化学加工而制得的结构比较简单的有机物。例如，脂肪族的乙烯、丙烯、乙炔、一氧化碳；芳香族的苯、甲苯、二甲苯、萘和蒽等十余种。

所谓中间体，指的是将基本原料经进一步化学加工而制得的结构比较复杂，但还不具有特定用途的有机物。例如，脂肪族的甲醇、乙醇、乙酸、乙醛、丙酮、丙烯腈、环氧乙烷、氯乙烷、氯乙酸、甲胺、二甲胺等、芳香族的异丙苯、苯酚、氯苯、硝基苯、苯胺、2-萘酚等。

所谓有机化工产品，指的是将有机中间体再经过化学加工而制得的有特定用途的有机物。例如，医药、农药、染料、合成纤维、塑料、合成橡胶以及其他各种精细化学品等。它们都是与广大消费者或使用部门直接见面的有机化工产品。

应该指出，上述分类并不是绝对的，例如乙醛和异丙苯既可以列为中间体,也可以列为有机原料；而三氯乙醛和水杨酸，它们主要用作中间体，但有时也用作有机产品（医药）。在有机化工产品小，产量最大的是三大合成材料即：合成纤维、塑料和合成橡胶；而品种最多的则是精细化学品。

精细化学品的行业很多，其中许多行业已经建立了专门的学科，并且各有许多专著。本课程主要讨论用于制备精细化学品，特别是它的中间体所涉及的主要单元反应及其理论基础和工艺学基础。

中间体的范围相当广泛，品种非常多，有些中间体可用于多种类型化工产品的制备。这些通用的中间体，化学结构一般都比较简单，例如，脂肪族的甲醇、乙醇、乙酸，芳香族的氯苯、苯酚、邻苯二甲酸酐等。它们虽然品种不多，但生产量都非常大，常常在综合性大型化工厂生产，并且有些已属于基本有机合成的范畴。大多数中间体专用于个别几个精细化学品的制备。专用的中间体，其化学结构比较复杂，产量比较小，它们常常和最终的精细化学品配套生产。

1.5 精细有机合成的单元反应

精细化学品及其中间体虽然品种繁多，但是从分子结构来看，它们大多数是在脂链、脂环、芳环或杂环上含有一个或几个取代基的衍生物。其中最主要的取代基有：（1）-C1、-Br、-I、-P等。

（2）-SO3H、-SO2C1、-SO2NH2、-SO2NHR等(R表示烷基或芳基)。（3）-NO2、-NO。

（4）-NH2、-NHAlk、-NH(Alk)Alk、-NHA r、-NHAc、-NH2OH等（Alk表示烷基、Ar表示芳基、Ac表示酰基）；

（5）-N2+C1、-N2+HSO4ˉ；（6）-OH、-OAlk、-OAr,-OAc等；

（7）-Alk。例如-CH3、-C2H5、-CH(CH3)2等；

（8）

OCNH2OCClCNOCHOCROCArOCOHOCOROCOAr等

为了在有机分子中引入或形成上述取代基，以及为了形成杂环和新的碳环，所采用的化学反应叫做单元反应或单元作业。最重要的单元反应有：

(1)卤化

(2)磺化和硫酸酯化(3)硝化和亚硝化(4)还原和加氢

(5)重氮化和重氮基的转化(6)氨解和胺化(7)烃化(8)酰化(9)氧化(10)水解(11)缩合(12)环合(13)聚合由此可见，精细化学品及其中间体虽然品种非常多，但是其合成过程所涉及的单元反应只有十几种。考虑到同一单元反应具有许多共同的特点，因此按单元反应来分章讨论，有利于掌握精细有机合成所涉及的单元反应的一般规律。应该指出，关于单元反应的分类和名称在各种书刊中并不完全相同。本课程将按照上述分类法进行讨论。

上述单元反应可以归纳为三种类型。第一类是有机分子中碳原于上的氢被各种取代基所取代的反应，例如卤化、磺化、硝化和亚硝化、C-酰化、C-烃化等。第二类是碳原子上的取代基转变为另一种取代基的反应，例如硝基的还原为氨基等。第三类是在有机分子中形成杂环或新的碳环的反应即环合反应。

上述三类反应之间有密切的联系。第一类反应常常为后两类反应准备条件，进行第二类反应时所形成的取代基的位置常常就是上一步进行第一类反应所引入的取代基的位置。而第三类反应也需要由碳原子上的取代基来提供C、N、O、S等原子来形成杂环或新的碳环。

同一个精细化学品或中间体，有时可以用几个不同的合成路线或者用几个不同的单元反应来制备。例如苯酚的合成路线很多，其中在工业生产上曾经采用过的合成路线至少有以下五个，它们各有优缺点。

当制备在分子中含有多个取代基的中间体或精细化学品时，合成路线的合理选择就更为重要。

磺化氯化C-烷化SO3HCl水解（碱熔）气相接触催化水解OH解分重排性酸高压液相碱性水解CH3CHCH3CH3氧化氧化OCOH1.6 精细有机合成的原料资源

精细有机合成的原料资源主要是煤、石油、天然气和农副产品。分别扼要叙 6

氧化COOHCH3-脱羧CH3述如下：

1.6.1 煤的加工

煤的主要成分是碳。煤的成分非常复杂，除了碳、碳氢化合物以外，还有含氧以及少量含硫、含氯化合物。另外还含有一些无机矿物质。煤的加工主要有四种方式，即（1）炼焦，（2）气化，（3）生产电石，（4）破坏加氢。其中与精细有机合成有密切关系的是炼焦副产品的回收，因为它可以提供多种芳香族原料。

1.6.2 石油加工

石油是一种棕黑色的粘稠液体。它含有几万种碳氢化合物，另外还含有一些含氮和含硫的化合物。石油的主要成分是烷烃、环烷烃和少量芳烃。石油加工的第一步是将原料经过常压、减压精馏，分割成若干馏份。适当沸程的馏分在脱硫之前再进一步加工可以得到各种基本化工原料和石油产品。其中以制取化工原料为目的的加工方法主要有以下几种。

（1）催化重整

重整的最初目的是将重整原料油（沸程95℃以下）和直馏汽油（沸程95~130℃）里的一部分环烷烃和烷烃转变为芳烃，以提高汽油的辛烷值。后来出于化学工业对芳烃的需要量日益增长，使重整成为制取苯、甲苯和二甲苯等芳烃的重要方法之一。

汽油重整主要采用含铂催化剂的铂重整法。反应一般在490~530℃和0.25~0.30MPa和氢气存在下进行。铂重整时发生多种反应，其中生成芳烃的反应叫做芳构化，主要有：六员环烷烃脱氢生成芳烃、五员环烷烃异构化-脱氢生成芳烃以及烷烃的脱氢环合生成环烷烃再脱氢生成芳烃等。重整油约含30~50％芳烃，经分离可得到苯、甲苯和二甲苯等。

（2）热裂解

当将直馏汽油、轻柴油、减压柴油等原料油加热到750~800℃进行热裂解时，除了发生高碳烷烃裂解为低碳烯烃和二烯烃的主要反应以外，还发生各种芳构化反应。裂解的主要目的是制取乙烯、丙烯和丁二烯等烯烃。另外，裂解汽油中约含有40~80％芳烃，其中主要是苯、甲苯和二甲苯。

（3）催化裂化

催化裂化的主要目的是将直馏轻柴油、重柴油或润滑油等高沸程原料油中的高碳烷烃加氢裂化成低碳烷烃，同时发生异构化、环烷化和芳构化等反应而得到高辛烷值汽油。催化裂化一般用硅酸铝作为催化剂，在450~560℃和0.01~ 0.25MPa下进行。所得到的轻柴油馏份（沸程180~340℃）中含有相当多的重质芳烃，其中主要是多烷基苯和烷基萘。

（4）临氢脱烷基化

重整的石脑油馏份（沸程66.5~156℃）中苯，甲苯和二甲苯的比例约为1∶5.4∶3.8。由于甲苯的需要量比苯和二甲苯少，又发展了甲苯在氢气存在下脱烷基制取苯的方法（Cr2O3/A12O3催化剂，540℃）。

从催化裂化轻柴油中分离出来的多烷基苯和烷基萘也可以通过临氢脱烷基法制取苯类产品和石油萘。但这种方法投资高，只有炼油量大的国家才可能采用。

1.6.3 天然气的利用

天然气是埋藏在地下的可燃性气体，它的主要成分是甲烷。天然气可直接用来制炭黑、乙炔、氢氰酸（氨氧化法）、各种氯代甲烷、二硫化碳、甲醇、甲醛等产品。另外，天然气也可先制成合成气（CO+H2的混合气体），一氧化碳经各种羰基合成反应可制得甲醇、高碳醇、正丁醛、甲酸、乙酸、丙酸、丙烯酸、丙烯酸酯和人造石油等化工产品。

1.6.4 农林牧渔副产品的利用

含糖或淀粉的农副产品经水解可以得到各种单糖，例如葡萄糖、果糖、甘露蜜糖、木糖、半乳糖等。如果用适当的微生物酶进行发酵，可分别得到乙醇、丙酮/丁醇、丁酸、乳酸、葡萄糖酸和醋酸等。

从含纤维素的农副产品经水解可以得到己糖C6H12O6（主要是葡萄糖）和戊糖C5H10O5（主要是木糖）。己糖经发酵可得到乙醇，戊糖经水解可得到糠醛。

从含油的动植物可以得到各种动物油和植物油。它们也是有用的化工原料。油脂经水解可以得到甘油和各种脂肪酸。

另外，从某些动植物还可以提取药物、香料、食品添加剂以及制备它们的中间体。第二章

精细有机合成的理论基础

精细有机合成反应按照进行方式不同，从形式上可以分为取代反应、加成反应、消除反应，以及其他重排反应等。每一种反应又可以分为若干种类。

取代反应根据反应试剂性质和反应物分子中碳-氢键断裂方式不同，分为亲电取代、亲核取代和游离基取代反应。加成反应根据加成的基本途径不同，可以分为亲电加成、亲核加成、游离基加成和环加成。消除反应可以根据被消除原子或原子团位置不同，分为β-消除和α-消除等。重排反应也可以分为许多类。

