相转移催化反应概述

相转移催化反应概述

相转移催化是20世纪60年代开始形成的一门新技术，多应用于非均相反应体系，可以在温和的反应条件下加快反应速率，简化操作过程，提高产品收率，受到了人们极大的关注。相转移催化最初只是应用于烷基化等几类典型的反应中，现已迅速发展到许多化学化工领域。除了应用于有机合成、高分子聚合反应外，还进入了分析、造纸、制革等领域。这一新技术的推广，对许多化工新产品的开发、老产品生产技术的改造、质量的提高和成本下降产生了较大的影响，特别是在精细化工和制药方面，将带来令人瞩目的经济效益和社会效益。

6.1.1 相转移催化反应的定义

什么是相转移催化有机合成呢？它是指在相转移催化剂作用下，有机相中的反应物与另一相（水相或固体相）中的反应物发生的化学反应，称为相转移催化（Phase Transfer Catalysis，PTC）反应。例如：

PhOH ＋ CHBr— → PhOCH＋ HBr （6-1）

4

9

4

9

其中苯酚PhOH是固态的，溶于水中。而溴丁烷是液体，溶于有机溶剂中。两种反应物不能同时存在于相同的相中进行接触，所以该反应是属于两相间的亲核取代反应。要完成该反应，可以有以下4种方法：

（1）将两种反应物分别溶于水和有机相中，进行强烈搅拌，但所用温度和压力较高，产率低。

（2）将溴丁烷改成丁醇，用浓硫酸进行催化。但是由于浓硫酸的腐蚀性强，且温度较高（＞140℃），所以该方法受到了限制。

（3）用William法合成，即在无水乙醚中，用苯酚钠和CHBr直接反应。但是无水操作较

4

9

麻烦。

（4）用四丁基溴化铵为相转移催化剂，可在50℃下进行反应，产率＞90％。该方法使用了相转移催化剂，可使两相中的反应物充分接触，且在较低的温度下进行反应，产率较高。是一种先进的合成方法。

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6.1.2 相转移催化反应的发展过程

相转移催化有机合成的历史大约有60年。从反应类型、反应机理到反应的应用发展很快，已经成为重要的有机合成方法。下面是相转移催化反应发展过程中较重要的几个阶段：

（1）1947年，Wittig用(CH)NCl催化了油／醇介质中的烷基化反应。

34

（2）1951年，Jarrousse在水／油相中完成了O－烷基化反应。

（3）1965年，Makosza提出了浓碱水溶液／有机相中的烷基化反应，并称之为“两相催化反应”。

（4）1968年，Starks首次提出“相转移催化”概念，并明确了这种反应的应用范围，提出了相转移催化反应的取代机理（详见JACS, 1971, 93:195）。

（5）1969年，Br?ndstr?m提出了相转移催化反应的萃取机理。

之后，又相继提出了液／固相转移催化，聚合物载体催化的机理，并扩大了相转移催化反应的类型，如烷基化、异构化、加成、消去、水解反应等。同时也出现了许多新型的相转移催化剂，如季铵盐、季鏻盐和冠醚等。使相转移催化反应逐渐被人们了解和重视。

6.1.3 相转移催化反应的优点

相转移催化反应的优点有：

①不需要昂贵的无水溶剂或非质子溶剂；

②增加了反应速度； ③降低了反应温度；

④且在许多情况下操作简便；

⑤可用碱金属氢氧化物的水溶液代替醇盐、氨基钠、氢化钠或金属钠等强碱性物质； ⑥其他特殊的优点，如能进行其他条件下无法进行的反应，改变反应的选择性和产品比率，通过抑制副反应而提高产品收率等。

§6.2 离子对和离子对萃取

相转移催化反应属于两相反应，一相是溶有反应物的有机介质溶液，一相是盐、酸、碱的水溶液或其固体。如果没有催化剂，这类反应的速率较慢、产率较低，甚至不能发生反应。而相转移催化剂能使离子化合物与不溶于水的有机物在低极性溶剂中进行反应，或加速这些反应。最常用的催化剂是鎓盐，或者是能与金属离子络合的络合剂。该反应的本质是将反应盐的阴离子以离子对的形式转移到有机相中。由于该阴离子未被溶剂化，而呈裸露状态，所以有很大的反应活性。

