第一篇：涂料與粘合劑及合成工藝學(xué)綜合教案
1、溶液聚合：
2、懸浮聚合：
3、聚加成反應(yīng)：
4、高聚物化學(xué)改性：
5、合成纖維：
6、本體聚合：
7、乳液聚合：
8、縮聚反應(yīng)：
9、塑料：
10、共混聚合物：
1、溶液聚合為單體、引發(fā)劑（催化劑）溶于適當(dāng)溶劑中進(jìn)行聚合的過程.2、溶有引發(fā)劑的單體以液滴狀懸浮于水中進(jìn)行自由基聚合的方法稱為懸浮聚合法.3、加成反應(yīng)是一種有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，它發(fā)生在有雙鍵或叁鍵（不飽和鍵）的物質(zhì)中.4、化學(xué)改性，通過化學(xué)反應(yīng)改變聚合物的物理、化學(xué)性質(zhì)的方法.5、用合成高分子化合物做原料而制得的化學(xué)纖維的統(tǒng)稱.6、本體聚合是單體（或原料低分子物）在不加溶劑以及其它分散劑的條件下，由引發(fā)劑或熱、輻射作用下其自身進(jìn)行聚合引發(fā)的聚合反應(yīng).7、乳液聚合是單體借助乳化劑和機(jī)械攪拌，使單體分散在水中形成乳液，再加入引發(fā)劑引發(fā)單體聚合.8、縮聚反應(yīng)，是一類有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，是具有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的單體，相互反應(yīng)生成高分子化合物，同時(shí)產(chǎn)生有簡單分子（如 H2O、HX、醇等）的化學(xué)反應(yīng).9、塑料是以單體為原料，通過加聚或縮聚反應(yīng)聚合而成的高分子化合物，俗稱塑料或樹脂，可以自由改變成分及形體樣式，由合成樹脂及填料、增塑劑、穩(wěn)定劑、潤滑劑、色料等添加劑組成.10、共混聚合物，是指兩種或兩種以上分子結(jié)構(gòu)不同的均聚物、共聚物或均聚物和共聚物的物理混合物。一般兩組分的大分子之間沒有共價(jià)鍵的聯(lián)系.1、（2分）涂料按產(chǎn)品形態(tài)可分為幾種類型？
2、（5分）什么是涂料的干燥成膜過程？請敘述化學(xué)干燥的具體過程及應(yīng)注意的問題。
3、（3分）金屬材料在涂裝前，通常應(yīng)作除銹的表面處理，其中化學(xué)除銹的原理是什么？它有幾種工藝方法？
4、（7分）塑料的表面處理方法有幾種？
5、（5分）室外涂料的施工，受哪些環(huán)境因素的影響？應(yīng)該從哪些方面進(jìn)行調(diào)整？
6、（4分）涂料按施工方法可分為幾種類型？
7、(8分)建筑外墻涂料與傳統(tǒng)的外墻裝飾材料相比較有哪些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)？
8、（4分）涂料的配套設(shè)計(jì)包括幾方面的內(nèi)容？
9、（4分）涂裝施工前，通常都應(yīng)對被涂工件作表面處理，表面處理能達(dá)到哪些目的？
10、（6分）脫脂的表面處理，具體有哪些方法？敘述其工藝過程。
11、（10分）橡膠的表面處理方法有幾種？其中的溶劑處理法能達(dá)到哪些效果？同時(shí)應(yīng)注意什么問題？
1、水性涂料，溶劑型涂料，粉末涂料，光敏涂料，高固體分涂料。
2、定義：是指液態(tài)或粘稠狀薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)漆膜的全過程，具有裝飾性、保護(hù)性。化學(xué)干燥（雙組份）基體+適量比例的固化劑。成膜過程產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，又分為兩種類型。①、常溫固化成膜 常溫條件下，依靠其主要成膜物質(zhì)（涂料主要化學(xué)成份）與空氣中的氧成或水蒸汽，或與固化劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，形成網(wǎng)狀（體型）聚合物或縮合物。（1）溶劑揮發(fā)→空氣中氧→聚合交聯(lián)→網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（2）溶劑揮發(fā)→空氣中水份→交聯(lián)成膜 隨氣溫（施工環(huán)境溫度的不同，固化劑的量和比例并需作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整）。
②、加熱固化成膜 大多數(shù)熱固性類合成樹脂，選擇不同的施工工藝條件、溫度、時(shí)間、蒸汽、電、遠(yuǎn)紅外等。
3、化學(xué)除銹：酸與氧化物反應(yīng)生成，鹽類（可溶或不溶），置換出H2，破壞銹層及氧化皮，達(dá)到除銹目的。
工藝（兩種）(1)浸泡：酸洗→原處理 包裹：涂沫→水洗、中和、原處理 技巧：無機(jī)價(jià)廉、實(shí)用 ；除油、除污
原處理：不能省事，殘酸對金屬同樣有腐蝕作用 提高酸洗溫度40—60℃，0.5—4hn 堿中和前，應(yīng)沖洗干凈，再中和，再?zèng)_洗 酸液濃度，不允許超標(biāo)，適得其反 表面的活化狀態(tài)應(yīng)及時(shí)鈍化 酸液應(yīng)處理后排放、火焰除銹和電化學(xué)除銹(2)綜合處理法;將金屬的除油，除銹，磷化和純化合并起來處理的一種方法。
4、化學(xué)藥品：強(qiáng)氧化（硫酸—重鉻酸鉀）引入極性基因 表面活性劑：除去表面灰塵和助劑（無機(jī)物類）
溶劑清洗：噴、刷、蒸汽（有機(jī)物類）
火焰處理：引入極性基因，注意物體變形
等離子處理：增加附著力，投資大
紫外線法：增加附著力，底材要求高（時(shí)間、強(qiáng)度）
打磨處理：增加表面積，干磨污染大
5、溫度與濕度，露點(diǎn)
6、.①刷涂②輥涂③擦涂④刮涂⑤噴涂
7、裝飾性好、耐侯性好、耐沾污性好、耐水性好、耐霉變性好。
8、涂料的配套設(shè)計(jì) 按施工要求，選擇合適的涂料及涂裝工藝
四個(gè)內(nèi)容：（1）涂料與底料（基體）之間的配套（2）各涂層之間涂料品種的配套（3）涂料與施工方法的配套 涂刷→電泳→靜電粉末涂裝，還必須考慮干燥時(shí)間成膜方式（搶修工程）（4）涂料與輔料的配套（考慮綜合性能）配套原則 底漆與面漆的配套：附著力+結(jié)合力，不能相互排斥。
溶劑強(qiáng)弱排序：脂肪→芳香→醇→脂→酮→酮醚。
1、同類溶劑可互相配套
2、下硬上軟（如蓋房子，基礎(chǔ)要牢）底面強(qiáng)溶劑，面層弱溶劑。
3、溶劑：由里到外 強(qiáng)→弱，但反差不能太大，應(yīng)循序漸進(jìn)。
4、干燥方式： 底（雙）→面（單）濕碰濕，未完全固化，即進(jìn)行二道施工。表面處理：砂底打磨，增加附著力。增加中間層：類似于復(fù)合材料，強(qiáng)度韌性。
9、清除表面靜電，灰塵（擦洗、高壓空氣、噴燈）清除脫膜劑：增加附著力，溶劑、堿洗
修理表面缺陷，打磨
封閉：阻止增型劑（靜電劑）遷移
表面政性，打磨、活性劑，火焰
10、脫脂 ：除去基底表面油污的過程。化學(xué)脫脂 ：利用化學(xué)方法除去基底表面油污的過程。電化學(xué)脫脂 ：利用電化學(xué)方法除去基底表面油污的過程。浸泡脫脂 ：將工件浸入清洗劑進(jìn)行的，不加外電流的清洗。噴淋脫脂 ：將脫脂劑噴淋于工件上除去油污的過程。超聲波脫脂 ：借助于超場振動(dòng)加速除去工件表面油污的過程。
11、表面機(jī)械打磨法：舉例環(huán)氧貼橡膠溶劑法：苯類→氯丁、丁苯、天然
或混合酮類→丁苯、PV 溶劑（1）除各類助劑（2）表面粉化、分解（3）溶解低分子，粗糙度 適度溶脹，增加接觸面
表面氧化法：火焰或強(qiáng)氧化劑，三廢治理！處理液的組成，施工時(shí)間，不同品種
表面偶聯(lián)劑法：橋梁作用
等離子法：（同塑料）
1、（6分）外墻建筑涂料的施工特點(diǎn)和技巧是什么？
2、（19分）涂裝工藝過程中，流掛是一種常見的病態(tài)，其形成的原因有哪些？它有幾種類型？大都出現(xiàn)在什么位置上？應(yīng)采取哪些防止措施？
3、（4分）粘接接頭的設(shè)計(jì)原則是什么？
1、（1）任何一種水性外墻建筑涂料在施工過程中，都不能隨意摻水或隨意摻進(jìn)顏料，也不宜在夜間燈光下施工。摻水多后涂層會(huì)掉粉，摻顏料或夜間施工會(huì)使涂層色澤不均勻。涂料過稠或過稀不易施工或涂料顏色不合要求時(shí)，均應(yīng)在生產(chǎn)廠指導(dǎo)下進(jìn)行調(diào)整
（2）在施工過程中，要盡量避免涂料污染門窗等不需涂裝的部位，萬一污染了，盡量在涂料未干時(shí)就擦去。
（3）要防止有水分從涂層的背面滲透過來。如遇女兒墻、衛(wèi)生間、洗漱間等，應(yīng)在室內(nèi)墻根處做防水封閉層，否則，外墻正面的涂層容易起粉、發(fā)花、鼓泡或被污染，嚴(yán)重影響裝飾效果。（4）施工所用的一切機(jī)具、用具等必須事先洗凈，不得將灰塵、油垢帶入涂料中，施工完畢或間斷時(shí)，機(jī)具、用具應(yīng)及時(shí)洗凈以便后用。
（5）水性外墻建筑涂料不能冒雨進(jìn)行施工，預(yù)計(jì)有雨時(shí)應(yīng)停止施工。風(fēng)力四級以上時(shí)不能進(jìn)行噴涂施工施工溫度最低不得低于涂料的最低成膜溫度。涂料的貯存管理應(yīng)按規(guī)定要求進(jìn)行，過高或過低的存放溫度都會(huì)影響涂料的物化或施工性能，涂料的使用時(shí)間應(yīng)在涂料貯存期之內(nèi)
（6）涂料在施工前一般要刷、噴一道與涂料體系相適應(yīng)的封固底漆或沖稀了的乳液，封固底漆和稀釋了的乳液滲透能力強(qiáng)，可使基層堅(jiān)實(shí)干凈，粘結(jié)性好并節(jié)省涂料。過去曾用過沖稀3~5倍的107膠水處理基層，待干后再刷涂料，實(shí)踐證明用這種方法一方面對環(huán)境保護(hù)不利（107膠中游離的甲醛以人體有害），另一方面涂膜的粘結(jié)性與耐水性也不理想。
2、原因：（1）施工不當(dāng)，噴槍距離與被涂物面太近。（2）走槍速度太慢，一次噴涂過厚等。（3）油漆施工的粘度偏低。（4）施工環(huán)境溫度低，油漆干燥時(shí)間慢。（5）采用濕碰濕工藝噴涂時(shí)，間隔時(shí)間太短。（6）噴涂壓力低于工藝范圍，而噴槍口徑過大。位置：多出現(xiàn)于垂直面或棱角處。
類型：一般出現(xiàn)在垂直面的為垂幕狀流掛，出現(xiàn)在棱角處的為淚痕狀流掛。措施：（1）采用正確的噴涂方法，將噴槍調(diào)節(jié)適當(dāng)。（2）稀釋油漆時(shí)盡量按混合比例進(jìn)行，使施工粘度在工藝范圍內(nèi)。（3）在氣溫較低的冬季施工時(shí)，盡量提高噴漆室的溫度，保證在10℃以上至室溫的范圍。（4）濕碰濕工藝施工時(shí)，保證有足夠的間隔時(shí)間。（5）噴槍壓力與口徑應(yīng)能滿足工藝的要求。
3、（1）盡可能使輸送帶載荷拉力在粘接強(qiáng)度最大的剪切力上；（2）在不增加搭接長度的情況下，盡可能增大粘接面積，提高粘接頭的承載能力；（3）盡量避免應(yīng)力集中，減少產(chǎn)生剝離的現(xiàn)象；（4）粘接頭的最大載荷強(qiáng)度不得低于被粘皮帶自身扯斷強(qiáng)度；(5)接頭制做簡單，粘合容易。
1、（13分）涂料及其溶劑絕大部分都為易燃易爆品，在其生產(chǎn)和施工過程中，防火防爆方面，應(yīng)注意哪些安全事項(xiàng)？
2、（4分）膠粘劑品種的選擇，應(yīng)考慮哪些因素？
3、（9分）膠粘劑是一種多組分物質(zhì)，具體由哪些成分組成？
4、（9分）影響粘接強(qiáng)度的化學(xué)因素有幾點(diǎn)？
