精細有機合成工藝學基礎第1頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎一、概述對一具體產品，工藝學上要解決的問題主要包括：合成路線的確定、原料預處理方法、反應方式及反應條件的選擇、產物后處理方法、工藝流程的組織等。這些問題既要從技術角度考慮，又要從經濟角度考慮，還要從對環境的影響（污染物、付產物的處理與排放）上考慮。應使得最終產品高質量、高收率、成本最低。

第2頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成反應過程主要特點有：產品種類多、原料多、反應種類多（各種單元反應）、反應形式多（均相：氣相、液相，非均相：氣－液、氣－固、液－固等，光有機合成、電解有機合成、酶催化等）、催化劑多（Cat.有固相、液相、氣相，還有光、熱引發等）。精細有機合成的工藝學基礎概述

原料、產物、催化劑之間縱橫交錯。如同一種產品可以用不同的原料、不同的催化劑、或不同的反應形式得到。例如，苯酐的合成，既可以用萘、也可以用鄰二甲苯作原料，既可以用固定床、也可以用流化床反應器反應得到。再如苯酚的合成，工業上可以采用的路線有5條：如苯磺化堿熔法、氯苯催化水解法、異丙苯氧化法、甲苯氧化法等。精細有機合成過程的復雜性，給工藝路線選擇帶來很大困難。

第3頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二第4頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二第5頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎概述工藝（技術）路線選擇的主要原則

①原料價廉可靠。在一般生產中，原料成本是產品成本的主要部分。要考慮：首先選擇價格便宜、來源可靠的原料；還要考慮原料的質量和輔助原料的供應。②技術先進可靠。考慮目前生產合理的現實意義與持續生產的長遠意義。技術先進包括能使用廉價可靠的原料、先進的反應裝置、高效的催化劑、設備少、流程短、能耗低、污染物少、以及管理方便、操作安全等。③產品合格化和綜合利用。符合產品標準(國家、行業、企業)。④環境保護：切實可行。⑤特殊材料及設備：來源有保證或有代用品。⑥消耗指標：主要原材料消耗指標、熱、能耗指標低。技術路線選擇的合適與否，最終表現在消耗指標上。

第6頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎二、化學反應的計量學（9個基本概念）1、反應物的摩爾比：

加入反應器中的反應物之間的摩爾比。根據反應需要而定，不一定與化學計量比相同。

2、限制反應物和過量反應物：

不按化學計量比投料時，其中以最小化學計量數存在的反應物叫限制反應物。而某種反應物的量超過限制反應物完全反應的理論量，則該物叫過量反應物。第7頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎化學計量學3、過量百分數：

過量反應物超過限制反應物所需理論量部分占所需理論量的百分數叫過量百分數。即

過量百分數

=100%×（ne—nt）/nt

式中，ne-過量反應物的摩爾數，nt-與限制反應物完全反應所消耗的摩爾數。例：氯苯的二硝化

ClC6H5+2HNO3ClC6H3(NO2)2＋2H2O

化學計量比12投料摩爾數5.0010.70∴ne=10.70,nt=10.0,過量%=(10.7-10)/10=7%或按照書上(P.40.)的計算方法。(書上的投料化學計量數指將反應物均折算成1:1的比例)。

限制反應物過量反應物第8頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎化學計量學4、轉化率：通常以X表示。

某反應物A反應掉的量(nA,R)占反應器輸入量(nA,in)的百分數。XA＝（nA,R

/nA,in）×100％＝100％×(nA,in—nA,out)/nA,in反應器原料A產物P式中，nA,out

－從反應器輸出的A量。注意：一個化學反應，用不同反應物作基準所得轉化率不同。

第9頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎化學計量學5、選擇性：（以S表示）

某一反應物轉變成目的產物理論消耗的摩爾數占該反應物在反應中實際消耗掉的總摩爾數的百分數。對反應：

S＝100％×（np

(a/p)/(nA,in—nA,out)反應器原料A產物P式中，np

－生成目的產物的摩爾數。反應：aApP第10頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎化學計量學6、理論收率(以Y表示)指某一反應物轉變成目的產物的摩爾數占輸入的該反應物摩爾數的百分數。對反應：

Yp＝100％×（np

(a/p)/nA,in式中，np

－生成目的產物的摩爾數。反應：aApP轉化率、選擇性、理論收率三者之間的關系：y=例題見P.41.。Y=S.X(3-5)第11頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎化學計量學7、質量收率：（以Y質表示）

目的產物的質量占某一輸入反應物質量的百分數。

Y質=(所得目的產物的質量/某輸入反應物的質量)×100%例題，P.42.上部。8、原料消耗定額：生產一噸產品需要消耗的原料量。（對主要反應物來說，實際上是質量收率的倒數）第12頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎化學計量學9、單程轉化率和總轉化率

某些反應過程，反應物一次經過反應器后的轉化率并不高，有時很低。因此有時需將主反應物從產物中分離后循環使用，有時甚至是多次循環使用。故有單程轉化率和總轉化率之分。如單程轉化率＝[(nRA,in-nRA,out)/nRA,in]×100%循環A反應物A

反應器

分離器產物總轉化率＝[(nSA,in

-nSA,out)/nSA,in]×100%R：反應器；S：全過程例題：P.42.。第13頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎化學計量學苯的單程轉化率＝[(100-61)/100]×100%=39.00%C6H6,60C6H6,100反應器

