精细有机合成单元反应及工艺学

第二章 精细有机合成的理论基础
磺化 卤化（苯环上） 硝化 还原 1、两类定位基： 邻、对位定位基（第一类定位基）-O-,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-NHCOCH3,-OCOCH3,-F,-Cl,-Br,-I,-CH3,-CH2Cl, -CH2COOH,-CH2F 等。 间位定位基（第二类定位基） ：-N+(CH3)3,-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO,-COOCH3,-COCH3,-CONH2,-N+H3, -CCl3 等。 2、定位规律： 已有取代基的空间效应(1)在极性效应相差不大时，已有取代基体积越大，邻位异构产物的比例越小。(2)当极性效应 起主导作用时，结果可能相反。 新引入基团的空间效应：新引入取代基的体积越大，邻位产物越少。 已有两个取代基的定位规律 已有两个取代基为同一类型定位基，且处于间位，则定位作用一致。 已有两个取代基为同一类型定位基，且处于邻、对位，则定位作用不一致——取决于定位能力的强弱。 已有两个取代基为不同类型定位基，且处于邻、对位，则定位作用一致。 已有两个取代基为不同类型定位基，且处于间位，则定位作用不一致——取决于第一类定位基。 萘环的定位规律（1）比苯环更易发生亲电取代反应。 （2）α位比β位的亲电取代反应活性高，E+优先进攻α位。 （3）某些反应在一定条件下可逆，使低温反应产物以α位为主，高温反应产物以β位为主。 已有一个取代基的定位作用（1）已有一个第一类取代基 大多使萘环活化，新取代基进入已有取代基的同环。 （2） 已有一个第二类取代基 使苯环钝化，新取代基进入异环的α位。 蒽醌环的定位规律： （1）亲电取代反应活性低； （2）两个边环具有等同性； （3）α位比β位活泼。 （磺化）有催化 剂（汞盐，钯、铊、铑）α取代，无催化剂β取代。 供电基 反应速度加快，易于磺化 反应容易进行，甚至不用催化剂 硝化速度快，需要较缓和的硝化剂和硝化条件 还原反应较难进行，反应温度较高 吸电基 反应速率减慢，较难磺化 反应较难进行，需要加入催化剂 硝化速度降低，需要较强的硝化剂和硝化条件 还原反应容易进行，还原反应的温度可降低
第五章 磺化和硫酸化
1、工业硫酸的两种规格：92.5%（质量）硫酸和 98%硫酸。发烟硫酸的两种规格：含游离 SO3 约 20%和约 60%。 2、 （选择）在磺酸基水解过程中，温度越高，水解反应的速度越快。温度每升高 10℃，水解反应增加 2.5~3.5 倍， 而相应的磺化反应的速度仅增加 2 倍（可利用此水解特性，在反应过程中去掉磺酸基） 。温度升高也会促进副反应 速度加快。
得 x=25.78 Kg 纯硫酸的质量为 98%的 H2SO4 中水的质量为 混酸的质量为 故，混酸的组成
第七章 氢化和还原
1、均相催化氢化反应：催化剂溶于反应介质中的反应；非催化氢化反应：催化剂自成一相的反应。 2、 （填空、简答）加氢还原包括以下三个基本过程 吸附、反应、解吸 (1)反应物在催化剂表面的扩散、物理和 化学吸附；(2)吸附络合物之间发生化学反应；(3)产物的解析和扩散，离开催化剂表面。 3、催化剂的活性：指加速化学反应的能力，习惯上常以每单位容积(或质量)催化剂在单位时间内转化原料反应物的 数量即负荷(空间速度)来表示，单位是 L•L-1•h-1(或 kg·kg-1•h-1)即 h-1。 4、催化剂的选择性：指特定催化剂加速特定反应的能力。催化剂的选择性常以消耗的原料中转变为目的产物的分 率来表示，即为实际生成的目的产物与所耗用的原料在理论上能生成的同一产物之摩尔比。 5、催化剂的稳定性：指催化剂在使用条件下，保持活性及选择性的能力，主要指对毒物的稳定性。 