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有机合成工艺优化 - 陈荣业著

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出版日期:2006年1月
前言

有机合成反应历来与经济发展和人民生活息息相关，有机合成工艺优化也自然成为化学工作者关注的重点。

长期以来，化学工作者一直将有机合成工艺优化作为一种实验科学，对工艺条件逐一进行对比、筛选和验证，实践中总结出一些具体化学反应的特殊规律。依据这些特殊规律，作者用动力学理论对其进行抽象和归纳，得到了化学反应过程的一般规律，使有机合成工艺优化过程理论化和简单化了。

一般规律的掌握和运用，深化了人们对有机反应的理性认识。当用它重新审视具体化学反应工艺的时候，能发现很多实验科学所难以认识的规律；能对已有工艺进行准确评价并指出改进方向；能把握关键影响因素而推进研究开发进度和质量；能判断选择性随温度、浓度的变化趋势而简化了工艺优化过程。

有机合成工艺优化是物理化学与有机化学相结合的产物；是用化学动力学方法解决有机合成的实际问题；是将化学动力学的基本概念转化成有机合成的实用技术。

在传统的物理化学理论中，化学动力学是以研究化学反应速度（转化率）为目标的。因此转化率随时间的变化关系一直成为动力学研究的重点；反应速度方程式也习惯了用-rA来表示反应原料A组分浓度的降低速度；一些化学反应数学模型也是围绕主反应速度进行的，以求取反应级数和速度常数。

有机合成工艺优化是用动力学方法研究反应的选择性。因而思路有所不同。

转化率随时间的变化关系已不是研究的重点，代之以主反应与某一特定副反应的对比速度。

速度方程已不再以主原料的减少速度－rA表示，代之以主副反应产物的生成速度（rP和rS）。

某一组分的反应级数已不被关注，代之以主副反应对某一组分反应级数的相对大小。

速度函数也已不被关注，代之以主副反应活化能的相对高低。

正是基于上述差别，化学动力学基本概念转化成有机合成实用技术，有机合成由实验科学转化成理论方法，有机合成实验量也由复杂繁多转化为简单少量，人们对化学反应过程的理解也由感性认识转化成理性认识。

《有机合成工艺优化》共分19章：第1、2、18章为理论篇；第19章为工业化篇；第3～17章为应用篇。应用篇有四大特点：一是每章均以化学动力学理论研究某一种化学反应，解析研究其主副反应的竞争规律；二是各章在应用化学动力学理论对具体化学反应的讨论中都有新的发现；三是每章均对所研究的反应类型给出建议的工艺框图和条件说明；四是每章都列举、评点了反应实例，指出利弊。通过对第3～17章的阅读可加深对化学动力学方法的理解和认识。各章内容有不同的特点。

迄今为止，作者对于用动力学方法研究反应选择性的认识仍是初步的，有待于进一步深化和提高，但愿本书能起到抛砖引玉的作用。若读者能从中受益或有所发展是作者最大的期望与欣慰。因作者水平与经验所限，错误难免，请读者批评指正。