分離器產物例題：（P.42.）C6H6,61C6H5Cl,38C6H5Cl2,1C6H6,1C6H5Cl,38C6H5Cl2,1每100mol苯用40mol氯（為減少二氯苯的生成量）苯的總轉化率＝[(100-61)/(100-60)]×100%=97.50%生成氯苯的選擇性＝[(38×1/1)/(100-61)]×100%=97.44%生成氯苯的總收率＝[(38×1/1)/(100-60)]×100%=95.00%或97.50%×97.44%=95.00%第14頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.3化學反應器

3.3.1概述化學反應器(chemicalreactor)：反應原料在其中進行化學反應，生成目的產物的設備。化學反應器應滿足的條件：（1）對反應物料提供良好的傳質條件，便于控制反應系統的濃度分布，以利于目的反應的順利進行。（2）對反應物料提供良好的傳熱條件，便于熱效應的移除或供給，以利于反應系統的溫度控制。（3）在反應的溫度、壓力、和介質條件下，具有良好的機械強度和耐腐蝕性能。（4）能適應反應器的操作方式（間歇或連續操作）

第15頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.3.2間歇操作和連續操作間歇操作(Batchprocess)：將各種原料按一定的順序加到反應器中，并在一定溫度、壓力下經過一定時間完成特定的反應，然后將反應好的物料從反應器中放出。特點：反應體系中反應物的組成隨時間而改變，體系中的溫度和壓力也可以隨時間而改變。

連續操作(continuousprocess)：將各種原料按一定的的比例和恒定的速度連續不斷地加入到反應器中，并且從反應器中以恒定的速度連續不斷地排出反應物。特點：某一特定部位的反應物的組成、溫度和壓力原則上是恒定的。第16頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.3.3間歇操作反應器與實驗室設備相似，所不同是規模大，制造材料和傳熱方式不同。第17頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二聚丙烯合成反應釜第18頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.3.4液相連續反應器1.理想混合型反應器特點：（1）攪拌強烈，具有最大返混，傳質傳熱效果好（2）體系中各處的物料組成、溫度相同；（3）出口物料的組成、溫度與鍋內每一處的物料的組成和溫度相同；（4）各物料質點的停留時間不同。

加料產物理想混合反應器返混：新加入的物料與已存留在鍋內的物料的混合第19頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二理想混合型反應器缺點：（1）由于鍋內物料組成與出口物料的組成相同，則反應物料濃度很低，反應速度小；（2）出口物料中有未反應的原料，影響收率；（3）鍋內反應產物的濃度較高，容易發生連串副反應。加料產物理想混合反應器第20頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二加料產物非理想混合多釜串聯反應器第21頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二非理想混合多釜（鍋）串聯反應器優點：（1）釜與釜之間不存在返混。（2）可提高反應速度與設備生產能力，不同反應釜可控制不同的反應溫度。（3）出料中原料濃度低，產物濃度高，可減少副反應連串反應。

第22頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二串聯釜式反應器第23頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二2.理想置換型反應器（活塞流或平推流反應器）是典型的管式反應器，反應原料從管子的入口端進入，在管內向前流動，經過一定時間后，從管子的出口端流出，在理想條件下，沒有返混作用。

理想置換型反應器特點：（1）在垂直于物料流向的任何一個截面上，所有的物系參數都相同（組成、溫度、壓力、流速），各物料粒子在管內的停留時間都相同。（2）在沿著管子長度不同的點，所有物系參數都不相同。應用：熱效應不大、對溫度不敏感或高壓操作過程第24頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二加料產物理想混合反應器理想置換型反應器比較：有無返混傳質傳熱效果各質點停留時間及物性參數應用范圍第25頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二高壓聚乙烯管式反應器第26頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二氣液相塔式反應器氣體液體氣體液體3.3.5氣液相反應器

第27頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.3.6氣固相接觸催化反應器氣固相接觸催化反應：將反應原料的氣態混合物在一定的溫度、壓力下通過固體催化劑表面來完成的反應。氣固相接觸催化反應器類型：絕熱固定床、列管固定床、流化床反應器。絕熱固定床反應器：適用于過程熱效應不大，反應產物比較穩定，對反應溫度變化不太敏感、反應氣體混合物中含有大量惰性氣體（如水蒸氣或氮氣），一次通過反應器轉化率不太高的過程。列管式固定床反應器：主要用于熱效應大，對溫度變化比較敏感、要求轉化率高、選擇性好，必須使用粒狀催化劑、催化劑壽命長、不需要經常更換催化劑的反應過程。第28頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二單層絕熱反應器原料氣反應產物反應產物原料氣廢熱鍋爐列管式固定床反應器第29頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二固定床反應器第30頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二固定床反應器第31頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二流化床反應器主要構件：殼體、氣體分布板、熱交換器、催化劑回收裝置等基本原理：當氣體經過分布板以適當速度均勻地通過粉狀催化劑床層時，催化劑的顆粒被吹動，漂浮在氣體中做不規則的激烈運動，整個床層象沸騰的液體一樣，能夠自由運動，所以又稱為沸騰床。第32頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二反應氣體反應后氣體123456781—加催化劑口2—預分布器3—分布板4—卸催化劑口5—內部構件6—熱交換器8—旋風分離器7—殼體流化床反應器第33頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二流化床反應器優點：采用粉末狀催化劑，催化劑表面利用率高。加強床層的傳熱，床層溫度均勻催化劑便于更換和再生造價低缺點：有返混，催化劑易流失,不能用顆粒狀催化劑第34頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.3.7氣－液－固三相反應器主要用于低碳烯烴的聚合反應，各種液相加氫、使用生物酶催化劑的各種生物催化反應。