6、催化剂中毒：由于少量杂质或毒物(如硫、磷、砷、铋、碘等离子和某些有机硫化物和有机胺)与催化剂活性中心 发生强烈的化学吸附，使催化剂活性大大下降或完全丧失的现象。 7、催化剂寿命：催化剂从开始使用到完全丧失活性的期限。 8、骨架镍的制备方法：将铝镍合金粉末(30-50%)加入一定浓度的氢氧化钠(20-30%)溶液中，使合金中的铝形成铝酸 钠而除去，而得到比表面很大的多孔状骨架镍。(140-190%) 9、骨架镍的原料是镍铝合金。 10、 （完成反应） 11、 在电解质溶液中用铁屑还原 的过程中，1mol 硝基物要得到 6 个电子才可以还原成氨基物。1mol 硝基物还原成氨基物，理论上需要 2.25mol 铁。 12、 关于铁屑的质量， 工业生产上一般采用 60~100 目的铁屑为宜。 关于铁屑的用量， 理论上每摩尔硝基物需 2.25mol 的铁屑，实际上要用约为 3~4mol 的铁屑。 13、 （名词解释）铁的预蚀：使用 FeCl2 电解质时，是通过还原反应前在反应器中加入少量铁粉和盐酸来制得的。这 就是所谓的“铁的预蚀”过程。 14、在电解质溶液中用铁屑还原的过程中，一般硝基物与水的摩尔比为 1:50~100。
第八章 重氮化和重氮基的转化
1、 （简答）重氮化反应中无机酸的作用：溶解芳胺和生成亚硝酸。生成的重氮盐一般在酸性溶液中比较稳定。无机 酸用量与芳胺的摩尔比通常为 1:2.25~4。如果酸量不足，可能导致生成的重氮盐与没有起反应的芳胺生成重氮氨基 化合物。 2、参与反应的重氮盐被称为重氮组分，与重氮盐相作用的酚类和胺类被称为偶合组分。偶合组分有：酚类，如苯 酚、萘酚及其衍生物；芳胺类，如苯胺、萘胺及其衍生物，如氨基萘酚磺酸，及含有活泼亚硝基的化合物。 3、偶合反应历程 4、尿素（或氨基磺酸）的作用：重氮化反应完毕，过量的亚硝酸对下一步反应不利，因此常加入尿素或氨基磺酸 将过量的亚硝酸分解掉。或加入少量芳胺，使之与过量的亚硝酸作用。 5、桑德迈耶尔反应：芳胺重氮盐在亚铜盐的催化下，重氮基置换成氯、溴和氰基的转换反应称为桑德迈耶尔反应。 在桑德迈耶尔反应中，亚铜盐的卤（氯和溴）离子必须与氢卤酸的卤离子一致才可以得到单一的硝化物。
第六章 硝化及亚硝化
1、硝化反应的活性质点是 NO2+（硝基正离子） 2、 （名词解释）非均相混酸硝化（工业上最常用，最重要的硝化方法） ：当被硝化物和硝化产物在反应温度下都呈 液态且难溶或不溶于废酸时，常采用非均相的混酸硝化法。或答，被硝化物与硝化剂介质不完全互溶的液相硝化反 应，称为非均相硝化反应。 3、 （选择、填空）在质量分数 100%的硝酸及浓硝酸中，有 1%的硝酸转化成 NO2+；未解离的硝酸分子约占 97%， NO3-约占 1.5%，H2O 约 0.5%。 4、 （简答）硝化反应中尿素的作用：在浓硝酸中硝化时，加入尿素有两种不同的作用。加入的尿素最初可起破坏亚 硝酸的作用，使硝化速度加快； CO(NH2 ) 2 2HNO2 CO2 2N 2 3H 2 O ，但反应是定量的，当尿素的加 入量超过亚硝酸摩尔数的 1/2 时，硝化速度开始下降。 5、将非均相硝化反应分为三种类型：缓慢型，快速型，瞬间型。 6 、 甲 苯 在 62.4%~66.6%H2SO4 中 的 硝 化 属 于 缓 慢 型 ； 在 66.6%~71.6%H2SO4 中 的 硝 化 属 于 快 速 型 ； 在 71.6%~77.4%H2SO4 中的反应属于瞬间型。 7、硝酸加乙酐是一种没有氧化作用的硝化剂，与酚醚或 N-酰芳胺作用，可提高邻/对的比例，但与甲苯等芳烃类作 用，选择性无明显影响。 8、呋喃，噻吩在混酸中易被破坏，但在硝酸-乙酐中能被硝化而不被破坏。 9、 （名词解释）相比：是指混酸与被硝化物的质量比，有时也称酸油比。 10、 （名词解释）硝酸比Φ：硝酸和被硝化物的摩尔比，有时也用硝酸过剩率表示，即实际硝酸用量比理论硝酸用 量过量的摩尔分数。 