1、1第二章第二章 精细有机合成的理论基础精细有机合成的理论基础2.1绪论绪论精细有机合成反应；共价键断裂方式：均裂（homolysis）异裂（heterolysis）周环反应12精细有机精细有机合成反应合成反应消除反应消除反应被消除原子或原子团位置被消除原子或原子团位置重排反应重排反应发生重排原子（团）位置发生重排原子（团）位置取代反应取代反应反应试剂的性质反应试剂的性质反应物分子中反应物分子中C-HC-H键断裂方式键断裂方式亲核取代亲电取代自由基取代加成反应加成反应加成的基本途径加成的基本途径-消除-消除分子内重排分子间重排环加成亲电加成自由基加成亲核加成进行方式进行方式3第二章第二章 精细有
2、机合成的理论基础精细有机合成的理论基础2.2 芳香族亲电取代反应芳香族亲电取代反应2.2.1 反应历程反应历程极快极快-络合物络合物-络合物络合物4-络合物络合物 形成形成液液气气-络合物络合物55-络合物络合物 存在的依据存在的依据（1 1）HCl可以定量地溶解在芳烃中。可以定量地溶解在芳烃中。（2 2）芳环上电子云密度增加，溶解度增加。）芳环上电子云密度增加，溶解度增加。ArRK K1 11.591.591.001.000.920.920.620.620.280.28表表 氯化氢在不同芳烃中溶解平衡常数氯化氢在不同芳烃中溶解平衡常数66-络合物络合物 结构的证明结构的证明 实验1：溶液在-
3、78.5迅速达到平衡 实验2：光谱分析表明无电子跃迁 实验3：溶液不导电 实验4：HCl中的H用D代替，未发现苯环上的H与DCl中的D交换7 7-络合物络合物 特点特点 （1 1）芳环的芳香性未被破坏；（2）没有与芳环形成新的化学键。8 8-络合物络合物 形成形成HCl（气）（气）AlCl3(固）固）H-ClAlCl3（溶液）（溶液）H-ClAlCl3(溶液）溶液）AlCl4-(溶液）溶液）-络合物络合物9-络合物络合物 结构的证明结构的证明 实验1：固体AlCl3在甲苯中-78.5不溶解；通入HCl转变成绿色透明溶液；溶液吸收光谱发生变化，电子跃迁 实验2：生成和分解速度比-络合物慢得多 实
4、验3：溶液导电 实验4：DCl中的D与苯环上的H发生交换10-络合物络合物 特点特点 （1）生成了新的键；（2）芳烃的电子体系被破坏，形成了不稳 定的非芳香性化合物。112.2.2 2.2.2 芳香族亲电取代反应的芳香族亲电取代反应的定位规律定位规律 已有取代基的性质和数量已有取代基的性质和数量 区域选择性区域选择性12邻位取代邻位取代对位取代对位取代间位取代间位取代ZHEZHEZHEZ+Z ZHEZ ZHEZ ZHE+Z ZHEZZ ZZHEHE+12132.2.2.1 两类定位基两类定位基（1）第一类第一类定位基定位基-O,-N(CH3)2,-NH2,-OH,-OCH3,-F,-Cl,-B
5、r,-I,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F13142.2.2.1 两类定位基两类定位基（2）第二类第二类定位基定位基-CF3,-NO2,-CN,-SO3H,-COOH,-CHO-COOCH3,-COCH3,-CONH2,-CCl3,14152.2.2.2 苯环的定位规律苯环的定位规律（1）已有取代基的极性效应）已有取代基的极性效应(电子效应电子效应)第一类第一类定位基：邻对位定位，活化苯环定位基：邻对位定位，活化苯环 其中：其中：-F，-Cl,-Br,-I,-CH2Cl,-CH2COOH,-CH2F等略钝化苯环等略钝化苯环 第二类第二类定位基：间位定位，钝化苯环定位基：间位定位，钝化