2.1 反应试剂的分类

2.1.1 极性试剂

极性试剂是指那些能够供给或接受一对电子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。

2.1.1.1 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，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：NO2+、NO+、R+、R-C+=O、A rN2+、R4N+等；

含有可极化和已经极化共价键的分子：Cl2、Br2、HF、HCl、SO3、RCOCl、CO2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）： AlCl3、FeCl3、BF3等；

羰基的双键。

氧化剂：Fe3+、O3、H2O2等。酸类。

卤代烷中的烷基：R-X。

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。

2.1.1.2 亲核试剂把一对电子提供给基质以形成共价键的试剂称亲电试剂。这种试剂具有较高的电子云密度，与其它分子作用时，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；0H－、RO－、ArO－、NaSO－、NaS－、CN－等。

极性分子中偶极的负端：NH3、RNH2、RR`NH、ArNH和NH2OH等； 烯烃双键和芳环；CH2＝CH2，C6H6等 还原剂：Fe2+、金属等。碱类。

有机金属化合物中的烷基：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。

2.1.2 游离基试剂

含有未成对单电子的游离基或是在一定条件下可产生游离基的化合物称游离基试剂。例如，氯分子（C12）可产生氯游离基（C1²）。

2.2 亲电取代反应

精细有机合成中的亲电取代反应也可称为阳离子型取代反应。芳香环是一个环状共轭体系，由于环上π-电子云密度较高，容易发生亲电取代反应。

2.2.1 芳香族π-络合物与σ-络合物

芳烃具有和一系列亲电试剂形成络合物的特性。同亲电能力较弱的试剂形成络合物，它与芳环平面两侧的环状π-电子云发生松散结合，亲电质点同芳环的碳原子之间没有形成真正的化学键。

而亲电能力较强的试剂同芳烃则在反应瞬间能从芳环上夺取一对电子，与环上某一特定的碳原子形成σ-键，形成σ-络合物（或称芳阳离子）。σ-络合物和π-络合物之间存在着平衡，σ-络合物较为稳定，在某种情况下，能将其分离得到。例如，苯三氟甲烷、硝基氟和三氟化硼在零下100℃时生成一个黄色的结晶态络合物，即σ-络合物。它在零下50℃以下是稳定的，高于零下50℃则分解成 10 间硝基三氟甲苯、氟化氢和三氟化硼。

2.2.2 芳香族亲电取代反应历程

CF3+ NO2F +BF3-100℃CF3BF4-50℃CF3+ HF + BF3O2NHNO2已经有多方面的研究结果足以证明，大多数亲电取代反应是按照经过σ-络合物中间体的两步历程进行的。而亲电质点E+的进攻和质子的脱落同时发生的一步历程，则一直没有发现过。至于在亲点质点进攻芳环以前，质子就已经脱落下来的单分子历程，只在极个别的情况下才遇列。

两步历程的通式表示如下：

H+ E+E++EEHH+HE++EEH+E在芳阳离子中，芳环本身的高度稳定性已不存在，通常是一个非常活泼的中间产物，它存在两种可能性，或者快速地脱掉E+转变为起始反应物Ar-H，即 k2k-1，发生了亲电取代反应。两步历程主要是通过（1）动力学同位素效应；（2）σ-络合物中间体的分离及其相对稳定性证明。

2.2.2.1 动力学同位素效应

对于任何反应，所谓“动力学同位素效应”是指如果将反应物分子中的某一原子用它的同位素代替时，该反应速度所发生的变化，例如，氢的三种同位素氢H、氘D和氚T的质量数不同，三种氢构成的碳氢键断裂速度是有差别的，即质量大的断裂较慢。据据实验数据，C-H键的断裂速度约比C-D键快7倍；约比C-T键快20倍。若（1）按照两步历程而且速度控制步骤是H+的脱落（即k2

11（2）按照一步历程或者（3）按照单分子历程，那么它的同位素效应kH/kD都将接近于7，或者kH/kT都将接近于20。若按照两步历程而且速度控制步骤是σ-络合物的生成，将没有同位素效应。

2.2.2.2 σ-络合物的分离和其相对稳定性

反应σ-络合物生成是控制步骤时，它一经生成就快速地脱质子而转变为产物。一般不能把它们分离出来，也不易观察到它们的存在。仅在某些特殊情况下，才能分离出中间产物σ-络合物。例如，苯三氟甲烷、硝基氟和三氮化硼在零下100℃时生成的黄色结晶态络合物，它是该硝化的中间产物σ-络合物，然后再分解形成产物间硝基三氟甲苯。

芳香亲电取代反应最初步骤是亲电试剂进攻芳香环，首先形成π-络合物，然后转变为σ-络合物。芳烃溶于无水液态氟化氢时存在着π-络合物和σ-络合物的平衡。

2.2.3 芳香族亲电取代定位规律

2.2.3.1 影响定位的主要因素

芳环上已有一个或几个取代基，若再引入新取代基时，其进入的位置和反应进行的速度，主要取决于以下因素。

（1）已有取代基的性质，包括极性效应和空间效应。如果已有几个取代基则决定于它们的性质和相对位置。

（2）亲电试剂的性质，也包括极性效应和空间效应。（3）反应条件主要是温度、催化剂和溶剂的影响。

在上述因素中，最重要的是已有取代基的极性效应。在芳香系取代反应中,苯系的亲电取代研究得最多，也最重要。

2.2.3.2 两类定位基

在亲电取代中，苯环上已有取代基对新取代基的定位作用有两种类型，即邻、对位定位和间位定位。通常把邻、对位定位基叫做第一类定位基，把间位定位基叫做第二类定位基。属于第一类定位基的主要有：

—O-、—N(CH3)

2、—NH2、—OH、—OCH3、—NHCOCH3、—OCOCH3、—F、—C1、—Br、—I、—CH3、—CH2Cl2、—CH2COOH、—CH2F等。

属于第二类定位基的主要有：

—N(CH3)

2、—CF3、—NO2、—CN、—SO3H、—COOH、—CHO、—COOCH3、—COCH3、—CONH2、—N+H3、—CCl3等；

这里所谓邻、对位定位或间位定位，都是对反应的主要产物而言。2.2.5.3 苯环的定位规律

1.已有取代基的极性效应在不可逆亲电取代中，可以根据苯环上已有取代基的极性效应，对生成个异构体的σ-络合物的稳定性来解释定位作用。苯一取代物发生亲电取代可以生成邻、对和间位的三种σ-络合物。每一种络合物都可以看作是三种共振结构杂化的结果。在邻位和对位的络合物中，都有一个共振结构，其正电荷集中在同已有取代基Z相连的碳原于上。因此在杂化结构中，同Z相连的碳原子上具有部分正电荷。在间位的络合物中，三个共振结构在同Z相连的碳原子上都没有正电荷集中。因此在它的杂化结构中，同Z相连的碳原子上没有部分正电荷。这种差别是解释已有取代基定位作用的基础。

Z间位共振结构杂化结构ZHEHE共振结构Z或表示为Zδ＋Zδ＋HEHE杂化结构δ＋HEZ对位ZZ或表示为Zδ＋Zδ＋δ＋EHEHEHEH杂化结构EHZ邻位共振结构HEZHEZZH或表示为EHEδ＋Zδ＋HEδ＋当Z具有诱导致应时，其影响随距离的增加而减弱，由此可见对于同Z相连的碳原子影响最大。如果具有正的诱导效应+I（即给电子效应），对于邻位或对位的络合物更容易使正电荷分散到Z上，从而使络合物更稳定。对于间位的络合物，Z对于苯环正电荷的分散作用要比邻位和对位的小。因此具有+I效应的取代基使三种络合物都稳定，邻位和对位更稳定，所以这类取代基使苯环活化，并且是邻、对定位。如果Z具有负的诱导效应-I（即吸电子效应），则与上述相反，使苯环上电子云密度降低，使三种络合物都不稳定，邻位和对位更不稳定，所以这类取代基使苯环钝化，并且是间位定位。

当Z和苯环之间有共轭效应时，某些情况下同诱导效应的方向一致，而另一些情况，则同诱导效应的方向相反。一般来说，共轭效应起主导作用。当Z中同苯环相连的原子具有未共有电子对时，可以把未共有电子对分散到苯环上，使络合物稳定，尤其是对于邻位和对位络合物，还可以多画出一个正电荷集中在Z上的共振结构。

这个额外的共振结构比其他共振结构更稳定，即在杂化结构中邻位和对位络合物更稳定。因此这类取代基使苯环活化，而且是邻、对位定位。

Z对位ZZZEHEHEHEH

Z邻位HEZHEZHEZHE

根据以上讨论，各种取代基可归纳为以下三类：

（1）取代基只有正的诱导效应，例如烷基，它们都使苯环活化，而且是邻、对位定位。其中甲基还具有超共轭效应，其活化作用大于其他烷基。

（2）取代基中同苯环相连的原子具有未共有电子对，例如：—O–、—NR2、—NHR、—NH2、—OH、—OR、—NHCOR、—OCOR、—F、—C1、—Br、—I等，其未共有电子对和苯环形成正的共轭效应（+I），它们都是邻、对位定位基。除了正共轭效应外，这些取代基也都具有诱导效应，其中—O–为正诱导（+I），其他的都具有负的诱导效应。对于氨基和羟基，其正的共轭效应（+I）大于负的 14 诱导效应（-I），所以它们都使苯环活化。对于卤素，其正的共轭效应小于负的诱导效应，所以使苯环稍稍钝化。

