06章有机物的电解合成

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• 到了20世纪60年代,以电合成己二腈与电合成四乙基铅的工业化为标 志的现代有机电合成工业开始了蓬勃的发展。
• 1965年美国孟山都(Monsanto)公司电解还原丙稀腈合成己二腈,使有 机电解氧化还原不单是精细化学品的合成方法,而且成为石油化学加 工的手段。几乎同时,美国的纳尔科(Nalco)公司实现了电合成四烷基 铅的工业生产。
• 在有机电化学中,如果作用物没有导电性,则要加入支持电 解质。对于质子惰性的介质中,季胺盐类是常用的支持电解 质,相反离子在阳极过程中是抗氧化的,常选用六氟磷酸盐、 六氟硼酸盐、高氯酸盐和甲苯磺酸盐。
有机电合成的原理
• 有机电合成基于电解来合成有机化合物,电解时发生的合成 反应通过在电极上发生的电子得失来完成,因此须有以下三 个基本条件:
1、发展电解中特有的反应
例如己二睛的电解还原合成等,反应选择性高,有竞 争力并已工业化。
2、发展能缩短工艺过程的有机电合成
• 例如,对氨基苯甲醚的合成: • 采用化学合成,需三步工艺如下:
硝化
甲氧基化
Cl - Ph Cl - Ph - NO2 CH3 - O - Ph - NO2
还原(Fe+HCl)CH3 - O - Ph - NH2
• (7) 有些用通常化学反应难以制得的产品(如难以氧化或还原 的)只有通过电化学方法合成。
有机电合成的不足
• (1) 电解反应仅限于氧化和还原反应(???),反应必须有 特殊的装置和设备。例如,每一反应需要特殊种类的电解槽, 而电解槽的设计大多是非标准的,加工和购置较为困难。
• (2) 反应过程的影响因素较多,反应装置的复杂性,由于存在 “两极”的差别且两极分别有氧化产物和还原产物,再加上 要保证反应物和目的产物的扩散分离,因此往往需要对电极 材料。电解槽结构和隔膜材质提出很高的要求,再加上槽外 设备,更增加了电解装置的复杂性。
“原子经济性”
• 面对环境、 能源、 资源与可持续发展等问题日益峻的形势,绿 色化学已经提到了议事日程。绿色化学要求合成反应应当符合 “原子经济性”,应最大限度地利用原料分子的每个原子,使之 结合到目标分子中,达到零排放。
• 有机电合成就完全符合“原子经济性”要求,它是把电子作为试 剂(世界上最清洁的试剂),通过电子得失来实现有机化合物合成 的一种新技术,而传统的合成催化剂和合成“媒介”(试剂)是很 难达到这种要求的。以“原子经济性”为目的额定绿色合成将成 为这一前沿学科的重要分支之一。
• 5. 利用相转移的电解法
• 电化学反应易在水相中进行,在水相电导率高,槽电压低, 降低能耗,而产品常留在有机相中,易分离,在经济上有利。 例如,电合成己二腈,原料丙烯腈微溶于水,则以7%的浓 度配成水相,加12%的季胺盐进行电还原,阴极反应为:
电解过程实施
• 电解装置 • 电极材料 • 溶剂 • 支持电解质
有机电合成的实验装置
• 将一对电极放在含导电溶液的烧杯中,接上直流 电源即可。两电极间距为1~5mm以减少电阻并达 到要求的电流密度。
• 对于某些反应,需要用隔膜将电极隔开以防止产 物从一个电极扩散到另一个电极而被消耗掉。
• 电极材料要求价格低廉、易于成形、能诱发反应 的选择性并加快反应,同时材料的毒性要小。对 于电氧化反应,最普通的电极是由Pt,C和PbO2 制得。
• (4) 可以在常温常压下进行,无需特殊的加热和加热设备,节 省能源和设备,操作简便,使用安全。
• (5) 有机电合成的装置具有通用性,在同一电解槽中可以进行 多种合成反应,改变电极材料或反应溶液便能合成某种新的有 机产品。
• (6) 可以任意改变反应速率,或随时中止或及时启动反应,而 化学法无此能力。
采用电合成法,则需一步工艺:
O2N - Ph 4e,蒙乃尔合金,CH3OHH2SO4 CH 3 - O - Ph - NH 2
3、发展使用廉价的有机合成
• 利用廉价的化工原理,如生物物质和天然物质 的电化学变换:淀粉电解合成二醛淀粉;葡萄糖 电解合成医药品葡萄糖酸钙;糠醛电解合成工 业上有用的糠醇和糠酸;毛发电解还原为l-半胱 氨酸等。
