相转移催化原理ppt课件.ppt

1,相转移催化（PTC）,Phase Transfer Catalysis,2,相转移催化反应的特点（1）,非均相反应存在的问题： 反应速率慢； 效果差； 反应不完全。 许多合成反应在非均相条件下，特别是在水相和有机溶剂两相中，反应速率都取决于一个反应物在一种溶剂中的轻微溶解度。 苯乙腈在碱性水溶液中有一定的溶解性CH3(CH2)7 Br + NaCN 两星期不反应 1-溴辛烷在有机相， NaCN 在无机相，两相不互溶，反应只发生在两相界面，反应速率慢。 少量的乙醇加到两相体系中，可以给予一定的相互溶解性，使溶液反应可以成功地进行。但该类质子性溶剂能与阴离子反应试剂产生溶剂化作用，使反应活性降低，并有可能发生副反应。,水相或有机相,3,相转移催化反应的特点（1）,采用极性非质子溶剂以克服溶剂化所产生的不良影响。乙腈、二甲基甲酰胺(DMF) 、二甲亚砜(DMSO) 、六甲基磷酸三酰胺( HMPT)。这些物质全都具有亲油性的甲基和极性官能团，所以，它们可以溶解在水和烃、醇以及含氧烃等有机介质中，使盐和有机物二者很好地互溶。因为极性非质子溶剂不含有羟基，从而避免了溶剂化。但是该类溶剂存在以下一些缺点:一般沸点比较高，在反应完成后，很难从混合物中除去，回收提纯比较困难;少量水的存在对反应有干扰作用，反应要求在无水条件下进行;比普通的醇、烃、含氧烃等溶剂价格高得多;一般毒性较大。 相转移催化剂： 在两相反应体系中，通过加入少量的第三种物质，即相转移催化剂，使一种反应物从一相转移到另一相中，并且与后一相中的另一反应物反应，从而变非均相反应为均相反应，并使反应速度加快并顺利进行。,4,相转移催化反应的特点（2）,提高反应速率，提高反应的专一性；耗费较低的能源；可使用廉价非毒性、能回收的溶剂，或直接使用液体试剂作为溶剂；相转移催化使用的催化剂和介质极易获得；工艺流程简单、设备尺寸小；产品容易分离。,5,相转移催化原理,从相转移催化原理看，整个反应可视为络合物动力学反应： 有机相中反应； 继续转移负离子到有机相。如果比快，过程被负离子转移所控制，称为“萃取型”相转移催化； 如果比快，则称之为“界面型”或“相界型”相转移催化。 C7H15Cl + CN C7H15CN + Cl 萃取型 C6H5CH2Cl + CN C6H5CH2CN + Cl界面型,四己铵盐,苄基三乙铵,6,相转移催化原理：鎓盐类相转移催化(LLPTC),1971年Starks就 液-液相 SN2亲核取代反应提出著名的催化循环理论，奠定了相转移催化反应的理论基础： Q+ 相转移催化的正离子 Y 反应物负离子 QY 不带电的离子对 RX 有机反应物 RY 预想产物 QX 离子对,鎓盐的液-液相转移催化机理,鎓类化合物：负性元素的最高正价化合物如R4P+磷，R3O+氧鎓（佯），R2F+氟鎓,7,相转移催化原理：鎓盐类相转移催化(SLPTC),鎓盐的固-液相转移催化机理,相转移催化反应最重要的一步是催化剂有能力将反应物阴离子转移到有机相发生反应，对于固-液相转移催化反应，直接使用电解质试剂固体而不是它的水溶液。可避免形成水合离子对，试剂阴离子更少受溶剂的影响，反应性能很高，因而称为裸阴离子 。,8,相转移催化原理：气-液相转移催化反应体系,将典型的相转移催化剂与固体反应物或固体支持物(如硅胶、氧化铝等同置于反应床中，首先在加热条件下形成气-液相转移催化反应体系，然后再通过反应床在出口处收集导出产物及未反应的原料气。