精细有机合成化学与工艺学第二章

混酸 硝化
NO 2
NO 2 ＋
NO 2
＋ NO 2
NO 2 NO 2
0℃ 5％ 94％
1％
40℃ 7％ 91％
2％
90℃ 13％ 85％
2％
（2）使不可逆的磺化、C-烷化反应转变为可逆 反应，从而影响产物异构体的比例。
实例1：
CH3
0℃
200℃
CH3
CH3
SO3H
CH3
SO3H
SO3H
43%
4%
53%
2.1.3.2 亲电试剂的活泼性
亲电试剂的活泼性越高，亲电取代反应速度 越快，反应的选择性越低。
亲电试剂的活泼性越低，亲电取代反应速度 越低，反应的选择性越高。
表 亲电试剂活泼性的影响
异构产物 比例，％
H3C
59.8
0.5 39.7
H3C
1.17
1.25 97.6
H3C
38.4
21.0 40.6
亲核试剂
负离子：OH-，RO 含有可极化或已极化共价键的分子偶极
的正端：NH3，RNH2 烯烃的双键和芳环 还原剂：Fe2＋ 碱类：OH 金属有机化合物中的烷基：RMgX
2.1 芳香族亲电取代的定位规律 2.1.1反应历程
图2-1 苯亲电取代的能量变化图
2.1.2 苯环上已有取代基的定位规律
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 做理论收率。
YP＝
nP
a p
nA,in
×100％
YP＝
nP nA,in
p a
×100％
Y＝S×X
例：H2N
+ H2SO4
H2N
H2N
+ 焦油
100mol
SO3H
87mol 2mol 少量
X苯胺＝
100－2 100 ×100％ ＝98％
217kg ≥97％
231.2
苯胺的消耗定额＝100÷217＝0.461t＝461kg
2.2.9 单程转化率(X单)和总转化率(X总)
X单＝
nRA,in－ nRA,out nRA,in
×100％
X总＝
nSA,in－ nSA,out nSA,in
×100％
nAR，,in nAR—,ou—t 反应物A输入和输出反应器的物质的量 nAS,，in nAS—,ou—t 反应物A输入和输出全过程的物质的量
CH(CH3)2 65~70%
CH(CH3)2 28~30%
反应介质
NH COCH 3
硝化 反应介质
NH COCH 3
NO 2
+
NHCOCH3
+
NO 2
乙酸酐 约92％ 硫酸 约30％
少量 少量
约8％ 约70％
NHCOCH3 NO 2
催化剂的影响
（1）改变E+的极性效应或空间效应。
CH3
CH3
CH(CH3)2 CH(CH3)2Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃) 26.2 26.2 47.2
C(CH3)3 C(CH3)3Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃)
0
32.1 67.9
2.1.3.7 反应条件影响
温度
（1）通常情况下，温度升高，亲电取代反应活性增 高，选择性下降。
NO 2
反应类型
氯化
C-酰化
C-烷化
反应条件
Cl2 (CH3COOH,25
℃)
CH3COCl (AlCl3,C2H4Cl2, 25℃)
C2H5Br (GaBr3,C6H5CH3,2
5℃)
kT/kB
340
128
2.47
2.1.3.3 空间效应的影响
已有取代基的空间效应
表
(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。
-Br
0.77
-I
0.83
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。
表 甲苯C-烷化反应新引入基团对异构体比例的影响
新引入 基团
反应条件
异构产物比例，％ 邻位 间位 对位
CH3
CH3Br(GaBr3,C6H5CH3,45℃)
55.7 9.9 34.4
C2H5
C2H5Br(GaBr3,C6H5CH3,25℃) 38.4 21.0 40.6
S＝
87×1 100－2
×100％ ＝88.7％
Y＝X苯胺×S＝98％×88.7％＝87.0％
＝
87 100×1
×100％
2.2.7 质量收率(Y质)