第35頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二鼓泡型三相固定床反應器氣體液體液體氣體第36頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二淋液型三相固定床反應器氣體液體氣體液體熱交換器第37頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二1.一種化工產品的合成路線，指的是（1）選用什么原料，經由哪幾步單元反應來制備；（2）原料的預處理和反應物的后處理；（3）采用間歇式操作還是采用連續式操作；（4）反應物的分子比，主要反應物的轉化率以及反應過程的溫度、壓力和時間等。2.關于間歇式操作，下面說法錯誤的是（1）是將各種反應原料按一定的順序加到反應器中，并在一定溫度、壓力下經過一定時間完成特定的反應，然后將反應好的物料從反應器中放出；（2）反應物的組成隨時間而改變；（3）反應物的溫度和壓力也可以隨時間而改變；（4）間歇式操作僅適于反應時間要求很長的反應。作業第38頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3關于連續操作的說法錯誤的是：（1）連續操作是將各種反應原料按一定的比例和恒定的速度不斷地加入到反應器中，并且從反應器中以恒定的速度不斷地排出反應物；（2）對于連續操作，在常操作的條件下，反應器中某一特定部位的反應物料組成、溫度和壓力原則上是不變的；（3）在連續操作過程中，無法實現傳質與傳熱。（4）相對于間歇式操作而言，連續操作容易實現高度自動控制，而且也容易實現節能。第39頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二4.對于理想混合型反應器，下面說法正確的是：（1）反應器中各處的物料組成、溫度相同；（2）流出物料的組成、溫度與反應器中的物料組成和溫度不相同；（3）不具有返混；（4）各物料質點的停留時間相同。5.對于理想置換型反應器，錯誤的說法是：（1）在垂直于物料流向的任何一個截面上，所有的物系參數都相同（組成、溫度、壓力、流速）；（2）適合于間歇操作；（3）不具有返混；（4）各物料質點在反應器中的停留時間相同。第40頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二6.下面說法錯誤的是（1）列管式固定床反應器中，催化劑固定在反應床層上，反應進行時，催化劑是固定的；（2）在流化床反應器中，反應進行時，催化劑處于流態化，漂浮在氣體中做不規則運動；（3）在氣固相接觸催化反應中，催化劑是氣體，反應原料是固體；（4）在氣固相接觸催化反應中，催化劑是固體，反應原料是氣態混合物

第41頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.4精細有機合成中的溶劑效應

3.4.1概述1．溶劑的作用及對有機反應的影響使反應物溶解；加速反應、抑制副反應（合適溶劑）；影響反應歷程；影響反應方向；影響立體選擇性（立體化學）。第42頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二2.影響溶解作用的主要因素相同分子間的引力與不同分子間的引力的相互關系；由分子的極性所引起的締合程度；溶劑化作用；溶質和溶劑的分子量；溶劑活性基團的種類和數目。第43頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3．溶劑和溶質分子間的作用力大量溶劑分子和少量溶質分子之間的相互作用力:庫侖力（靜電吸引力），它包括離子－離子力、離子－偶極力；范德華力（VanderWaals,內聚力），包括偶極－偶極力（定向力）、偶極－誘導偶極力（誘導力）和瞬間偶極－誘導偶極力（色散力）；專一性力，包括氫鍵締合作用、電子對給體/電子對受體相互作用（電荷轉移力）、溶劑化作用、離子化作用、離解作用和憎溶劑相互作用等。

第44頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.4.2溶劑的分類1．按溶劑化學結構分類無機溶劑：水、液氨、液體二氧化硫、氟化氫、濃硫酸、熔融氫氧化鈉等有機溶劑：脂肪烴、環烷烴、鹵代烴、醇、酚、醚、醛、酮、羧酸、羧酸酯、硝基化合物、胺、胺、未取代和取代的酰胺、亞砜、砜、雜環化合物、季銨鹽等。第45頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二2．按溶劑的偶極矩和介電常數分類永久偶極矩：在電中性分子中，電荷分布不對稱而具有永久偶極矩。極性溶劑：分子中具有永久偶極矩的溶劑；無極性（非極性）溶劑：分子中沒有永久偶極矩的溶劑（如己烷、環己烷、苯、四氯化碳、二硫化碳等）以及偶極矩小于2.5D的非質子傳遞弱極性溶劑（如氯苯、二氯乙烷）。第46頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二

E0表示電容器板本身在真空下測得的電場強度；E是在同一電容器板之間放入溶劑后，測得的電場強度。介電常數表示溶劑分子本身分離出電荷的能力，或溶劑使它的偶極定向的能力。介電常數越大，溶劑的極性越強。非極性溶劑：＜（15～20）極性溶劑：＞（15～20）介電常數：