例如，当卤代烃通过由脂肪或芳香羧酸盐和季铵盐组成的反应床时，可以得到相应的羧酸酯。乙酸钠与溴乙烷进行气-液相转移催化反应生成乙酸乙酯，可实现98% 的转化率，而在同样条件下使用NaBr的转化率则只有7% 。催化剂在反应温度下熔化为液膜而附着在支持体或固体盐的表面上成为发生取代反应的介质，从而使得固体盐阴离子脱离晶体渗入液膜，与扩散到液膜的RX气体进行反应。因此，对于以上反应虽然从宏观来看是气相(C2H5Br) 与固相(AcONa ) 之间进行的气固催化反应，但是从反应进行的实际情况看，则是由气体(C2H5Br) 与液膜中的AcONa相互作用而发生反应的，因此称为气-液相转移催化反应体系.,固体,固体,9,相转移催化原理： 叔胺类相转移催化,卤代烃的氰基化反应：叔胺类相转移催化：,离子交换-萃取机理,starks的相转移催化理论主要是由水相中离子交换过程和由水相到有机相的萃取过程组成.,10,相转移催化原理：冠醚及开链聚醚类相转移催化,主要用于固-液反应，固体盐与冠醚形成络合物而溶于有机溶剂中； 属于配位络合-萃取反应机理； 随着冠醚结构的不同，能选择性的络合碱金属正离子、碱土金属正离子 及铵离子等。,11,负离子相转移催化及逆相转移催化,正离子从水溶液中萃取至有机相参加反应相转移催化反应一般在有机相中进行，逆相转移催化在水相中进行。,12,相转移催化剂,季铵、鏻、砷、锍盐、叔胺、冠醚、开链醚及负离子化合物,13,相转移催化剂：鎓盐类催化剂(1),鎓盐类催化剂由中心原子、中心原子上的取代基和负离子三部分组成，催化活性与这三部分有关。催化活性的影响因素 中心原子： R3P+ R3N+ R3As+ R3Sb+电负性和水溶液中阴离子的结合力大小有关。 负离子的影响：IBrCN Cl OH FSO42 取代基的影响：,* 萃取常数E R4N+（Pic-) = R4N+Pic-/R4N+水 Pic-水，Pic为苦味酸根,均四取代季铵盐的萃取常数,14,相转移催化剂：鎓盐类催化剂(2),不同季铵盐由水相到1，2-二氯乙烷中的萃取常数,固定3个取代基，改变一个取代基，则长链取代基季铵盐的萃取常数大；对称性强的季铵盐的萃取效率比对称性差的季铵盐高。,15,相转移催化剂：鎓盐类催化剂(3),季铵盐阳离子的结构 为了使季铵盐阳离子既具有较好的亲油性，又具有较好的亲水性，季铵盐阳离子中的四个烷基的总碳原子数一般以1 5-25 为宜.为了提高亲水试剂中阴离子的活性，亲核试剂的阳离子与阴离子在有机溶剂中应该容易分开，即阳离子和阴离子之间的中心距离应尽可能大一些，因此，四个烷基最好是相同的. 季镀盐中阴离子的影响 常用的季铵盐是季铵的氯化物，因为它们制备容易、价格较便宜。如果当亲核试剂的阴离子Nu-( 如F-、OH - ) 比Cl- 更难提取到有机相时，就需要使用季铵酸性硫酸盐，因为HSO4- 在碱性介质中会转变成更难提取的SO42- . 由于季铵酸性硫酸盐的制备较复杂、价格较贵，使用较少.,16,相转移催化剂：冠醚及聚醚类相转移催化剂,冠醚催化原理为利用环中氧原子与金属离子形成配位化合物正离子，常用于液-固相反应体系。冠醚催化效率影响因素有： 冠醚孔径 环上取代基 苄基氯酯化时 二环己基-18-冠-6 二苯基-18-冠-6 18-冠-6 聚醚催化剂具有价格低、稳定性好、合成方便等特点，主要类型有： 聚乙二醇 HO(CH2CH2O)nH 聚乙二醇脂肪醚 C12H25O(CH2CH2O)nH 聚乙二醇烷基苯醚 C8H7 C6H5- O(CH2CH2O)nH,17,相转移催化剂：多环穴醚,2,2,2-穴醚,穴醚是可以与阳离子发生配位的双环和多环多齿配体。