6、苯环1516（2）已有取代基的空间效应）已有取代基的空间效应+NO2NO261.4%37.0%O/P=1.66+NO2NO210.0%83.2%O/P=0.121617（3）亲电试剂的极性）亲电试剂的极性 活性决定反应速度及选择性活性决定反应速度及选择性（4）新取代基的空间效应）新取代基的空间效应（5）反应条件）反应条件 T，催化剂，催化剂(Hg影响磺化影响磺化)，介质，介质1718（6 6）已有两个取代基）已有两个取代基 取决于定位能力和相对位置取决于定位能力和相对位置A A、相同类型处于间位、相同类型处于间位定位相同定位相同+NO2NO2COOHCOOHCOOHCOOHO2N1819B B
7、、不同类型处于邻对位、不同类型处于邻对位定位相同定位相同NO2NO2NO2C C、不同类型处于间位、不同类型处于间位第一类决定第一类决定NH2NH2COOHCOOHNO21920D D、相同类型处于邻对位、相同类型处于邻对位定位能力大小定位能力大小(7)定位规律的应用定位规律的应用CH3CH3NO2NHCOCH3NHCOCH3ClNO2SO3H?2021ClClNO2SO3HCl2,Fe80ClSO3H95100H2SO4204067%HNO3问题：问题：为何先氯化？为何先氯化？先硝化后磺化？先硝化后磺化？21222.3 亲核取代反应亲核取代反应反应通式：反应通式：R-H Z-R-Z H-R-
8、H Z-Y R-Z H-Y脂肪族化合物的亲核取代脂肪族化合物的亲核取代芳香族化合物的亲核置换芳香族化合物的亲核置换22232.3.1 脂肪族化合物的亲核取代脂肪族化合物的亲核取代2.3.1.1 反应历程反应历程双分子历程双分子历程（SN2）k CH3Br OH-Walden转化转化2324单分子历程单分子历程（SN1）k C(CH3)3Br 2425特点特点1 1 外消旋外消旋特点特点2 2 伴随重排伴随重排BrHO25262.3.1.2 反应影响因素反应影响因素 （1 1）底物结构）底物结构 （2 2）离去基团的性质）离去基团的性质 好的离去基团：卤素，磺酸酯好的离去基团：卤素，磺酸酯 （3
9、 3）亲核试剂的影响：主要影响）亲核试剂的影响：主要影响S SN N2 2反应反应 （4 4）溶剂的影响）溶剂的影响262727 溶剂的影响溶剂的影响（1 1）对）对S SN N1 1反应，极性溶剂有利于中性化合物反应，极性溶剂有利于中性化合物R-XR-X的解离。的解离。RXR+X-溶剂极性越大，反应速度越快。溶剂极性越大，反应速度越快。（2 2）对）对S SN N2 2反应，反应，NuNu-易与质子传递型溶剂形成氢键，使易与质子传递型溶剂形成氢键，使反应活性降低。反应活性降低。反应宜在非质子传递型溶剂中进行。反应宜在非质子传递型溶剂中进行。282.3.2 芳环上的亲核取代反应芳环上的亲核取代
10、反应 芳环电子云密度较高，芳环电子云密度较高，很难被很难被Nu-进攻而直接引进攻而直接引入入-OH、-OR、-NH2等。等。芳环上引入芳环上引入-Cl、-SO3H，-N2+Cl-等吸电子取代基，使等吸电子取代基，使苯环上电子云密度降低，苯环上电子云密度降低，利于亲核置换反应的发利于亲核置换反应的发生。生。28292.3.2.1 2.3.2.1 反应历程反应历程 双分子历程双分子历程 单分子历程单分子历程快快+慢慢+慢慢 去氢苯历程去氢苯历程30离去基团的邻、对位有吸电基，有利反应离去基团的邻、对位有吸电基，有利反应10%NaOH350-400,20-30 MPa10%NaOH160,0.6 M
11、Pa10%NaOH100,常压312.4 化学反应计量学化学反应计量学 反应物的摩尔比反应物的摩尔比 限制反应物和过量反应物限制反应物和过量反应物 过量百分数过量百分数 转化率（以转化率（以x表示）；选择性（以表示）；选择性（以s表示）表示）理论收率（以理论收率（以y表示）表示）原料消耗定额原料消耗定额 单程转化率和总转化率单程转化率和总转化率3132化学计量比化学计量比 1 21 2投料摩尔数投料摩尔数 5 10.75 10.7反应物的摩尔比反应物的摩尔比 1 2.14 1 2.14 2.4.1 2.4.1 反应物的摩尔比反应物的摩尔比 指加入反应器中的几种反应物之间的物指加入反应器中的几种