在本书编写过程中，得到了中国科学院大连化学物理研究所周业慎教授、陈惠麟教授的审阅和修正，特此表示感谢。

陈荣业

2005年6月5日$quot$

有机合成工艺优化目录
目录
第1章用动力学方法研究反应过程1
11动力学方法的基本概念、基本理论1
111转化率、选择性和收率1
112平行副反应与连串副反应、活化能与反应级数3
113主副反应的速度比对比选择性4
114温度效应6
115浓度效应8
12动力学方法及其基本特征10
121首先定性反应产物10
122跟踪定量反应产物11
123分阶段研究反应过程和分离过程12
124程序升温法13
125调节加料法14
13动力学研究方法举例15
14新的化学反应过程研究19
141反应结果的温度效应分析19
142副产物S结构与浓度效应的关系20
143动力学方法的补充说明21
144按动力学方法的工艺优化次序21
15反应条件因果关系图解析21
第2章简单、实用的分离技巧23
21酸、碱性有机化合物的分离提纯23
211中和吸附法24
212中和萃取法25
213成盐洗涤法25
22利用平衡关系的分离提纯26
221共沸蒸馏与精馏的联用26
222同离子效应的应用28
23利用色谱分析谱图构思分离方法30
231利用GC谱图研究蒸馏、精馏过程30
232HPLC谱图与重结晶、吸附工艺的关系34
24多步反应过程的分离方法简化36
241准一步反应37
242溶剂归一化38
243不提纯原则39
第3章芳烃的混酸硝化41
31混酸硝化反应的机理和特征41
32混酸硝化反应的主副反应和动力学分析42
321一硝化反应与二硝化副反应的动力学分析43
322一硝化反应与磺化副反应的动力学分析44
323动力学综合分析44
324有机溶剂的加入对选择性的影响45
33硝化反应条件的控制45
331硫酸浓度45
332反应温度47
333加料方式47
334产品分离48
34推荐的硝化工艺框图、工艺要点及讨论49
35硝化工艺实例评点49
第4章芳烃的磺化59
41芳烃磺化反应的反应机理及特征59
42磺化反应的主、副反应和反应动力学分析60
421一磺化反应对二磺化副反应的动力学分析60
422一磺化反应对砜生成副反应的动力学分析61
423综合动力学分析62
424加入有机溶剂对温度效应、浓度效应的影响63
43磺化反应异构现象解析63
431磺化与水解不属可逆反应63
432异构现象的动力学解释64
44磺化反应的主要影响因素66
441磺化剂浓度和用量66
442磺化剂的选择67
443反应温度的控制68
444加料方式的影响68
445有机溶剂的作用69
446添加剂70
447一磺化产物的分离70
45推荐的磺化工艺70
451磺化工艺框图与特点70
452磺化方法选择与评析71
46磺化工艺的常见问题72
47磺化反应实例及评点73
第5章芳烃的烷基化和酰基化83
51芳烃的烷基化和酰基化反应机理及特征83
52二烷基化异构组成的解析85
53酰基化反应的主副反应和动力学分析86
531平行副反应的动力学分析87
532连串副反应的动力学分析90
533主副反应的动力学综合分析90
54酰基化的工艺条件讨论92
541溶剂的选择92
542三氧化铝的质量与加入方式92
543加料方式93
544反应温度和时间93
545反应的终止与络合物的分解93
546产物的分离93
55推荐的酰基化反应工艺94
56酰基化工艺的常见问题94
561溶剂使用错误94
562分离方法不当95
57酰化反应的实例评点95
第6章芳环上的卤化101
61芳烃卤化反应机理和基本特征101
62卤化反应定位规律的影响因素103
63卤化反应的动力学分析104
631对平行副反应的动力学分析105
632对连串副反应的动力学分析105
64工艺路线的优化选择107
641以邻位卤代为目标产物的工艺路线选择107
642以对位卤代为目标产物的工艺路线选择108
643二卤化与第二个卤化反应工艺路线选择109
65卤化反应工艺条件优化要点110
651卤化剂110
652反应温度111
653加料方式111
654溶剂的稀释作用111
655溶剂的极化作用112
656催化剂112
657分离与提纯112
66卤化反应的实例评点113
第7章芳醚的合成123
71卤代芳烃烷氧基化和芳氧基化的反应机理和特征123
72醚化过程的主副反应和动力学分析124
721单卤芳烃醇解反应与水解副反应的动力学分析125
722单卤芳烃芳氧基化与水解副反应的动力学分析及卤代芳烃重排的
讨论126
723多卤芳烃一烷氧基化与二烷氧基化的动力学分析127
73芳醚合成工艺的影响因素128
731卤代芳烃烷氧基化128
732多卤代芳烃的单烷氧基化129
733二芳醚的合成129
74推荐的二芳醚合成工艺131
75芳醚合成的常见问题131
76芳醚合成的实例评点132