（3）取代基具有负的诱导效应，而且同苯环相连的原子没有未共有电子对，例如：—N+R3、—NO2、—CF3、—CN、—SO3H、—CHO、—COR、—COOR、—CONH2、—CCl3、和—NH3等，其中某些除诱导效应外，还有负的共轭效应，它们都使苯环钝化，而且是间位定位。

2.已有取代基的空间效应

苯环上已有取代基的空间效应这里指的是空间障碍作用。但烷基苯一硝化时随着烷基体积增大，邻位异构产物的比例减小。

3.亲电试剂的极性效应

亲电质点E+的活泼性对定位作用也有重要影响。当E+极活泼时，kT/kB值小，即E+进攻甲苯或进攻苯的选择性很差，同理进攻甲苯环上不同位置的选择性也很差，结果生成相当数量的间位异构产物。例如甲苯的C-烷化就接近这种情况，说明—CH3、—CH2CH3等烷基阳离子部是非常活泼的亲电质点。

反之，当E+极不活泼时，它进攻甲苯和苯的选择性很好，kT/kB主要决定于甲苯和苯的相对活性，即主要决定于甲基的活化作用，因此kT/kB很大。同理，E+进攻甲苯各不同位置的选择性也很好，几乎不生成间位异构产物。例如甲苯的卤化和C-酰化就接近这种情况，说明分子态氯（Cl2）和—COCH3是很弱的亲电质点。

4.新取代基的空间效应

新取代基的空间障碍也会影响邻位异构产物的生成比例。5.反应条件的影响

（1）温度的影响

温度升高可以使不可逆的磺化和C-烷化转变为可逆反应。温度的变化对不可逆亲电取代的异构产物比例也有影响。例如硝基苯的再硝化反应，升高硝化温度，主产物间二硝基苯的生成比例将下降。

（2）催化剂的影响

催化剂可以改变亲电试剂的极性效应或空间效应。例 15 如甲苯用混酸硝化时，加入一定量磷酸，可以提高对位异构体的收率，即对位产物组成由36%提高到40%。这可能是磷酸与-NO2构成的络合物作为进攻质点，体积增大，使邻位异构产物减少，对位体增加。催化剂也可以改变反应历程，如蒽醌的磺化有Hg盐时，磺基进入α位，无Hg盐进入β位。

（3）介质的影响

主要是介质酸度的影响，例如，乙酰苯胺的硝化，用乙酸酐比用硫酸作介质能得到更多的邻位异构产物。

6.已有两个取代基的定位规律

当苯环上已有两个取代基，引入第三个取代基时，新取代基进入环上位置主要决定于已有取代基的类型、定位能力的强弱和它们的相对位置。一般有两个取代基定位作用一致和不一致两种情况。

CH3硝化CH3NO2COOH硝化COOHO2NCOOHCOOHCH3CH3CH3NO2CH3

当两个取代基用于同一类型（都用于第一类或第二类定位基），并处于间位，其定位作用是一致的，例如：

可见新取代基很少进入两个处于间位的取代基之间。显然这是空间效应的结果，随着已有取代基或进攻质点体积的增大而更加明显。

当两个取代基属于不同类型，并处于邻位或对位时，其定位作用也是一致的。例如：

CH3磺化NO2NO2CH3SO3HCNCl硝化O2NCNCl

如果两个已存取代基对新取代基的定位作用不一致，新取代基进入的位置将决定于已有取代基的相对定位能力。通常第一类取代基的定位能力比第二类强得多。

NH2磺化COOHNO2COOHNH2

当两个取代基属于不同类型并处于间位，其定位作用就是不一致的，这时新取代基主要进入第一类取代基的邻位或对位。例如：

当两个取代基属于同一类型并处于邻位或对位，则新取代基进入的位置决定于定位能力较强的取代基。例如：

CH3硝化NHCOCH3NO2NHCOCH3 CH32.3亲核取代反应

精细有机合成中的亲核取代也可称为阴离子型取代反应，进攻试剂的性质和反应物分子中C-H键的断裂方式，可按如下反应通式表示：

RHZRZH

反应既包括芳香族亲核取代也包括脂肪族的亲核取代，但应用较多的为脂肪族的亲核取代反应，芳香族的则主要应用于亲核置换反应。

2.3.1 脂肪族亲核取代反应历程

在饱和碳原子上的亲核取代反应，最典型的反应是卤代烷与多种亲核试剂发生的亲核取代常以SN表示，其反应历程有SNl和SN2两种形式。现分别叙述如下：

2.3.1.1 双分子历程(SN2)SN2表示双分子亲核取代。这个历程中旧的化学键断裂和新的化学键形成是同时的，有中间产物生成，反应同步进行。以伯卤代烷反应为例：

HXCHHOHH慢HCHδOHδXHHCOHXH

亲核试剂的进攻从背面与离去基成180°的位置接近作用物，先与碳原子形成较弱的键，同时离去基与碳原子的连接减弱，两者与碳原子成一条直线，而碳原子其他三个键则处于同一平面内。表明过渡态形成。这一过程进行较慢，是反应的控制步骤。当反应由过渡态转化成产物时。碳原子上另外三个键由平面向另一边翻转，所得产物的构型与原作用物的相反。因为在控制反应速度一步是两种作用物分子参加，所以叫双分子亲核取代。在反应中发生了分子的构型逆转，过去把它称为“瓦尔登转化”。在反应中，凡发生构型逆转的作为SN2型反应的重要标志。

2.3.1.2 单分子历程（SN1）

SN1表示单分子亲核取代。在这个反应历程中分两步进行取代反应。第一步是离去基与中心碳原子之间的键发生异裂，生成一个不稳定的碳正离子，是一个慢步骤，第二步是这个高能量的碳正离子中间体，迅速与亲核试剂结合构成新键。

RXRNu慢R快XRNu

整个反应速度决定于第一步的慢过程。由于该步骤中只有一个作用物分子参加，所以叫做单分子亲核取代。这里，烷基正离子稳定性越大，作用物（R-X）按单分子历程进行反应的倾向越大。该反应历程所以是单分子的，一是由于烷基在α-碳原子上积累，无论从电子效应还是空间效应，都给亲核试剂的进攻造成一定困难，使按SN2历程的反应速度降低；二是由于α-碳原子上电子云密度增大，卤原子就较容易成为负离子而离去，生成的烷基正离子由于超共轭效应存在，有较大的稳定性，这些因素都促使叔卤烷的水解反应按SN1历程进行。

2.3.2 反应的影响因素

影响亲核取代反应历程和速度的因素，主要是作用物的结构、亲核试剂、离去基团和溶剂的性质等，并且它们之间是相互联系的。

2.3.2.1 作用物结构的影响

作用物结构对SN1和SN2反应进度的影响有电子效应和空间效应两种因素。例如卤化烷的水解反应，如果按SN2历程进行，则：

伯卤烷＞仲卤烷＞叔卤烷

其相对反应速率从伯烷基作用物到叔烷基作用物大约减小103倍。而按单分子历程进化，则：

叔卤烷＞仲卤烷＞伯卤烷

其相对反应速度大约相差106倍。甲基和伯烷基作用物是按SN1历程进行反应，叔烷基作用物按SN1历程进行反应；仲烷基作用物则介于SN1和SN2的边界状态。可以用下图表示。

卤代烷烷基对水解速度的影响

在作用物分子中，被进攻的碳原子上有其他给电性基团。如α-氯醚、3-氯丙烯等。由于取代基的p-p共轭或p-π共轭效应，使生成的碳正离子稳定，它们的反应速度比没有取代基的大上千倍、甚至上万倍，其反应按SN1历程进行。

在被进攻的碳原子上有吸电性取代基，如α-卤代羰基化合物、α-卤代氰基化合物等。由于取代基的吸电子作用，使被进攻的碳原子的部分正电荷增加，有利于SN2反应。同时，在形成过渡态时，取代基的π-电子云也可与正在形成键和正在断裂键的电子云交盖，使过渡状态能量降低，使SN2的反应速度增加。

总之在作用物分子中，被进攻的碳原子上有给电性取代基，有利于SNl反应，分子中有吸电性取代基，则有利于SN2反应。

2.3.2.2 被取代离去基团的影响

不论在SN1或SN2的反应中，被取代的基团X均是带着原来共有的一对电子离去，所以X接受电子能力越强越易离去，也越有利于亲核取代反应的进行。一般说来，其被取代的难易次序为：

RSO3—＞ I—＞ Br—＞ Cl—＞ RCOO—＞ HO—＞ H2N—

2.3.2.3 亲核试剂的影响

在SN1反应中，亲核试剂的性质对反应速度没有影响，因为亲核试剂不参与整个反应过程的速度控制步骤。在SN2的反应中，亲核试剂参与了过渡态的形成，所以亲核能力的变化对取代反应速度有明显影响。绝大多数试剂的亲核能力与其碱性的强弱是一致的。例如：下列亲核试剂活泼次序为：

C2H5Oˉ＞ OHˉ＞ PhOˉ＞ CH3CH2ˉ＞H2O 在同族元素的试剂中，亲核性是按电负性的下降而提高。例如： Iˉ＞Brˉ＞Clˉ＞Fˉ和

PhSˉ＞PhOˉ

由于原于序数越大，越容易极化，所以给电子倾向也越大。

2.3.2.4 溶剂的影响

溶剂的极性对亲核取代反应机理和反应速度都有很大影响。绝大部分SNl的反应，反应的第一步是一个中性化合物离解为两个带有电荷的离子，因此极性溶剂有利反应进行。并且溶剂极性越大，越使反应速度加快。SN2的反应，由于溶剂与亲核试剂可以形成氢键使亲核试剂活泼性减弱，在反应中试剂与反应物形成过渡态，首先得消耗一部分能量破坏生成的氢键。所以反应在不形成氢键的溶剂中进行有利，反应速度快。总之SNl反应在质子性溶剂中进行有利；而SN2反应在非质子性溶剂中进行有利。