第47頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二溶劑極性的本質－－溶劑化作用溶劑化作用：每一個被溶解的分子（或離子）被一層或幾層溶劑分子或松或緊包圍的現象。產生的原因：溶劑與溶質分子之間所有專一性和非專一性相互作用總和。第48頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3．溶劑按Lewis酸堿理論分類按Lewis酸堿理論：酸為電子對受體（EPA）；堿為電子對給體（EPD）電子對受體：具有一個缺電子部位或酸性部位。電子對給體：具有一個富電子部位或堿性部位。第49頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二（1）電子對受體溶劑★有一個缺電子部位或酸性部位★親電試劑，★是氫鍵給體★使電子對給體分子或負離子溶劑化。電子對受體基團：羥基、氨基、羧基和酰胺基，如水、醇、酚、羧酸等，電子對受體溶劑第50頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二電子對給體溶劑有一個富電子部位或堿性部位，是親核試劑，使電子對受體分子或正離子溶劑化(2)電子對給體溶劑第51頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二電子對給體基團：醇類、醚類和羰基化合物中的氧原子，氨及N-雜環化合物中的氮原子，它們都具有孤對電子；如六甲基磷酰三胺(HMPA)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，二甲基亞砜(DMSO)，甲醇、水吡啶等。

第52頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二大多數溶劑都是兩性的，水既有電子對受體作用（利用形成氫鍵），也有電子對給體作用（利用氧原子）第53頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二4．溶劑按專一性溶質、溶劑相互作用分類（1）非質子傳遞非極性溶劑（2）非質子傳遞極性溶劑（3）質子傳遞型溶劑第54頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二偶極矩小，介電常數小，極性小不能給出質子而形成氫鍵（1）非質子傳遞非極性溶劑第55頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二低介電常數（ε＜15～20，低偶極矩（＜2.5D；在溶液中不能給出質子，即不能起氫鍵給體作用，極性很弱；此類溶劑有：烷烴、環烷烴、芳烴及它們的鹵素化合物、叔胺和二硫化碳等。

第56頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二偶極矩大，介電常數大，極性強但不能給出質子而形成氫鍵（2）非質子傳遞極性溶劑第57頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二非質子傳遞極性溶劑：又稱為偶極非質子溶劑或惰性質子溶劑。高介電常數（ε＞15～20），高偶極矩﹝＞2.5D），具有較強的極性；分子中的氫一般同碳原子相連，由于C―H鍵結合牢固，故難以給出質子；如N,N―二甲基甲酰胺（DMF），二甲基亞砜（DMSO），由于這類溶劑一般含有電負性的氧原子（C=O，S=O，P=O），而且氧原子的周圍無空間障礙，因此對正離子產生很強的溶劑化作用；第58頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二這類溶劑的結構中正電性部分一般包藏于分子內部，因此難于對負離子產生溶劑化。第59頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二偶極矩大，介電常數大，極性強能給出質子而形成氫鍵（3）質子傳遞型溶劑第60頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二質子傳遞型溶劑：具有能與電負性元素（F、Cl、Br、I、O、S、N、P等）相結合的氫原子，即“酸性氫”，如H―F，―OH，―NH，是氫鍵給體；一般（＞15），溶劑極性強，介電常數大；由于能與負離子或強電負性元素形成強的氫鍵，對負離子產生很強的溶劑化作用；有利于共價鍵的異裂；水、醇、酚、羧酸、氨及未取代的酰胺等。H―OH，R―OH第61頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二

判斷下列物質屬于哪種溶劑類型？（質子傳遞、非質子傳遞非極性、非質子傳遞極性溶劑）丙酮水苯酚環己烷氯苯第62頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二第63頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二1．質子傳遞型溶劑一定是（1）極性溶劑；（2）非極性溶劑；（3）水；（4）無機化合物。2．非質子傳遞極性溶劑,（1）能起氫鍵給體作用；（2）使負離子專一性的溶劑化；（3）使正離子專一性的溶劑化；（4）是電子對受體溶劑。第64頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3．下面說法正確的是（1）溶劑的介電常數越大，則溶劑的溶劑化能力越強；（2）溶劑的介電常數越大，則使離子對離解為獨立離子的能力越強；（3）溶劑的介電常數越大，則溶劑的酸性越強；（4）溶劑的介電常數越大，則其導電能力越強。4．水常常作為離子型反應的溶劑，這是因為（1）水的介電常數特別高（=78.4），使異性電荷之間的靜電引力降低，從而使離子對完全離解；（2）水既是氫鍵給體，又是氫鍵受體；（3）水能溶解大多數離子體化合物；（4）水無色無味無毒，價格低廉。第65頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.4.5專一性溶劑化作用對SN反應速度的影響

1質子傳遞型溶劑對SN反應速度的影響質子傳遞型溶劑的特點：具有氫鍵締合作用，是電子對受體，能使負離子專一性溶劑化。離子在質子傳遞型溶劑中的專一性溶劑化傾向：F–＞Cl–＞Br–＞I–負離子電荷密度越大，在質子傳遞型溶劑中的專一性溶劑化傾向越大。第66頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二溶劑化的負離子在質子傳遞型溶劑中的親核反應活性次序：

F–＜Cl–＜Br–＜I–第67頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二-第68頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二2非質子傳遞極性溶劑對SN反應速度的影響大多數非質子傳遞極性溶劑是電子對給體，所以他們對SN反應速度的影響常與質子傳遞型溶劑相反。鹵素負離子在非質子傳遞極性溶劑中的溶劑化程度的次序：F–＜Cl–＜Br–＜I–在非質子傳遞極性溶劑中，未溶劑化的“裸”鹵素負離子的親核反應活性次序（這是負離子的真正的親核活性次序或堿性次序）：F–＞Cl–＞Br–＞I–

第69頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.4.6有機反應中溶劑的使用和選擇1.有機反應對溶劑的要求對反應物有較好的溶解性;易回收,損失少,不影響產品質量;對溶劑盡可能不需要太高的技術安措施;毒性小,含溶劑廢水易處理;價格便宜,供應方便。2.各類反應的適用溶劑見教材P62

