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催化和相转移催化
在药物合成中估计80~85%的化学反应需要使用催化剂。如氢化、脱氢、氧化、还原、脱水、脱卤、缩合、环合等反应几乎都要使用催化剂。
第一节催化剂和酸碱催化
一、催化作用的基本特征
某一种物质在化学反应系统中能改变化学反应速度,而本身在化学反应前后化学性质没有变化,这种物质称之为催化剂。
正催化
负催化
自动催化
催化作用机理:
1)催化剂能降低反应活化能,增大反应速度。
2)催化剂具有特殊的选择性。
不同类型的化学反应,有各自适宜的催化剂;
对于同样的反应物系统,应用不同的催化剂,可以获得不同的产物。
C2H5OH
CH2=CH2+H2O
CH3CHO+H2
C2H5OC2H5+H2O
CH2=CH-CH=CH2+H2O+H2
Al2O3
Cu
H2SO4

350~360℃
200~250℃
140℃
400~500℃
二、催化剂的活性及其影响因素
催化剂的活性就是催化剂的催化能力。在工业上常用单位时间内单位重量(或单位表面积)的催化剂在制定条件下所得到的产品量来表示。
影响催化剂活性的因素较多:
1)温度
温度对催化剂活性影响很大,温度太低时,催化剂的活性小,反应速度很慢,随着温度上升,反应速度逐渐增大,但达到最大反应速度后,又开始降低。绝大多数催化剂都有活性温度范围。
2)助催化剂
在制备催化剂时,往往加入少量物质(<10%),这种物质对反应的活性很小,但却能显著提高催化剂活性、稳定性或选择性。
3)载体(担体)
常把催化剂负载在某种惰性物质上,这种物质称为载体。常用的载体活性碳、硅藻土等
使用载体可以使催化剂分散,从而使有效面积增大,既可以提高其活性,又可以节约其用量。同时还可以增加催化剂的机械强度,防止其活性组分在高温下发生熔结现象,影响催化剂的使用寿命。
4)催化剂毒物
对于催化剂的活性有抑制作用的物质,叫做催化毒物。有些催化剂对毒物非常敏感,微量的催化毒物即可以使催化剂的活性减少甚至消失。
三、酸碱催化
酸碱催化是指在溶液中的均相酸碱催化反应,它在有机合成中的应用广泛。
Lewis酸—这个中性分子,虽无酸的功能基团,但如其结构中有一个原子尚未完全满足的价电子层,且能与另一个具有一对未共享电子的原子发生结合,形成配位键化合物的称Lewis酸。
Lewis碱—一个中性分子,若具有多余的电子对,且能与缺少一对电子的原子或分子以配位键相结合的,成为Lewis碱。
AlCl3、BF3是酸
H2O、NH3是碱
F
F
B
F
Cl
Cl
Al
Cl
H
O
H
H
H
N
H
通常,催化反应是将反应过程分成几步降低活化能。催化剂必须容易与反应物之一作用,形成中间络合物;这个之间络合物又必须是活泼的,即容易与另一反应物发生作用,重新释放出催化剂。对于许多极性分子间的反应,容易放出质子或接受质子的物质,如酸碱很符合这个条件,故而成为良好的催化剂。
以酸作催化剂,则反应物中必须有一个带有剩余负电荷,容易接受质子的原子(如氧、氮等)或基团,先是结合成为一个中间的络合物,并进一步起反应,或诱发产生正碳离子或其它元素的正离子或活化分子,最后得到产品。所以大多数醇、醚、酮、酯、糖以及一些含氮化合物参与反应,常可以被酸所催化。
例如酯化反应的历程,先发生羧酸与催化剂(H+)的加成,然后再与醇加成,最后从生成的复合物中分离出一分子水和质子,同时形成酯。
-
+
C
OH
O
R
+
C
OH
OH
R
+
C
OH
OH
R
O
H
R’
C
OR’
O
R
+ H+
R’OH
+ H2O + H+
在这里,若没有质子催化,则碳原子上的正电荷不够,醇分子中的孤电子对作用能力薄弱,无法形成加成物,酯化反应就难于进行。
Lewis酸催化剂有AlCl3,FeCl3,BF3,ZnCl2等。催化芳香环烃化反应。卤代烃在这些催化剂作用下,先形成亲电性的正碳离子,然后与苯结合形成杂化的带阳电荷的离子复合物,正电荷分散在苯环的三个碳原子上,然后失去质子,最后得到烃基苯。
若没有lewis酸的催化,卤代烃的正碳离子上正电荷不够
无法形成反应的中间复合物,烃化反应就无法进行。
在碱催化的反应中,碱是质子的接受者,那些能被碱催化的反应物必须是容易把质子转移给碱而形成中间络合物的分子;所以它们经常是一些有氢原子的化合物。在>C=O,-COOR,-CN,-NO2等基团旁边的-碳原子上的氢( -氢原子)常呈现这种活泼性。所以这类化合物,常可以用碱来诱发生成负碳离子,以此来推动反应的进行。
酯类碱性水解时,由于OH-对碳原子的进攻,形成一个中间络合物,使水解反应顺利进行。