脂肪族亲核取代反应在精细有机合成中较为常用，广泛用于碳杂新键和碳-碳新键的形成。例如用于醇、醚和酯类的合成，即卤代烃发生溶剂解，形成碳-氧新键，例如用水为溶剂生成醇，用醇为溶剂生成醚，用羧酸为溶剂则生成酯。又如用于硫醇、硫醚的合成形成碳-硫新键。用于卤代烃的氨解形成碳-氮新键，这是合成烷胺类重要方法。亲核取代反应中以形成碳-碳新键最为重要，反应是以碳负离子作为亲核试剂，对碳负离子来说，使分子中引入烃基，又称烃基化反应，用以合成腈类和炔烃；如果碳负离子为烯醇负离子，进行烃基化反应是合成酮、羧酸、羧酸酯和腈等化合物的重要合成方法。

2.3.3 芳香族环上氢的亲核取代反应

在该类反应中，亲核试剂优先进攻芳环上电子云密度最低的位置，所以在反应的难易定位规律方面都与芳香族亲电取代反应相反。

以硝基苯的羟基化为例，这类亲核取代反应历程简单表示如下：

NO2OH无水KOH加热中间络合物阴离子NO2HOHNO2OHHNO2OHH上述历程得到一些实验结果的支持。例如，加入适量的温和氧化剂（包括空气），常有利于反应的进行。氧化剂的作用在于帮助氢阴离子脱落，并使它转变为稳定的氢分子或水分子。上述历程可以解释反应的难易和取代基的定位作用。吸电性的硝基使邻位和对位的电子云密度下降得比间位更多，亲核试剂较易进攻这个位置，发生已有取代基的亲核置换。

2.4 消除反应

消除反应是指有机物分子中同时除去两个原子（或基团），形成一个新分子，通常是不饱和程度增加的反应。由于被除去的两个原子（或基团）的位置不同，消除反应主要分两种，即β-消除和α-消除。

β-消除是生成烯（或炔）烃化合物的反应，即在相邻的两个碳原子上除去两个基团。

XYXY消除CβCαβCC

β-消除不仅形成碳-碳双键，也可形成碳-氧双键、碳-硫双键和碳-氮双键等。α-消除是生成卡宾（Carbene）的反应即在同一个碳原子上除去两个基团，也称1,1-消除。XCYXY消除βC

2.4.1 β-消除反应

通过研究消除反应的历程，可分双分子历程（E2）和单分子历程（E1）。2.4.1.1 双分子消除反应历程（E2历程）

双分子消除反应通常在强碱性试剂存在下发生。当亲核性的碱性试剂B接近β氢时，在B和H间形成微弱键的同时，原有C-H键、C-X键减弱而形成过渡态。而后发生C-B键和C-X键同时断裂构成烯键。

XCCBHBXCCH过渡态CCBHX

可见E2历程和SN2历程很相似。区别是在于E2历程中碱性试剂进攻β-氢原子；而在SN2历程中反应发生在α-碳原子上。所以在不饱和碳原子上的亲核取代常伴有消除反应发生。

按E2历程进行反应，离去基团的空间排布在理论上有两种，即顺式消除和反式消除。

XCCH反式HXCC顺式

对于烷基化合物，σ-键可以自由旋转，很难确定按哪种方式进行。但烯烃衍生物和脂环化合物中，双键和环上的单键自由旋转受到阻碍，就以一种消除方式为主。如1,2-二氯乙烯与碱作用生成氯乙炔的反应。

离去基处于反式位置的异构体比离去基处于顺式位置的易于消除，所以顺式二氯乙烯的反应速度比反式二氯乙烯快20倍。

ClCHCClHOH快HCCHOH慢ClCHCHCl脂环化合物在进行消除反应时，被消除的两个原子（或基团）处于反式位置易于消除；并且被消除的原子和它们相连的碳原子在同一平面上，反应最易进行。

2.4.1.2 单分子消除反应历程（E1历程）

单分子消除反应历程分两步进行，第一步是离去基解离而形成碳正离子。这步速度较慢是反应的控制步骤。第二步消除β-质子形成烯烃。

当形成碳正离子比较稳定时，反应优先按E1历程进行。

慢快CHCXXCHCBCCBH

E1和SN1反应常同时发生，两者比值常根据溶剂的极性和温度不同而异。高极性溶剂有利于质子从碳正离子中离去。有利于E1历程的反应。

2.4.2 α-消除反应

α-消除反应是在相同的碳原子上消除两个原子（或基因），形成高度活泼的缺电性质点（卡宾）的反应。卡宾具有特殊的价键状态和化学结构，可以发生多种化学反应。卡宾能与多种单键发生插入反应。

CHCH2CCH2HHCCH2

卡宾能与碳-碳双键进行亲电加成反应。

CCH2CCCCH2CCCH2

卡宾与芳香族化合物也能发生加成反应，生成环扩大产物，用以合成环烯。

CH3CH2N2hv

2.4.3 消除反应影响因素

在同样反应条件下，消除反应和亲核取代反应是同时发生的。下列因素将有 23 利于消除反应进行。

2.4.3.1 反应物分子结构的影响 1.反应物分子的空间效应

被消除原子所连的碳原子上有支链时，如果按双分子反应，在SN2历程反应中亲核试剂进攻β-碳原子，而在E2历程反应中进攻β-氢原子，支链的空间效应对SN2不利，而相对对E2有利；如果按单分子反应，无论是SN1或E1的历程，在反应速度决定步骤中形成同样的碳正离子，只是第二步不同，若连有较多的烷基按E1消除β-氢后，形成双键可减少分子张力，使分子稳定；按SN1取代碳正离子与亲核试剂结合，键角被压缩（由120°减至109.5°），反而张力增加。可见无论按双分子或按单分子反应都对消除反应有利。

2.反应物分子的电于效应

分子中在β-碳原子上有吸电性基团（X、CN、NO2）增加了β-氢原子的活性，使E2消除反应加速。

3.离去基团的性质

离去基因吸电子能力增加，使β-氢原子的电子云密度下降，有利于双分子E2消除反应，离去基团对在El历程反应无明显影响。

2.4.3.2 反应条件的影响

1.碱的影响

试剂的碱性对于双分子反应E2或SN2是有影响的。碱性即是对质子的亲和力，因此试剂碱性增大按E2进行反应更容易。例如，伯仲卤代烷的水解，为了提高醇的收率避免消除反应，大用苛性碱而用乙酸钠作试剂。因为CH3COOˉ的碱性比OHˉ的弱得多，反应按SN2历程进行。

总之，在消除和取代之间，强碱有利于消除不利于取代。而高浓度的强碱在非离子化溶剂中，有利于双分子历程，而且对E2比对SN2更有利。碱的浓度低或没有碱存在时，在离子化溶剂中，有利于单分子历程，而且对SN1比对E1更为有利。2.溶剂（介质）的影响

溶剂的极性对反应影响与亲核取代很相似。按单分子反应是先生成碳正离子，而后按E1或SN1历程进行，增加溶剂极性只促进解离中间物的速率，而对E1和SNl产物的比量影响较小。

按双分子反应，在极性小的溶剂中对于形成E2的过渡态条件有利，有利于烯烃生成。

3.温度的影响

反应无论是单分子还是双分子历程，提高反应温度都有利于消除反应的进行。这可能是消除反应的活化过程需要拉长β-碳氢键的原因。

2.5 游离基反应

游离基反应又称自由基反应，是精细有机合成中一类较重要的反应。它一经引发，通常都能很快进行下去，是快速链锁反应：但反应也能受到某些物质的抑制，这些物质能非常快地与游离基结合，使反应终止。为了使游离基反应能够顺利发生必须先产生一定数量的游离基。常用的方法有三种：热离解法、光离解法和电子转移法。

2.5.1 热离解法

化合物受热到一定温度发生热离解，产生游离基。不同化合物的热离解所需温度不同。例如，氯分子的热离解在100℃以上可具有一定的速度；烃、醇、醚、醛和酮受热到800~1000℃时离解；金属有机化合物所需温度低些，四甲基铅蒸汽通过灼热至600℃的石英管，可离解成甲基游离基。

Cl2100℃以上2ClPb4CH3(CH3)4Pb600℃以上含有弱键的化合物裂解所需温度低些，例如含有O-O键的过氧化二苯甲酰及偶氮双异丁腈都是常用的引发剂。OCO2CNH3CCNNCH3CNCCH350~100℃OCO2CO2CNCH350~100℃2H3CCCH3N2

2.5.2 光离解法

分子受到光的照射而被活化，活化分子具有较高的能量，它们可以满足化学键均裂所需要的能量。例如，卤素分子用光照射生成它们的原子，光离解可在任何温度下送行，并且能通过调节光的照射强度控制生成游离基的速度。

Cl2Br2hvhv2Cl2Br

2.5.3 电子转移法

重金属离子具有得失电子的性能常被用于催化某些过氧化物的分解。例如，亚铁离子将一个电子转移给过氧化氢使它生成一个羟基游离基及一个更稳定的羟基负离子。三价的钴离子可以从过氧化叔丁醇中获取一个电子，使过氧化叔丁醇转变成一个过氧游离基及一个质子。