第8章卤代芳烃的胺解140
81卤代芳烃胺解反应机理和特征140
82卤代芳烃胺解反应的主、副反应及动力学分析141
821温度效应142
822浓度效应143
83氨（胺）解反应的影响因素143
831氨（胺）的浓度143
832胺的用量与溶剂144
833原料的回收144
834反应温度与压力144
835加料方式144
84推荐的胺解反应工艺145
85卤化芳烃胺解的实例评点145
第9章卤代烃的腈化153
91卤代芳烃的腈化153
911卤代芳烃腈化的基本特征153
912卤代芳烃腈化反应的主、副反应和动力学分析154
913卤代芳烃腈化反应工艺要点155
914推荐的卤代芳烃腈化反应工艺157
915卤代芳烃腈化的实例评点158
92卤代烷烃的腈化163
921卤代烷烃腈化反应机理及基本特征163
922卤代烷烃腈化反应的主副反应163
923卤代烷烃腈化反应的动力学分析164
924工艺条件讨论165
925腈化反应实例评点167
第10章卤代芳烃的水解与分离170
101卤代芳烃水解反应机理和特征170
102副反应与动力学讨论171
1021按SNAr反应机理进行的水解反应171
1022按苯炔反应机理进行的水解反应171
103卤代芳烃水解产物——酚的分离172
1031利用羟基的酸性使非酸性物质除去172
1032利用挥发酚与水共沸的原理减少水溶解损失173
1033利用异构体氢键的差异，使异构体分开174
1034利用对称结构熔点高的原理，去除不对称异构体174
104酚提纯过程的主要问题175
105酚合成与分离实例评点175
第11章芳烃重氮基水解182
111重氮基水解反应的机理和特征182
112重氮基水解的主副反应和动力学分析182
1121温度效应184
1122浓度效应184
1123温度效应与浓度效应的作用比较184
113重氮盐水解反应的重要影响因素185
1131反应温度185
1132加料方式与分布185
1133产物的移走186
1134重氮盐水解的介质及催化剂186
1135一步法及其应用范围186
114推荐的重氮盐水解工艺187
115重氮盐水解工艺的常见问题188
116重氮盐水解反应实例评点188
第12章重氮基的自由基取代196
121重氮基取代反应的反应机理与特征196
122取代反应的主副反应和动力学分析196
1221卤代反应与水解副反应的动力学分析197
1222卤代反应与偶合副反应的动力学分析198
1223温度效应与浓度效应的交互作用199
123重氮基卤代反应的工艺条件199
1231反应温度199
1232卤化亚铜的用量200
1233加料方式200
1234有机溶剂的作用201
1235产物的分离201
124推荐的重氮盐取代反应工艺201
125重氮基取代反应的常见问题202
126重氮基取代反应实例评点203
第13章氟代芳烃的合成213
131氟代重氮盐的热解213
1311氟代重氮盐热解法制氟代芳烃的一般规律213
1312氟代芳胺重氮盐热分解过程的主、副反应213
1313芳胺重氮化氟代反应的工业化条件解析214
1314重氮盐氟化工艺实例评点216
1315重氮化、氟代反应的改进方向217
132氟硼酸重氮盐热解219
1321氟硼酸重氮盐热解法（希曼法）219
1322希曼反应的主、副反应220
1323氟硼酸重氮盐制备工艺要点221
1324希曼反应工艺的改进方向222
1325希曼反应的工业实例评点223
133氯代芳烃氟代226
1331芳烃氟氯交换反应的基本特征226
1332氯代芳烃氟化的主、副反应226
1333卤代芳烃氟代反应的工艺条件解析228
1334氟氯交换反应的实例评点229
第14章芳烃侧链的卤化232
141芳烃侧链卤化的机理和特点232
1411芳烃侧链卤化反应机理232
1412芳烃侧链卤化反应特征233
142芳烃侧链卤化的主副反应与动力学分析233
1421侧链卤化与芳环卤化的动力学分析234
1422侧链卤化不同阶段的动力学分析235
1423以一卤苄为目标化合物的动力学分析236
1424以三卤苄为目标化合物的动力学分析237
143芳烃侧链卤化的工艺条件237
1431溶剂的选择238
1432卤素的选择238
1433引发剂的选择239
1434紫外光与添加剂239
1435反应温度的选择239
1436杂质的影响239
1437加料方式240
144推荐的芳烃侧链氯化工艺240
145侧链卤化的常见问题240
1451溶剂的选择不当240
1452自由基的引发不利241
1453卤化剂的选择不利241
146芳烃侧链卤化实例评点241
第15章格氏试剂的制备与反应246
151格氏试剂的一般概况246
152格氏试剂合成与反应的主副反应和动力学分析246
1521格氏试剂合成的主副反应和动力学分析246
