合成化学技术.ppt
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1、Cannizzaro反应呋喃甲醇和呋喃甲酸的制备,芳香醛以及没有-氢的脂肪醛,在强碱下作用下,进行自身的氧化还原反应,一分子醛氧化成酸(在碱性溶液中为羧酸盐),一分子醛还原成醇,此反应称之为坎尼查罗(Cannizzaro)反应。,Cannizzaro 反应的合成设计,呋喃甲醇和呋喃甲酸的制备,目的与要求 1 了解Cannizzaro反应的基本原理。2 掌握利用Cannizzaro反应制备标题化合物。本实验应用Cannizzaro反应,以呋喃甲醛为反应物,在浓氢氧化钠的作用下,制备呋喃甲醇和呋喃甲酸,其反应式如下:试剂与规格呋喃甲醛(新蒸馏);33%NaOH溶液;乙醚(C.R);25%盐酸;无水
2、硫酸镁(C.R);活性炭(C.R)。,注意事项与问题,a)呋喃甲醛久置易变成深红色,需重新蒸馏提纯(无色或者淡黄色)。b)反应温度高于12oC时,温度会迅速提升,难以控制;低于8oC时反应很慢,会使未反应的氢氧化钠积聚,一旦反应起来,会过于猛烈,温度迅速提高,增加副反应。c)良好的搅拌是必要的,因为反应是在两相中进行。也可以用反加法,把呋喃甲醛液滴加到氢氧化钠溶液中,产率相仿。d)当氢氧化钠溶液滴加完毕,如反应液变成粘稠物而 无法搅拌时,可继续进行反应。e)加水过多会损失部分产品。1)乙醚萃取后的水溶液用25%的盐酸酸化到中性是否合适?2)怎样利用Cannizzaro反应将呋喃甲醛全部转化为呋
3、喃甲醇?,呋喃甲醇的制备,利用羰-羰缩合反应制备有机化合物,羰-羰缩合是两个羰基化合物通过第一个化合物的羰基和第二个化合物羰基的-氢原子进行缩合,失去一分子水,形成 不饱和羰基化合物反应的简称。它包括醛-醛缩合、醛-酮缩合、酮-酮缩合、二醛自缩合、醛酮自缩合和二酮自缩合。文献上把这一反应称之为克莱森-西密特(Claisen-Schmidt reaction),或者瑙埃凡乃哥反应(Knoevenagel reaction);有时也不恰当地称之为羟醛缩合(Aldol Condensation)羰-羰缩合的第一个羰基化合物,用它的羰基进行缩合反应,由于空间阻碍效应,当然醛类比酮类活泼。在醛类里,芳香
4、醛比脂肪醛活泼。在酮类中,甲基酮和酯环酮的空间阻碍效应比较小,因此反应活性相对活泼。其它酮类,除了用特殊的方法以外,多数不能以羰基进行缩合。缩合反应的第二个羰基化合物是以亚甲基进行缩合,其空间位阻也发生重要的作用,如甲基酮的缩合一般都在1-位,即在甲基上发生反应。但如果采用氯化氢为催化剂,缩合反应则发生在3-位上。,苄基酮的-亚甲基特别活泼,因为亚甲基不仅被羰基活化,苯基也有活化作用,酯环酮族的-位阻也较小,较容易与羰基缩合。酸、碱都可以催化羰-羰缩合;伯胺、仲胺,特别是与少量酸同用,催化效果格外显著。主要的催化机理如下:,羰羰缩合中胺+酸催化的反应机理,羰-羰缩合的实验操作(催化剂),羰羰缩
5、合反应,最重要的是挑选催化剂及其用量的问题,其它如溶剂、反应温度等,没有催化剂敏感。最常用的催化剂是氢氧化钠、氢氧化钾等,有时需要更强的碱如氢氧化铯之类催化剂,这些催化剂的浓度十分应该注意,醛遇到强碱可以发生胶化和坎尼查罗反应,所以一般都要用较小的剂量。有些醛对强碱很敏感,如甲醛、不饱和醛、吡咯醛等不易用强碱。醇钠、醇镁和醇铝都是有效的催化剂,不过醇镁和醇铝在一些反应条件下,可使醛转化成酯,又可还原醛或者酮成醇,因此实验条件必须掌握好。氨基钠、氢化钠甚至金属钠都曾用做催化剂,特别是在高位阻的酮进行缩合反应的时候。伯胺、仲胺是很好的催化剂,六氢吡啶、四氢吡咯、吗啉等用的最为普遍,特别是与醋酸并用