1、在工藝裝置上有可能引起火災(zāi)、爆炸的部位，應(yīng)設(shè)置超溫、超壓等檢測儀表、報(bào)警(聲、光)和安全聯(lián)鎖等裝置；在有可燃?xì)怏w(蒸氣)可能泄露擴(kuò)散的地方，應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w濃度檢測、報(bào)警器，其報(bào)警信號值應(yīng)定在該氣體爆炸下限的20%以下，如與安全聯(lián)鎖配合，其聯(lián)鎖動(dòng)作應(yīng)在該氣體爆炸下限的50%以下；所有自動(dòng)控制系統(tǒng)，應(yīng)同時(shí)并行設(shè)置手動(dòng)控制系統(tǒng)；所有與易燃、易爆裝置連通的惰性氣體、助燃?xì)怏w的輸送管道，均應(yīng)設(shè)置防止易燃、易爆物質(zhì)竄入的設(shè)施，但不準(zhǔn)單獨(dú)采用單向閥；有突然超壓或瞬間分解爆炸可能的生產(chǎn)設(shè)備或貯存設(shè)備，應(yīng)裝有爆破板(防爆膜)，導(dǎo)爆筒出口應(yīng)朝安全方向，并根據(jù)需要采取防止二次爆炸、火災(zāi)的措施；各生產(chǎn)裝置、建筑物、構(gòu)筑物、罐區(qū)等工業(yè)下水出口處，除按規(guī)定做水封井外，尚應(yīng)在上述區(qū)域與水封井間設(shè)置切斷閥，防止大量易燃、易爆物料突發(fā)性進(jìn)入下水系統(tǒng)；用于易燃、易爆氣體的安全閥放空管，必須將其導(dǎo)出管置于室外，并高于建筑物2米以上。但應(yīng)在避雷裝置的保護(hù)范圍之內(nèi)。放空管應(yīng)有良好的接地。
2、通常在挑選膠粘劑時(shí)主要考慮的因素是，被粘接材料、粘接件的強(qiáng)度和耐久要求、粘接件的服務(wù)要求、粘接過程的要求，成本和其它的專門考慮，等等
3、合成膠粘劑由主劑和助劑組成，主劑又稱為主料、基料或粘料;助劑有固化劑、稀釋劑、增塑劑、填料、偶聯(lián)劑、引發(fā)劑、增稠劑、防老劑、阻聚劑、穩(wěn)定劑、絡(luò)合劑、乳化劑等，根據(jù)要求與用途還可以包括阻燃劑、發(fā)泡劑、消泡劑、著色劑和防霉劑等成分。
4、影響粘接強(qiáng)度的化學(xué)因素主要指分子的極性、分子量、分子形狀（側(cè)基多少及大?。⒎肿恿糠植?、分子的結(jié)晶性、分子對環(huán)境的穩(wěn)定性（轉(zhuǎn)變溫度和降解）以及膠粘劑和被粘體中其它組份性質(zhì)PH值等。
1、主要成膜物質(zhì)：
2、真溶劑：
3、流平性：
4、發(fā)藍(lán)：
5、噴涂：
6、次要成膜物質(zhì)：
7、助溶劑：
8、鈍化：
9、流掛：
10、浸涂：
11、輔助成膜物質(zhì)。
12、物理干燥。
13、化學(xué)干燥。
14、除油（脫脂）
1.成膜物質(zhì)是指涂料中除了揮發(fā)性的溶劑外，剩下來的所有成分，這些是構(gòu)成涂膜的物質(zhì)。
2.真溶劑指的是在溶解高分子過程中起到真正的溶解作用的溶劑。3.涂料涂裝時(shí)，能自動(dòng)流展成平滑涂膜的能力，稱為流平性。4.將鋼材或鋼件在空氣-水蒸氣或化學(xué)藥物中加熱到適當(dāng)溫度使其表面形成一層藍(lán)色或黑色氧化膜的工藝。也稱發(fā)黑。
5.噴涂（英文名：spray finishing）噴涂通過噴槍或碟式霧化器，借助于壓力或離心力，分散成均勻而微細(xì)的霧滴，施涂于被涂物表面的涂裝方法。
6.色漆的主要成分。
7、助溶劑：助溶是指難溶性藥物在水中，當(dāng)加入第三種物質(zhì)時(shí)能增加其溶解度；這種物質(zhì)就稱為助溶劑。
8、鈍化：鈍化,金屬由于介質(zhì)的作用生成的腐蝕產(chǎn)物如果具有致密的結(jié)構(gòu)，形成了一層薄膜（往往是看不見的），緊密覆蓋在金屬的表面，則改變了金屬的表面狀態(tài)，使金屬的電極電位大大向正方向躍變，而成為耐蝕的鈍態(tài)。
9、流掛：涂膜上留有漆液向下流淌痕跡的現(xiàn)象叫做流掛。
10、浸涂：一種用浸漬達(dá)到涂裝目的的施工方法。
11、輔助成膜物質(zhì)：顏色填料、某些助劑在涂膜形成時(shí)起著輔助作用，它們單獨(dú)不能成膜，但它們的存在能使涂膜更符合作用的要求，對成膜有輔助作用。
12、物理干燥：涂料的物理干燥有兩種形式，即溶劑的揮發(fā)和聚合物粒子凝聚成膜。油漆溶劑型的涂料經(jīng)涂裝后，溶劑揮發(fā)到大氣中，就完成涂膜干燥的過程。
13、化學(xué)干燥：氣體工業(yè)名詞術(shù)語，水與化合物起化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的具有可變蒸汽壓。
14、除油（脫脂）：指從廢水、污泥或固體廢物中去除油脂的方法。從廢水中分離油脂的設(shè)備有隔油池和除油池。
1、EP是合成樹脂的主要產(chǎn)品之一，它有幾類合成方法？工業(yè)生產(chǎn)中常用的方法是哪種？敘述生產(chǎn)工藝過程，畫出合成工藝流程示意圖。其聚合物結(jié)構(gòu)中各個(gè)基團(tuán)的作用是什么?（30分）
2、請簡述懸浮聚合的工藝流程，為何加熱到反應(yīng)溫度后才能投入引發(fā)劑？ 畫出聚氯乙烯懸浮答：懸浮聚合生產(chǎn)工藝流程為：原料準(zhǔn)備、聚合、脫單體、過濾分離、水洗、干燥等工序。
1．間歇式操作，體積大，蛇形管，回流等 2.加料順序：
攪拌
去離子水
————→分散劑、助劑—→ 單體——
加熱至反應(yīng)溫度
溫度+ 0.2~0.5 ——————→
引發(fā)劑——————→ 冷卻、恒溫
至固定轉(zhuǎn)化率
—————→ 停止反應(yīng)
加熱到反應(yīng)溫度后投加引發(fā)劑是為了避免產(chǎn)品分子量分布過寬。
聚氯乙烯懸浮聚合工藝流程圖 見書p226 聚合的工藝流程圖。
1.（9分）高聚物的合成工藝過程，共有幾個(gè)步驟？其中的聚合過程，應(yīng)注意哪些問題？ 答：過程：原料準(zhǔn)備與精制——包括單體，溶劑，去離子水等原料的貯存，洗滌，精制，干燥，濃度調(diào)整等過程。
催化劑或引發(fā)劑的準(zhǔn)備和配制：包括聚合用催化劑，引發(fā)劑和助劑的制造，溶解，貯存，濃度調(diào)整等過程。
聚合反應(yīng)：包括聚合釜為中心的有關(guān)熱交換設(shè)備及反應(yīng)物料的輸送等過程。分離過程：包括未反應(yīng)單體的回收，溶劑和催化劑的脫除，低聚物的脫除等過程。聚合物后處理：包括聚合物的輸送，干燥，造粒，均勻化，貯存，包裝等過程?；厥眨褐饕俏捶磻?yīng)的單體和溶劑的回收和精制。
聚合注意問題：單體，所有分散介質(zhì)和助劑不能含有影響聚合反應(yīng)或影響聚合物色澤的雜志 反應(yīng)條件應(yīng)非常穩(wěn)定以使平均分子量和分子量分布在要求范圍內(nèi)，聚合反應(yīng)必須有重復(fù)性。聚合生產(chǎn)設(shè)備不能污染聚合物，多數(shù)情況下應(yīng)采用不銹鋼，搪玻璃或不銹鋼碳鋼復(fù)合材料等制成。
2.（6分）聚合反應(yīng)的操作方式有幾種？試比較其優(yōu)缺點(diǎn)。答：間歇式聚合和連續(xù)式聚合
間歇式聚合：聚合反應(yīng)分批，反應(yīng)條件易控制，適合小規(guī)模生產(chǎn) 連續(xù)式聚合：聚合反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，生產(chǎn)效率高，不易經(jīng)常改生產(chǎn)牌號。
3.（6分）合成高聚物的原材料，都必須進(jìn)行準(zhǔn)備與精制，否則其中的雜質(zhì)對催化劑和聚合過程分別有哪些潛在的影響？
答：雜質(zhì)對催化劑的影響：降低催化作用，使催化劑失效，分解催化劑。雜質(zhì)對聚合反應(yīng)的影響：阻聚，產(chǎn)生鏈轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生色澤異常。4.（3分）懸浮聚合過程中影響粒徑大小及分布的因素有幾點(diǎn)？
答：反應(yīng)器幾何形狀：如反應(yīng)器長徑比，攪拌器形式與葉片數(shù)目，攪拌器直徑與釜徑比，攪拌器與釜底距離等。
操作條件：如攪拌器轉(zhuǎn)速，攪拌時(shí)間，聚合時(shí)間的長短，兩相體積比，加料高度，溫度等。物料的物理性質(zhì)：如兩相液體的動(dòng)力粘度，密度以及表面張力等。5.（8分）體型結(jié)構(gòu)的聚合物有哪些品種？它分為幾個(gè)階段進(jìn)行生產(chǎn)？ 答：品種：熱固性塑料制品，固化后的涂層以及固化后的粘合劑。
分兩個(gè)階段：第一階段是生產(chǎn)具有反應(yīng)活性的低分子量合成樹脂；第二階段為應(yīng)用與成型階段。
6.（5分）PVA為什么不能直接聚合？工業(yè)生產(chǎn)中采用的方法是哪種？請寫出其反應(yīng)方程式。
答：聚乙烯醇(PVA)中的羥基與帶有雙鍵的碳原子相連，很不穩(wěn)定，會(huì)自行重排生成乙醛，工業(yè)上主要用醋酸乙烯酯聚合制成聚乙酸乙烯酯，再經(jīng)醇解或水解制得聚乙烯醇。7.（5分）何謂高聚物的化學(xué)改性？它有何實(shí)用價(jià)值？
答：高聚物的化學(xué)改性是將已經(jīng)合成的高聚物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)使之轉(zhuǎn)變?yōu)樾缕贩N或新性能材料的方法。通過化學(xué)改性可以開發(fā)出綜合性能或具有某些我們需要的特殊性能的材料。8.（5分）懸浮聚合生產(chǎn)中所用的分散劑有幾種？應(yīng)該具備哪些條件？ 答：主要有保護(hù)膠類分散劑和無機(jī)粉狀分散劑兩類。
具備條件：在有機(jī)分散相與水連續(xù)相的界面之間應(yīng)當(dāng)存在保護(hù)膜或粉狀保護(hù)層以防止液滴凝結(jié)。
反應(yīng)器的攪拌裝置應(yīng)具有足夠的剪切速率以使凝結(jié)的液滴重新分散。攪拌裝置的剪切力應(yīng)當(dāng)能夠防止兩相由于密度的不同而分層。
9.（14分）乳液聚合過程中，乳化劑的作用有哪些？試分析乳液聚合生產(chǎn)不同種類的產(chǎn)品時(shí)，乳狀液的穩(wěn)定與破乳之間的辯證關(guān)系。破乳的方法有幾種？
答：乳化劑的作用：乳化劑分子中有疏水基和親水基,能使單體均勻穩(wěn)定地分散在水中而不分層.同時(shí)乳化劑能降低臨界面張力,使單體易分散成小液滴；在微粒表面形成保護(hù)層,阻止微粒凝聚.乳化劑濃度大一定程度后,乳化劑分子形成膠束,而大量膠束的存在還可使單體溶解增加.辯證關(guān)系：穩(wěn)定的乳狀液是由互不相容的分散相和分散介質(zhì)組成，如果對穩(wěn)定的乳狀液進(jìn)行一些處理（比如在乳狀液中加入電解質(zhì)，對乳狀液進(jìn)行冷凍或攪拌等），可以破壞原來的乳狀液穩(wěn)定性；如果解除這些處理，乳狀液又可以恢復(fù)穩(wěn)定性。
破乳方法：加入電解質(zhì)，改變PH值，機(jī)械破乳，低溫冷凍破乳，稀釋破乳。10.（4分）線型縮聚物的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)是什么？
答：線性縮聚物主要由兩種原料經(jīng)縮聚反應(yīng)而得，且反應(yīng)為逐步進(jìn)行的平衡反應(yīng)，隨著轉(zhuǎn)化率的提高，反應(yīng)速率明顯變慢。
11.（6分）何謂均縮聚物？混縮聚物？共縮聚物？
答：如果同一種單體的分子中含有兩種可互相發(fā)生縮聚反應(yīng)的官能團(tuán)，其縮聚產(chǎn)物稱為均聚物；具有兩種官能團(tuán)的單體經(jīng)縮聚反應(yīng)得到的產(chǎn)物稱為混聚物；兩種不同的單體共同進(jìn)行均縮聚或由三種以上單體進(jìn)行混聚得到的產(chǎn)物屬于共縮聚物。12.（3分）接枝共聚物的合成方法有幾種？