第六章 有机物的电解合成
6.1 概述
• 有机物的电解合成是用电化学方法进 行有机化合物合成的科学,它是一门 涉及电化学、有机合成及化学工程等 内容的边缘科学。
• 在注重环境保护的今天,电解合成法 在对有机物特别是高附加值精细化学 品的生产,具有广泛的价值,其地位 愈显重要,其发展相当迅速。
有机电合成方法与精细化工
• 4. 发展间接的电解合成法,提高反应选择性
• (1) 间接电还原:利用媒质在电极上产生的还原剂与反应底 物教学化学反应,还原剂被氧化后在阴极上再生,以此达到 还原剂循环使用儿反应物不断生成的目的。
• 由于媒质大多为无机物离子对,如Cr3+/Cr6+,Ce3+/Ce4+, Mn2+/Mn3+等,它们很容易实现电极过程,电流效率高,电 解工艺简单,从而达到节能的目的。而且一个反应器只要适 当改变离子对就能用于多种混合物的合成,特别适用于精细 有机产品的合成。
有机电化学反应分类
(1)阳极氧化反应例如烃的氧化、官能团的氧化、 芳香族的取代反应等。在这些反应中除失去电子外, 常常还要脱去质子,或在OH-基参与下,脱去水分 子。
(2)阴极还原反应:包括不饱和径(多重键)的 还原、官能团〔例如羰基、硝基、腈基、亚胺基等) 的还原,在这些反应中除电子参加反应外,还有质 子参加
• 1834年法国化学家法拉第(Faraday)在实验室进行了首次 有机电合成——电解乙酸钠溶液制取乙烷。
• 19世纪初Petrov进行醇和油脂的电解试验。 • 1804年,Grotgus电解氧化无色靛蓝得到蓝色靛蓝。 • 1849年Kolbe电解羧酸盐水溶液制取烷烃。
“古老的科学,崭新的技术”
• 20世纪30年代,有机电合成反应在化学工业得到了应用,如硝基苯电 还原制苯胺、葡萄糖电还原制山梨醇与甘露醇等。
有机电合成与一般有机合成的比较
有机电合成与无机电合成的对比
有机电化学反应的特点
• 通过有机物分子与电极之间的电子转移,在电极 表面生成活性中间体。视电子转移方向而定,生
成离子自由基或阴阳离子
A2
e A
e e A
A
e A2
e
e e
e
• 若有机物为自由基时,则按下式得失电子或得失 H+而互相转移
有机电解质溶液
• 由于水几乎不能溶解有机反应物和产物,在有机合成中很少 用水作溶剂。在电氧化中常选用乙酸、吡啶、硝基甲烷和乙 腈为溶剂。乙腈除毒性外是最好的溶剂。易挥发的二氯甲烷 在较低温度下使用。醇类(甲醇、乙醇等)、醚类(四氢呋 喃等)、酰胺类(二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺)、丙酮和 乙腈是电还原过程选择的溶剂。此外,在相转移电解中常采 用混合溶剂来解决溶解性的问题。
• 目前,达到工业化生产的有机电合成产品已逾百种,孟山都公司电解 还原丙稀腈合成己二腈已经发展到年产10万吨,而实验室用电合成法 制备成功有待产业化的产品更是多达八千余种。
• 近10年来,我国有机电化学合成领域也得到较大发展,有10多个产品 实现了工业化,研究品种日益增多,与世界先进水平的差距逐步缩小。 我国也于20世纪80年代初建立了第一套工业化生产装置――L半胱氨 酸盐酸盐水合物的合成。
A
e A e A或A e e
H H
H A H
A
电解合成的特殊性
• (1)立体选择性 甲基环己烯的阳极乙酰反应中,顺
式异构产物占优势,而化学合成法主要 生成是热力学稳定的反式异构体。
(2)分布的特殊性
• 电极表面生成的活泼中间体在均匀扩散 到溶液中之前,就与其他试剂分子起反 应。
例如亚胺阳离子还原生成碳阴离子,在强酸条件 下被氯代烃烷基化,产率很高,已用于生物碱的合成。 一般有机反应,活泼中间体在溶液中均匀分布,在酸 性溶液中碳阴离子必先质子化。
• (2) 在电合成过程中,可通过改变电极电位合成不同的有机产品; 同时可通过控制电极电位,使反应按预定的目标进行,收率和 选择性较高。通过对电解条件(如电压、电流、电解液组成等) 的调节,可以较容易、较准确地实现对生产的控制。
有机电合成的优点