第70頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二例1：下面反應在不同的溶劑中進行，得到的產率不同，試加以說明。

六甲基磷酰三胺第71頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二例2．2-萘酚與芐基溴反應，采用不同的溶劑，得到的產物不同。答：在二甲基酰胺的極性非質子溶劑中，由于溶劑對負離子的溶劑化作用很小，得到的主要產物為O-烷基化產物；而在質子溶劑（H2O）中，由于萘酚負離子與水分子形成牢固的氫鍵，使氧的反應中心受到溶劑的屏蔽，而主要以C-烷化產物為優勢。第72頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二例3.羧酸酯在DMSO/H2O混合溶液中進行堿性水解，水解速度隨DMSO比例的增加而加快，請說明原因。例4．試解釋為何許多親核取代反應在用醇做溶劑的均相體系中，仍反應得很慢。第73頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二5.已知下列負離子的電荷密度大小順序為：F–＞Cl–＞PhO–＞Br–＞I–＞CN–，試討論說明它們在質子傳遞性溶劑中和非質子傳遞極性溶劑中親核活性次序。

答：在質子傳遞性溶劑中，負離子可與溶劑的質子形成氫鍵，即溶劑化。負離子的電荷密度越大，則溶劑化能力越強，因而其親核活性越小，因此在質子傳遞性溶劑中，負離子的親核活性次序為F–

＜Cl–

＜PhO–

＜Br–

＜I–

＜CN–在非質子傳遞極性溶劑中，負離子成為“裸負離子”，因此負離子的電荷密度越大，則其親核能力越強。所以在非質子傳遞極性溶劑中，負離子的親核活性次序為F–＞Cl–＞PhO–＞Br–＞I–＞CN–第74頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.5氣固相接觸催化

3.5.1概述1.催化劑催化劑的概念：能夠加速化學反應速率，但本身能復原的物質。催化劑具有的基本特征：（1）產生中間產物，改變反應途徑，因而降低反應活化能和加速反應速率；（2）不能改變平衡狀態和反應熱，催化劑同時加速正反應和逆反應的速率；（3）具有選擇性，可使化學反應朝所期望的方向進行，抑制不需要的副反應。第75頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二2.氣固相接觸催化反應將反應原料的氣態混合物在一定的溫度、壓力下通過固體催化劑表面來完成的反應。3.固體催化劑組成：催化活性物質（活性組分）、助催化劑、載體、（另有成型劑或造孔物質）形狀：顆粒狀、粉未狀比表面：每克催化劑的的總的表面積叫做比表面，m2/g（高比表面型、低比表面型）第76頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二4.催化理論：活性中心理論、活化絡合物學說、多位活化絡合物學說要點：（1）催化劑表面只有一小部分特定的部位能起催化作用，這些部位稱為活性中心。（2）反應物分子的特定基團在活性中心發生化學吸附，形成活化絡合物。（3）活化絡合物再與另一個或另一種未被吸附的反應物分子相作用，生成目的產物。（4）或者是兩種反應物分子分別被兩個相鄰的不同的活性中心所吸附分別生成活化絡合物，然后兩個活化絡合物相互作用而生成目的產物。第77頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二5.氣固相催化反應的機理第78頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二（1）反應物分子向催化劑表面擴散；（2）反應物分子被催化劑表面的活性中心所吸附，成為活性吸附態；（3）活性吸附態組分在催化劑表面進行反應，生成吸附態產物；（4）吸附態產物從催化劑表面脫附；（5）產物分子向外擴散。

第79頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.5.2催化劑的選擇性、活性和壽命催化劑的選擇性：指催化劑專門對某一化學反應起加速作用的性能。催化劑的活性：單位體積（單位重量）催化劑在特定反應條件下，在單位時間內所得到的目的產物的重量。單位：公斤（目的產物）/公斤催化劑·小時；克（目的產物）/克催化劑·小時等催化劑的壽命：是指催化劑在工業反應器中使用的總時間。催化劑的活化周期：催化劑使用一定時間后，因活性下降，需要活化再生，這個使用時間稱為催化劑的活化周期第80頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.5.3催化劑的組成1.催化活性物質（主催化劑）是指對目的反應具有良好催化活性的成分。沒有它，就不存在催化作用。如合成氨催化劑Fe－Al2O3－K2O，金屬鐵總是有催化活性，只是活性稍低，壽命短而已。相反，若催化劑中沒有鐵，催化劑就一點活性都沒有，因而鐵是主催化劑。固體催化劑的催化活性物質一般是金屬和金屬氧化物。例如V2O5，Pd，Ni，Ag，Ru，Rh，Pt等。第81頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二2.助催化劑（1）助催化劑概念：本身沒有催化活性或催化活性很小，但是能提高催化活性物質的活性、選擇性，改善催化劑的耐熱性、抗毒性，機械強度和壽命等性能的成分。助催化劑主要是在高溫下穩定的各種金屬氧化物、非金屬氧化物、金屬鹽和金屬元素。第82頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二（2）助催化劑的類型結構型助催化劑：是惰性物質，能使催化活性物質粒度變小、表面積增大，防止或延緩因燒結而降低活性。如氨合成鐵催化劑Fe－Al2O3－K2O中的Al2O3和甲醇合成用的Zn－Cr－Cr2O3催化劑中的Cr2O3等。調變性助催化劑：電子助催化劑：由于合金化使空d軌道發生變化，通過改變主催化劑的電子結構提高活性和選擇性。晶格缺陷助催化劑：使活性物質晶面的原子排列無序化，通過增大晶格缺陷濃度提高活性。第83頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.載體載體的作用：是催化活性組分和助催化劑的支持物、粘結物或分散體，增大表面積，但在一定條件下，對于某些反應，載體也具有活性。載體應具有的特性：良好的機械性能（如抗磨損、抗沖擊、抗壓等）；在反應與再生過程中，有足夠的熱穩定性，有合適的孔結構和表面積；容易獲得，價格低廉。