Fe2Co3+HOHOOHOC(CH3)3Fe3OHOH

游离基反应属于连锁反应，其反应历程包括三个阶段，即链的引发、链的传

Co2+H+(H3C)3COO递和链的终止。游离基反应在精细有机合成中有广泛的应用。

2.6 加成反应

加成反应分三种类型，即亲电加成、亲核加成和游离基加成。2.6.1 亲电加成亲电加成一般发生在碳-碳双键上，因为烯烃、炔烃分子中的π-电子只有较大的活动性，表现出亲核性，所以它们容易与多种亲电试剂发生亲电加成反应。常用的亲电试剂有：强酸（例如硫酸、氢卤酸）、Lewis酸（例如FeCl3、A1C13、HgC12）、卤素、次卤酸、卤代烷、卡宾、醇、羧酸和酰胺等。其反应历程分两步进行：首先生成碳正离子中间产物，它是速率控制步骤。

慢CCXYCXCY

然后是：

快YCXC CXCY烯烃的结构不同，对反应速度的影响也完全与上述亲电分步加成历程一致。当碳-碳双键上连有给电性取代基时，由于增加了碳-碳双键上的电子云密度可使碳正离子稳定，因而加快了反应速度。当连有吸电性取代基时，由于降低了碳-碳双键上的电子云密度，降低了碳正离子的稳定性，因而减慢了反应速度。

2.6.2 亲核加成亲核加成中最重要的是碳氧双键（碳基）的亲核加成。在碳氧双键中氧原子的电负性比碳原子高得多，因此氧原于带有部分负电荷，而碳原子则带有部分正电荷。

CδOδ

碳氧双键在进行加成反应时，带负电荷的氧总是要比带正电荷的碳原子稳定得多，因此在碱性催化剂存在下，总是带正电荷的碳原子与亲核试剂发生反应，即碳氧双键易于发生亲核加成反应。

2.7 重排反应

重排反应是指在试剂作用下或其因素影响下，有机物分子中发生某些基因的转移，形成另一种化合物的反应。重排反应种类很多，只讨论芳香族化合物侧链 27 向环上迁移，以及迁移发生在邻近两个原子间的1,2-迁移。

XZXHZZABAZB

2.7.1 分子间重排

分子间重排反应过程中能够获得分裂出来的迁移基（Z）。例如，在盐酸催化下N-氯乙酰苯胺的重排反应：

H3COCNClHHH3COCNClHClHNCOCH3Cl2NHCOCH3ClNHCOCH3HClCl

首先通过置换生成氯分子，而后氯分子与乙酰苯胺发生亲电取代。2.7.2 分子内亲电重排 2.7.2.1 联苯胺重排

这是在酸的作用下氢化偶氮苯转化成联苯胺的反应。

HNNHHH2NNH2

2.7.2.2 N-取代苯胺的重排

N-取代苯胺在酸性条件下迁移基从氮原子迁移到环的邻位或对位上。例如亚硝基的迁移，它是亲电性的重排反应。仲芳胺的N-亚硝基衍生物用盐酸处理时发生重排，主要生成对位异构产物。

RNNOHClRNHNO2.7.2.3 羟基的迁移

迁移基团作为亲核性质点带着它原先与支链相结合的电子对，从支链迁移至芳环上，这种重排称为芳香族亲核重排。例如，用稀硫酸作用于苯基羟胺，即发生OH－的迁移，生成了氨基酚。

HNOHH2SO4NH2NH2OHOH

第三章

精细有机合成的工艺学基础

3.1 概

述

精细有机合成的工艺学主要包括以下内容：对具体产品选择和确定在技术上和经济上最合理的合成路线和工艺路线；对单元反应确定最佳工艺条件、合成技术和完成反应的方法，以得到高质量、高收率的产品。

所谓合成路线，指的是选用什么原料，经由哪几步单元反应来制备目的产品。例如，在1.6中提到，苯酚的生产可以有好几条合成路线，它们各有忧缺点。关于合成路线将结合具体产品在各单元反应中讨论。

所谓工艺路线，指的是对原料的预处理（提纯、粉碎、干燥、熔化、溶解、蒸发、汽化、加热、冷却等）和反应物的后处理（蒸馏、精馏、吸收、吸附、萃取、结晶、冷凝、过滤、干燥等）应采用哪些化工过程（单元操作）、什么设备和什么生产流程等。

所谓反应条件指的是：反应物的分子比、主要反应物的转化率（反应深度）、反应物的浓度、反应过程的温度、时间和压力以及反应剂，辅助反应剂、催化剂和溶剂的使用和选择等。

所谓合成技术主要指的是：非均相接触催化、相转移催化、均相络合催化、光有机合成和电解有机合成以及酶催化等。

所谓完成反应的方法主要指的是：间歇操作和连续操作的选择，反应器的选择和设计等。为了完成化工生产，我们必须对所涉及的物料的性质有充分了解。29 各种物料的重要性质主要有：

（1）物料在一定条件下的化学稳定性、热稳定性、光稳定性以及贮存稳定性（包括与空气和水分长期接触的稳定性）等。

（2）熔点（凝固点）、沸点、在不同温度下的蒸汽压；物料在水中的溶解度、水在液态物料中的溶解度；物料与水是否形成恒沸物，以及恒沸温度和恒沸物组成等。

（3）比重、折光率、比热、导热系数、蒸发热、挥发性和粘度等。（4）闪点、爆炸极限和必要的安全措施。

（5）毒性、对人体的危害，在空气中的允许浓度、必要的防护措施以及中毒的急救措施。

（6）物料的商品规格、各种杂质和添加剂的允许含量、价格、供应来源、包装和储运要求等。

以上性质可以查阅各种有关子册。3.2.1 反应物的摩尔比

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摩尔数之比。这个摩尔比可以和化学反应式的摩尔数之比相同，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。

3.2.2 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做“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”。

3.2.3 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叫做“过量百分数”。若以Ne表示过量反应物的摩尔数，Ni表示它与限制反应物完全反应所消耗的摩尔数，则过量百分数为：3.2.4 转化率（以x表示）

某一种反应物A反应掉的占其向反应器中输入量的百分数叫作反应物A的转化率。

3.2.5 选择性（以s表示）

选择性指的是某一反应物转变成目的产物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，Np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的化学计量系效，则选择性为：

3.2.6 理论收率（以y表示）

收率指的是生成的目的产物的摩尔数占输入的反应物理摩尔数的百分数。这个收率又叫做理论收率。

转化率、选择性和理论收率三者之间的关系是：y=s²x。

3.3 化学反应器

3.3.1 概述

化学反应器是反应原料在其中进行化学反应，生成目的产物的设备。化学反应器在结构上和材料上必须满足以下要求：

（1）对反应物料（特别是非均相的气液反应物、液液反应物、气固反应物、液固反应物、气液固三相反应物）提供良好的传质条件，便于控制反应物系的浓度分步，以利于目的反应的顺利进行。

（2）对反应物料（特别是强烈放热或强烈吸热的反应物系）提供良好的传热条件，便于热效应的移除或供给，以利于反应物系的温度控制。

31（3）在反应的温度、压力和介质条件下，具有良好的机械强度和耐腐蚀性能。

（4）能适应反应器的操作方式（间歇操作或连续操作）。3.3.2 间歇操作和连续操作

在反应器中实现一个化学反应可以有两种操作方式，即间歇操作和连续操作。间歇操作是将各种反应原料按一定的顺序加到反应器中，并在一定的温度、压力下经过一定时间完成特定的反应，然后将反应好的物料从反应器中放出。因为反应原料是分批加到反应器中的，所以又叫做“分批操作”。在间歇操作时，反应物的组成随时间而改变。另外，反应物的温度和压力也可以随时间而改变。连续操作是将各种反应原料按一定的比例和恒定的速度连续不断地加入到反应器中，并且从反应器中以恒定的速度连续不断地排出反应产物。在正常操作下，反应器中某一特定部位的反应物料的组成、温度和压力原则上是恒定的。

连续操作比间歇操作有许多优点。第一，连续操作比较容易实现高度自动控制，产品质量稳定；而间歇操作的程序自动控制则相当困难而且费用昂贵，因此间歇操作比连续操作需要较多的劳动，而且反应的效果常常受人的因素影响。第二，连续操作很容易实现缩短反应时间。而间歇操作则需要有加料，调整操作的温度和压力，放料，以及准备下一批投料等辅助操作时间。因此，对于生产规模大、反应时间短的化学过程都尽可能采用连续操作。特别是气相反应和气固相接触催化反应则必须采用连续操作。第三，连续操作容易实现节能。例如从反应器中移出的热量以及热的反应产物在冷却时通过热交换器传出的热量可以用来预热冷的反应原料，或者把热量传递给水以产生水蒸汽。而要把间歇操作组合到节能系统中一般是难于实现的。

但是，间歇操作也有它独特的优点。第一，连续操作的技术开发比间歇操作困难得多。节能和节省劳动力一般是与生产规模成正比例的，对于小规模生产来说，开发一个连续操作常常是不值得的。第二，间歇操作的开工和停工一般比连续操作容易，间歇操作的设备在产量的大小上有较多的伸缩余地，更换产品也有 32 灵活性，而连续操作的设备通常只能生产单一产品。第三，在某些情况下，由于反应原料或产物的物理性质（例如粘稠度和分散状态），或是由于反应条件的控制（例如温度、压力和操作步骤）等因素，难于采用连续操作。例如用固相法生产2,3-酸就必须采用间歇操作。因此，对于多品种、产量小的精细化工产品来说，间歇操作有相当广泛的应用。