12、反应物之间的物质的量（摩尔）之比。例如：质的量（摩尔）之比。例如：32332.4.2 2.4.2 限制反应物和过量反应物限制反应物和过量反应物化学计量比化学计量比 1 21 2投料摩尔数投料摩尔数 5 10.75 10.7投料摩尔比投料摩尔比 1 2.14 1 2.14 化学反应物不按化学计量比投料时，以最小化学化学反应物不按化学计量比投料时，以最小化学计量数存在的反应物叫做限制反应物，而投入量超过计量数存在的反应物叫做限制反应物，而投入量超过限制反应物完全反应的理论量的反应物叫做过量反应限制反应物完全反应的理论量的反应物叫做过量反应物物(一般来说便宜，或者易回收一般来说便宜，或者易回收)。限
13、制反应物限制反应物过量反应物过量反应物332.4.3 2.4.3 过量百分数过量百分数%100ttennnN Ne e过量反应物的物质的量；过量反应物的物质的量；N Nt t与限制反应物完全反应所消耗的过量反与限制反应物完全反应所消耗的过量反 应物物质的量。应物物质的量。过量反应物超过理论量部分占所需理论过量反应物超过理论量部分占所需理论量的百分数，叫做过量百分数。量的百分数，叫做过量百分数。过量百分数过量百分数3435 例：例：7%100%252510.7化学计量比化学计量比 1 21 2投料摩尔数投料摩尔数 5 10.75 10.7投料摩尔比投料摩尔比 1 2.14 1 2.14 限制反应
14、物限制反应物过量反应物过量反应物硝酸过量百分之多少？硝酸过量百分之多少？硝酸的过量百分数硝酸的过量百分数362.4.4 2.4.4 转化率转化率(X X)某一反应物某一反应物A A反应掉的量反应掉的量n nA,RA,R占其投料量占其投料量n nA,inA,in的百分数叫做的百分数叫做反应物反应物A A的转化率的转化率X XA A。X XA A n nA,RA,Rn nA,inA,in100100100100n nA,outA,out-n nA,inA,inn nA,inA,in372.4.5 2.4.5 选择性选择性(S S)某一反应物转化为目的产物所消耗的物某一反应物转化为目的产物所消耗的物
15、质的量占该物质在反应中实际消耗的物质的质的量占该物质在反应中实际消耗的物质的量的百分数，叫做选择性。量的百分数，叫做选择性。aA aA Bb=pPBb=pPS SA An nP Pa ap pn nA,RA,R100100100100n nP Pa ap pn nA,inA,inn nA,outA,out化学计量比化学计量比382.4.6 2.4.6 理论收率理论收率(Y Y)生成的目的产物的物质的量占理论上应得生成的目的产物的物质的量占理论上应得到的目的产物的物质的量的百分数，叫做理论到的目的产物的物质的量的百分数，叫做理论收率。收率。Y YP P100100n nP Pa ap pn nA
16、,inA,inY YS SX X39例：例：100mol 87mol 2mol 100mol 87mol 2mol 少量少量+焦油焦油X X苯胺苯胺1001002 2100100100100 9898S S88.788.787871 11001001001002 2Y YX X苯胺苯胺S S989888.788.787.087.087871001001 1100100402.4.7 2.4.7 质量收率质量收率(Y Y质质)例：例：目的产物的质量占某一输入反应物的目的产物的质量占某一输入反应物的质量百分数，叫做质量收率。质量百分数，叫做质量收率。质量质量 100kg 217kg100kg 21
17、7kg纯度纯度 9999 9797相对分子量相对分子量 93 231.293 231.2Y Y质质217217100100100100217217Y Y2172179797231.2231.2100100999993931 110010085.685.6412.4.8 2.4.8 原料消耗定额原料消耗定额 每生产一吨产品需要消耗的各种原料的量每生产一吨产品需要消耗的各种原料的量（吨或千克）叫做原料消耗定额。（吨或千克）叫做原料消耗定额。质量质量 100kg 217kg100kg 217kg纯度纯度 9999 9797相对分子量相对分子量 93 231.293 231.2例：例：苯胺的消耗定额苯