• (3)在电化学反应体系中,电子转移和化学反应这两个过程可 以同时进行。与普通化学法相比,能缩短合成工艺,减少设备 投资,缓解环境污染。
有机电合成的不足
• (3) 合成理论及工艺技术的不成熟性,尤其是电合成反 应动力学原理中存在的许多问题及均匀分布、分离技术 难题的存在。
• (4) 电解需要消耗大量的电能。以上不足也正是广大有 机电化学工作者今后研究的方向和奋斗目标。
• 因此,有机电合成往往适宜生产价格较高、需求量大的 精细化工产品。
(3)耦合反应:除发生电子得失的电极反应外, 还伴随着进行均相化学反应。当电极反应的产物 含有自由基或其他活性中间休时,常常会发生这 类反应,例如电解氧化羧酸盐脱羧二聚反应
(4)间接电氧化还原反应:参加电极反应不是 有机物本身而是某种氧化还原电对,它们在电极 上被氧化或被还原,然后转移到均相体系中,通 过化学反应把有机物氧化或还原,而自身则转化 为共轭的还原态或氧化态,重新在电极反应中再 生。
• 从本质来说 ,有机电合成很有可能会消除传统有机合成产生环境 污染的根源。
有机电合成的优点
• (1) 有机电化学合成反应无需有毒或危险的氧化剂或还原剂, 电子就是清洁的反应试剂。在反应体系中除原料和生成物外, 通常不含其它反应试剂。合成产物易于分离和精制,产品纯度 高,副产物少,环境污染可大幅度降低,有的甚至完全无公害, 是今后“绿色化学合成工业”的重要组成部分。
• 例如,对硝基苯甲酸的电还原,以铅板为阴极,碳棒为阳极, 两极间有隔膜,采用直接电解还原时,反应式为
O2N
- Ph
- COOH
6H
6Cl -
电解
NH 2
- Ph
- COOH
2H 2O
3Cl
2
• 此法电流效率较低。若采用间接电还原合成,以ZnCl2为还原 媒质,同时为支持电解质,其它条件与直接还原相同,反应式
电化学合成法规模效益小,但对小规模生产还是比较有利的:而且通 过调节电压、电流,反应易控制。虽然电的价格较高,对于生产少量、 多品种的精细化工产品来说,采用电化学方法还是很合适的。
“古老的科学,崭新的技术”
• 有机电化学合成与其它学科一样,也是在生产力不断发展的 基础上成长起来的。
• 早在19世纪初期,Rheinold发现电是一种强有力的氧化剂和 还原剂,已经用稀醇溶液进行电解反应的研究。
• 这两个标志性过程可认为是有机电合成工业化的最重要的突破,它预 示着有机电解工业的新发展,对更多的有机物采用自动、连续、污染 少的电化学工艺的日子正在到来。
“古老的科学,崭新的技术”
• 近30多年来,有机电合成被受重视,尤其是美、英、日、德等工业发 达国家。在该领域的开发和应用相当活跃,专利数大幅增加,医药、 香料、感光材料、农药等高附加值的精细化工产品的电合成成为其主 攻方向。

电解
Zn 2+
氧化
Zn
O2N - Ph - COOH 6H NH2 - Ph - COOH 2H2O
• 其电流效率约为80%,比直接法高得多。
• (2) 间接电氧化:例如,甲苯的 Ph 4Ce 4 H2O Ph - CHO 4Ce 3 4H 4Ce 3 4e 4Ce 4 • 媒质铈离子能反复循环使用,它实际上起着催化剂的作用。
医药品、香料、农药等称为精细化学品,是高附加值的产品,这类产 品一直用有机合成和发酵法生产,后来才认识到对这些精细化学品采 用电解合成的过程是极为有效的。
即有机电合成方法可以在温和的条件下制取许多高附加值的有机产品, 而且用电子这一下净的“试剂”占代替会造成环境污染的氧化剂和还 原剂,是一种环境友好的洁净合成,代表了新世纪化学工业发展的一 个方向。近30年来有机电合成在许多国家得到了迅速发展。
• (1) 持续稳定供电的(直流)电源; • (2) 满足“电子转移”的电极; • (3) 可完成电子移动的介质。 • 为了满足各种工艺条件,往往还需要增加一些辅助设备,如
隔膜、断电器等。而对于有机电合成来讲最重要的是电极, 它是实施电子转移的场所。
工业化必须达到的指标
6.2有机合成的若干发展方向
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