3.3.3 间歇操作反应器

液液相或液固相间歇操作的反应器基本上和实验宝的设备相似，所不同的是规模大，制造材料相传热方式不同。这种间歇操作反应器可以是敞口的反应槽（相当于烧杯），也可以是带回流冷凝器的反应锅（相当于四口烧瓶），或者是耐压的高压釜。对于某些物料非常粘稠的液固相反应，则常常采用卧式转筒球磨机式反应器(固相罐)。最常用的传热方式是在锅外安装夹套或在锅内安装蛇形盘管。冷却一般用冷水或冷冻盐水。加热一般用水蒸汽，需要较高温度时（130~260℃）则用耐高温导热油。对于转筒球磨机式反应器（例如苯胺固相焙烘磺化制对氨基苯磺酸，料温约200℃）或其他高温反应过程（例如2-萘磺酸钠的碱熔制2-萘酚，料温28~320℃），还可以采用直接火加热（燃烧煤气、燃料油或煤）或者直接用电热。在个别情况下，也可以直接向反应器中加入碎冰进行冷却（例如重氮化和偶合反应），或者直接通入水蒸汽进行加热（例如某些萘系磺酸的水解反应）。

3.3.4 液相连续反应器

在连续操作的反应器中，有两种极限的流动模型，即“理想混合型”和“理想置换型”。

3.3.4.1 理想混合型反应器

它通常是装有搅拌器和传热装置的反应锅，如图所示。

反应原料连续不断地加入到锅中，在搅拌下在锅内停留一定时间，同时反应产物也连续不断地从锅中流出。这种反应器的特点是：强烈的搅拌产生了反向混合作用（简称返混），即新加入的物料与已存在锅内的物料能瞬间完全混合，所以锅内各处物料的组成和温度都相同，并且等于出口处物料的组成和温度。但是，物料中各个粒子在反应器内的停留时间则并不相同。

锅式连续反应器的主要优点是强烈的搅拌有利于非均相反应物的传质，可加快反应速度。另外，也有利于强烈放热反应的传热，可加大反应锅的生产能力。例如，苯、甲苯和氯苯的一硝化都采用锅式连续反应器。

锅式连续操作也有很多缺点。第一，锅内物料的组成等于出口物料的组成，即其中反应原料的浓度相当低，这就显著影响反应速度。第二，流出的反应产物中也势必残留有一定数量未反应的原料从而影响收率。第三，锅内已经生成的反应产物的浓度相当高，它容易进一步发生连串副反应。例如，苯用混酸的一硝化过程，如果采用单锅连续操作，不仅设备生产能力低，反应产物中含有较多未反应的苯和硝酸，最不利的是产品硝基苯中含有高达2~4%的副产物二硝基苯。因此，单锅连续操作在工业上很少采用。

为了克服这个缺点，一般都采用多锅串联联法，如图所示。

反应原料连续的加到第一个反应锅中，反应物料依次地连续流经第二个（和第三个）反应锅。而反应产物则从最后一个反应锅流出。多锅串联连续操作的特点是：几个反应锅之间并元返混作用，从而大大降低了返混作用的不利影响。因此它具有以下优点：第一个反应锅中反应原料的浓度比较高，反应速度相当快，可大大提高设备的生产能力；每个反应用可以控制不同的反应温度；另外，在最 34 后一个反应锅中，反应原料的浓度已经变得很低，并大大减少反应产物中剩余未反应物的含量，有利于降低原料的消耗定额，并大大减少连串反应副产物的生产量。为了避免原料以短路的方式从各反应锅中流出，可以在锅内安装导流筒，或是将传热蛇管做成导流简的形式，如图所示。

另外也可以把反应器做成U形循环管的形式，如图所示。

3.3.5 气液相反应器

气液相反应主要是利用空气中氧的氧化反应，利用氯气的氯化反应以及用氢气的加氢反应等。大规模生产，一船都采用鼓泡塔式反应器。这类反应器既可以间歇操作，也可以连续操作。在连续操作时,反应气体总是从塔的底部输入，尾气从塔的顶部排出。而液态物料即可以从塔的底部输入，从塔的上部流出（并流法），也可以从塔的上部输入，从塔的底部流出（逆流法），如图所示。

气液相塔式反应器

因为在塔中有一定的返向混合作用，为了减少它的不利影响，并使气液相之间有良好的传质作用，可在塔内装有填料、筛板、泡罩板、各种挡网或挡板等内部构件。为了控制反应温度，可采用内部热交换器或外循环式热交换器。为了避免塔身太高而增加通入气体的压头，也可以来用多塔串联的方式，从每个塔的底部通入反应气体。

当气液相反应速度相当快,热效应相当大时，也可以采用列管式并流反应器（例如高碳烷烃的氯化）或降膜逆流管式反应器（例如十二烷基苯磺化）。

双膜反应器

3.3.6 气固相接触催化反应器

气固相接触催化反应是将反应原料的气态混合物在一定的温度、压力下通过固体催化剂而完成的。这类反应方式在工业上有广泛的应用，它一般都采用连续操作的方式。这类反应器设计的主要问题是传热和催化剂的装卸。这类反应器主要有三种类型，即绝热固定床反应器、列管团定床反应器和流化床反应器。

3.3.6.1 绝热固定床反应器

单层绝热固定床反应器的结构非常简单，如下图所示，它是一个没有传热装置，只装有固体催化剂的容器。反应原料从容器的一端输入，反应产物则从容器的另一端输出。这类反应器的主要优点是设备结构简单，空间利用率高、造价低、36 催化剂装卸容易。但是，在这类反应器中，反应物料和催化剂的温度是变化的。对于放热反应，从进口到出口温度逐渐升高。对于吸热反应，从进口到出口温度逐渐降低。而且反应过程的热效应越大，进出口的温差越大。由于这个特点使得单层绝热固定床反应器只适用于过程热效应不大、反应产物比较稳定、对反应温度变化不太敏感、反应气体温合物中含有大量惰性气体（例如水蒸汽或氮气），一次通过反应器转化率不太高的过程。例如，氯苯的气相水解制苯酚，甲醇的氧化脱氢制甲醛等，另外，单层绝热固定床反应器中的催化剂层不宜太厚，以免进口和出口的温差太大，因此，只适用于反应停留时间短的过程。

单层绝热反应器

当反应的热效应较大时，为了改善反应的温度条件并提高转化率，常常采用多段绝热反应器,如图所示。

CO水蒸汽变换反应装置示意图

为了调整反应温度，可根据过程的特点，选择合适的载体或冷却剂；对于放热反应，可进行原料气的预热（例如，一氧化碳的水蒸汽转变制氢）；对于吸热反应还可以采用外部管式加热炉。

3.3.6.2 列管式固定床反应器

列管式固定床反应器的结构类型很多,最简单的结构类似于单程列管式换热器，如图所示。

列管式固定床反应器

催化剂放在列管内，载热体在管外进行冷却或加热。对于放热反应，可以用熔盐或其它载热体将热效应移出。热的载热体经废热锅炉降温后再返回列管反应器，废热锅炉吸收热量后可产生0.6~2.0MPa的水蒸汽。熔盐是等分子比硝酸钾和亚硝酸钠的混合物，熔点141℃，可在147~540℃操作。它的优点是比热和导热系数大，传热效果好。对于吸热反应，根据所要求的温度，可以用液态或蒸汽态的载热体进行加热。另外也可以用电热或用外部管式炉加热（多段固定床反应器）。

3.3.6.3 流化床反应器

它的基本结构如图所示，主要构件是壳体、气体分布板、热交换器、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

流态化的基本原理是：当气体经过分布板以适当速度均匀地通过粉状催化剂床层时，催化剂的颗粒被吹动，漂浮在气体中做不规则的激烈运动，整个床层类似沸腾的液体一样，能够自由运动，所以又叫做沸腾床。

流化床的主要优点是：采用细颗粒催化剂有利于反应气体在催化剂微孔中的内扩散，催化剂表面的利用率高。加强床层的传热，床层温度均匀，可控制在1~3℃的温度差范围内。便于催化剂的再生和更换。制造费用比列管式固定床低得多。流化床反应器广泛用于空气氧化、催化裂化等反应过程。

流化床的主要缺点是，由于返混作用，对于某些反应转化率和选择性不如固定床；催化剂容易磨损流失；不能使用表面型颗粒状催化剂。

流化床反应器

1-加催化剂口，2-预分布器，3-分布板，4-卸催化剂口，5-内部构件，6-热交换器，7-壳体，8-旋风分离器

3.4 精细有机合成中的溶剂效应

3.4.1 概述

3.4.1.1 溶剂对有机反应的影响

溶剂的作用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。如果选择合适的溶剂就可以使主反应显著地加速，并且能有效地抑制副反应。另外，溶剂还和影响反应历程、反应方向相立体化学。因此，了解溶剂的性质、分类以及溶剂和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。

3.4.1.2 溶液和溶解作用

溶质溶解于溶剂而形成的均态混合物体系叫做溶液。溶解作用的最古老的经验规则是“相似相溶”。总的来说，一个溶质易溶于化学结构相似的溶剂，而不易溶于化学结构完全不同的溶剂。极性溶质易溶于极性溶剂，非极性溶质易溶于非极性溶剂。但是，也有一些例外，即化学结构相似的组分呈现不溶性，但化学结构不相似的组分却能互相溶解。一般认为与溶解作用有关的因素主要有：

39（1）相同分子之间的引力与不同分子之间的引力的相互关系。（2）由分子的极性所引起的缔合程度。（3）溶剂化作用。（4）溶剂和溶质的分子量。（5）溶剂活性基团的种类和数目 3.4.1.3 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以分为三大类：（1）库仑力

即静电吸引力，它包括离子-离子力和离子-偶极力。（2）范德华（Van der Waals）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）和瞬时偶极—诱导偶极力（色散力）。

（3）专一性力

它包括氢键缔合作用、电子对给体/电子对受体相互作用（电荷转移力）。溶剂化作用、离子化作用、离解作用和憎溶剂相互作用等。

第一类和第二类分子间力是普通存在的非专一性力。第三类分子间力是只有在一定结构之间才能发生的、有一定方向的专一性力。

3.4.2 溶剂的分类

溶剂的分类有许多方案，各有一定的用途。3.4.2.1 溶剂按化学结构分类

溶剂按化学结构可以分为无机溶剂和有机溶剂两大类。常用的无机溶剂数量很少。把溶剂按化学结构分类，可以给出某些定性的预示。这就是前面提到的“相似相溶”原则。另外，根据各类溶剂化学反应性的知识，也可以帮助我们合理地选择溶剂，避免在溶质和溶剂之间发生不希望的副反应。