18、胺的消耗定额1001002172170.461t0.461t461kg461kg422.4.9 2.4.9 单程转化率单程转化率(X X单单)和总转化率和总转化率(X X总总)，反应物反应物A A输入和输出反应器的物质的量输入和输出反应器的物质的量 ，反应物反应物A A输入和输出全过程的物质的量输入和输出全过程的物质的量X X单单n nA,inA,inR Rn nA,outA,outR Rn nA,inA,inR R100100X X总总n nA,inA,inS Sn nA,outA,outS Sn nA,inA,inS S100100n nA,outA,outR Rn nA,inA,inR
19、Rn nA,outA,outS Sn nA,inA,inS S43例：例：100mol 40mol 38mol 1mol 61mol 100mol 40mol 38mol 1mol 61mol回收回收60mol60mol4460mol60mol？molmol产物产物氯苯氯苯 38mol38mol二氯苯二氯苯 1mol1mol苯苯 1mol1mol氯苯氯苯 38mol38mol二氯苯二氯苯 1mol1mol苯苯 61mol61molX X单单苯苯 100mol100mol(100(10061)61)1001001001003939X X总总(100(10061)61)(100(10060)60)
20、10010097.597.5S S38381 1(100(10061)61)100100452.4.10 化工产品的成本核算化工产品的成本核算 了解原料价格、规格、运费、包装费用，了解原料价格、规格、运费、包装费用，成本核算成本核算(excel)(excel)。物料平衡物料平衡 能量平衡能量平衡 生产成本计算生产成本计算 检索作业题：检索作业题：化工企业生产中，产品车间生产成化工企业生产中，产品车间生产成本的组成、出厂产品成本组成包括什么？本的组成、出厂产品成本组成包括什么？45462.5 精细化工工艺学精细化工工艺学2.5.1 研发产品的选择研发产品的选择(1)社会需求的新产品社会需求的新产
21、品:非典、禽流感等。非典、禽流感等。(2)供不应求的产品：新药中间体。供不应求的产品：新药中间体。(3)大宗产品新工艺：原甲酸三乙酯。大宗产品新工艺：原甲酸三乙酯。2.5.2 合成路线的选择：合成路线的选择：2-萘酚合成路线筛选。萘酚合成路线筛选。2.5.3合成工艺的优化与实施：紫外线吸收剂。合成工艺的优化与实施：紫外线吸收剂。46472.6 化学反应器化学反应器2.6.1 作用作用(1)传质：搅拌、挡板等形式，流动形式不同传质：搅拌、挡板等形式，流动形式不同(2)传热：盘管、夹套、列管传热：盘管、夹套、列管(3)材料：强度、腐蚀材料：强度、腐蚀 搪瓷、铸铁、不锈钢、陶瓷、塑料搪瓷、铸铁、不锈
22、钢、陶瓷、塑料(PP)；(4)操作方式：连续、间歇操作方式：连续、间歇482.6.2 间歇操作和连续操作间歇操作和连续操作(1)定义定义 间歇操作间歇操作：按顺序投料，反应后放料；：按顺序投料，反应后放料；反应物组成随时间变化；反应物组成随时间变化；温度、压力可调温度、压力可调 连续操作连续操作：恒速连续进料、放料：恒速连续进料、放料 (反应器反应器)特定部位物料的组成、特定部位物料的组成、T、P恒定恒定49(2)优缺点比较优缺点比较间歇法优点：间歇法优点：适宜小规模生产；开、停工容易；适宜小规模生产；开、停工容易；适宜更换产品；适于难连续化的产品适宜更换产品；适于难连续化的产品连续法优点：连