1522格氏试剂亲核取代（亲核加成）反应的动力学分析248
153格氏反应的工业化条件讨论250
1531无氧、无水、无锈的操作条件250
1532溶剂的选择、用量和回收利用250
1533反应设备要求251
1534引发过程控制252
1535反应温度及加料方式252
1536格氏试剂亲核取代（亲核加成）反应的工艺要点252
154推荐的格氏反应工艺253
155格氏反应的常见问题254
1551溶剂的选择与回收问题254
1552卤代烃的选择问题254
1553加料方式问题254
156格氏反应的实例评点254
第16章羰基的加成缩合260
161羰基加成缩合反应的一般规律260
162醛酮缩合260
1621亚苄基丙酮合成过程的主副反应及动力学分析261
1622亚苄基丙酮合成实例评点263
1623其他醛酮缩合实例评点265
163酮酯缩合267
1631甲基酮与酯缩合的主副反应及动力学分析267
1632茚满二酮合成实例评点268
1633其他酮酯缩合实例评点269
164酯酯缩合271
1641酯酯缩合机理及一般规律271
1642异酯缩合的主副反应和动力学分析271
1643酯酯缩合的工艺条件273
1644酯酯缩合实例评点273
第17章氮杂环化合物276
171氮杂环化合物的特征和合成机理276
1711氮杂环化合物的特征276
1712氮杂环化合物的合成机理276
172含氮杂环化合物合成的一般特点和主副反应278
173EVP＞EVM时的动力学分析280
1731平行副反应的动力学分析280
1732中间体连串副反应的动力学分析282
1733缩合、环合反应动力学综合分析282
174吡唑与嘧啶（β酮酸酯与脲类合成法）的合成条件283
1741反应温度283
1742加料方式283
1743溶剂的作用284
175推荐的吡唑、嘧啶（β酮酸酯与脲类合成法）合成工艺284
1751活化能差较大时的两步缩合反应工艺284
1752活化能差较小时的两步缩合反应工艺284
176吡唑与嘧啶合成实例评点285
177EVP1771温度效应290
1772浓度效应290
178推荐的咪唑和嘧啶（羧酸衍生物与丙二胺法）合成工艺290
179咪唑和嘧啶（羧酸衍生物与丙二胺法）合成工艺实例评点291
1710杂环化合物的提纯293
17101杂环化合物的一般特点293
17102碱性杂环化合物提纯的一般步骤293
17103氮杂环化合物提纯实例评点293
第18章进攻试剂的活性比较296
181芳烃的亲电取代296
182芳烃的亲核取代298
1821SNAr机理（SN2机理）298
1822SN1机理299
1823苯炔机理299
183卤代脂肪烃的亲核取代300
1831SN2机理300
1832SN1机理301
184烯烃的亲电加成302
185羰基的亲核加成303
186自由基取代反应304
1861自由基反应机理的三个阶段（自由基的引发、传递和终止）304
1862自由基反应活性304
1863自由基进攻的选择性305
第19章有机合成反应的工业化放大307
191釜式反应器的放大效应307
1911温度梯度、浓度梯度不同307
1912换热比表面积与反应周期不同308
1913死区与设备清洗不同309
1914 温度指示的偏差不同309
192反应过程的重要影响因素310
1921混合状态的影响310
1922局部过热和局部过浓问题的解决（消除梯度）312
1923吸热反应的温度控制313
1924放热反应的温度控制315
193工业化放大的准备319
1931原料、中间体的可用性评价320
1932设备的可用性评价321
1933工艺的准备及管理322
1934安全准备323
194工业化放大的设计技巧324
1941多功能反应单元的设计325
1942分层罐的设计326

本书理论性强，结构紧密，适合从事有机合成研究开发的专业工作者、教学培训工作者、在读研究生学习使用。

有机合成工艺优化内容介绍:
本书是用动力学方法研究反应的选择性，将化学动力学基本概念转化成有机合成实用技术的过程。

全书共分为19章。第1、2章从理论上介绍了用动力学方法研究反应过程和简单、实用的分离技巧。第3～17章从应用的方面，分别对芳烃的混酸硝化、芳烃的磺化、芳烃的烷基化和酰基化、芳环上的卤化、芳醚的合成、卤代芳烃的胺解、卤代烃的腈化、卤代烷烃的腈化、芳烃重氮基水解、重氮基的自由基取代、重氮基卤代反应的工艺条件、氟代芳烃的合成、芳烃侧链的卤代、格氏试剂的制备与反应、羰基的加成缩合、氮杂环化合物进行了详细介绍。第18、19章则对进攻试剂的活性比较和有机合成反应的工业化放大进行了说明。

本书理论性强，结构紧密，适合从事有机合成研究开发的专业工作者、教学培训工作者、在读研究生学习使用。$quot$

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