电化学有机合成课件.ppt

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1、电化学有机合成（Electrochemical Organic Synthesis）,1,定义：利用电化学氧化或还原方法合成有机物的技术。发展历史：1849年，Kolbe通过实验发现羧酸的电解氧化可生成较长链的烷烃。1850至1960年，实验研究阶段。1960年代的工业化时代。1964年，Nalco公司建成1.8万t/a四乙基铅的电合成工厂。1965年，Mansanto公司建成1.5万t/a己二腈的电合成工厂。1980年以来，由于原料价格上涨、对环境保护的重视，电化学有机合 成作为一种绿色合成技术，又开始重视并进行了较活跃的的研究 与开发。2000年将召开第6届全国电化学有机合成会议。,2,表

2、1 某些有机化工产品的电解合成技术,3,电化学有机合成的特点：,电极反应可在常温、常压下进行，较为安全。不使用氧化还原试剂，不产生废弃物，无环境污染。通过调节电位和电流，可方便地改变电极反应方向和速度。消耗较多的电能。反应器结构复杂，电极活性不易维持。,4,电合成反应过程和机理,简单反应 复杂反应,5,（1）CE机理：指先发生化学反应，后发生电子传递反应。如：CH2(OH)2=CH2O+H2O CH2OeHCH3OH（2）EC机理：这是指化学反应后置的情况。（3）ECE机理：化学反应夹在两个电子传递反应中间的情形。如：,6,电化学催化,电化学催化：不直接参加电极反应的电极，对电化学反应速度及反

3、应机理有重要影响。既可以由电极本身产生，也可以通过电极表面修饰和改性后获得。电催化剂的要求：高的电催化活性。稳定、耐腐蚀，具有一定的机强度和使用寿命。良好的选择性。良好的导电性。易加工制备，成本低。,7,表征：当同一电极反应在不同电极上进行时，相同电流密度下，过电位较低的电极材料具有较高的电催化活性。例如下图中，曲线2，3斜率相同，由于i03 i02，所以反应3比反应2的电催化活性高。但曲线1，2斜率不同，当p时，反应1的活性大于反应2的活性。,8,电催化作用的机理通过表面吸附，影响中间态粒子的能量，从而影响反应的活化能。例如析氢过程：析H2过电位高的电极材料（如Hg，Pb，Zn）对H的吸附弱

4、，析氢速度由形成吸附氢的速度控制，增加吸附降低控制步骤的活化能，提高反应速度，活化能由Ea减少为Ea。相反地，析氢过电位较低（Fe，Ni，Pt），脱附是控制步骤，增加吸附反而不利，因为活化能由Eb提高到Eb，使反应速度降低。,9,影响电化学催化活性的因素：能量因素：电极对电极反应活化能的影响；空间因素：反应粒子与电极表面具有一定的空间对应关系；表面因素：电极的比表面和表面状态，如表面缺陷的性质、浓度。电催化有机电化学合成实例：四氯吡啶羧酸的电化学氢化 甲苯氧化为苯甲醛,10,电化学有机合成技术,一、恒电位电解 二、恒电流电解,11,影响电有机合成的因素,1电极:电流分布尽量均匀 具有良好的催化

5、活性 稳定性好 导电性能优良 具有一定的机械强度。2隔膜 电阻率低 有效防止某些反应物的扩散渗透 有足够的稳定性 价廉、易加工、无污染。3介质 反应物的溶解度好 较宽的可用电位范围 适合于所需的反应要求，特别是介质与产物不应发生反应 导电性良好，为此需要加人足够量的导电盐。4温度 提高温度对降低过电位、提高电流密度有益 但过高会使某些副反应加速，同时会使产物有可能分解。,12,电化学有机合成的反应类型,一、电氧化有机合成 1Kolbe脱羧二聚反应 2烃类的电氧化,13,3羟基化合物的电氧化 4含杂原子化合物的电氧化,14,二、电还原有机合成 1不饱和烃的电还原 CH3CH=CH2 2e 2H

6、CH3CH2CH3（90%）2有机卤化物的电还原,15,3羰基化合物的电还原 4硝基化合物的电还原,16,5含硫化合物的电还原,17,电化学有机合成工业化实例,己二腈的电合成 Baizer于1959年提出的，将丙烯腈通过阴极加氢生成己二腈。1965年，美国的Monsanto公司将这一方法实现工业化，建成了产量为15,000t/a的己二腈生产车间，后来又扩大到100,000ta。己二腈的电合成分为两步：（1）以丙烯为原料经氨氧化加工成丙烯腈，反应为 2CH2=CHCH32CH2=CHCN（2）通过电解，在阴极表面加氢二聚成己二腈：阳极 2CH2=CHCN2H2O2eNC(CH2)4CN2OH 阴

7、极 H2O2e2HO2 总反应 2CH2=CHCNH2ONC（CH2）4CN O2,18,四乙基铅的电合成 将Grignard试剂和铅丸进行电解，合成四乙基铅。反应时不断向溶液中加人氯乙烷，并与阴极析出的Mg重新生成Grignard试剂，副产物MgCl2可用于生产Mg。反应式为：C2H5Cl MgC2H5MgCl 阳极 4C2H5MgCl Pb4ePb（C2H5）42MgCl22Mg2 阴极 2Mg24e2Mg 总反应 4C2H5ClPb2MgPb（C2H5）42MgCl2,19,有机氟化物的电合成 利用电化学反应将氟直接引人反应物分子，生成有机氟化物。该方法可生产的氟化产品有250多种。电解

8、氟化的优点:（1）直接用AHF作为溶剂和氟源。（2）全氟产物可一步合成，具有较高的效率和效益。（3）对于磺酰基、羧基及杂原子的化合物，能够保留原有的官能团。（4）装置简单、操作方便，易于实现大规模工业化。（5）节能。（6）环境污染少。电化学氟化有两种方法：Simons法：Ni为阳极，在AHF中电解制备全氟化物的方法。主要合成全氟有机物，可制备特种表面活性剂。Rozhkov法：Pt为阳极，以有机溶剂为介质，制备单氟化物。主要用于芳烃的选择性氟化，可制备新型药物（如环丙沙星、络美沙星）和活性染料的中间体等。,20,癸二酸的电合成 这是Kolbe反应的典型应用，以己二酸单甲酯为原料，通过阳极氧化制得癸二酸二甲酯，再经碱解，即得。反应是在无隔膜电解槽中进行的，包括己二酸单甲酯的合成、电解、水解三部分。反应式为：CH3OOC(CH2)4COO2eCH3OOC(CH2)8COOCH3+2CO2 CH3OOC(CH2)8COOCH3+2H2OHOOC(CH2)8COOH+2CH3OH 由于羧基离子的放电电位很正，需采用Pt或Ti/Pt阳极，阴极则可用Ti或不锈钢。电解液为己二酸单甲酯、甲醇和Na2CO3水溶液的混合物。在温度5060、电流密度10A/dm2时，电流效率为70%。,21,