“穴醚（cryptand）”一词是指该配体形如空穴，将底物分子容纳在里面。整个分子是一个三维的结构。因此与单环的冠醚相比，穴醚配合物更加稳定，对底物分子的选择性也更强。形成的复合物具有脂溶性。唐纳德克拉姆、让-马里莱恩和查尔斯佩德森通过对穴醚和冠醚进行研究，开创了超分子化学的先例，并因此获得了1987年的诺贝尔化学奖。,18,相转移催化剂：三相相转移催化剂,将可溶性相转移催化剂(PTC)固载到高分子载体上制得的一类既不溶于水 ,也不溶于有机相的固载化相转移催化剂 称为三相相转移催化剂 (triphase phase transfer catalyst,简称TPPTC)；三相相转移催化剂的特点： 不溶于水、酸、碱和有机溶剂，反应结束后只需简单过滤即可定量回 收； 可多次重复使用，而活性不降低或稍微降低，反应产物从反应体系中的分离提取也很方便； 由于催化剂已高分子化，挥发性小、相应减少了毒性； 适合于工业上的连续化生产。常见的 TPPTC有固载化季铵盐、固载化冠醚、固载化聚乙二醇等，其中研究最多、使用最广泛的是固载化聚乙二醇。,19,三相相转移催化剂：固载化聚乙二醇的制法,载体类型：有机载体（聚苯乙烯树脂 、甲基丙烯酸缩水甘油酯 -乙二醇二异丁烯酸酯大孔共聚体、氯化聚氯乙烯等）和无机载体（硅胶、氧化铝等）；聚苯乙烯树脂为载体的聚乙二醇类三相催化剂的合成方法：,聚苯乙烯固载化聚乙二醇,20,相转移催化剂：常见相转移催化剂名称及缩写,21,影响相转移催化反应的因素：相转移催化剂, (C4H9 )4NI的相对速率为1。Herriott测定了不同催化剂的速率常数，比值约2 万倍，可见不同催化剂对反应影响很大。其中冠醚、季磷盐和三辛基甲基氯化铵对S-烧基化反应最快。,在苯-水中不同催化剂的影响,苯-水,22,影响相转移催化反应的因素：催化剂活性和用量,催化剂活性较大的季鎓离子比较小季鎓离子更有效；随着季鎓离子中最长碳链的增长，其催化效率增强(15-25个碳原子)；较对称的季鎓离子比只含有一个长链的季鎓离子的催化效果好；季鏻离子比相应的季铵离子催化能力强；烷基季鎓盐催化剂比被芳基取代的季鎓盐有效。催化剂用量对于酯类水解反应和取代反应，在实验条件下，其反应速率与催化剂用量成正比；对于酚醚和脂肪族醚的合成来说，催化剂的最佳用量为1%10%；对各种不同的反应体系，催化剂用量常常在百分之几摩尔到几摩尔之间变动。,23,影响相转移催化反应的因素：催化剂的稳定性,季铵或鏻盐容易发生霍夫曼降解反应 R3NR1+OH R3N + R1OH鏻盐催化剂在浓碱水溶液中要比相应的季铵盐稳定 离去基团的难易程度：- 苯乙基烯丙基苄基乙基丙基环己基甲基异丁基苯基,24,影响相转移催化反应的因素:催化剂的选择,C16H33P+(C4H9)Br-,(C4H9)4P+Br-,1-溴辛烷剩留/%,时间/min,在中性介质中，相转移催化剂 应该具有15个或更多的碳原子；在中性或酸性介质中可选用四 丁基铵盐，特别是硫酸氢盐；在浓碱溶液介质中选用TEBA和 Aliquat-336；固液相转移催化反应时，一般 选用冠醚。,相转移催化反应中，当改变有机相时，会增大或减少催化剂阳离子在有机相的分配，从而影响在有机相中的反应速率。