6、效果最好。硫酸、盐酸、草酸、醋酸、苯磺酸等,以及各种路易斯酸,如氯化铝、三氟化硼、三氯氧磷、亚硫酰氯都用羰-羰缩合反应的催化剂。其中,硫酸、苯磺酸和三氯氧磷最为有效。但强酸催化剂能使甲基酮起自缩合反应,产物常与碱性催化所得产物不同。,羰-羰缩合的实验操作(反应条件),许多羰羰缩合反应是放热反应,常在溶液下进行,溶剂一般用乙醇、乙醚、苯、醋酸等。有时也用高沸点溶剂以提高反应的温度,许多缩合反应可在室温下进行,一般在溶剂回流温度反应。用氯化氢催化的反应,则需要在0 oC左右进行。如果反应是由两个不同的羰基化合物进行缩合,用量必须是1:1摩尔比,并且要混合均匀,以免同时发生自缩合,当然有时故意是一种
7、原料过量:如下反应例:这时可用过量的环己酮,以免发生双糠醛环己酮副产物生成 醛-醛缩合 醛类在-位上有两个氢原子的可以进行自缩合,如:,2-乙基-2-乙烯醛的制备(醛的自缩合),两种不同醛的缩合,酮-酮缩合,1,3-二苯基丁-2-烯-1-酮的制备(酮-酮缩合),1,3-二苯基丁-2-烯-1-酮的制备(实验装置),1)隔离空气(隔绝湿气)2)蒸馏回流去水法,醛-酮缩合,醛和酮的缩合反应,是羰-羰所缩合应中研究最多的一种缩合方式。由于醛比酮活泼,如果所用的醛有活泼的-氢原子,则产物中会杂有醛-醛缩合的 不饱和醛;甚至这将成为产物中的主要成分,而 不饱和酮则很少,必须设法避免。甲基酮和酯环酮容易与醛
8、缩合;脂肪酮(除了甲基酮以外),比较难与醛缩合,除非醛的活性很强,如邻苯二甲醛,可以和酮缩合成不饱和酮。二酮很活泼,可以用来鉴别醛的反应。,酮醛缩合的部分实例,4-苯基-3-甲基丁-3-烯-2-酮的制备装置,羰-酯缩合 瑙埃凡乃哥(Knoevenagal)反应,3,5-二甲基-2-环己烯-1-酮-4-甲酸乙酯的制备,羰-酯缩合(克莱森反应Claisen),在碱性条件下,羧酸酯以它的烷氧基与醛(酮)的-氢原子相结合,成为醇分子失去,最后形成二酮的反应,称为克莱森缩合。酮的结构对缩合反应的影响:甲基酮最活泼,取代甲基酮比较不活泼。一是烷基是推电子基团;二是空间位阻。但取代基团如果是拉电子的芳基,仍
9、可使-氢活泼。酯结构的影响:也是由电子效应和空间相应两方面因素所决定,酯中的R基团对缩合反应也有影响。如:-不饱和酸乙酯在碱性催化剂下,发生迈克尔加成;如果是用酚酯,就可以进行缩合。催化剂必须是强碱,才能使得反应进行完全。氢氧化钠使酯水解,当然不能用;氨基钠有时发生氨解使缩合反应难以进行;醇钠反应速度较快,作为一般的选用催化剂,但活性不够大;金属钠也常做催化剂,但是有时发生还原反应;氢化钠对该反应最为有利,产物成氢气逸去,并且没有还原作用。,实验操作许多-二酮可以有两条路线制备,用不同的酯和酮进行合成。如2,4-己二酮可以经下列两种反应制得:仪器装置要能隔绝湿气,原料和溶剂也要无水、无醇,最好