3.4.2.2 溶剂按偶极距μ和介电常数ε分类

偶极矩μ和介电常数ε是表示溶剂极性的两个重要参数，因此这种分类法具有重要实际意义。

1.偶极矩μ

分子中具有永久偶极矩的溶剂叫做“极性”剂。反之，分子中没有永久偶极 40 矩的溶剂则叫做“无极性”或“非极性”溶剂，例如己烷、环己烷、苯、四氯化碳和二硫化碳等。由于没有永久偶极短的溶剂是极少的，因此把偶极矩小于2.5D的非质子弱极性溶剂（例如氯苯和二氯乙烷）也列为非极性溶剂。

偶极矩主要影响在溶质（分子或离子）周围的溶剂分子的定向作用。2.介电常数ε

如果溶剂分子本身没有永久偶极矩，则外电场会使溶剂分子内部分离出电荷而产生诱导偶极。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地形成一个有序排列，从而引起所谓的“极化作用”。极化作用越大,电场强度的下降也越大，即E值越小，介电常数ε越大。因此，介电常数表示溶剂分子本身分离出电荷的能力，或溶剂使它的偶极定向的能力。

3.溶剂极性的本质—溶剂化作用

关于溶剂的“极性”这个术语，直至现在尚未被确切地下定义。关于溶剂的所谓极性，重要的是它的总的溶剂化能力。溶剂化作用指的是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。溶剂化作用是一种十分复杂的现象，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。这样多的溶剂、溶质相互作用，很难用一个简单的物理量来表示。习惯上，常常用偶极矩或介电常数表示。但是这两个物理量都只能反映溶剂的一部分性质或起某种作用。尽管如此，把溶剂按照它们的极性（偶极矩或介电常数）分成几种不同的类型，并分别讨论各类溶剂对溶质分子（或离子）的作用，对于为各种具体反应选择合适的溶剂还是有重要实际意义的。

3.4.3 有机反应中溶剂的使用和选择

3.4.3.1 有机反应对溶剂的要求

在有机反应中溶剂的使用和选样，除了考虑溶剂对主反应的速度、反应历程、反应方向、和立体化学的影响以外，还必须考虑以下因素：

（1）溶剂对反应物和反应产物不发生化学反应，不影响催化剂的活性。溶剂本身在反应条件下及后处理条例下是稳定性。

41（2）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.（3）溶剂容易从反应物中回收，损失少，不影响产品的质量。（4）对溶剂尽可能不需要太高的技术安全措施。（5）溶剂的毒性小，含溶剂的废水容易处理。（6）溶剂的价格便宜、供应方便。3.4.3.2 各类反应的适用溶剂 1.硝化

混酸硝化：二氯甲烷、二氯乙烷； 稀硝酸硝化：氯苯、邻二氯苯； 均相硝化：浓硫酸、醋酸、过量浓硝酸； 2.磺化

溶剂磺化：乙酸、三氯甲烷、四氯化碳

三氧化硫或氯磺酸磺化：1,2-二氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、邻二氯苯、三氯苯、硝基苯；

焙烘磺化：邻二氯苯、三氯苯 恒沸去水磺化：邻二氯苯、煤油 3.卤化

非水介质：浓硫酸、氯磺酸、三氯化磷、三氯氧磷、四氯化钛、四氯化碳、二氯乙烷、氯苯、邻二氯苯、醋酸

水介质：氯苯、邻二氯苯、硝基苯等 4.催化加氢

低碳醇、乙酸乙酯、乙酸、丙酮、水、二氧六环、烃类 5.氧化

浓硫酸、乙酸、水、二氧六环、石油醚、硝基苯、吡啶 6.Friedel-Crafts反应

溶剂法：二氯乙烷、四氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、二硫化碳、石油醚、环丁 42 砜、过量的液态反应组分

熔融法：ALCl3-NaCl、AlCl3-NaCl-H2NCONH2

3.5 气固相接触催化

3.5.1 概述

气固相接触催化反应是将气态反应物在一定的温度、压力下连续地通过固体催化剂的表面而完成的。这种反应方式可应用于许多单元反应。

固体催化剂通常是由主要催化活性物质、助催化剂和载体所组成。有时为了便于制成所需要的形状或改善催化剂的机械强度或孔隙结构，在制备催化剂时还加入成型剂或造孔物质。

固体催化剂按照粒度可以分为颗粒状和粉末状两种类型。颗粒状催化剂用于固定床反应器，粉末状催化剂用于流化床反应器。

固体催化剂按照表面积又可以分为高比表面型和低比表面型两类。催化剂的表面包括外表面和孔隙中的内表面两部分。每克催化剂的总表面积叫做比表面,它的单位是m2/g。

固体催化剂的密度（s/mL）用视比重来表示。它是把一定重量的催化剂放在量筒中，直接观测其体积而算得的。

关于固体催化剂的作用，虽然已经提出不少催化理论，但是还没有一个理论能全面地、完善地解释所有各种接触催化反应的机理。最常用的理论是活性中心理论、活化组合物学说和多位（活化络合物）学说等。这些学说的要点是催化剂的表面只有一小部分特定的部位能起催化作用，这些部位叫做活性中心。反应物分子的特定基团在活性中心发生化学吸附，形成活化络合物。然后活化络合物再与另一个或另一种未被吸附的反应物分子相作用，生成目的产物。或者是两种反应物分子分别被两个相邻的不同的活性中心所吸附分别生成活化络合物，然后两个活化络合物相互作用而生成目的产物。由于活性中心的特殊性，所以一种优良的催化剂可以只对某一类甚至某一个具体反应具有良好的催化作用，即对目的反应具有良好的选择性。

3.5.2 催化剂的选择性、活性和寿命

3.5.2.1 催化剂的选择性

它指的是特定催化剂专门对某一化学反应起加速作用的性能。其选择性也是用某一反应物通过催化剂后转变为目的产物时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百分数来表示，催化剂的选择性与催化剂的组成、制法和反应条件等因素有关。

3.5.2.2 催化剂的活性

在工业上，催化剂的活性通常用单位体积（或单位重量）催化剂在特定反应条件下，在单位时间内所得到的目的产物的重量来表示。对于某些催化反应，工业催化剂的活性还使用在特定的气体时空速度下，反应物的转化率或目的产物的收率来表示。

3.5.2.3 催化剂的寿命

它指的是催化剂在工业反应器中使用的总时间。催化剂在使用过程中，由于温度、压力、气氛、毒物的影响，以及焦油或积碳的生成等因索，都会或多或少地使催化剂发生某些物理的或化学的变化，例如熔结、粉化以及结晶结构或比表面的变化等，这些都会影响催化剂中的活性中心，从而影响催化剂的活性和选择性。当催化剂的活性和选择性下降到一定程度，并且不能设法恢复其活性时，就需要更换催化剂。工业催化剂的寿命与反应类型、催化剂的组成和制法等因素有关。有些催化剂的寿命可长达数年，有的催化剂寿命只有几小时。

催化剂使用一定时间后，因活性下降，需要活化再生，这个使用时间叫作催化剂的活化周期。

3.5.3 催化剂的组成3.5.3.1 催化活性物质

它指的是对目的反应具有良好催化活性的成分。对于具体反应，其催化活性物质是通过大量实验筛选出来的。它通常是单一成分或二到三种成分。例如，对于强氧化反应的催化剂，其活性组分通常都是五氧化二钒。

3.5.3.2 助催化剂

它是本身没有催化活性或催化活性很小但是能提高催化活性物质的活性、选择性或稳定性的成分。在催化剂中通常都含有适量的助催化剂。助催化剂主要是在高温下稳定的各种金属氧化物、非金属氧化物、金属盐和金属元素。

3.5.3.3 载体

载体是催化活性组分和助催化剂的支持物、粘结物或分散体。由于使用载体、在催化剂中催化活性组分和助催化剂的含量可以很低。载体的机械作用是增加催化活性组分的比表面，抑制微晶增长，从而延长催化剂的寿命，使催化剂具有足够的空袭度、机械强度（硬度、耐磨性、耐压强度等）、热稳定性、比热和导热率等。另外，有些载体还常常与催化活性组分发生某种化学作用，改变了催化活性组分的化学组成和结构，从而改善了催化剂的活性和选择性。因此，在制备催化剂时载体的选择也是很重要的。

3.5.4 催化剂的毒物、中毒和再生

催化剂因微量外来物质的影响，使其活性和选择性下降的现象叫做催化剂的中毒。微量外来物质叫作催化剂的毒物。

3.5.4.1 催化剂的毒物

在工业生产中，催化剂的毒物通常来自反应原料。有时毒物也可能是在催化剂制备过程中混入的，或者是来自其它污染源。由于中毒作用通常发生在催化活性组分表面的活性中心上，所以微量毒物就能引起催化剂活性显著下降。

3.5.4.2 催化剂的中毒

中毒是由于毒物与催化活性组分发生了某种作用，因而破坏或遮盖了活性中心所造成的。毒物在活性中心吸附较弱或化合较弱，可以用简单的方法使催化剂恢复活性的中毒现象叫作“可逆中毒”或“暂时中毒”。毒物与活性中心结合很强，不能用一般方法将毒物除去的中毒现象叫作“不可逆中毒”或“永久中毒”。催化剂暂时中毒，可设法再生。催化剂永久中毒后，就需要更换新鲜催化剂。