答：第1種是向聚合物主鏈進(jìn)行無規(guī)接枝；第2種是在主鏈上選擇性的產(chǎn)生引發(fā)點(diǎn)，然后接枝；第3種是大單體與單體共聚合成“梳形”接枝共聚物。
13.（4分）水溶性聚合物具有溶于水獨(dú)特性能，它應(yīng)該具備哪些條件？ 答：（1）主鏈上含有親水性優(yōu)良的醚鍵短鏈或仲胺鍵，聚合物為無定形化合物，如聚乙烯、聚乙烯胺等。(2)主鏈為C-C鍵但沿C-C主鏈分布眾多的親水基團(tuán)，如-SO3H、-COOH、-CONH2、-OH、-OCH3、-NH2等
14.（9分）溶液縮聚適用于哪些單體？其中溶劑的作用有哪些？
答：適用的單體：丙烯酸酯，丙烯酰胺類，丙烯腈，苯乙烯，醋酸乙烯酯，聚氯乙烯。15.（6分）共混聚合物常用的制備方法有哪些？具體的類型有幾種？ 答：制備方法：熔融混合，溶液澆鑄或膠乳混合后共同凝聚，接枝共聚。
具體類型：共混橡膠，如順丁橡膠—丁苯橡膠的共混物；共混塑料，如聚苯乙烯—聚乙烯甲基醚；增韌塑料，如聚苯乙烯—聚丁二烯的共混物。16.（6分）成纖聚合物必須具備哪些條件？
答：聚合物長鏈必須是線性的，支鏈盡可能少，無交聯(lián)； 聚合物應(yīng)具有適當(dāng)高的分子量，分子量分布要窄；
聚合物分子結(jié)構(gòu)要規(guī)整，易于結(jié)晶，最好能形成部分結(jié)晶的結(jié)構(gòu)；
聚合物中含有的極性基團(tuán)可增加分子間的作用力，提高纖維的物理機(jī)械性能；
結(jié)晶聚合物的熔點(diǎn)和軟化點(diǎn)應(yīng)比允許的使用溫度高很多，非結(jié)晶性的聚合物玻璃化溫度應(yīng)比使用溫度高；
聚合物要有一定熱穩(wěn)定性，易于加工成纖維，并具有實(shí)用價(jià)值。
17.（6分）ABS樹脂是由哪幾種單體共聚而成？其結(jié)構(gòu)中各單體對聚合物的貢獻(xiàn)是什么？ 答：ABS樹脂由丙烯腈，丁二烯，苯乙烯三種單體聚合而成。
丙烯腈具有良好的耐化學(xué)藥品性，熱穩(wěn)定性和老化穩(wěn)定性；丁二烯具有柔韌性，高抗沖性和耐低溫性；苯乙烯具有剛性，表面光潔性和易加工性。
第二篇：聚合物合成原理及工藝學(xué)教學(xué)大綱
《聚合物合成原理及工藝學(xué)》教學(xué)大綱
（一）、課程基本信息
課程名稱（中、英文）： 聚合物合成原理及工藝學(xué)
Principle and Technology of Polymer Synthesis 課程號（代碼）：300032030 課程類別：專業(yè)核心課課（院級平臺(tái)課）學(xué)時(shí)：48 學(xué)分：3
（二）、教學(xué)目的及要求
“聚合物合成原理及工藝學(xué)” 是高分子材料與工程專業(yè)的本科學(xué)生繼有機(jī)化學(xué)、化工原理、高分子物理、高分子化學(xué)等專業(yè)基礎(chǔ)課以后所開設(shè)的一門專業(yè)主干課程。本課程以三大合成材料及精細(xì)和功能高分子材料的工業(yè)生產(chǎn)為模型，以聚合物的分子設(shè)計(jì)與合成 ── 結(jié)構(gòu)控制 ── 性能控制貫穿整個(gè)課程的始終，集中介紹了工業(yè)生產(chǎn)上合成高分子材料的新方法，重要品種的生產(chǎn)工藝技術(shù)；各種聚合方法進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的特點(diǎn)、配方原理、流程組織原理和典型工業(yè)生產(chǎn)過程、聚合反應(yīng)的基本化工單元及典型生產(chǎn)設(shè)備。不同實(shí)施方法中，關(guān)鍵設(shè)備的選用，傳熱傳質(zhì)和分離提純的有效措施，最能體現(xiàn)工藝意圖的設(shè)備組合，獲得預(yù)定性能和結(jié)構(gòu)的聚合物生產(chǎn)的工藝方法和工藝技術(shù)。
本課程旨在培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)，使其掌握工業(yè)生產(chǎn)高聚物的技能技巧并具備從事新型高分子材料開發(fā)能力，是高分子材料與工程專業(yè)學(xué)生必不可少的重要知識(shí)板塊。
（三）、教學(xué)內(nèi)容（含主要內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配，教學(xué)重點(diǎn)*、難點(diǎn)）
第一章：高分子合成原理及工藝學(xué)緒論（3學(xué)時(shí)）
一．高分子材料科學(xué)及高分子合成工業(yè)發(fā)展簡史 二．高分子材料的分類及工業(yè)合成高分子的一般過程* 三．本課程對不同知識(shí)點(diǎn)的不同層次的具體要求
第二章 生產(chǎn)單體的原料路線（3學(xué)時(shí)）
一． 石油化工原料路線* 二．煤炭原料路線 三．其它原料路線
第三章 自由基聚合工藝基礎(chǔ)和本體聚合工藝（6學(xué)時(shí)）
一． 工業(yè)生產(chǎn)中引發(fā)劑的選擇原則 二． 工業(yè)實(shí)施本體聚合的特點(diǎn)及難點(diǎn)
三． 氣相法本體聚合—高壓聚乙烯的生產(chǎn)工藝* 四． 非均相本體聚合—聚氯乙烯的本體聚合生產(chǎn)工藝
五． 熔融本體聚合和本體澆鑄聚合—聚苯乙烯和有機(jī)玻璃的生產(chǎn)工藝
第四章 自由基懸浮聚合生產(chǎn)工藝（6學(xué)時(shí)）一． 懸浮聚合的特點(diǎn)、成粒機(jī)理與樹脂粒子形態(tài)的控制 二． 懸浮聚合的物系組成，懸浮劑的類型、結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 三． 懸浮聚合的工藝流程和工藝控制因素*
四． 水溶性高分子化合物作懸浮劑的氯乙烯非均相聚合工藝* 五． 無機(jī)化合物作懸浮劑的苯乙烯懸浮聚合工藝
第五章 自由基乳液聚合生產(chǎn)工藝（6學(xué)時(shí)）
一． 采用乳液聚合實(shí)施工業(yè)生產(chǎn)的特點(diǎn)、乳化劑的類型及工業(yè)生產(chǎn)中選擇
乳化劑的原則
二． 乳狀液的穩(wěn)定與破乳原理在乳液聚合工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 三． 低溫乳液聚合生產(chǎn)工藝--丁苯橡膠的生產(chǎn)及工藝影響因素* 四． 種子乳液聚合生產(chǎn)工藝--糊用聚氯乙烯樹脂的生產(chǎn) 五． 高溫乳液聚合--ABS的生產(chǎn)
六． 精細(xì)化工產(chǎn)品聚丙烯酸酯共聚乳液的生產(chǎn)工藝
第六章 自由基溶液聚合生產(chǎn)工藝（4學(xué)時(shí)）
一． 溶劑對聚合反應(yīng)的作用及工業(yè)上選擇溶劑的原則 二． 丙烯腈的均相溶液聚合生產(chǎn)工藝* 三． 丙烯腈的水相沉淀聚合生產(chǎn)工藝* 四． 醋酸乙烯溶液聚合及聚乙烯醇的生產(chǎn)
第七章 配位聚合生產(chǎn)工藝（4學(xué)時(shí)）
一． Ziegler-Natta催化劑的組成、性質(zhì)及制備 二． 催化劑和高效催化劑在聚烯烴生產(chǎn)中的地位和作用 三． 淤漿法聚丙烯的生產(chǎn)工藝*
四． 氣相流化床法高密度聚乙烯的生產(chǎn)工藝
第八章 離子型聚合（1學(xué)時(shí)）
一． 陽離子聚合與丁基橡膠的生產(chǎn)工藝 二． 陰離子聚合與SBS熱塑性彈性體的生產(chǎn)工藝
第九章 線型縮聚高聚物的生產(chǎn)工藝（6學(xué)時(shí)）
一． 縮合聚合反應(yīng)的特點(diǎn)、分類及工業(yè)上的實(shí)施方法 二． 熔融縮聚反應(yīng)的特點(diǎn)、影響因素和實(shí)施工藝* 三． 滌綸樹脂的合成 四． 尼龍的合成
五． 溶液縮聚反應(yīng)的特點(diǎn)、影響因素和實(shí)施工藝* 六． 界面縮聚反應(yīng)和固相縮聚反應(yīng)的簡介
第十章 體型縮聚物生產(chǎn)工藝（6學(xué)時(shí)）
一． 體型縮聚的概念，分類、生產(chǎn)步驟及凝膠點(diǎn)及其預(yù)測 二． 熱塑性和熱固性酚醛樹脂的工藝特點(diǎn)，工藝流程及影響因素* 三． 酚醛層壓塑料和壓塑粉的生產(chǎn)工藝及其應(yīng)用 四． 不飽和聚酯的生產(chǎn)工藝
第十一章 逐步加成聚合反應(yīng)的生產(chǎn)工藝（6學(xué)時(shí)）
一． 逐步加成聚合的概念、類型與工業(yè)上的應(yīng)用 二． 異氰酸酯的化學(xué)反應(yīng) 三． 聚氨酯生產(chǎn)的主要原料 四． 聚氨酯泡沫塑料的生產(chǎn)工藝* 五． 聚氨酯橡膠的生產(chǎn)工藝* 六． 聚氨酯涂料及粘合劑的生產(chǎn)工藝
（四）、教材及主要參考資料
1．《聚合物合物合成原理及工藝學(xué)》 李克友，張菊華，向福如主編，科學(xué)出版社，2．《高聚物合成工藝學(xué)》趙德仁，張慰盛主編 化學(xué)工業(yè)出版社，第二版 3．《化工咨詢報(bào)告》，化學(xué)工業(yè)出版社，2002 4．《高分子化學(xué)》，周其鳳，胡漢杰，化學(xué)工業(yè)出版社，2001 5．《海外高分子的新進(jìn)展》，何天白，胡漢杰，化學(xué)工業(yè)出版社1997 6．《高分子合成化學(xué)》，馮新德，科學(xué)出版社，1981.1 7．《功能高分子與新技術(shù)》，何天白，胡漢杰，化學(xué)工業(yè)出版社2001 8．《乙烯衍生物工學(xué)》張旭之、王松漢、戚以政主編，化學(xué)工業(yè)出版社 9．《聚氯乙烯》 化學(xué)工業(yè)部錦西化工研究院化學(xué)工業(yè)部錦西化工研究院出版社 10．《聚合物乳液合成原理、性能及應(yīng)用》 曹同玉、劉慶普、胡金生編著 化學(xué)工業(yè)出版社
11．《腈綸生產(chǎn)工藝及應(yīng)用》（美）James C.Masson編 中國紡織出版社 12．《配位聚合》 林尚安 上?？萍汲霭嫔?/p>
13．《丙烯衍生物工學(xué)》 張旭之、陶志華、王松漢、金彰禮主編，化學(xué)工業(yè)出版社
14．《離子型聚合》 應(yīng)圣康 化學(xué)工業(yè)出版社
15．《縮合聚合》張留成、李佐邦等編著 化學(xué)工業(yè)出版社 16．《飽和聚酯與縮聚反應(yīng)》馮新德編著 科學(xué)出版社 17．《酚醛與環(huán)氧酚醛層壓板》上?；S 上海人民出版社 18．《酚醛樹脂及其應(yīng)用》殷榮忠 化學(xué)工業(yè)出版社 19．《聚氨酯樹脂》李紹雄，朱呂民，江蘇科技出版社 20．《聚氨酯泡沫塑料》方禹聲、朱呂民，化學(xué)工業(yè)出版社
（五）、成績評定（注明期末、期中、平時(shí)成績所占的比例，或理論 考核實(shí)踐考核成績所占的比例）
平時(shí)成績占20％（平時(shí)作業(yè)和簽到）期末成績占80％
第三篇：精細(xì)有機(jī)化學(xué)品的合成與工藝學(xué)
精細(xì)有機(jī)化學(xué)品的合成與工藝學(xué)
第一章
緒
論
1.1 精細(xì)化工的范疇
生產(chǎn)精細(xì)化學(xué)品的工業(yè)，通稱精細(xì)化學(xué)工業(yè)，簡稱精細(xì)化工。所謂精細(xì)化學(xué)品，一般指的是批量小、純度或質(zhì)量要求高，而且利潤高的化學(xué)品。最早的精細(xì)化工行業(yè)，例如染料、醫(yī)藥、肥皂、油漆、農(nóng)藥等行業(yè)，在19世紀(jì)前就已出現(xiàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新興的精細(xì)化工行業(yè)正在不斷出現(xiàn)。例如，到1981年列入日本《精細(xì)化工年鑒》的精細(xì)化工行業(yè)共有34個(gè)即醫(yī)藥、獸藥、農(nóng)藥、染料、涂料、有機(jī)顏料、油墨、催化劑、試劑、香料、粘合劑、表面活性劑、化妝品、感光材料、橡膠助劑、增塑劑、穩(wěn)定劑、塑料添加劑、石油添加劑、飼料添加劑、食品添加劑、高分子凝聚劑、工業(yè)殺菌防霉劑、芳香防臭劑、紙漿及紙化學(xué)品、汽車化學(xué)品、脂肪酸及其衍生物、稀土金屬化合物、電子材料、精密陶瓷、功能樹脂、生命體化學(xué)品和化學(xué)促進(jìn)生命物質(zhì)等。由此可見，精細(xì)化工的范疇相當(dāng)廣泛。