如1-溴辛烷和氰化物置换时，用四丁基溴化磷为催化剂，由于此催化剂仅仅微溶在1-溴辛烷中，但易溶在NaCN 的水相中，反应开始时在有机相中Q+CN- 的量很少，故反应很慢。然而Bu4 P+ 盐易溶于产物1-氰基辛烷中，随着反应进行， R-Br 不断转变成R-CN ，当R-CN 达到一定浓度后，则催化剂进入有机相逐渐增多。在有机相中催化剂达到一定浓度后，反应很迅速地进行，可以明显看出曲线的变化。对于大烷基的催化剂，如十六烷基三丁基溴化磷溶解在1-溴辛烷和1 -氰基辛烷的有机相中，反应速率与时间呈直线关系。,25,影响相转移催化反应的因素:溶剂,反应物为液体时，经常可用该底物作为有机相使用；所选有机溶剂与水的互溶性必须很小，以确保离子对不发生水合作用；选用非极性溶剂时，应采用四丁基铵或更大的离子，以确保离子对由水相进入有机相的量；低沸点含氯溶剂（氯仿、二氯甲烷、1，2-二氯乙烷等）效果最好，不仅对盐类有较高的萃取容量，价格也较低，容易除尽，也容易回收；在固-液相转移反应中，最常用的溶剂为苯（和其它烃类）、二氯甲烷、氯仿（和其它氯代烃类）以及乙腈；,26,搅拌速度,n-C8H17X + NaCN n-C8H17 CN + NaX,C16H33P(C4H9)3X,C6H6/H2O,搅拌速度 / rmin-1,反应速率常数/104s-1,反应速率和搅拌速度的关系, 在水/有机介质中的中性 相转移催化，搅拌速度 应大于200r/min； 对于固/液反应以及由氢 氧化钠存在的反应，则 应大于750-800r/min。,27,相转移催化合成反应：亲核取代反应,28,相转移催化合成反应：烷基化反应,29,相转移催化合成反应：消除反应,30,相转移催化合成反应：C=O加成反应,碳酸钾/甲基三辛基氯化铵/甲苯,31,相转移催化合成反应：氧化-还原反应,32,吡啶及其衍生物的逆向相转移催化,逆向相转移催化：IPTC，Inverse phase Transfer Catalysis,逆向相转移催化剂能将亲脂性的分子从有机相转移至水相参加反应,33,杯芳烃的逆向相转移催化（1）,C8H17Br C8H17CN收率杯8芳烃： 85-CD： 20%无催化剂： 6%,杯芳烃是由多个苯酚在2，6 位以亚甲基相连的大环化合物，由于这类化合物分子的形状酷似希腊杯状结构，将其命名为杯芳烃。,34,杯芳烃的逆向相转移催化（2）,2b：12h 收率73%；2a：12h 收率40%，24h 收率75%；无逆向相转移催化剂：12h 微量醛,35,环糊精及其衍生物的逆向相转移催化,空洞外部和入口处为亲水性；空洞内部呈疏水性。,36,环糊精逆向相转移催化机理,环糊精能将不溶于水的有机分子带入水相中进行反应，从而具备了成为逆向相转移催化剂的条件。,37,环糊精催化氧化反应,活性顺序为CDCDCD,38,环糊精催化还原反应,活性顺序：(2.1)(1.8)(1.0)无催化剂：转化率:22，甲氧基苯的收率:13,转化率：96,39,环糊精催化还原反应,单烯烃收率：59，34产物比为9:1,40,环糊精催化水解反应,-CD：0.5h 70.0%DMCD：91.7%无催化剂：321活性： -CD-CD-CD,41,相转移催化剂：负离子相转移催化剂,不同相转移催化剂对偶合反应初始速率的影响,反应速率提高50倍,42,水/有机两相催化（1）,Org：Organic phase；P：Product；C：Catalyst(water- soluble complex) ；Aq：Aqueous phase；S：Substrate。