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。
NH2
NH2
例：
+ H2SO4
质量
100kg
纯度
99％
相对分子量 93
SO3H
217kg
≥97％
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。
类型定位基，且处于邻、
NH COCH 3
对位，则定位作用不一
CH3
致——取决于定位能力
的强弱。
COOH COOH
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。
CH3
NO 2 NH COCH 3
R
一硝化（AcONO2,0℃)产物异构体比例
R -CH3 -C2H5 -CH(CH3)2 -C(CH3)3
o/p 1.66 0.90 0.41 0.12
(2)当极性效应起主导作用时，结果可能相反。
X
表 一硝化（HNO3,67.5%H2SO4,25℃)产物异构体比例
X
o/p
-F
0.15
-Cl
0.55
231.2
Y＝ 217×97％÷231.2 ×100％＝85.6％
100×99％÷93×1
Y质＝217÷100×100％＝217％
2.2.8 原料消耗定额
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。
例：
NH2
NH2
+ H2SO4
质量
100kg
纯度
99％
相对分子量 93
SO3H
硝化
NO2 SO3H
E
SO3H
+
NO 2
2.1.6 蒽醌环的定位规律
蒽醌环的特点
（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。
O
O NO2
O O
O NO2
O
O
NO2 O
蒽醌环的定位规律 催化剂的影响
O
O
SO3H 磺化
O
O
磺化 HgSO4催化
O SO3H O
2.2 化学反应的计量学
有-I，无T： 如-N+(CH3)3,-CF3,-CCl3等 （1）使σ-配合物均不稳定，使苯环钝化； （2）使邻、对位取代产物更不稳定； （3）为间位定位基。
有+I，+T： 如-O-,-CH3 （1）共轭效应与诱导效应作用一致； （2）则使苯环活化； （3）邻、对位定位基。
有-I，-T： 如-NO2,-CN,-COOH,-CHO等 （1）诱导效应与共轭效应作用一致； （2）则使苯环钝化； （3）间位定位基。
第2章 精细有机合成基础
精细有机 进行方式 合成反应
取代反应
反应试剂的性质
反应物分子中 C-H键断裂方式
亲电取代 亲核取代 游离基取代
加成反应 加成的基本途径
亲电加成 亲核加成 游离基加成 环加成
消除反应
被消除原子或原子团位置 α-消除 β-消除
发生重排原子（团）位置 分子内重排
重排反应
分子间重排
反应物的摩尔比 限制反应物和过量反应物 过量百分数 转化率 选择性 理论收率 质量收率 原料消耗定额 单程转化率和总转化率
2.2.1 反应物的摩尔比
指加入反应器中的几种反应物之间的物质 的量（摩尔）之比。例如：
Cl + 2HNO 3
Cl NO2 + 2H2O
NO2
化学计量比 1 2 投料摩尔数 5 10.7 反应物的摩尔比 1 2.14
例：
Cl
Cl
+ Cl2
+ HCl +
Cl +
100mol 40mol 38mol
投料摩尔比 1
2.14
Cl NO2 + 2H2O
NO2
硝酸过量百分之多少？
硝酸的过量百分数＝ 10.7 5 2 100% 7% 52
2.2.4 转化率(X)
某一反应物A反应掉的量nA,R占其投料量 nA,in的百分数叫做反应物A的转化率XA。
XA ＝
nA,R nA,i
×100％
＝
nnA,i - nA,ou n nA,ti
反应试剂的分类
A－X + Y A－Y + X
基质 反应试剂
产物
离去基团
反应试剂
极性试剂 游离基试剂
亲电试剂 亲核试剂
亲电试剂
正离子：NO2+，R+ 含有可极化或已极化共价键的分子偶极的正端：
Cl2，HCl 含可接受共用电子对的分子：FeCl3，AlCl3 羰基的双键：C=O 氧化剂：Fe3+，O3 酸类 卤代烷中的烷基：R-X
2.2.3 过量百分数