1.2 精細(xì)化工的特點(diǎn)
精細(xì)化學(xué)品在量和質(zhì)上的基本特點(diǎn)是小批量、多品種、特定功能和專用性質(zhì)。精細(xì)化學(xué)品的全生產(chǎn)過程除了化學(xué)合成（包括前處理和后處理）以外，還涉及到劑型（制劑）和商品化（標(biāo)準(zhǔn)化）兩部分。這就導(dǎo)致精細(xì)化工必然要具備以下特點(diǎn)：
（1）高技術(shù)密集度
因?yàn)榫?xì)化工涉及到各種化學(xué)的、物理的、生理的、技術(shù)的、經(jīng)濟(jì)的等多方面的要求和考慮。
（2）多品種
例如，根據(jù)《染料索引》（Colour Index）1976年第三版的統(tǒng)計(jì)，共包括不同化學(xué)結(jié)構(gòu)的染料品種5232入其中已公布化學(xué)結(jié)構(gòu)的1536個(gè)。主要國家經(jīng)常生產(chǎn)的染料品在2000個(gè)以上。
（3）綜合生產(chǎn)流程和多用途、多功能生產(chǎn)設(shè)備
由于精細(xì)化工品種多、批量小，并經(jīng)常更換和更新品種，為了取得高經(jīng)濟(jì)效益，目前許多工廠已采用上述 2 措施。
（4）商品性強(qiáng)，市場競爭激烈。
（5）新品種開發(fā)成功率低、時(shí)間長、費(fèi)用高。（6）技術(shù)壟斷性強(qiáng)、銷售利潤高、附加價(jià)值高。
1.3 精細(xì)化工在國民經(jīng)濟(jì)中的作用
精細(xì)化工是國民經(jīng)濟(jì)中不可缺少的一個(gè)組成部分。其作用主要有以下幾方面：
（1）直接用作最終產(chǎn)品或它的主要成分
例如，醫(yī)藥、獸藥、農(nóng)藥、染料、顏料、香料、味精、糖精等。
（2）增加或賦予各種材料以持性
例如塑料工業(yè)所用的增塑別、程定劑等各種助劑。彩色照相所用的成色劑、顯影劑和增感劑等。
（3）增進(jìn)和保障農(nóng)、林、牧、漁業(yè)的豐產(chǎn)豐收
例如，選種、浸種、育秧、病蟲害防治、土壤化學(xué)、改良水質(zhì)、果品早熟、保鮮等都需要借助精細(xì)化學(xué)品的作用來完成。
（4）豐富人民生活
例如，保障和促進(jìn)人類健康、提供優(yōu)生優(yōu)育條件、保護(hù)環(huán)境清潔衛(wèi)生、以及為人民生活提供豐富多彩的衣食住行等享受性用品，都需要添加精細(xì)化學(xué)品來發(fā)揮其特定功能。
（5）促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步
例如，電子液晶顯示器所用的液晶染料、電傳紙所用的熱敏材料、功能樹脂、人造器官、化學(xué)促進(jìn)物質(zhì)等對于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展都起了重要作用。
（6）高經(jīng)濟(jì)效益
這已影響到一些國家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，把精細(xì)化工視為生財(cái)和聚財(cái)之道,不斷提高化學(xué)工業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中精細(xì)化工所占的比重。
1.4 本課程所討論內(nèi)容
有機(jī)化工產(chǎn)品按其所起作用和相互關(guān)系，大體上可分為三大類：（1）基本有機(jī)原料；（2）有機(jī)中間體；（3）有機(jī)產(chǎn)品。
所謂基本有機(jī)原料，指的是從石油、天然氣或煤等天然資源經(jīng)過一次或次數(shù) 較少的化學(xué)加工而制得的結(jié)構(gòu)比較簡單的有機(jī)物。例如，脂肪族的乙烯、丙烯、乙炔、一氧化碳；芳香族的苯、甲苯、二甲苯、萘和蒽等十余種。
所謂中間體，指的是將基本原料經(jīng)進(jìn)一步化學(xué)加工而制得的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但還不具有特定用途的有機(jī)物。例如，脂肪族的甲醇、乙醇、乙酸、乙醛、丙酮、丙烯腈、環(huán)氧乙烷、氯乙烷、氯乙酸、甲胺、二甲胺等、芳香族的異丙苯、苯酚、氯苯、硝基苯、苯胺、2-萘酚等。
所謂有機(jī)化工產(chǎn)品，指的是將有機(jī)中間體再經(jīng)過化學(xué)加工而制得的有特定用途的有機(jī)物。例如，醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、合成纖維、塑料、合成橡膠以及其他各種精細(xì)化學(xué)品等。它們都是與廣大消費(fèi)者或使用部門直接見面的有機(jī)化工產(chǎn)品。
應(yīng)該指出，上述分類并不是絕對的，例如乙醛和異丙苯既可以列為中間體,也可以列為有機(jī)原料；而三氯乙醛和水楊酸，它們主要用作中間體，但有時(shí)也用作有機(jī)產(chǎn)品（醫(yī)藥）。在有機(jī)化工產(chǎn)品小，產(chǎn)量最大的是三大合成材料即：合成纖維、塑料和合成橡膠；而品種最多的則是精細(xì)化學(xué)品。
精細(xì)化學(xué)品的行業(yè)很多，其中許多行業(yè)已經(jīng)建立了專門的學(xué)科，并且各有許多專著。本課程主要討論用于制備精細(xì)化學(xué)品，特別是它的中間體所涉及的主要單元反應(yīng)及其理論基礎(chǔ)和工藝學(xué)基礎(chǔ)。
中間體的范圍相當(dāng)廣泛，品種非常多，有些中間體可用于多種類型化工產(chǎn)品的制備。這些通用的中間體，化學(xué)結(jié)構(gòu)一般都比較簡單，例如，脂肪族的甲醇、乙醇、乙酸，芳香族的氯苯、苯酚、鄰苯二甲酸酐等。它們雖然品種不多，但生產(chǎn)量都非常大，常常在綜合性大型化工廠生產(chǎn)，并且有些已屬于基本有機(jī)合成的范疇。大多數(shù)中間體專用于個(gè)別幾個(gè)精細(xì)化學(xué)品的制備。專用的中間體，其化學(xué)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，產(chǎn)量比較小，它們常常和最終的精細(xì)化學(xué)品配套生產(chǎn)。
1.5 精細(xì)有機(jī)合成的單元反應(yīng)
精細(xì)化學(xué)品及其中間體雖然品種繁多，但是從分子結(jié)構(gòu)來看，它們大多數(shù)是在脂鏈、脂環(huán)、芳環(huán)或雜環(huán)上含有一個(gè)或幾個(gè)取代基的衍生物。其中最主要的取代基有：
4（1）-C1、-Br、-I、-P等。
（2）-SO3H、-SO2C1、-SO2NH2、-SO2NHR等(R表示烷基或芳基)。（3）-NO2、-NO。
（4）-NH2、-NHAlk、-NH(Alk)Alk、-NHA r、-NHAc、-NH2OH等（Alk表示烷基、Ar表示芳基、Ac表示?；?/p>
（5）-N2+C1、-N2+HSO4ˉ；（6）-OH、-OAlk、-OAr,-OAc等；
（7）-Alk。例如-CH3、-C2H5、-CH(CH3)2等；
（8）
OCNH2OCClCNOCHOCROCArOCOHOCOROCOAr等
為了在有機(jī)分子中引入或形成上述取代基，以及為了形成雜環(huán)和新的碳環(huán)，所采用的化學(xué)反應(yīng)叫做單元反應(yīng)或單元作業(yè)。最重要的單元反應(yīng)有：
(1)鹵化
(2)磺化和硫酸酯化(3)硝化和亞硝化(4)還原和加氫
(5)重氮化和重氮基的轉(zhuǎn)化(6)氨解和胺化(7)烴化(8)?；?9)氧化(10)水解(11)縮合(12)環(huán)合(13)聚合
由此可見，精細(xì)化學(xué)品及其中間體雖然品種非常多，但是其合成過程所涉及的單元反應(yīng)只有十幾種?？紤]到同一單元反應(yīng)具有許多共同的特點(diǎn)，因此按單元反應(yīng)來分章討論，有利于掌握精細(xì)有機(jī)合成所涉及的單元反應(yīng)的一般規(guī)律。應(yīng)該指出，關(guān)于單元反應(yīng)的分類和名稱在各種書刊中并不完全相同。本課程將按照上述分類法進(jìn)行討論。
上述單元反應(yīng)可以歸納為三種類型。第一類是有機(jī)分子中碳原于上的氫被各種取代基所取代的反應(yīng)，例如鹵化、磺化、硝化和亞硝化、C-酰化、C-烴化等。第二類是碳原子上的取代基轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N取代基的反應(yīng)，例如硝基的還原為氨基等。第三類是在有機(jī)分子中形成雜環(huán)或新的碳環(huán)的反應(yīng)即環(huán)合反應(yīng)。
上述三類反應(yīng)之間有密切的聯(lián)系。第一類反應(yīng)常常為后兩類反應(yīng)準(zhǔn)備條件，進(jìn)行第二類反應(yīng)時(shí)所形成的取代基的位置常常就是上一步進(jìn)行第一類反應(yīng)所引入的取代基的位置。而第三類反應(yīng)也需要由碳原子上的取代基來提供C、N、O、S等原子來形成雜環(huán)或新的碳環(huán)。
同一個(gè)精細(xì)化學(xué)品或中間體，有時(shí)可以用幾個(gè)不同的合成路線或者用幾個(gè)不同的單元反應(yīng)來制備。例如苯酚的合成路線很多，其中在工業(yè)生產(chǎn)上曾經(jīng)采用過的合成路線至少有以下五個(gè)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。
當(dāng)制備在分子中含有多個(gè)取代基的中間體或精細(xì)化學(xué)品時(shí)，合成路線的合理選擇就更為重要。
磺化氯化C-烷化SO3HCl水解（堿熔）氣相接觸催化水解OH解分重排性酸高壓液相堿性水解CH3CHCH3CH3氧化氧化OCOH1.6 精細(xì)有機(jī)合成的原料資源
精細(xì)有機(jī)合成的原料資源主要是煤、石油、天然氣和農(nóng)副產(chǎn)品。分別扼要敘 6
氧化COOHCH3-脫羧CH3述如下：
1.6.1 煤的加工
煤的主要成分是碳。煤的成分非常復(fù)雜，除了碳、碳?xì)浠衔镆酝?，還有含氧以及少量含硫、含氯化合物。另外還含有一些無機(jī)礦物質(zhì)。煤的加工主要有四種方式，即（1）煉焦，（2）氣化，（3）生產(chǎn)電石，（4）破壞加氫。其中與精細(xì)有機(jī)合成有密切關(guān)系的是煉焦副產(chǎn)品的回收，因?yàn)樗梢蕴峁┒喾N芳香族原料。
1.6.2 石油加工
石油是一種棕黑色的粘稠液體。它含有幾萬種碳?xì)浠衔铮硗膺€含有一些含氮和含硫的化合物。石油的主要成分是烷烴、環(huán)烷烴和少量芳烴。石油加工的第一步是將原料經(jīng)過常壓、減壓精餾，分割成若干餾份。適當(dāng)沸程的餾分在脫硫之前再進(jìn)一步加工可以得到各種基本化工原料和石油產(chǎn)品。其中以制取化工原料為目的的加工方法主要有以下幾種。
（1）催化重整
重整的最初目的是將重整原料油（沸程95℃以下）和直餾汽油（沸程95~130℃）里的一部分環(huán)烷烴和烷烴轉(zhuǎn)變?yōu)榉紵N，以提高汽油的辛烷值。后來出于化學(xué)工業(yè)對芳烴的需要量日益增長，使重整成為制取苯、甲苯和二甲苯等芳烴的重要方法之一。