11、硝化操作由于被硝化物的性质和生产方式的不同一般有三种加料方法，即正加法、反加法和并加法。正加法： 将混酸逐渐加到被硝化物中。反加法：将硝化物逐渐加到混酸中。并加法：将混酸和被硝化物按一定比例同时加到 硝化器中。 12、 （计算题）氯苯一硝化时，用质量含量 98%发烟硝酸和 98%浓硫酸来配制混酸。要求硫酸脱水值（D.V.S）=1.27， 硝酸比Φ=1.07。试计算 1kmol 氯苯一硝化剂硝化氯苯时用多少千克 98%发烟硝酸？多少千克 98%浓硫酸？并计算 所配混酸的质量和组成。已知 HNO3 分子量 63。 解：1kmol 氯苯硝化时所需纯硝酸质量为， 故需 98%硝酸质量为， 硝酸中水的质量为 68.79-67.41=1.38 Kg 1kmol 氯苯一硝化生成的水质量为 18 Kg 设 98% H2SO4 质量为 x Kg
第十章 烃化
1、 （选择、填空）N-烃化中，当烷基相同时，各种卤烷的活泼性次序如下，R—I>R—Br>R—Cl； O-烃化中，当烷基相同时，各种卤烷的活泼性次序如下，Alk—I> Alk—Br> Alk—Cl； C-烃化中，当烷基相同时，各种卤烷的活泼性次序如下，R—Cl >R—Br>R—I 2、 （填空）苯磺酸酯适用于引入分子量较大的烷基。苯磺酸甲酯的毒性极小，有时也用它代替硫酸二甲酯。 3、芳环上的 C-烃化都是酸催化的亲电取代反应。催化剂的作用是使烃化剂转变为活泼的亲电质点。 4、 （简答）C-烷化的三个特点：①C-烷化连串反应，在芳环上引入烷基后，烷基使芳环活化。在苯分子中引入简单 的烷基后，它进一步烷化的活化速度比苯快 1.5~3.0 倍。在苯的一烷化时，生成的单烷基苯容易进一步生成二烷基 苯和多烷基苯。②C-烷化可逆反应；③烷化质点和芳环上的烷基会发生异构化反应，一般规律是伯重排为仲，仲重 排为叔。对于多碳直链烷基仲碳正离子，一般规律是正电荷从靠边的仲碳原子逐步转移到居中的仲碳原子上。 5、 （选择、填空）烷基化反应的催化剂包括酸性卤化物（路易斯酸） ，质子酸，酸性氧化物，烷基铝。 酸性卤化物（路易斯酸）中的各物质的活性顺序是 AlCl3>FeCl3>BF3>ZnCl3； 质子酸中各物质的活性顺序是 HF>H2SO3>H2PO4。
第九章 氨解和胺化
1、液氮的临界温度：132.9℃。
2、氨水浓度：工业氨水的浓度一般为 25%。 3、在压力下，氨在水中的溶解度增加。据此，通入液氨或氨气，增加氨水的用量。 4、在醇类的气固相临氢接触催化氨化氢化的催化剂中，铜主要是催化醇脱氢生成醛的反应，镍主要是催化烯亚胺 加氢生成胺的反应。 5、 （选择）卤基的非催化氨解反应:双分子亲核取代反应（SN2） ，其反应速率与卤化物的浓度和氨水的浓度成正比： r 非催化氨解= k1[ArX][NH3]；卤基的催化氨解则不同，其反应速率与卤化物的浓度和一价铜离子的浓度成正比：r 催化氨解= k2[ArX][Cu+]。 6、芳环上卤基的氨解反应，当芳环上没有强吸电基时，卤基不够活泼，它的氨解需要很强的反应条件，并且要用 铜盐或亚铜盐作催化剂；当芳环上有强吸电基时，卤基比较活泼，可以不用铜催化剂，但仍需在高压釜中、在高温 下氨解。 7、氨水的用量：氨的用量要超过理论量好几倍或更多。这不仅是为了抑制生成二芳基重胺和酚的副反应，同时还 是为了降低反应生成的氯化铵在高温时对不锈钢材料的腐蚀作用。 8、 （选择）从 Bucherer（巴赫尔，布彻尔）反应总结出以下规律： （近的慢，远的快） （1）羟基处于 1 位时，2 位和 3 位的磺基对氨解反应有阻碍作用，而 4 位的磺基则使氨解反应容易进行； （2）羟基处于 2 位时，3 位和 4 位磺基对氨解反应有阻碍作用，而 1 位磺基则使氨解反应容易进行； （3）羟基和磺基不在同一环上时，磺基对这个羟基的氨解影响不大。