3.5.4.3 催化剂中毒的预防和再生

为了避免催化剂的中毒，一种新型催化剂在投入生产使用前，都应指出哪些是毒物，以及这些毒物在反应原料中的最高允许含量。当原料中有害物质的含量超过规定时，必须对原料进行精制，或换用其他原料。催化剂暂时中毒可设法再生。再生的方法通常是用空气、水蒸汽或氯气在一定温度下通过催化剂以除去积碳、焦油物或硫化氢等毒物。当催化剂活性下降很慢，使用较长时间才需要进行再生时，再生过程可以就在反应器中进行。

3.5.5 催化剂的制备

一种优良的催化剂一般应具备以下性能。

（1）活性高、选择性好、对热和毒物稳定、使用寿命长、容易再生。（2）机械强度和导热性好。

（3）具有合适的宏观结构。例如，比表面、孔隙度、孔径分布、颗粒度和微晶结构等。这种宏观结构既要提供足够的催化表面，又要能使反应物和产物在反应过程中顺利扩散。

(4)制备简便、价格便宜。

控制备催化剂时，常常使用一系列化学的、物理的和机械的专门处理。应该指出，一种催化剂尽管组分和含量完全相同，但是只要在处理细节上稍有差异，就可能因催化剂的微观结构不同，而导致其催化性能有很大的差异，甚致不符合使用要求。因此，催化剂的制备细节都是严格保密的。

3.6 相转移催化

3.6.1 概述

发生双分子反应的最起码条件是两个反应物分子之间必须发生碰撞。如果两个分子不能披此靠扰，那么不管其中一种分子的能量有多大，它也不能和另一种分子发生反应。例如，溴辛烷与氰化钠在一起共热两星期，也不发生反应。这是因为氰化钠完全不溶于溴辛烷的缘故。对于无机盐与有机物的反应，传统的解决办法是使用既具有亲油性，又具有亲水性的溶剂。例如，甲醇、乙醇、丙酮、二氧六环等。但是这也有一定的困难，即无机盐在这些溶剂中的溶解度很小，而有

机物又常常难溶于水。后来发现非质子极性溶剂对无机盐有一定的溶解度，它能使二元盐中的阳离子专一性溶剂化，从而使阴离子成为高活性的裸阴离子，对于亲核取代反应是良好的溶剂。但是使用这类溶剂也有缺点。主要是价格贵、难于精制和干燥、不易长期保存在无水状态、有时少量水会对反应产生干扰、反应后难回收、有毒和操作不便。

为此，在60年代末又发展了一种“相转移催化”有机合成新方法。它的优点是：第一，可以不用上述特殊溶剂，并且常常不要求无水操作。第二，由于相转移催化剂（PTC）的存在，使需要参加反应的阴离子具有较高的反应活性，从而降低反应温度、缩短反应时间、简化工艺过程、提高产品的收率和质量、并减少三废。第三，具有通用性，可广泛应用于许多单元反应。相转移催化化的缺点是相转移催化剂价格较贵，只有在使用相转移催化法能显著提高收率、改善产品质量、取得较好经济效益时，才具有工业应用价值。尽管如此，它在工业上已取得许多有价值的成果。

3.6.2 相转移催化剂

相转移催化剂至少要能满足以下两个基本要求：一个是能将所需要的离子从水相或固相转移到有机相；另一个是要有利于该离子的迅速反应。

当然，一种具有工业使用价值的相转移催化剂还必须具备以下条件：（1）用量少，效率高，自身不会发生不可逆的反应而消耗掉，或者在过程中失去转移特定离子的能力。

（2）制备不太困难，价格合理。（3）毒性小，可用于多种反应。3.6.3 相转移催化的应用

根据相转移催化原理可以看出，凡是能与相转移催化剂形成可溶于有机相的离子对的多种类型化合物，均可采用相转移催化法进行反应。现在它己用于许多单元反应，实例很多。

3.6.5.1 二卤卡宾的产生和应用

二氯卡宾(∶CCl2)又名二氯碳烯或二氯亚甲基，它的碳原子周围只有六个电子，是一个非常活泼的缺电子试剂，容易发生各种加成反应。但二氯卡宾极易水解，在水中的生存期不到1秒。产生二氯卡宾的传统方法要求绝对无水和其他很不方便的条件。而在相转移催化剂的存在下，则可以由氯伤与氢氧化钠浓溶液相作用而产生稳定的二氯卡宾，其反应历程大致如下。

水相界面有机相Q XQ CCl3Q ClNaOH2Q OHNa ClH2OQ OHHCCl3氯仿CCl2二氯卡宾

由氯仿生成二氯卡宾的反应历程

即在水相中季铵盐Q+Xˉ与NaOH作用，生成季铵碱离子对Q+OHˉ，它被萃取到有机相，与氯仿作用而生成二氯卡宾。在有机相中二氯卡宾水解很慢。因为有机相中二氯卡宾与三氯甲基季铵盐处于一个平衡体系中，如果二氯卡宾不发生进一步反应，它在有机相中仍能保持原有活性达数日之久。当有机相中存在有烯烃、芳环、碳环、醇、酚、醛、胺、酰胺等试剂时，就可以发生加成反应而生成多种类型的化合物。

3.6.5.2 O-烃化（醚类的合成）

对硝基苯乙醚是由对硝基氯苯与氢氧化钠的乙醇溶液相作用而制得的。其反应式如下：

CH3CH2OHNaOHCH3CH2ONaH2OO2NClCH3CH2ONaO2NOCH2CH3NaCl

按老工艺不加相转移催化剂，O-芳基化反应（烷氧基化反应）要在压热釜中加热几十小时，对-硝基氯苯的转化率只有75%，要用减压蒸馏法回收未反应的对硝基氯苯，能耗大，另外，还有水解副反应，生成对-硝基酚钠，废液多。

按消耗的对-硝基氯苯计，对-硝基苯乙醚的收率只有85~88%。

加入相转移催化剂，在常温、常压下只需几个小时，对-硝基氯苯的转化率即达到99%以上，对-硝基苯乙醚的收率可达92~94%，纯度达99%以上。显然，这是因为相转移催化剂季铵盐Q+X-将原来难溶于对-硝基氯苯的乙醇钠转变为易溶于对-硝基氯苯和对-硝基苯乙醚的Q+C2H5O-离子对的缘故。

3.6.5.3 O-酰基化反应（酯类的合成）

例如从二乙氧基硫代磷酰氯与对-硝基苯酚钠在甲苯-氢氧化钠水介质中制备乙基对硫磷（有机磷杀虫剂）时：

SC2H5OPClOC2H5NaONO2O-酰化SC2H5OPO乙基对硫磷NO2NaClOC2H5

如果不加入相转移催化剂，反应速度很慢，而且有水解副反应。但是，只要加入很少量的三甲胺或季铵盐，在25~40℃反应1小时，对硫磷的收率可达95~99.5%。显然，在这里季铵盐Q+X-的作用是将不溶于甲苯的对硝基酚钠离子对转变成易溶于甲苯的Q+-OC6H4NO2离子对的缘故。

3.6.5.4 氰离子的亲核取代

例如，从对氯氯苄与氰化钠作用制备对氯苄氰（农药中间体）时由于采用相转移催化剂，可以不用非质子极性有机溶剂，并且可缩短反应时间，收率可达94~96%。

ClCH2ClNaCNClCH2CNNaCl3.6.6 液、固、液三相相转移催化

考虑到相转移催化剂价格贵，难回收，又发展了固体相转移催化剂。它是将季铵盐、季鏻盐、冠醚或开链聚醚连接到聚合物上而得到的不溶于水和一般有机溶剂的固态相转移催化剂。相转移催化反应在水相、固体催化剂和有机相这三相之间进行。所以这类催化剂又叫做“三相催化剂”。它的优点是：操作简便、反应后容易分离，催化剂可定量回收。另外，这种方法所需费用和能源都很低，并 49 适用于自动化连续生产。60年代这种催化剂已成功地用于合成氰醇、氰乙基化和安息香缩合等反应。已引起工业界的极大兴趣。另外，这种催化剂还可用于氨基酸立体异构体的分离，手征性冠醚聚合物催化剂适用于不对称合成。

3.7 均相络合催化

均相络合催化指的是用可溶性过渡金属络合物作为催化剂，在液相对有机反应进行均相催化的方法。这种方法在工业上有重要应用。1977年，美国利用均相络合催化大约生产了900万吨有机化学品，并相继建立了约24个重要工业过程。

3.7.1

过渡金属化学

3.7.1.1 过渡金属的特点

最常用的过渡金属主要有铜组的钛Ti、钒V、铬Cr、锰Mn、铁Fe、钴Co、镍Ni、铜Cu；银组的钼Mo、钌Ru、铹Rh、钯Pd、银Ag；金组的钨W、铱Ir、铂Pt等。典型的过渡金属原子都具有在几何形状上和能量特征上适于成键的1个s轨道、3个p轨道和5个d轨道。在特殊情况下，这9个轨道可以和9个配位体成键。例如，铼的络合物ReH7[P(C2H6)2(C6H5)]2，它具有7个Re-H共价键和两个Re-P配位键。在这里，铼原子一共和9个配位体成链。

3.7.1.2 18电子规则

如果过渡金属原子的9个可能成键的轨道都是充满的，即外层轨道上的总电子数是18，则表明这个络合物是饱和的，稳定的，它不能再与另外的配位体络合。这时配位体的取代反应要允许从18电子络合物上解离下来一个给电子配位体，生成一个16电子的“配位不饱和”型络合物，这种络合物可以再和其他配位体结合，又生成饱和的18电子络合物。这就是18电子规则。当然，在均相络合催化反应中，并不总是需要经过18电子络合物。

3.7.1.3 配位体

各种配位体与过渡金属原子的成键方式和给电子能力，一般确定如下： 单电子配位体：它提供一个电子与过渡金属原子形成共价键。例如，氢基、50