6.2.1 有机相中的离子对

相转移催化反应中，首先是将离子对分子萃取或溶解到有机相中。所以有必要了解离子对的形成与溶剂状态及性质的关系。

106

典型的无机盐不溶于有机溶剂中。同样，小分子的无机阴离子和有机阳离子（如四甲基铵）组成的盐类也不溶于非极性的有机溶剂中。但这类铵盐却能溶于二氯甲烷和三氯甲烷中。当组成盐的阴离子较大时，还可以使其碱金属盐类溶于苯中，例如正丁基丙二酸乙酯钠盐在苯中的溶解度可达0.14 mol/L。同样，大的鎓阳离子（如四正己基铵）和小的阴离子（如羟基离子）组成的盐类可溶于碳氢化合物中。

1．离子对的形成

离子晶体是由晶格中的离子形成的分子，它可以在介电常数高的溶剂中（如水）离解成溶剂化的阳离子和阴离子，它的水溶液是良导体。但在极性低的溶剂中，即使加入强电解质（如NaCl），溶液的导电性也很低。这表明溶液中的盐只有部分离解为自由离子，大部分则以离子对形式存在。

离子对（Ionpair）是由两种极性相反的离子缔合而成的中性分子。离子对与自由离子的平衡式为： 107 [Q+.Y-] K

－

Q++ Y-（6-2） 其中K为离子对的离解平衡常数。离子对是中性分子，其溶液不导电，离子对离解的程度和溶剂的极性有关。这两种离子基本上以库仑力结合在一起，但有时与介质之间会产生强的相互作用。离子对与自由离子处于平衡状态中，自由离子与离子对的重要差别是离子对不导电，而自由离子导电。因此，测量溶液电导率便可估计自由离子的比例。在许多溶剂中，离子对的离解常数是已知的。根据一般经验，在极稀溶液中，溶剂的介电常数大于40，则溶液中主要是离解了的自由离子。当溶液介电常数低于10～15时，即使是极稀溶液，也几乎不存在自由离子。

2．有机溶剂中离子对的平衡

根据溶剂的极性大小，可以将溶剂分为三大类： （1）极性质子溶剂（如CHOH）

2

5

容易使阴离子和阳离子溶剂化。无机阳离子与溶剂分子偶极的负极性端相互相作用而溶剂化，而阴离子则借助与溶剂分子间的氢键溶剂化。体积大的季铵阳离子不被溶剂化，或溶剂化不明显，即不存在直接的相互作用。在极性质子溶剂中，盐分子大部分离解成自由的溶剂化离

子，溶液可导电。由于溶剂化壳体的屏蔽作用，使许多阴离子呈现较低的亲核反应活性。

（2）极性非质子溶剂（如DMSO，DMF）

容易使阳离子溶剂化，由于溶剂分子偶极的正端易靠近阴离子，所以阴离子不易被溶剂化，具有较高的亲核反应活性。在这种溶剂中，盐类是高度离解的，溶液导电。

（3）低极性非质子溶剂

相转移催化反应通常在这种溶剂中进行，它们的介电常数较低，例如二氯甲烷（8.9），三氯甲烷（4.7），乙醚（4.2），苯（2.3）和正己烷（1.9）。在这种溶剂中典

型的无机盐是不溶解的。但是有机季铵盐、季鏻盐和其他鎓盐通常容易溶解，特别是在二氯甲烷和三氯甲烷中。在这种溶剂中，鎓盐基本上是以离子对形式存在的，自由离子的浓度很小。由于离子对和溶质分子间的作用不强，因此离子对在有机介质中与亲电试剂的反应很快。对于一些较弱的亲电试剂（如酯酸盐）也显示出较强的亲核特性。所以把这种离子对称为“裸”离子。

离子对之间可以聚合成聚集体，例如：二聚体、三聚体或四聚体，这种缔合在非极性介质中极易发生。离子对的缔合有利于把反应盐从水相萃到有机相中。

6.2.2 水溶液中离子对的萃取 1．离子对萃取原理

离子型物质NaY经溶剂萃取，其阴离子Y可以从水相进入有机相中。总反应为：

NaY

＋

＋

－

水相 ＋ RX有机相 ?