第84頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二若干典型工業固體催化劑的化學組成第85頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.5.4催化劑的活化、鈍化、毒物、中毒和再生催化劑的活化：各種制備好的催化劑通常要經過一個活化過程，就是在一定溫度和壓力下，用一定組成的氣體對催化劑進行處理，使其中的某種氧化物、氫氧化物或鹽的形態存在的活性組分得到還原或進行相變，以獲得催化反應所必須的活性組分和相組成

催化劑的失活：由于各種物質及熱的作用，催化劑的組成及結構漸起變化，導致活性下降及催化性能劣化，這種現象稱為失活。（失活原因可分為中毒、結焦和堵塞、燒結與熱失活）。第86頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二催化劑中毒：催化劑因微量外來物質的影響，使其活性和選擇性下降的現象。

催化劑的毒物：能使催化劑產生中毒的微量外來物質。

催化劑暫時性中毒（可逆中毒）：如果毒物與催化劑的活性組分之間的化學反應是可逆的，或者并不發生化學反應而只是吸附在活性位上而降低其活性，可以采用簡單的方法使催化劑恢復活性的中毒現象稱為暫時性中毒。第87頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二永久性中毒（不可逆中毒）：毒物與活性中心結合很強，不能用一般方法將毒物除去的中毒現象。

催化劑再生：催化劑暫時中毒，可設法再生。再生方法通常是用空氣、水蒸氣或氫氣在一定溫度下通過催化劑以除去積碳、焦油物或硫化氫等毒物。第88頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.5.5催化劑的制備1.沉淀法是制備固體催化劑最常用的方法之一，廣泛用于制備高含量的貴金屬、金屬氧化物、金屬鹽催化劑或催化劑載體。生產方法：向可溶性金屬鹽類的水溶液中加入堿性沉淀劑，生成含有催化劑活性成分、助催化劑成分和載體成分的共沉淀物，然后經過濾、水洗、干燥、擠壓成型、焙燒熱分解、活化，而制得所需的催化劑。第89頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二沉淀法的生產流程兩種以上金屬鹽溶液混合+NaOH(Na2CO3)晶形或非晶形沉淀洗滌干燥焙燒研磨成型活化催化劑沉淀第90頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二2.浸漬法將載體放進含有活性物質（或連同助催化劑）的液體（氣體）中浸漬（即浸泡），當浸達平衡后，將剩余的液體除去，再進行干燥、焙燒、活化等與沉淀法相近的后處理。另外還有混合法、熱熔融法、離子交換法等（見參考書：王尚弟，孫俊全，催化劑工程導論，化學工業出版社教材出版中心，2001.8）。第91頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二浸漬法制負載催化劑生產流程負載型金屬催化劑載體(如Al2O3)的沉淀干燥，洗滌載體的成型干燥活性組分溶液浸漬分解（焙燒）活化（還原）第92頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二1.關于催化劑具有的基本特征，下列說法錯誤的是：（1）產生中間產物，改變反應途徑，因而降低反應活化能和加速反應速率；（2）不能改變平衡狀態和反應熱，催化劑同時加速正反應和逆反應的速率；（3）具有選擇性，可使化學反應朝所期望的方向進行，抑制不需要的副反應。（4）在反應過程中不參與中間反應，但降低反應物的活化能。2.固體催化劑通常由下面幾部分構成：（1）催化活性物質、助催化劑和載體；（2）固體和氣體；（3）能加速正反應而不能加速副反應的固體物質及能起粘結作用的載體；（4）能產生活性中心的固體物質及比表面積很大的毒物。第93頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.催化劑的選擇性是指：（1）催化劑專門對某一化學反應起加速作用的性能；（2）催化劑能加速所有的化學反應；（3）用少量的催化劑就可生成大量的目的產物；（4）催化劑在加速一個化學反應的同時，還必須抑制另一個反應。4.催化劑中毒的原因不是因為（1）原料中有可使催化劑中毒的物質而使催化劑中毒；（2）在催化劑的制備過程中帶入了使催化劑中毒的物質而使催化劑中毒；（3）由于大量的反應原料氣體包覆了催化劑；（4）毒物破壞或遮蓋了催化劑的活性中心。第94頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二5.催化劑失活的原因不是因為（1）由于毒物的存在使催化劑中毒而失去活性；（2）由于使用的時間太長；（3）由于積炭、焦油物等物質將催化劑的孔道堵塞而使催化劑失去活性（4）由于熱的作用，使催化劑的結構發生了變化第95頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.6相轉移催化

（Phase-TransferCatalysis）

相轉移催化反應：是指催化劑可以催化或加速水相－有機相兩相或水相－有機相－固相三相之間進行的反應。1.相轉移催化的原理

第96頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二第97頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二相轉移催化的原理第98頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二2.相轉移催化劑（1）鎓鹽類：季胺鹽R3N+R／X－，季膦鹽R3P+R／X－季砷鹽R3As+R／X－，季銻鹽季鉍鹽等常用的季胺鹽有：芐基三乙基氯化銨（BTECA）C6H5CH2N+Et3·Cl－三辛基甲基溴化銨（TOMAC）(C8H17)3N+CH3·Br－四丁基硫酸氫銨(C4H9)4N+·HSO4－BTEAB