23、续法优点：易自控；反应速度快、时间短；生产能易自控；反应速度快、时间短；生产能力大、节能。投资大，难转产。力大、节能。投资大，难转产。502.6.3 间歇操作釜式反应器间歇操作釜式反应器(1)传热：盘管、夹套传热：盘管、夹套 冷冷(水、冰、干冰等水、冰、干冰等)；热；热(汽、电、火汽、电、火)(2)传质传质反应物料状态反应物料状态(均相均相非均相，液非均相，液-液，气液，气-液，液液，液-固固)搅拌器形式搅拌器形式(浆、锚、框、推进、耙；外循环浆、锚、框、推进、耙；外循环)2.6.3 间歇操作釜式反应器间歇操作釜式反应器（3）轴密封装置）轴密封装置（4）传动装置：电动机、减速器和搅拌轴。）传动
24、装置：电动机、减速器和搅拌轴。（5）配管：加料管、出料管、视镜、人孔、）配管：加料管、出料管、视镜、人孔、取样孔、测温孔、测压孔等。取样孔、测温孔、测压孔等。512.6.4 液相连续操作反应器液相连续操作反应器 管式反应器：长度远大于直径的反应器。管式反应器：长度远大于直径的反应器。水平管式反应器、立管式反应器、盘管式水平管式反应器、立管式反应器、盘管式反应器、反应器、U型管式反应器。型管式反应器。适宜于对温度不太敏感的快速反应。如对适宜于对温度不太敏感的快速反应。如对苯二甲酸的酯化。苯二甲酸的酯化。搅拌釜式、固定床、流化床反应器。搅拌釜式、固定床、流化床反应器。52532.6.4 液相连续操
25、作反应器液相连续操作反应器 理想混合型，理想置换型理想混合型，理想置换型2.6.4.1 理想混合型反应器理想混合型反应器(1)基本特点：基本特点：强烈搅拌使得物料剧烈混合，瞬间使强烈搅拌使得物料剧烈混合，瞬间使 反应器各个部位物料的组成、反应器各个部位物料的组成、T相同相同54(2)单锅优缺点单锅优缺点 优点：强烈搅拌利于传质、传热优点：强烈搅拌利于传质、传热 缺点：存在缺点：存在“返混返混”现象；现象；容易发生连串反应容易发生连串反应 改进：多锅串联改进：多锅串联(图图2-4)；形式改进形式改进(导流桶，环形，卧式导流桶，环形，卧式,图图2-5)55U形形循环管循环管连续连续硝化硝化多锅串联
26、多锅串联导流桶连续硝化导流桶连续硝化562.6.4.2 理想置换型反应器理想置换型反应器(管式管式)在轴向没有混合，在径向充分混合；在管式反应器横在轴向没有混合，在径向充分混合；在管式反应器横截面上任一点，物料组成、温度、压力相同。截面上任一点，物料组成、温度、压力相同。(1)基本特点：理想置换，没有返混基本特点：理想置换，没有返混(2)优点：传热面积大，传热效率高，优点：传热面积大，传热效率高，生产能力大，易于自动化生产能力大，易于自动化(3)适用范围：热效应不大，对于温度不敏感，高压操适用范围：热效应不大，对于温度不敏感，高压操作，没有固体析出作，没有固体析出572.6.4.3 气液相气液
27、相连续连续反应器反应器 主要是用于空气的氧化主要是用于空气的氧化反应，氯气的氯化反应以及反应，氯气的氯化反应以及氢气的加氢反应等。大规模氢气的加氢反应等。大规模生产，一般都采用鼓泡塔式生产，一般都采用鼓泡塔式反应器。反应器。可在塔内装有填料、筛可在塔内装有填料、筛板、泡罩板、各种挡网或挡板、泡罩板、各种挡网或挡板等内部构件，避免返混、板等内部构件，避免返混、提高传质效率。提高传质效率。582.6.4.4 气固相接触催化反应器气固相接触催化反应器 气固相接触催化反应是将反应原料的气气固相接触催化反应是将反应原料的气态混合物在一定的温度、压力下通过固体催态混合物在一定的温度、压力下通过固体催化剂而完成的，一般采用连续操作的方式。化剂而完成的，一般采用连续操作的方式。这类反应器设计的主要问题是传热和催这类反应器设计的主要问题是传热和催化剂的装卸。主要有三种类型，即绝热固定化剂的装卸。主要有三种类型，即绝热固定床反应器、列管固定床反应器和流化床反应床反应器、列管固定床反应器和流化床反应器。器。59CO水蒸汽变换反应装置水蒸汽变换反应装置 列管式固定床反应器列管式固定床反应器 流化床反应器流化床反应器