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。
过量百分数＝ ne nt 100% nt
Ne——过量反应物的物质的量； Nt——与限制反应物完全反应所消耗的过量反
应物物质的量。
例：
Cl
+
2HNO 3
限制反应物 过量反应物
化学计量比 1
2
投料摩尔数 5
10.7
90% 10%
85% 15%
氯化
低温磺化
SO3H
160℃异构化 SO3H
已有一个取代基的定位作用
（1）已有一个第一类取代基
CH3
大多使萘环活化，新 取代基进入已有取代基的 同环。
CH3 OH
（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。
NO 2
E+
E NO2 +
NO 2
SO3H
2.1.3 苯环的定位规律及影响因素
已有取代基的极性效应和定位作用 亲电试剂的活泼性 空间效应的影响 反应条件的影响 已有两个取代基的定位规律
苯环上已有一个取代基的定位规律
邻位取代 对位取代 间位取代
Z H E
+
Z
+ HE
Z + H E
Z H
E +
Z +
Z +H
E
Z
HE Z
H +E
+ HE
Z +
H E
2.1.3.1取代基电子效应
诱导效应（I）：由电负性大小决定。 -I:吸电子 ＋I:供电子
共轭效应（T）：包括π-π共轭和p-π共轭。 -T:吸电子 ＋T:供电子
有+I，无T： 如-C2H5 （1）使σ-配合物稳定，活化苯环； （2）使邻、对位取代产物更稳定； （3）为邻、对位定位基。
2.2.2 限制反应物和过量反应物
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
超过限制反应物完全反应的理论量的反应物叫做过
量HNO 3
Cl NO2 + 2H2O
限制反应物 过量反应物
NO2
化学计量比 1 投料摩尔数 5 投料摩尔比 1
2 10.7 2.14
有-I，+T，且|-I|<|+T|：
如-OH,-OCH3,-NH2,-N(CH3)2,
-NHCOCH3等
Z H
（1）诱导效应与共轭效应作用
E
不一致，共轭效应作用大于诱
导效应，使苯环活化；
Z
（2）使邻、对位取代产物更稳
定；
HE
（3）邻、对位定位基。
Z H E
Z
HE
Z H E
Z H E
Z
Z
HE
HE
有-I，+T，且|-I|>|+T|： 如-F,-Cl,-Br,-I等 （1）总效果使苯环电子云密度降低； （2）使取代基邻、对位电子云密度低于间位； （3）邻、对位定位基。
×100％
n
2.2.5 选择性(S)
某一反应物转化为目的产物理论消耗的物 质的量占该物质在反应中实际消耗的量物质 的量的百分数，叫做选择性。
aA ＋ Bb = pP
SA＝
nP
a p
nA,R
×100％
化学计量比
＝ nA,ninP－apnA,out×100％
2.2.6 理论收率(Y)
生成的目的产物的物质的 量占输入的限制反应物的物 质的量的百分数，叫做理论 收率。
CH3
混酸硝化
NO 2
＋
CH3
混酸硝化 磷酸
CH3 NO 2
NO 2
36％
CH3
＋
NO 2
40％
（2）改变反应历程。
O
SO3H 磺化
O
O
O SO3H
磺化
HgSO4催化
O
O
2.1.4 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
CH3
少量
位，则定位作用一致。
CH3
已有两个取代基为同一 主产物
COOH
2.1.5 萘环的定位规律
萘环的特性
（1）比苯环更易发生亲电取代反应。
HE
HE
HE
HE
HE
α-位
H
H
H
H
H
E
E
E
E
E
β-位
（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。
95% 5%
硝化
CH3
CH3
SO3H
CH3
4.3%
SO3H SO3H
54.1%
35.2%
实例2：
CH3
CH2=CH-CH3 AlCl3,0℃
CH2=CH-CH3 AlCl3,110℃
CH3 CH(CH3)2
CH3
CH3
CH(CH3)2
34%
25%
CH3 CH(CH3)2
CH3
CH(CH3)2 41%
CH3
1~2%