汽油重整主要采用含鉑催化劑的鉑重整法。反應(yīng)一般在490~530℃和0.25~0.30MPa和氫氣存在下進(jìn)行。鉑重整時(shí)發(fā)生多種反應(yīng)，其中生成芳烴的反應(yīng)叫做芳構(gòu)化，主要有：六員環(huán)烷烴脫氫生成芳烴、五員環(huán)烷烴異構(gòu)化-脫氫生成芳烴以及烷烴的脫氫環(huán)合生成環(huán)烷烴再脫氫生成芳烴等。重整油約含30~50％芳烴，經(jīng)分離可得到苯、甲苯和二甲苯等。
（2）熱裂解
當(dāng)將直餾汽油、輕柴油、減壓柴油等原料油加熱到750~800℃進(jìn)行熱裂解時(shí)，除了發(fā)生高碳烷烴裂解為低碳烯烴和二烯烴的主要反應(yīng)以外，還發(fā)生各種芳構(gòu)化反應(yīng)。裂解的主要目的是制取乙烯、丙烯和丁二烯等烯烴。另外，裂解汽油中約含有40~80％芳烴，其中主要是苯、甲苯和二甲苯。
（3）催化裂化
催化裂化的主要目的是將直餾輕柴油、重柴油或潤滑油等 高沸程原料油中的高碳烷烴加氫裂化成低碳烷烴，同時(shí)發(fā)生異構(gòu)化、環(huán)烷化和芳構(gòu)化等反應(yīng)而得到高辛烷值汽油。催化裂化一般用硅酸鋁作為催化劑，在450~560℃和0.01~ 0.25MPa下進(jìn)行。所得到的輕柴油餾份（沸程180~340℃）中含有相當(dāng)多的重質(zhì)芳烴，其中主要是多烷基苯和烷基萘。
（4）臨氫脫烷基化
重整的石腦油餾份（沸程66.5~156℃）中苯，甲苯和二甲苯的比例約為1∶5.4∶3.8。由于甲苯的需要量比苯和二甲苯少，又發(fā)展了甲苯在氫氣存在下脫烷基制取苯的方法（Cr2O3/A12O3催化劑，540℃）。
從催化裂化輕柴油中分離出來的多烷基苯和烷基萘也可以通過臨氫脫烷基法制取苯類產(chǎn)品和石油萘。但這種方法投資高，只有煉油量大的國家才可能采用。
1.6.3 天然氣的利用
天然氣是埋藏在地下的可燃性氣體，它的主要成分是甲烷。天然氣可直接用來制炭黑、乙炔、氫氰酸（氨氧化法）、各種氯代甲烷、二硫化碳、甲醇、甲醛等產(chǎn)品。另外，天然氣也可先制成合成氣（CO+H2的混合氣體），一氧化碳經(jīng)各種羰基合成反應(yīng)可制得甲醇、高碳醇、正丁醛、甲酸、乙酸、丙酸、丙烯酸、丙烯酸酯和人造石油等化工產(chǎn)品。
1.6.4 農(nóng)林牧漁副產(chǎn)品的利用
含糖或淀粉的農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)水解可以得到各種單糖，例如葡萄糖、果糖、甘露蜜糖、木糖、半乳糖等。如果用適當(dāng)?shù)奈⑸锩高M(jìn)行發(fā)酵，可分別得到乙醇、丙酮/丁醇、丁酸、乳酸、葡萄糖酸和醋酸等。
從含纖維素的農(nóng)副產(chǎn)品經(jīng)水解可以得到己糖C6H12O6（主要是葡萄糖）和戊糖C5H10O5（主要是木糖）。己糖經(jīng)發(fā)酵可得到乙醇，戊糖經(jīng)水解可得到糠醛。
從含油的動(dòng)植物可以得到各種動(dòng)物油和植物油。它們也是有用的化工原料。油脂經(jīng)水解可以得到甘油和各種脂肪酸。
另外，從某些動(dòng)植物還可以提取藥物、香料、食品添加劑以及制備它們的中間體。第二章
精細(xì)有機(jī)合成的理論基礎(chǔ)
精細(xì)有機(jī)合成反應(yīng)按照進(jìn)行方式不同，從形式上可以分為取代反應(yīng)、加成反應(yīng)、消除反應(yīng)，以及其他重排反應(yīng)等。每一種反應(yīng)又可以分為若干種類。
取代反應(yīng)根據(jù)反應(yīng)試劑性質(zhì)和反應(yīng)物分子中碳-氫鍵斷裂方式不同，分為親電取代、親核取代和游離基取代反應(yīng)。加成反應(yīng)根據(jù)加成的基本途徑不同，可以分為親電加成、親核加成、游離基加成和環(huán)加成。消除反應(yīng)可以根據(jù)被消除原子或原子團(tuán)位置不同，分為β-消除和α-消除等。重排反應(yīng)也可以分為許多類。
2.1 反應(yīng)試劑的分類
2.1.1 極性試劑
極性試劑是指那些能夠供給或接受一對電子以形成共價(jià)鍵的試劑。極性試劑又分為親電試劑和親核試劑。
2.1.1.1 親電試劑
親電試劑是從基質(zhì)上取走一對電子形成共價(jià)鍵的試劑。這種試劑電子云密度較低，應(yīng)中進(jìn)攻其他分子的高電子云密度中心，具有親電性能，包括以下幾類：
陽離子：NO2+、NO+、R+、R-C+=O、A rN2+、R4N+等；
含有可極化和已經(jīng)極化共價(jià)鍵的分子：Cl2、Br2、HF、HCl、SO3、RCOCl、CO2等；
含有可接受共用電子對的分子（未飽和價(jià)電子層原子的分子）： AlCl3、FeCl3、BF3等；
羰基的雙鍵。
氧化劑：Fe3+、O3、H2O2等。酸類。
鹵代烷中的烷基：R-X。
由該類試劑進(jìn)攻引起的離子反應(yīng)叫親電反應(yīng)。例如：親電取代、親電加成。
2.1.1.2 親核試劑
把一對電子提供給基質(zhì)以形成共價(jià)鍵的試劑稱親電試劑。這種試劑具有較高的電子云密度，與其它分子作用時(shí)，將進(jìn)攻該分子的低電子云密度中心，具有親核性能，包括以下幾類：
陰離子；0H－、RO－、ArO－、NaSO－、NaS－、CN－等。
極性分子中偶極的負(fù)端：NH3、RNH2、RR`NH、ArNH和NH2OH等； 烯烴雙鍵和芳環(huán)；CH2＝CH2，C6H6等 還原劑：Fe2+、金屬等。堿類。
有機(jī)金屬化合物中的烷基：RMgX、RC＝CM等
由該類試劑進(jìn)攻引起的離子反應(yīng)叫親核反應(yīng)。例如，親核取代、親核置換、親核加成等。
2.1.2 游離基試劑
含有未成對單電子的游離基或是在一定條件下可產(chǎn)生游離基的化合物稱游離基試劑。例如，氯分子（C12）可產(chǎn)生氯游離基（C12）。
2.2 親電取代反應(yīng)
精細(xì)有機(jī)合成中的親電取代反應(yīng)也可稱為陽離子型取代反應(yīng)。芳香環(huán)是一個(gè)環(huán)狀共軛體系，由于環(huán)上π-電子云密度較高，容易發(fā)生親電取代反應(yīng)。
2.2.1 芳香族π-絡(luò)合物與σ-絡(luò)合物
芳烴具有和一系列親電試劑形成絡(luò)合物的特性。同親電能力較弱的試劑形成絡(luò)合物，它與芳環(huán)平面兩側(cè)的環(huán)狀π-電子云發(fā)生松散結(jié)合，親電質(zhì)點(diǎn)同芳環(huán)的碳原子之間沒有形成真正的化學(xué)鍵。
而親電能力較強(qiáng)的試劑同芳烴則在反應(yīng)瞬間能從芳環(huán)上奪取一對電子，與環(huán)上某一特定的碳原子形成σ-鍵，形成σ-絡(luò)合物（或稱芳陽離子）。σ-絡(luò)合物和π-絡(luò)合物之間存在著平衡，σ-絡(luò)合物較為穩(wěn)定，在某種情況下，能將其分離得到。例如，苯三氟甲烷、硝基氟和三氟化硼在零下100℃時(shí)生成一個(gè)黃色的結(jié)晶態(tài)絡(luò)合物，即σ-絡(luò)合物。它在零下50℃以下是穩(wěn)定的，高于零下50℃則分解成 10 間硝基三氟甲苯、氟化氫和三氟化硼。
2.2.2 芳香族親電取代反應(yīng)歷程
CF3+ NO2F +BF3-100℃CF3BF4-50℃CF3+ HF + BF3O2NHNO2已經(jīng)有多方面的研究結(jié)果足以證明，大多數(shù)親電取代反應(yīng)是按照經(jīng)過σ-絡(luò)合物中間體的兩步歷程進(jìn)行的。而親電質(zhì)點(diǎn)E+的進(jìn)攻和質(zhì)子的脫落同時(shí)發(fā)生的一步歷程，則一直沒有發(fā)現(xiàn)過。至于在親點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)進(jìn)攻芳環(huán)以前，質(zhì)子就已經(jīng)脫落下來的單分子歷程，只在極個(gè)別的情況下才遇列。
兩步歷程的通式表示如下：
H+ E+E++EEHH+HE++EEH+E在芳陽離子中，芳環(huán)本身的高度穩(wěn)定性已不存在，通常是一個(gè)非常活潑的中間產(chǎn)物，它存在兩種可能性，或者快速地脫掉E+轉(zhuǎn)變?yōu)槠鹗挤磻?yīng)物Ar-H，即 k2
2.2.2.1 動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)
對于任何反應(yīng)，所謂“動(dòng)力學(xué)同位素效應(yīng)”是指如果將反應(yīng)物分子中的某一原子用它的同位素代替時(shí)，該反應(yīng)速度所發(fā)生的變化，例如，氫的三種同位素氫H、氘D和氚T的質(zhì)量數(shù)不同，三種氫構(gòu)成的碳?xì)滏I斷裂速度是有差別的，即質(zhì)量大的斷裂較慢。據(jù)據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，C-H鍵的斷裂速度約比C-D鍵快7倍；約比C-T鍵快20倍。若（1）按照兩步歷程而且速度控制步驟是H+的脫落（即k2 2.2.2.2 σ-絡(luò)合物的分離和其相對穩(wěn)定性 反應(yīng)σ-絡(luò)合物生成是控制步驟時(shí)，它一經(jīng)生成就快速地脫質(zhì)子而轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。一般不能把它們分離出來，也不易觀察到它們的存在。僅在某些特殊情況下，才能分離出中間產(chǎn)物σ-絡(luò)合物。例如，苯三氟甲烷、硝基氟和三氮化硼在零下100℃時(shí)生成的黃色結(jié)晶態(tài)絡(luò)合物，它是該硝化的中間產(chǎn)物σ-絡(luò)合物，然后再分解形成產(chǎn)物間硝基三氟甲苯。 芳香親電取代反應(yīng)最初步驟是親電試劑進(jìn)攻芳香環(huán)，首先形成π-絡(luò)合物，然后轉(zhuǎn)變?yōu)棣?絡(luò)合物。芳烴溶于無水液態(tài)氟化氫時(shí)存在著π-絡(luò)合物和σ-絡(luò)合物的平衡。 2.2.3 芳香族親電取代定位規(guī)律 2.2.3.1 影響定位的主要因素 芳環(huán)上已有一個(gè)或幾個(gè)取代基，若再引入新取代基時(shí)，其進(jìn)入的位置和反應(yīng)進(jìn)行的速度，主要取決于以下因素。 （1）已有取代基的性質(zhì)，包括極性效應(yīng)和空間效應(yīng)。如果已有幾個(gè)取代基則決定于它們的性質(zhì)和相對位置。 （2）親電試劑的性質(zhì)，也包括極性效應(yīng)和空間效應(yīng)。（3）反應(yīng)條件主要是溫度、催化劑和溶劑的影響。 在上述因素中，最重要的是已有取代基的極性效應(yīng)。在芳香系取代反應(yīng)中,苯系的親電取代研究得最多，也最重要。 2.2.3.2 兩類定位基 在親電取代中，苯環(huán)上已有取代基對新取代基的定位作用有兩種類型，即鄰、對位定位和間位定位。通常把鄰、對位定位基叫做第一類定位基，把間位定位基叫做第二類定位基。 屬于第一類定位基的主要有： —O-、—N(CH3) 2、—NH2、—OH、—OCH3、—NHCOCH3、—OCOCH3、—F、—C1、—Br、—I、—CH3、—CH2Cl2、—CH2COOH、—CH2F等。 屬于第二類定位基的主要有： —N(CH3) 2、—CF3、—NO2、—CN、—SO3H、—COOH、—CHO、—COOCH3、—COCH3、—CONH2、—N+H3、—CCl3等； 這里所謂鄰、對位定位或間位定位，都是對反應(yīng)的主要產(chǎn)物而言。2.2.5.3 苯環(huán)的定位規(guī)律 1.