10、是在氮气或氩气中进行操作。如果所用的酯比较便宜,一般都用过量的酯作为溶剂,否则可用乙醚、四氢呋喃、苯和石油醚等作为溶剂。用乙醇钠、甲醇钠或金属钠为催化剂时,与酮的比例是2:1,酯过量。用氨化钠、氢化钠等催化剂时,和酮的用量应为1:1,酯仍需要过量。为了防止酮或酯的自缩合,可以把酮和酯混合好,滴加到催化剂所在的悬浮溶液中,并不断的搅拌。在用氨化钠和氢化钠时,也可以把酮先加入,形成酮化钠后,再加入酯。反应完毕后,放冷再进行水解、酸化(在用金属钠或者氢化钠时要特别小心),分离二酮可用蒸馏或者结晶,较好的方法是将二酮转化为铜配合物,再酸化为二酮。,甲酸酯的缩合甲酸酯比较活泼,容易与酮发生缩合反应生成-
11、酮醛,由于醛基烯醇化,产物也称-羟亚甲基酮。1,3,5-三乙酰基苯的合成,三乙酰基苯的形成机理,三乙酰基苯的制备装置图,5,5-二甲基-1,3-环己二酮的合成,在一干燥的2升三口瓶中,加入400毫升无水乙醇,慢慢加入20克切成小块的金属钠,加入速度维持不断回流。当钠全溶后,加入170克丙二酸二乙酯,搅拌下滴加100克缩二丙酮。搅拌回流2小时,加入含有125克氢氧化钠的水溶液,回流反应6小时。稍冷,加入4N盐酸调制石蕊纸开始呈酸性。蒸除乙醇,用活性炭脱色两次(每次用15克),再用4N盐酸调制pH 为3,沸腾几分钟冷却,滤除晶体,用少量水洗涤,空气中晒干,产率67-85%。,有机中间体与有机合成(
12、苯炔及其类似物),在合成反应中,有些产物的结构与预期的结果不符,例如:苯二磺酸钾或者溴苯磺酸钾,无论两个取代基团是什么关系,在碱熔后主要产物都是间苯二酚。这种进入基团与离去基团位置不同的置换反应很多,统称为错位反应。,唯一可以解释上述结果的反应机理是形成中间体苯炔。苯炔的存在已经由下列反应得以证实。(苯重氮邻-甲酸内盐得分解形成苯炔)邻-二卤代苯与活泼金属反应形成苯炔二苯碘-邻羧基内盐得分解形成苯炔(200oC,二乙基苯回流),二苯并环丁二烯的制备,(A)苯重氮邻-甲酸内盐的制备,(B)二苯并环丁烯的制备,三苯并苯的合成,普通乙醚常含有2%乙醇和0.5%水。久藏的乙醚常含有少量过氧化物过氧化物
13、的检验和除去:在干净和试管中放入23滴浓硫酸,1mL2%碘化钾溶液和12滴淀粉溶液,混合均匀后加入乙醚,出现蓝色即表示有过氧化物 存在。除去过氧化物可用新配制的硫酸亚铁稀溶液(配制方法是FeSO4/H2O60g,100mL水和6mL浓硫酸)。将100mL乙醚和10mL新配制的硫酸亚铁溶液放在分液漏斗中洗数次,至无过氧化物为止。醇和水的检验和除去:乙醚中放入少许高锰酸钾粉末和一粒氢氧化钠。放置后,氢氧化钠表面附有棕色树脂,即证明有醇存在。水的存在用无水硫酸铜检验。先用无水氯化钙除去大部分水,再经金属钠干燥。其方法是:将100mL乙醚放在干燥锥形瓶中,加入2025g无水氯化钙,瓶口用软木塞塞紧,放
14、置一天以上,并间断摇动,然后蒸馏,收集3337的馏分。用压钠机将1g金属钠直接压成钠丝放于盛乙醚的瓶中,用带有氯化钙干燥管的软木塞塞住。或在木塞中插一末端拉成毛细管的玻璃管,这样,既可防止潮气浸入,又可使产生的气体逸出。放置至无气泡发生即可使用;放置后,若钠丝表面已变黄变粗时,须再蒸一次,然后再压入钠丝。,多聚磷酸在有机合成中的应用,多聚磷酸作为有机合成中的有效试剂,发现较晚,1950年施耐德第一次认识到放置了很久的三氯氧磷能使N-甲酰色氨酸环化并同时脱羧芳化,形成3,4-2.3吡啶并吲哚。作者认为是三氯氧磷放置后吸水成为多聚磷酸,环化的作用来源于多聚磷酸。以后的研究证明,多聚磷酸在环化、缩合
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