,水/ 有机两相催化可通过水溶性膦配体实现. 由水溶性膦配体和过渡金属配合生成的水溶性配合物催化剂在水/ 有机两相体系中被“担载”在水相, 反应在水相或两相界面进行. 反应结束后, 催化剂和反应产物自动分别居于水相和有机相, 通过简单相分离可将催化剂与产物分开, 大大简化了催化剂的分离回收过程. 同时, 以水作为反应介质, 有效地减少了有机溶剂的使用. 因而是一种环境友好的绿色化工工艺.,43,水/有机两相催化（2）,HRh (CO) ( TPPMS) 3,特点：保留了均相催化活性高、选择性好和反应条件温和等特点；同时，又具备多相催化产物和催化剂易于分离的优越性；水作为反应介质，有效地减少了有机溶剂的使用，因而是 一种环境友好的绿色化工工艺,44,非离子表面活性膦配体及其温控相转移功能,45,非离子表面活性膦配体及其温控相转移功能,温控相转移催化剂催化原理,S：反应底物；C：络合物催化剂；P：产物；Cp：浊点,（温控相转移催化：Thermoregulated Phase Transfer Catalysis,简称 TRPTC） 由非离子表面活性膦与过渡金属形成的络合催化剂在低( 室) 温时溶于水相, 与溶于有机相的底物S 分处于两相.当温度升至浊点温度时, 催化剂从水相析出并转移至有机相, 因而在高于浊点的反应温度下, 催化剂与底物共存于有机相, 反应在有机相中进行; 反应结束并冷却至浊点以下时, 催化剂重获水溶性, 从有机相返回水相, 使最终存在于水相的催化剂可通过简单的相分离与含有产物的有机相分开, 达到催化剂易于分离回收的目的. 上述催化过程与迄今报道的水/ 有机两相催化的本质区别在于反应不是发生在水相, 而是在有机相中进行, 因此不再受底物水溶性的限制, 即使绝无水溶性的底物也能通过“温控相转移催化”在水/ 有机两相体系中顺利进行反应.,46,相转移催化在高分子中的应用：化学修饰,亲核试剂与氯甲基化聚苯乙烯的反应,47,相转移催化在高分子中的应用：化学修饰,48,相转移催化在高分子中的应用：缩聚反应,49,相转移催化在高分子中的应用：自由基聚合,Bu4N+HSO4-和Aliquat336 97%十六烷基吡啶溴和十六烷基三甲基溴化铵 90%四甲基氯化铵 43%无 10%K2S2O4/ Aliquat 336 90%（2h）K2S 2O8 /十六烷基吡啶溴 50%（2h）油溶性引发剂偶氮二异丁腈 () 几乎无反应（2h）,50,相转移催化在药物合成中的应用,传统方法：醇钠/醇 24h 收率80%PTC法： 苯/20%氢氧化钠 4h 收率95%,51,相转移催化在药物合成中的应用实例,降血脂药吉非罗齐中间体的合成,合成心血管药硝苯地平的关键原料：,抗寄生虫药吡喹酮中间体的合成：,52,相转移催化在药物合成中的应用实例,脑功能改善药二苯美伦中间体的合成,传统方法：甲苯/氢氧化钾 62%PTC法： PEG-600 82%,53,相转移催化在农药合成中的应用（1）,甲胺磷的合成：,植物生长剂多效唑的合成：,产率：60%90%以上,54,相转移催化在农药合成中的应用（2）,新型有机磷杀虫、杀螨剂-水胺硫磷的合成：,用PEG/低碳叔胺：缩合收率95%（无PTC70%-75%)，氨化收率98%,氧化乐果,传统方法硫磷酯合成收率：70%-75%；用碘化钾提高5%； 用十六烷基三甲基氯化铵10%,55,相转移催化工艺在化学工业应用分布状况,