C6H5CH2N+Et3·Br－CTEAB

C16H33N+Et3·Br－CTEPB

C16H33P+Et3·Br－TBAC

(C4H9)4N+·Cl－

第99頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二（2）叔胺類

第100頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二（3）冠醚類催化劑冠醚是一種大環多醚化合物。由于它對離子的絡合能力，可使無機物如KOH、KMnO4等溶于有機溶劑中。提高了非極性溶劑的溶解能力，增加了陰離子在非極性溶劑中的活性。陽第101頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二常用冠醚：第102頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二（4）多環穴醚又稱為隱配體。與冠醚相似，孔穴可絡合和包裹金屬離子。其究竟結構性強，比冠醚活性高。如[2,2,2]－穴醚的結構：第103頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.用季銨鹽做相轉移催化劑時陰離子的影響季銨正離子Q+被認為是較軟的正離子，因此他擇優的與溶液中較軟的負離子形成離子對。各種負離子被季銨正離子提取到非極性有機溶劑的容易程度如下：ClO4

ˉ＞Iˉ＞4-CH3C6H4SO3ˉ＞NO3ˉ＞C6H5COOˉ＞Clˉ＞HSO3ˉ＞Fˉ,OHˉ＞SO4

2ˉ＞CO3

2ˉ＞PO43ˉ第104頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二判斷：第一步反應用溴丁烷還是氯丁烷使第二步反應更容易進行？第105頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二4.相轉移催化反應應用舉例

KMnO4中性水溶液與癸烯－1在室溫下不反應，若加入少量季銨鹽，則立刻激烈反應。

第106頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二5.PTC新發展——高分子相轉移催化劑是繼低分子的PTC之后發展起來的，既不溶于水，也不溶于有機溶劑。是反應體系中存在三個相，稱為三相相轉移催化（液—固—液）

第107頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二特點：可定量回收使用，毒性低，不污染環境，分離提純方便，適合于連續化工業生產。制備：高分子PTC幾乎全是采用以交聯的聚苯乙烯樹脂或硅膠作為載體，把具有PTC活性的基團用化學方法鍵合到載體上而制得。它們可以是鎓鹽類、冠醚、穴醚高分子。

第108頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二第109頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二3.7均相配位催化

均相配位催化:使用可溶性過渡金屬配合物作為催化劑，在液相對有機反應進行均相催化的方法。廣泛用于催化有機合成，如烯烴的齊聚與共聚、烯烴的異構化與氧化、烯烴與二烯烴的加成、雙鍵的加氫和羰基化反應等。主要優點：選擇性好、收率、純度高。第110頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

1、過渡金屬化學最常用的過渡金屬是Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Re。d軌道S軌道P軌道

（1）過渡金屬的結構特點與配位體

過渡金屬原子具有5個d軌道、1個s軌道和3個P軌道。在特定情況下，這9個軌道最多可以與9個配位體成鍵(外層電子充滿為18個電子)。

以Co為例：Co原子的外層電子排布：3d74s2，外層軌道（Co原子）：第111頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

過渡金屬化學—過渡金屬的結構特點與配位體以Re為例：Re原子的外層電子排布：5d56s2，外層軌道（Re原子）：d軌道S軌道P軌道

錸的配合物：ReH7(P(C2H5)2(C6H5))2，它具有7個Re-H共價鍵和2個ReP配位鍵（每個P提供2個電子形成1個配位鍵），即一共和9個配位體成鍵。配位體提供一個電子與過渡金屬原子形成共價鍵的配位體稱單電子配位體。（如H基、甲基、乙基）第112頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

過渡金屬化學—過渡金屬的結構特點與配位體再如銠Rh：4d85s1外層軌道（Rh原子）：d軌道S軌道P軌道

銠的配合物：Rh(CO)(H)(PPh3)3，是進行氫甲酰化反應的均相催化劑，其中銠原子具有9個價電子，CO分子提供2個電子(形成兩個配位鍵)、H原子提供1個電子、3個三苯基膦配位體提供6個電子，總共是18個電子。象CO、膦基這種配位體是提供2個電子與過渡金屬原子形成配位鍵，這種配位體稱二電子配位體（CO、膦基、胺基、單烯烴等）。還有多電子配位體。(吝)第113頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

（3）過渡金屬及其配合物起催化作用的主要原因（2）18電子規則實驗證明，這種18電子配合物是穩定的。反應時，先從18電子配合物上解離下來一個給電子配位體，生成一個16電子的“配位不飽和”型配合物，該配合物可以再和其它配位體結合，又生成飽和的18電子配合物。已知許多均相配位催化反應常常是通過配位體解離－結合，即16電子和18電子的中間產物交替出現而完成的，這就是所謂的18電子規則(也稱“16和18電子規則”)。（當然均相配位并非總是經過18電子配合物）

過渡金屬及其配合物起催化作用的主要原因是存在空d軌道。“18電子規則”的基礎是過渡金屬及其配合物空d軌道的存在。這些空d軌道與特定的配位體以共價鍵或配位鍵兩種不同的鍵型相結合而給出各種不同功能的催化劑。d軌道形成的配位鍵不強不弱（太強活性低、太弱穩定性差），適合催化反應。第114頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