＋

－

－

?→?

?+]X[Q

NaX

＋－

水相

＋ RY有机相 （6-3）

其中Q是催化剂的阳离子，[QX]表示离子对。整个方程可以分成两部分，一部分是有机相中的化学反应式（6-4）和水相中的萃取平衡反应式（6-5）。

RX有机相 ＋ [QY]有机相 ＝ RY有机相 ＋ [QX]有机相 （6-4） [QX]有机相 ＋ Na＋ Y＝[QY]有机相 ＋ Na＋ Y（6-5）

这样，经过离子对从[QX]到[QY]的萃取过程，使水相中的Y和有机相中的R生成了目标产物RY。其中，式（6-5）可以由下列两个简单的萃取组合而成，即：

Q

＋

有机相 ＋ X

－

水相 ＝ [QX]有机相 （6-6）

＋

－

＋

－

＋

－

－

＋

－

＋

－

＋

－

＋

－

＋

－

＋

－

Q

＋

水相 ＋ Y

－

水相 ＝[QY]水相 （6-7）

＋－

它们的萃取常数分别为 水相水相有机相][X][Q]X[QQX?+?+=E （6-8）

水相水相有机相

][Y][Q]Y[QQY?+?+=E （6-9）

水相水相有机相－相有机

＝]Y[][X]X[Q]Y[QQXQY??+?+?=EEK （6-10）

K值是萃取平衡反应式（6-5）的平衡常数，如果已知E和E，在任何反应阶段和任何给定的X、Y或Q浓度下，可计算出把反应所需的阴离子Y萃取到有机相中的浓度[QY]有机相和离去阴离子X在有机相中的浓度[QX]有机相之比，即[QY]/[QX]。如果[QY]>>[QX]，说明该萃取过程有利于催化反应（6-3）的进行。

－

＋

－

－

－

＋

QX

－

QY

＋－

108

2．有机溶剂对离子对萃取的影响

PTC操作的溶剂通常不应溶于水，否则会使离子对出现高度水合而产生屏蔽作用，降低反应活性。为了避免与离子对的阴离子形成氢键，所用溶剂必须是非质子性的。表6-1列出了四正丁基溴化铵在水和各种溶剂之间的表观萃取常数E表，其中E表为

水相有机相表

＝][NBuBr][NBu44+E （6-11）

表6-1 表观萃取常数E表

溶剂 CHCl 22E表 35 47 41 溶剂 CHCl 65CHCl 33O-ClCH 264溶剂 <0.1 ClCH2COOC2H5 <0.1 NCCHCOOCH 23E表 E表 1.4 54 69 23 17000 2.3 130 940 13.7 CDCl CCl 4CH=CCl 22<0.1 n-CHOH 49CHCHCl 32<0.1 反-ClCH=CHCl <0.1 CH3CHOHC2H5 ClCHCN 0.5 顺-ClCH=CHCl 33 2ClCHCHCl 6.1 22ClCHCHCl 8.6 222ClCH=CCl 20.2 <0.1 2.8 2.8 ClC-CN 3CHOCH 2525CH=CHCN 2ClCHCHCl 2ClCHCCl 23146 ClC2H4OC2H4Cl <0.1 CHCOOCH 325ClCHCHCN 22n-CHCN 37 表6-1右边的一栏溶剂不适用于PTC，其中有些溶于水，其余的溶剂又太活泼，对反应有干扰作用。表中左边和中间二栏则是PTC反应较好的溶剂。从实用上讲，低沸点氯代烃（三氯甲烷、二氯甲烷）是最好的溶剂，它们不仅对标准盐有良好的萃取能力，即萃取常数大，而且价格便宜，也易于除去。若采用三氯甲烷或二氯甲烷作溶剂时出现副反应，可以使用乙醚或乙酸乙酯。不能因为萃取常数低就认为不能使用。萃取常数低意味着在反应的任一瞬间，在有机相中的离子对只有理论量的一小部分，反应速率将下降。有时采用体积大的、亲脂性强的阳离子会抵消这种影响。