已有取代基的極性效應(yīng)在不可逆親電取代中，可以根據(jù)苯環(huán)上已有取代基的極性效應(yīng)，對生成個(gè)異構(gòu)體的σ-絡(luò)合物的穩(wěn)定性來解釋定位作用。苯一取代物發(fā)生親電取代可以生成鄰、對和間位的三種σ-絡(luò)合物。每一種絡(luò)合物都可以看作是三種共振結(jié)構(gòu)雜化的結(jié)果。在鄰位和對位的絡(luò)合物中，都有一個(gè)共振結(jié)構(gòu)，其正電荷集中在同已有取代基Z相連的碳原于上。因此在雜化結(jié)構(gòu)中，同Z相連的碳原子上具有部分正電荷。在間位的絡(luò)合物中，三個(gè)共振結(jié)構(gòu)在同Z相連的碳原子上都沒有正電荷集中。因此在它的雜化結(jié)構(gòu)中，同Z相連的碳原子上沒有部分正電荷。這種差別是解釋已有取代基定位作用的基礎(chǔ)。 Z間位共振結(jié)構(gòu)雜化結(jié)構(gòu)ZHEHE共振結(jié)構(gòu)Z或表示為Zδ＋Zδ＋HEHE雜化結(jié)構(gòu)δ＋HEZ對位ZZ或表示為Zδ＋Zδ＋δ＋EHEHEHEH雜化結(jié)構(gòu)EHZ鄰位共振結(jié)構(gòu)HEZHEZZH或表示為EHEδ＋Zδ＋HEδ＋當(dāng)Z具有誘導(dǎo)致應(yīng)時(shí)，其影響隨距離的增加而減弱，由此可見對于同Z相連的碳原子影響最大。如果具有正的誘導(dǎo)效應(yīng)+I（即給電子效應(yīng)），對于鄰位或?qū)ξ?的絡(luò)合物更容易使正電荷分散到Z上，從而使絡(luò)合物更穩(wěn)定。對于間位的絡(luò)合物，Z對于苯環(huán)正電荷的分散作用要比鄰位和對位的小。因此具有+I效應(yīng)的取代基使三種絡(luò)合物都穩(wěn)定，鄰位和對位更穩(wěn)定，所以這類取代基使苯環(huán)活化，并且是鄰、對定位。如果Z具有負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)-I（即吸電子效應(yīng)），則與上述相反，使苯環(huán)上電子云密度降低，使三種絡(luò)合物都不穩(wěn)定，鄰位和對位更不穩(wěn)定，所以這類取代基使苯環(huán)鈍化，并且是間位定位。 當(dāng)Z和苯環(huán)之間有共軛效應(yīng)時(shí)，某些情況下同誘導(dǎo)效應(yīng)的方向一致，而另一些情況，則同誘導(dǎo)效應(yīng)的方向相反。一般來說，共軛效應(yīng)起主導(dǎo)作用。當(dāng)Z中同苯環(huán)相連的原子具有未共有電子對時(shí)，可以把未共有電子對分散到苯環(huán)上，使絡(luò)合物穩(wěn)定，尤其是對于鄰位和對位絡(luò)合物，還可以多畫出一個(gè)正電荷集中在Z上的共振結(jié)構(gòu)。 這個(gè)額外的共振結(jié)構(gòu)比其他共振結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，即在雜化結(jié)構(gòu)中鄰位和對位絡(luò)合物更穩(wěn)定。因此這類取代基使苯環(huán)活化，而且是鄰、對位定位。 Z對位ZZZEHEHEHEH Z鄰位HEZHEZHEZHE 根據(jù)以上討論，各種取代基可歸納為以下三類： （1）取代基只有正的誘導(dǎo)效應(yīng)，例如烷基，它們都使苯環(huán)活化，而且是鄰、對位定位。其中甲基還具有超共軛效應(yīng)，其活化作用大于其他烷基。 （2）取代基中同苯環(huán)相連的原子具有未共有電子對，例如：—O–、—NR2、—NHR、—NH2、—OH、—OR、—NHCOR、—OCOR、—F、—C1、—Br、—I等，其未共有電子對和苯環(huán)形成正的共軛效應(yīng)（+I），它們都是鄰、對位定位基。除了正共軛效應(yīng)外，這些取代基也都具有誘導(dǎo)效應(yīng)，其中—O–為正誘導(dǎo)（+I），其他的都具有負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)。對于氨基和羥基，其正的共軛效應(yīng)（+I）大于負(fù)的 14 誘導(dǎo)效應(yīng)（-I），所以它們都使苯環(huán)活化。對于鹵素，其正的共軛效應(yīng)小于負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，所以使苯環(huán)稍稍鈍化。 （3）取代基具有負(fù)的誘導(dǎo)效應(yīng)，而且同苯環(huán)相連的原子沒有未共有電子對，例如：—N+R3、—NO2、—CF3、—CN、—SO3H、—CHO、—COR、—COOR、—CONH2、—CCl3、和—NH3等，其中某些除誘導(dǎo)效應(yīng)外，還有負(fù)的共軛效應(yīng)，它們都使苯環(huán)鈍化，而且是間位定位。 2.已有取代基的空間效應(yīng) 苯環(huán)上已有取代基的空間效應(yīng)這里指的是空間障礙作用。但烷基苯一硝化時(shí)隨著烷基體積增大，鄰位異構(gòu)產(chǎn)物的比例減小。 3.親電試劑的極性效應(yīng) 親電質(zhì)點(diǎn)E+的活潑性對定位作用也有重要影響。當(dāng)E+極活潑時(shí)，kT/kB值小，即E+進(jìn)攻甲苯或進(jìn)攻苯的選擇性很差，同理進(jìn)攻甲苯環(huán)上不同位置的選擇性也很差，結(jié)果生成相當(dāng)數(shù)量的間位異構(gòu)產(chǎn)物。例如甲苯的C-烷化就接近這種情況，說明—CH3、—CH2CH3等烷基陽離子部是非?；顫姷挠H電質(zhì)點(diǎn)。 反之，當(dāng)E+極不活潑時(shí)，它進(jìn)攻甲苯和苯的選擇性很好，kT/kB主要決定于甲苯和苯的相對活性，即主要決定于甲基的活化作用，因此kT/kB很大。同理，E+進(jìn)攻甲苯各不同位置的選擇性也很好，幾乎不生成間位異構(gòu)產(chǎn)物。例如甲苯的鹵化和C-酰化就接近這種情況，說明分子態(tài)氯（Cl2）和—COCH3是很弱的親電質(zhì)點(diǎn)。 4.新取代基的空間效應(yīng) 新取代基的空間障礙也會(huì)影響鄰位異構(gòu)產(chǎn)物的生成比例。5.反應(yīng)條件的影響 （1）溫度的影響 溫度升高可以使不可逆的磺化和C-烷化轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡娣磻?yīng)。溫度的變化對不可逆親電取代的異構(gòu)產(chǎn)物比例也有影響。例如硝基苯的再硝化反應(yīng)，升高硝化溫度，主產(chǎn)物間二硝基苯的生成比例將下降。 （2）催化劑的影響 催化劑可以改變親電試劑的極性效應(yīng)或空間效應(yīng)。例 15 如甲苯用混酸硝化時(shí)，加入一定量磷酸，可以提高對位異構(gòu)體的收率，即對位產(chǎn)物組成由36%提高到40%。這可能是磷酸與-NO2構(gòu)成的絡(luò)合物作為進(jìn)攻質(zhì)點(diǎn)，體積增大，使鄰位異構(gòu)產(chǎn)物減少，對位體增加。催化劑也可以改變反應(yīng)歷程，如蒽醌的磺化有Hg鹽時(shí)，磺基進(jìn)入α位，無Hg鹽進(jìn)入β位。 （3）介質(zhì)的影響 主要是介質(zhì)酸度的影響，例如，乙酰苯胺的硝化，用乙酸酐比用硫酸作介質(zhì)能得到更多的鄰位異構(gòu)產(chǎn)物。 6.已有兩個(gè)取代基的定位規(guī)律 當(dāng)苯環(huán)上已有兩個(gè)取代基，引入第三個(gè)取代基時(shí)，新取代基進(jìn)入環(huán)上位置主要決定于已有取代基的類型、定位能力的強(qiáng)弱和它們的相對位置。一般有兩個(gè)取代基定位作用一致和不一致兩種情況。 CH3硝化CH3NO2COOH硝化COOHO2NCOOHCOOHCH3CH3CH3NO2CH3 當(dāng)兩個(gè)取代基用于同一類型（都用于第一類或第二類定位基），并處于間位，其定位作用是一致的，例如： 可見新取代基很少進(jìn)入兩個(gè)處于間位的取代基之間。顯然這是空間效應(yīng)的結(jié)果，隨著已有取代基或進(jìn)攻質(zhì)點(diǎn)體積的增大而更加明顯。 當(dāng)兩個(gè)取代基屬于不同類型，并處于鄰位或?qū)ξ粫r(shí)，其定位作用也是一致的。例如： CH3磺化NO2NO2CH3SO3HCNCl硝化O2NCNCl 如果兩個(gè)已存取代基對新取代基的定位作用不一致，新取代基進(jìn)入的位置將決定于已有取代基的相對定位能力。通常第一類取代基的定位能力比第二類強(qiáng)得 多。 NH2磺化COOHNO2COOHNH2 當(dāng)兩個(gè)取代基屬于不同類型并處于間位，其定位作用就是不一致的，這時(shí)新取代基主要進(jìn)入第一類取代基的鄰位或?qū)ξ?。例如?/p> 當(dāng)兩個(gè)取代基屬于同一類型并處于鄰位或?qū)ξ?，則新取代基進(jìn)入的位置決定于定位能力較強(qiáng)的取代基。例如： CH3硝化NHCOCH3NO2NHCOCH3 CH32.3親核取代反應(yīng) 精細(xì)有機(jī)合成中的親核取代也可稱為陰離子型取代反應(yīng)，進(jìn)攻試劑的性質(zhì)和反應(yīng)物分子中C-H鍵的斷裂方式，可按如下反應(yīng)通式表示： RHZRZH 反應(yīng)既包括芳香族親核取代也包括脂肪族的親核取代，但應(yīng)用較多的為脂肪族的親核取代反應(yīng)，芳香族的則主要應(yīng)用于親核置換反應(yīng)。 2.3.1 脂肪族親核取代反應(yīng)歷程 在飽和碳原子上的親核取代反應(yīng)，最典型的反應(yīng)是鹵代烷與多種親核試劑發(fā)生的親核取代常以SN表示，其反應(yīng)歷程有SNl和SN2兩種形式?，F(xiàn)分別敘述如下： 2.3.1.1 雙分子歷程(SN2)SN2表示雙分子親核取代。這個(gè)歷程中舊的化學(xué)鍵斷裂和新的化學(xué)鍵形成是同時(shí)的，有中間產(chǎn)物生成，反應(yīng)同步進(jìn)行。以伯鹵代烷反應(yīng)為例： HXCHHOHH慢HCHδOHδXHHCOHXH 親核試劑的進(jìn)攻從背面與離去基成180°的位置接近作用物，先與碳原子形 成較弱的鍵，同時(shí)離去基與碳原子的連接減弱，兩者與碳原子成一條直線，而碳原子其他三個(gè)鍵則處于同一平面內(nèi)。表明過渡態(tài)形成。這一過程進(jìn)行較慢，是反應(yīng)的控制步驟。當(dāng)反應(yīng)由過渡態(tài)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物時(shí)。碳原子上另外三個(gè)鍵由平面向另一邊翻轉(zhuǎn)，所得產(chǎn)物的構(gòu)型與原作用物的相反。因?yàn)樵诳刂品磻?yīng)速度一步是兩種作用物分子參加，所以叫雙分子親核取代。在反應(yīng)中發(fā)生了分子的構(gòu)型逆轉(zhuǎn)，過去把它稱為“瓦爾登轉(zhuǎn)化”。在反應(yīng)中，凡發(fā)生構(gòu)型逆轉(zhuǎn)的作為SN2型反應(yīng)的重要標(biāo)志。 2.3.1.2 單分子歷程（SN1） SN1表示單分子親核取代。在這個(gè)反應(yīng)歷程中分兩步進(jìn)行取代反應(yīng)。第一步是離去基與中心碳原子之間的鍵發(fā)生異裂，生成一個(gè)不穩(wěn)定的碳正離子，是一個(gè)慢步驟，第二步是這個(gè)高能量的碳正離子中間體，迅速與親核試劑結(jié)合構(gòu)成新鍵。 RXRNu慢R快XRNu 整個(gè)反應(yīng)速度決定于第一步的慢過程。由于該步驟中只有一個(gè)作用物分子參加，所以叫做單分子親核取代。這里，烷基正離子穩(wěn)定性越大，作用物（R-X）按單分子歷程進(jìn)行反應(yīng)的傾向越大。