2、均相配位催化劑組成：過渡金屬原子（中心原子）和配位體兩部分：

ReH7(P(C2H5)2(C6H5))2，Rh(CO)(H)(PPh3)3

不同的反應要求的過渡金屬原子和配位體不同（活性和穩定性不同）。過渡金屬原子與多種不同的配位體結合從而得到多種功能的催化劑。因此只有選擇好過渡金屬原子與特定的配位體，才能得到高效高選擇性的催化劑。

兩個部分的作用：對均相配位催化劑來說，參加化學反應的主要是過渡金屬原子（活性組分），配位體大多并不參加反應，主要是起調整催化劑活性、選擇性和穩定性的作用。第115頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

3、均相配位催化的基本反應均相配位催化過程中的基本反應主要包括P.76-78.上的反應類型，通過這些反應的適當組合組成催化循環，得到目的產物。(1)配位與解配配位解配

解配就是配位的逆反應，即金屬—配位體之間的共價鍵或配位鍵發生斷裂使該配位體從配合物中解離下來。配位：一個配位體以簡單的共價鍵或配位鍵與過渡金屬原子結合而生成配位配合物的反應。例：

以含膦螯合配位體的氫化鎳為催化劑（以M—H表示），乙烯與鎳原子的配位結合：M—HM—H+CH2=CH2CH2=CH2（3-52）

π配合物第116頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

均相配位催化的基本反應(2)插入和消除

插入：與過渡金屬原子配位結合的雙鍵（如烯烴、二烯烴、炔烴、芳烴和一氧化碳等配位體中的雙鍵）中的π-鍵打開、并插入到另一個金屬-配位體之間。例如，乙烯齊聚的第二步基本反應就是乙烯插到M—H鍵之間。（可以看作是一個配位體從過渡金屬原子上轉移到一個具有雙鍵的配位體的β位上）

M—HCH2=CH2乙烯插入（或氫轉移）M—C2H5CH2=CH2配位M—C2H5CH2=CH2乙烯插入（或乙基轉移）M—CH2—CH2—C2H5nCH2=CH2配位,乙烯插入M—CH2—CH2—(C2H4)n—C2H5（3-53）第117頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

均相配位催化的基本反應

插入和消除

消除：一個配位體上的β氫（或其他基團）轉移到過渡金屬原子的空配位上，同時，該配位體-金屬之間的鍵斷裂，使該配位體成為具有雙鍵的化合物，從金屬上消除下來。M—CH2—CH—(C2H4)n—C2H5Hβ-氫消除M—H+CH2=CH—(C2H4)n—C2H5（3-54）第118頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

均相配位催化的基本反應(3)氧化和還原：

在氧化/還原反應中，配位催化劑中的過渡金屬原子通常是在兩個比較穩定的氧化態之間循環。如

CoII/CoIII

、MnII/MnIII、CuI/CuII，單電子循環；也可以在零價態和氧化態之間循環。如

Pdo/PdII

，雙電子循環。Mo+H—CNH—MII—CN（3-55）氧化加成(4)氧化加成和還原消除：

氧化加成：一個分子斷裂為兩個配位體，并同時配位到一個過渡金屬原子上。如還原消除第119頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

均相配位催化的基本反應

還原消除：氧化加成的逆反應，即兩個配位體同時從過渡金屬原子上解配下來。見P.78.（3-56）第120頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

4、均相配位催化循環通過催化過程使反應物轉化成目的產物，催化劑參加反應后又恢復原態，所以整個過程又叫做“催化循環”。舉例：

雙鍵加氫的催化循環見P.78.圖3-15。從正上部(催化劑)開始。

丙烯氫甲酰化制正丁醛的催化循環見P.81.圖3－16。可見，均相配位催化循環是由上述均相配位催化過程的基本反應的適當組合構成的。第121頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二烯烴插入第122頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二第123頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

5、重要的均相配位催化過程主要應用有：雙鍵的加氫、烯烴的齊聚與共聚、烯烴與二烯烴的加成、烯烴的異構化與氧化、羰基化反應等。見P.79.。第124頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

6、均相配位催化的優缺點（1）選擇性好：催化劑以分子狀態存在，活性中心為催化劑分子，均勻同等。多相固體催化劑則表面非均一，具有多種不同的活性中心。優點：（2）活性高：因為可以使中心過渡金屬原子和配位體經精選達到最佳配合。（3）催化體系的預見性好：均相配位催化劑的結構特點－中心過渡金屬原子和配位體。這就為催化體系的研究和設計提供了方便。可以通過改變中心原子或配位體來調整其性能。例如：丙烯氫甲酰化制正丁醛催化劑的發展過程。第125頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

均相配位催化的優缺點（1）催化劑貴，回收困難。資源少。如Rh,全世界蘊藏量778噸，近年產量7－8噸/年。如用于生產正丁醛，消耗指標<106－107Kg醛/KgRh。目前銠回收工藝已成熟。鈷便宜（銠比鈷貴1000倍左右），銠的損失即使是醛的1PPM，也要比用鈷Cat.的費用高好幾倍。缺點：（2）由于在酸性介質中反應，故需特種耐腐蝕材料。（3）耐溫性差，<250℃。（4）某些Cat.，尤其用CO為原料時，需高壓，如鈷，30MPa。第126頁，共145頁，2023年，2月20日，星期二精細有機合成的工藝學基礎均相配位催化

貴金