3．鎓阳离子对离子对萃取的影响

在PTC反应中，季铵盐是一种重要的鎓阳离子。当铵盐离子中心氮原子周围的碳原子数增加时，将会提高它们的亲脂性，因而会使萃取常数E增加。例如用二氯甲烷为溶剂，以季铵盐

QX

萃取苦味酸时，logE和碳原子数n有线性关系，即

QX

logElogElogElogE

伯

QX QX QX QX

＝－2.04 ＋ 0.63n （6-12） ＝－1.35 ＋ 0.61n （6-13） ＝0.10 ＋ 0.54n （6-14） ＝－2.00 ＋ 0.54n （6-15）

仲叔季

109

其中Q为铵盐阳离子，X为苦味酸盐，伯、仲、叔、季代表铵离子的种类。所以，每增加一个碳原子，logE大约增加0.54～0.63单位。应该注意的是，碳原子数不是决定E的唯一因素。因

QX

QX

此，上述对未知萃取常数的计算仅对于相关的系列才是有效的。

4．阴离子对离子对萃取的影响

阴离子亲脂性的大小，决定了水溶液和有机相中的[Q]，对E也有影响。在有机季铵盐[Q

＋

＋

X]溶液和NaY水溶液形成的萃取平衡中，可以测出各种阴离子亲脂性的大小。反应盐阴离子－＋－

Y亲脂性越大，对离子对[QY]的萃取能力越大，越有利于PTC反应的进行。相反，PTC催化

－＋－＋－

剂的阻离子X亲水性越大，越有利于[QX]盐的离解，即有利于离子对[QY]的形成。所以在

－

选择PTC催化剂阴离子时，应保证亲水性大于反应盐的阻离子Y，或者说亲脂性小于反应盐的

－＋－

阻离子Y。例如，在三氯甲烷中／水体系中，可以得出有机季铵盐[QX]的阴离子萃取能力从大到小的排列顺序为

ClO

－

－

QY

4

>>ClO>NO>Cl>HSO>OH>SO

3

3

4

－－－－－

2－4

>CO

2－3

>PO

3－ 4

（6-16）

对于有机阴离子，乙酸盐和甲酸盐是最亲水性的阴离子。原则上，对于同一系列的阴离子，每增加一个－CH基，都会使阴离子的亲脂性增加。除此之外，还有其他亲脂性的取代基，如

2

硝基、氯、溴等也会增加阴离子的萃取常数。

6.2.3 固－液阴离子交换

最初的PTC反应是专门在水相和有机相中进行，所以也称该技术为液－液PTC反应。但是，有些反应的萃取剂会将水以水合形式协同萃取到有机相中，而可能抑制或改变主反应。在这种情况下，不宜用水作介质溶剂，而应直接用固体盐进行相转移催化反应。

例如用三氯醋酸钠制备二氯卡宾，反应通常是在无水乙二醇二甲醚（该溶剂较昂贵）中进行，即

ClCCOONa—→ NaCl ＋ CO＋ [CCl] （6-17）

3

2

2

－

＋

生成的二氯卡宾[CCl]再与烯烃进一步反应。在一般的液－液PTC反应中，可以用季铵盐为催化

2

剂，将三氯醋酸根离子从水溶液中萃取到三氯甲烷溶液中（该相中含有作为卡宾接受体的烯烃），但是被协同萃取的水会抑制卡宾反应，所以不能用水作介质。然而，如果直接用固体三氯醋酸钠，以及一定量的催化剂季鎓盐、三氯甲烷和烯烃在25～80℃下搅拌，就能得到二氯环丙烷，而且产率较高。这种反应就称为固液相转移催化反应。

目前，固液PTC反应的相转移催化剂不多。一般认为冠醚是唯一合适的催化剂。冠醚可看作是具有多极部位的二维体系，可紧密地靠近固体反应物的晶格，以致阳离子从晶格到配体所需要的距离很小。与此相反，鎓离子则是一种具有立体障碍的阳离子，不能紧密地靠近晶格。但在许多情况下，鎓盐也是非常有效的固－液相转移催化剂。

除了冠醚、鎓盐外，穴醚、开链聚醚、二胺类和多胺类也能作为固体碱金属盐和烷基化试剂之间反应的相转移催化剂。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x552.html