該反應(yīng)歷程所以是單分子的，一是由于烷基在α-碳原子上積累，無論從電子效應(yīng)還是空間效應(yīng)，都給親核試劑的進(jìn)攻造成一定困難，使按SN2歷程的反應(yīng)速度降低；二是由于α-碳原子上電子云密度增大，鹵原子就較容易成為負(fù)離子而離去，生成的烷基正離子由于超共軛效應(yīng)存在，有較大的穩(wěn)定性，這些因素都促使叔鹵烷的水解反應(yīng)按SN1歷程進(jìn)行。 2.3.2 反應(yīng)的影響因素 影響親核取代反應(yīng)歷程和速度的因素，主要是作用物的結(jié)構(gòu)、親核試劑、離去基團(tuán)和溶劑的性質(zhì)等，并且它們之間是相互聯(lián)系的。 2.3.2.1 作用物結(jié)構(gòu)的影響 作用物結(jié)構(gòu)對SN1和SN2反應(yīng)進(jìn)度的影響有電子效應(yīng)和空間效應(yīng)兩種因素。例如鹵化烷的水解反應(yīng)，如果按SN2歷程進(jìn)行，則： 伯鹵烷＞仲鹵烷＞叔鹵烷 其相對反應(yīng)速率從伯烷基作用物到叔烷基作用物大約減小103倍。而按單分子歷程進(jìn)化，則： 叔鹵烷＞仲鹵烷＞伯鹵烷 其相對反應(yīng)速度大約相差106倍。甲基和伯烷基作用物是按SN1歷程進(jìn)行反應(yīng)，叔烷基作用物按SN1歷程進(jìn)行反應(yīng)；仲烷基作用物則介于SN1和SN2的邊界狀態(tài)。可以用下圖表示。 鹵代烷烷基對水解速度的影響 在作用物分子中，被進(jìn)攻的碳原子上有其他給電性基團(tuán)。如α-氯醚、3-氯丙烯等。由于取代基的p-p共軛或p-π共軛效應(yīng)，使生成的碳正離子穩(wěn)定，它們的反應(yīng)速度比沒有取代基的大上千倍、甚至上萬倍，其反應(yīng)按SN1歷程進(jìn)行。 在被進(jìn)攻的碳原子上有吸電性取代基，如α-鹵代羰基化合物、α-鹵代氰基化合物等。由于取代基的吸電子作用，使被進(jìn)攻的碳原子的部分正電荷增加，有利于SN2反應(yīng)。同時(shí)，在形成過渡態(tài)時(shí)，取代基的π-電子云也可與正在形成鍵和正在斷裂鍵的電子云交蓋，使過渡狀態(tài)能量降低，使SN2的反應(yīng)速度增加。 總之在作用物分子中，被進(jìn)攻的碳原子上有給電性取代基，有利于SNl反應(yīng)，分子中有吸電性取代基，則有利于SN2反應(yīng)。 2.3.2.2 被取代離去基團(tuán)的影響 不論在SN1或SN2的反應(yīng)中，被取代的基團(tuán)X均是帶著原來共有的一對電子 離去，所以X接受電子能力越強(qiáng)越易離去，也越有利于親核取代反應(yīng)的進(jìn)行。一般說來，其被取代的難易次序?yàn)椋?/p> RSO3—＞ I—＞ Br—＞ Cl—＞ RCOO—＞ HO—＞ H2N— 2.3.2.3 親核試劑的影響 在SN1反應(yīng)中，親核試劑的性質(zhì)對反應(yīng)速度沒有影響，因?yàn)橛H核試劑不參與整個(gè)反應(yīng)過程的速度控制步驟。在SN2的反應(yīng)中，親核試劑參與了過渡態(tài)的形成，所以親核能力的變化對取代反應(yīng)速度有明顯影響。絕大多數(shù)試劑的親核能力與其堿性的強(qiáng)弱是一致的。例如：下列親核試劑活潑次序?yàn)椋?/p> C2H5Oˉ＞ OHˉ＞ PhOˉ＞ CH3CH2ˉ＞H2O 在同族元素的試劑中，親核性是按電負(fù)性的下降而提高。例如： Iˉ＞Brˉ＞Clˉ＞Fˉ和 PhSˉ＞PhOˉ 由于原于序數(shù)越大，越容易極化，所以給電子傾向也越大。 2.3.2.4 溶劑的影響 溶劑的極性對親核取代反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)速度都有很大影響。絕大部分SNl的反應(yīng)，反應(yīng)的第一步是一個(gè)中性化合物離解為兩個(gè)帶有電荷的離子，因此極性溶劑有利反應(yīng)進(jìn)行。并且溶劑極性越大，越使反應(yīng)速度加快。SN2的反應(yīng)，由于溶劑與親核試劑可以形成氫鍵使親核試劑活潑性減弱，在反應(yīng)中試劑與反應(yīng)物形成過渡態(tài)，首先得消耗一部分能量破壞生成的氫鍵。所以反應(yīng)在不形成氫鍵的溶劑中進(jìn)行有利，反應(yīng)速度快。總之SNl反應(yīng)在質(zhì)子性溶劑中進(jìn)行有利；而SN2反應(yīng)在非質(zhì)子性溶劑中進(jìn)行有利。 脂肪族親核取代反應(yīng)在精細(xì)有機(jī)合成中較為常用，廣泛用于碳雜新鍵和碳-碳新鍵的形成。例如用于醇、醚和酯類的合成，即鹵代烴發(fā)生溶劑解，形成碳-氧新鍵，例如用水為溶劑生成醇，用醇為溶劑生成醚，用羧酸為溶劑則生成酯。又如用于硫醇、硫醚的合成形成碳-硫新鍵。用于鹵代烴的氨解形成碳-氮新鍵，這是合成烷胺類重要方法。親核取代反應(yīng)中以形成碳-碳新鍵最為重要，反應(yīng)是以碳負(fù)離子作為親核試劑，對碳負(fù)離子來說，使分子中引入烴基，又稱烴基化反 應(yīng)，用以合成腈類和炔烴；如果碳負(fù)離子為烯醇負(fù)離子，進(jìn)行烴基化反應(yīng)是合成酮、羧酸、羧酸酯和腈等化合物的重要合成方法。 2.3.3 芳香族環(huán)上氫的親核取代反應(yīng) 在該類反應(yīng)中，親核試劑優(yōu)先進(jìn)攻芳環(huán)上電子云密度最低的位置，所以在反應(yīng)的難易定位規(guī)律方面都與芳香族親電取代反應(yīng)相反。 以硝基苯的羥基化為例，這類親核取代反應(yīng)歷程簡單表示如下： NO2OH無水KOH加熱中間絡(luò)合物陰離子NO2HOHNO2OHHNO2OHH上述歷程得到一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。例如，加入適量的溫和氧化劑（包括空氣），常有利于反應(yīng)的進(jìn)行。氧化劑的作用在于幫助氫陰離子脫落，并使它轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的氫分子或水分子。上述歷程可以解釋反應(yīng)的難易和取代基的定位作用。吸電性的硝基使鄰位和對位的電子云密度下降得比間位更多，親核試劑較易進(jìn)攻這個(gè)位置，發(fā)生已有取代基的親核置換。 2.4 消除反應(yīng) 消除反應(yīng)是指有機(jī)物分子中同時(shí)除去兩個(gè)原子（或基團(tuán)），形成一個(gè)新分子，通常是不飽和程度增加的反應(yīng)。由于被除去的兩個(gè)原子（或基團(tuán)）的位置不同，消除反應(yīng)主要分兩種，即β-消除和α-消除。 β-消除是生成烯（或炔）烴化合物的反應(yīng)，即在相鄰的兩個(gè)碳原子上除去兩個(gè)基團(tuán)。 XYXY消除CβCαβCC β-消除不僅形成碳-碳雙鍵，也可形成碳-氧雙鍵、碳-硫雙鍵和碳-氮雙鍵等。α-消除是生成卡賓（Carbene）的反應(yīng)即在同一個(gè)碳原子上除去兩個(gè)基團(tuán)，也稱1,1-消除。 XCYXY消除βC 2.4.1 β-消除反應(yīng) 通過研究消除反應(yīng)的歷程，可分雙分子歷程（E2）和單分子歷程（E1）。2.4.1.1 雙分子消除反應(yīng)歷程（E2歷程） 雙分子消除反應(yīng)通常在強(qiáng)堿性試劑存在下發(fā)生。當(dāng)親核性的堿性試劑B接近β氫時(shí)，在B和H間形成微弱鍵的同時(shí)，原有C-H鍵、C-X鍵減弱而形成過渡態(tài)。而后發(fā)生C-B鍵和C-X鍵同時(shí)斷裂構(gòu)成烯鍵。 XCCBHBXCCH過渡態(tài)CCBHX 可見E2歷程和SN2歷程很相似。區(qū)別是在于E2歷程中堿性試劑進(jìn)攻β-氫原子；而在SN2歷程中反應(yīng)發(fā)生在α-碳原子上。所以在不飽和碳原子上的親核取代常伴有消除反應(yīng)發(fā)生。 按E2歷程進(jìn)行反應(yīng)，離去基團(tuán)的空間排布在理論上有兩種，即順式消除和反式消除。 XCCH反式HXCC順式 對于烷基化合物，σ-鍵可以自由旋轉(zhuǎn)，很難確定按哪種方式進(jìn)行。但烯烴衍生物和脂環(huán)化合物中，雙鍵和環(huán)上的單鍵自由旋轉(zhuǎn)受到阻礙，就以一種消除方式為主。如1,2-二氯乙烯與堿作用生成氯乙炔的反應(yīng)。 離去基處于反式位置的異構(gòu)體比離去基處于順式位置的易于消除，所以順式二氯乙烯的反應(yīng)速度比反式二氯乙烯快20倍。 ClCHCClHOH快HCCHOH慢ClCHCHCl 脂環(huán)化合物在進(jìn)行消除反應(yīng)時(shí)，被消除的兩個(gè)原子（或基團(tuán)）處于反式位置易于消除；并且被消除的原子和它們相連的碳原子在同一平面上，反應(yīng)最易進(jìn)行。 2.4.1.2 單分子消除反應(yīng)歷程（E1歷程） 單分子消除反應(yīng)歷程分兩步進(jìn)行，第一步是離去基解離而形成碳正離子。這步速度較慢是反應(yīng)的控制步驟。第二步消除β-質(zhì)子形成烯烴。 當(dāng)形成碳正離子比較穩(wěn)定時(shí)，反應(yīng)優(yōu)先按E1歷程進(jìn)行。 慢快CHCXXCHCBCCBH E1和SN1反應(yīng)常同時(shí)發(fā)生，兩者比值常根據(jù)溶劑的極性和溫度不同而異。高極性溶劑有利于質(zhì)子從碳正離子中離去。有利于E1歷程的反應(yīng)。 2.4.2 α-消除反應(yīng) α-消除反應(yīng)是在相同的碳原子上消除兩個(gè)原子（或基因），形成高度活潑的缺電性質(zhì)點(diǎn)（卡賓）的反應(yīng)。卡賓具有特殊的價(jià)鍵狀態(tài)和化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)。卡賓能與多種單鍵發(fā)生插入反應(yīng)。 CHCH2CCH2HHCCH2 卡賓能與碳-碳雙鍵進(jìn)行親電加成反應(yīng)。 CCH2CCCCH2CCCH2 卡賓與芳香族化合物也能發(fā)生加成反應(yīng)，生成環(huán)擴(kuò)大產(chǎn)物，用以合成環(huán)烯。 CH3CH2N2hv 2.4.3 消除反應(yīng)影響因素 在同樣反應(yīng)條件下，消除反應(yīng)和親核取代反應(yīng)是同時(shí)發(fā)生的。下列因素將有 23 利于消除反應(yīng)進(jìn)行。 2.4.3.1 反應(yīng)物分子結(jié)構(gòu)的影響 1.反應(yīng)物分子的空間效應(yīng) 被消除原子所連的碳原子上有支鏈時(shí)，如果按雙分子反應(yīng)，在SN2歷程反應(yīng)中親核試劑進(jìn)攻β-碳原子，而在E2歷程反應(yīng)中進(jìn)攻β-氫原子，支鏈的空間效應(yīng)對SN2不利，而相對對E2有利；如果按單分子反應(yīng)，無論是SN1或E1的歷程，在反應(yīng)速度決定步驟中形成同樣的碳正離子，只是第二步不同，若連有較多的烷基按E1消除β-氫后，形成雙鍵可減少分子張力，使分子穩(wěn)定；按SN1取代碳正離子與親核試劑結(jié)合，鍵角被壓縮（由120°減至109.5°），反而張力增加。可見無論按雙分子或按單分子反應(yīng)都對消除反應(yīng)有利。 2.反應(yīng)物分子的電于效應(yīng) 分子中在β-碳原子上有吸電性基團(tuán)（X、CN、NO2）增加了β-氫原子的活性，使E2消除反應(yīng)加速。 3.離去基團(tuán)的性質(zhì) 離去基因吸電子能力增加，使β-氫原子的電子云密度下降，有利于雙分子E2消除反應(yīng)，離去基團(tuán)對在El歷程反應(yīng)無明顯影響。 2.4.3.2 反應(yīng)條件的影響 1.堿的影響 試劑的堿性對于雙分子反應(yīng)E2或SN2是有影響的。堿性即是對質(zhì)子的親和力，因此試劑堿性增大按E2進(jìn)行反應(yīng)更容易。例如，伯仲鹵代烷的水解，為了提高醇的收率避免消除反應(yīng)，大用苛性堿而用乙酸鈉作試劑。因?yàn)镃H3COOˉ的堿性比OHˉ的弱得多，反應(yīng)按SN2歷程進(jìn)行。 總之，在消除和取代之間，強(qiáng)堿有利于消除不利于取代。而高濃度的強(qiáng)堿在非離子化溶劑中，有利于雙分子歷程，而且對E2比對SN2更有利。堿的濃度低或沒有堿存在時(shí)，在離子化溶劑中，有利于單分子歷程，而且對SN1比對E1更為有利。 2.溶劑（介質(zhì)）的影響 溶劑的極性對反應(yīng)影響與親核取代很相似。按單分子反應(yīng)是先生成碳正離子，而后按E1或SN1歷程進(jìn)行，增加溶劑極性只促進(jìn)解離中間物的速率，而對E1和SNl產(chǎn)物的比量影響較小。 按雙分子反應(yīng)，在極性小的溶劑中對于形成E2的過渡態(tài)條件有利，有利于烯烴生成。 3.溫度的影響 反應(yīng)無論是單分子還是雙分子歷程，提高反應(yīng)溫度都有利于消除反應(yīng)的進(jìn)行。這可能是消除反應(yīng)的活化過程需要拉長β-碳?xì)滏I的原因。 2.5 游離基反應(yīng) 游離基反應(yīng)又稱自由基反應(yīng)，是精細(xì)有機(jī)合成中一類較重要的反應(yīng)。它一經(jīng)引發(fā)，通常都能很快進(jìn)行下去，是快速鏈鎖反應(yīng)：但反應(yīng)也能受到某些物質(zhì)的抑制，這些物質(zhì)能非?？斓嘏c游離基結(jié)合，使反應(yīng)終止。為了使游離基反應(yīng)能夠順利發(fā)生必須先產(chǎn)生一定數(shù)量的游離基。常用的方法有三種：熱離解法、光離解法和電子轉(zhuǎn)移法。 2.5.1 熱離解法 化合物受熱到一定溫度發(fā)生熱離解，產(chǎn)生游離基。不同化合物的熱離解所需溫度不同。例如，氯分子的熱離解在100℃以上可具有一定的速度；烴、醇、醚、醛和酮受熱到800~1000℃時(shí)離解；金屬有機(jī)化合物所需溫度低些，四甲基鉛蒸汽通過灼熱至600℃的石英管，可離解成甲基游離基。 Cl2100℃以上2ClPb4CH3(CH3)4Pb600℃以上含有弱鍵的化合物裂解所需溫度低些，例如含有O-O鍵的過氧化二苯甲酰及偶氮雙異丁腈都是常用的引發(fā)劑。 OCO2CNH3CCNNCH3CNCCH350~100℃OCO2CO2CNCH350~100℃2H3CCCH3N2 2.5.2 光離解法 分子受到光的照射而被活化，活化分子具有較高的能量，它們可以滿足化學(xué)鍵均裂所需要的能量。例如，鹵素分子用光照射生成它們的原子，光離解可在任何溫度下送行，并且能通過調(diào)節(jié)光的照射強(qiáng)度控制生成游離基的速度。 Cl2Br2hvhv2Cl2Br 2.5.3 電子轉(zhuǎn)移法 重金屬離子具有得失電子的性能常被用于催化某些過氧化物的分解。例如，亞鐵離子將一個(gè)電子轉(zhuǎn)移給過氧化氫使它生成一個(gè)羥基游離基及一個(gè)更穩(wěn)定的羥基負(fù)離子。三價(jià)的鈷離子可以從過氧化叔丁醇中獲取一個(gè)電子，使過氧化叔丁醇轉(zhuǎn)變成一個(gè)過氧游離基及一個(gè)質(zhì)子。 Fe2Co3+HOHOOHOC(CH3)3Fe3OHOH 游離基反應(yīng)屬于連鎖反應(yīng)，其反應(yīng)歷程包括三個(gè)階段，即鏈的引發(fā)、鏈的傳 Co2+H+(H3C)3COO遞和鏈的終止。游離基反應(yīng)在精細(xì)有機(jī)合成中有廣泛的應(yīng)用。 2.6 加成反應(yīng) 加成反應(yīng)分三種類型，即親電加成、親核加成和游離基加成。2.6.1 親電加成 親電加成一般發(fā)生在碳-碳雙鍵上，因?yàn)橄N、炔烴分子中的π-電子只有較大的活動(dòng)性，表現(xiàn)出親核性，所以它們?nèi)菀着c多種親電試劑發(fā)生親電加成反應(yīng)。常用的親電試劑有：強(qiáng)酸（例如硫酸、氫鹵酸）、Lewis酸（例如FeCl3、A1C13、HgC12）、鹵素、次鹵酸、鹵代烷、卡賓、醇、羧酸和酰胺等。其反應(yīng)歷程分兩步進(jìn)行：首先生成碳正離子中間產(chǎn)物，它是速率控制步驟。 慢CCXYCXCY 然后是： 快YCXC CXCY烯烴的結(jié)構(gòu)不同，對反應(yīng)速度的影響也完全與上述親電分步加成歷程一致。當(dāng)碳-碳雙鍵上連有給電性取代基時(shí)，由于增加了碳-碳雙鍵上的電子云密度可使碳正離子穩(wěn)定，因而加快了反應(yīng)速度。當(dāng)連有吸電性取代基時(shí)，由于降低了碳-碳雙鍵上的電子云密度，降低了碳正離子的穩(wěn)定性，因而減慢了反應(yīng)速度。 2.6.2 親核加成 親核加成中最重要的是碳氧雙鍵（碳基）的親核加成。在碳氧雙鍵中氧原子的電負(fù)性比碳原子高得多，因此氧原于帶有部分負(fù)電荷，而碳原子則帶有部分正電荷。 CδOδ 碳氧雙鍵在進(jìn)行加成反應(yīng)時(shí)，帶負(fù)電荷的氧總是要比帶正電荷的碳原子穩(wěn)定得多，因此在堿性催化劑存在下，總是帶正電荷的碳原子與親核試劑發(fā)生反應(yīng)，即碳氧雙鍵易于發(fā)生親核加成反應(yīng)。 2.7 重排反應(yīng) 重排反應(yīng)是指在試劑作用下或其因素影響下，有機(jī)物分子中發(fā)生某些基因的轉(zhuǎn)移，形成另一種化合物的反應(yīng)。重排反應(yīng)種類很多，只討論芳香族化合物側(cè)鏈 27 向環(huán)上遷移，以及遷移發(fā)生在鄰近兩個(gè)原子間的1,2-遷移。 XZXHZZABAZB 2.7.1 分子間重排 分子間重排反應(yīng)過程中能夠獲得分裂出來的遷移基（Z）。例如，在鹽酸催化下N-氯乙酰苯胺的重排反應(yīng)： H3COCNClHHH3COCNClHClHNCOCH3Cl2NHCOCH3ClNHCOCH3HClCl 首先通過置換生成氯分子，而后氯分子與乙酰苯胺發(fā)生親電取代。2.7.2 分子內(nèi)親電重排 2.7.2.1 聯(lián)苯胺重排 這是在酸的作用下氫化偶氮苯轉(zhuǎn)化成聯(lián)苯胺的反應(yīng)。 HNNHHH2NNH2 2.7.2.2 N-取代苯胺的重排 N-取代苯胺在酸性條件下遷移基從氮原子遷移到環(huán)的鄰位或?qū)ξ簧稀＠鐏喯趸倪w移，它是親電性的重排反應(yīng)。仲芳胺的N-亞硝基衍生物用鹽酸處理時(shí)發(fā)生重排，主要生成對位異構(gòu)產(chǎn)物。 RNNOHClRNHNO 2.7.2.3 羥基的遷移 遷移基團(tuán)作為親核性質(zhì)點(diǎn)帶著它原先與支鏈相結(jié)合的電子對，從支鏈遷移至芳環(huán)上，這種重排稱為芳香族親核重排。例如，用稀硫酸作用于苯基羥胺，即發(fā)生OH－的遷移，生成了氨基酚。 HNOHH2SO4NH2NH2OHOH 第三章 精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)基礎(chǔ) 3.1 概 述 精細(xì)有機(jī)合成的工藝學(xué)主要包括以下內(nèi)容：對具體產(chǎn)品選擇和確定在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上最合理的合成路線和工藝路線；對單元反應(yīng)確定最佳工藝條件、合成技術(shù)和完成反應(yīng)的方法，以得到高質(zhì)量、高收率的產(chǎn)品。 所謂合成路線，指的是選用什么原料，經(jīng)由哪幾步單元反應(yīng)來制備目的產(chǎn)品。例如，在1.6中提到，苯酚的生產(chǎn)可以有好幾條合成路線，它們各有憂缺點(diǎn)。關(guān)于合成路線將結(jié)合具體產(chǎn)品在各單元反應(yīng)中討論。 所謂工藝路線，指的是對原料的預(yù)處理（提純、粉碎、干燥、熔化、溶解、蒸發(fā)、汽化、加熱、冷卻等）和反應(yīng)物的后處理（蒸餾、精餾、吸收、吸附、萃取、結(jié)晶、冷凝、過濾、干燥等）應(yīng)采用哪些化工過程（單元操作）、什么設(shè)備和什么生產(chǎn)流程等。 所謂反應(yīng)條件指的是：反應(yīng)物的分子比、主要反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率（反應(yīng)深度）、反應(yīng)物的濃度、反應(yīng)過程的溫度、時(shí)間和壓力以及反應(yīng)劑，輔助反應(yīng)劑、催化劑和溶劑的使用和選擇等。 所謂合成技術(shù)主要指的是：非均相接觸催化、相轉(zhuǎn)移催化、均相絡(luò)合催化、光有機(jī)合成和電解有機(jī)合成以及酶催化等。 所謂完成反應(yīng)的方法主要指的是：間歇操作和連續(xù)操作的選擇，反應(yīng)器的選擇和設(shè)計(jì)等。為了完成化工生產(chǎn)，我們必須對所涉及的物料的性質(zhì)有充分了解。29 各種物料的重要性質(zhì)主要有： （1）物料在一定條件下的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、光穩(wěn)定性以及貯存穩(wěn)定性（包括與空氣和水分長期接觸的穩(wěn)定性）等。 （2）熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）、沸點(diǎn)、在不同溫度下的蒸汽壓；物料在水中的溶解度、水在液態(tài)物料中的溶解度；物料與水是否形成恒沸物，以及恒沸溫度和恒沸物組成等。 （3）比重、折光率、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、蒸發(fā)熱、揮發(fā)性和粘度等。（4）閃點(diǎn)、爆炸極限和必要的安全措施。 （5）毒性、對人體的危害，在空氣中的允許濃度、必要的防護(hù)措施以及中毒的急救措施。 （6）物料的商品規(guī)格、各種雜質(zhì)和添加劑的允許含量、價(jià)格、供應(yīng)來源、包裝和儲(chǔ)運(yùn)要求等。 以上性質(zhì)可以查閱各種有關(guān)子冊。3.2.1 反應(yīng)物的摩爾比 反應(yīng)物的摩爾比指的是加入反應(yīng)器中的幾種反應(yīng)物之間的摩爾數(shù)之比。這個(gè)摩爾比可以和化學(xué)反應(yīng)式的摩爾數(shù)之比相同，即相當(dāng)于化學(xué)計(jì)量比。但是對于大多數(shù)有機(jī)反應(yīng)來說，投料的各種反應(yīng)物的摩爾比并不等于化學(xué)計(jì)量比。 3.2.2 限制反應(yīng)物和過量反應(yīng)物 化學(xué)反應(yīng)物不按化學(xué)計(jì)量比投料時(shí)，其中以最小化學(xué)計(jì)量數(shù)存在的反應(yīng)物叫做“限制反應(yīng)物”。而某種反應(yīng)物的量超過限制反應(yīng)物完全反應(yīng)的理論量，則該反應(yīng)物稱為“過量反應(yīng)物”。 3.2.3 過量百分?jǐn)?shù) 過量反應(yīng)物超過限制反應(yīng)物所需理論量部分占所需理論量的百分?jǐn)?shù)叫做“過量百分?jǐn)?shù)”。若以Ne表示過量反應(yīng)物的摩爾數(shù)，Ni表示它與限制反應(yīng)物完全反應(yīng)所消耗的摩爾數(shù)，則過量百分?jǐn)?shù)為： 3.2.4 轉(zhuǎn)化率（以x表示） 某一種反應(yīng)物A反應(yīng)掉的占其向反應(yīng)器中輸入量的百分?jǐn)?shù)叫作反應(yīng)物A的轉(zhuǎn)化率。 3.2.5 選擇性（以s表示） 選擇性指的是某一反應(yīng)物轉(zhuǎn)變成目的產(chǎn)物理論消耗的摩爾數(shù)占該反應(yīng)物在反應(yīng)中實(shí)際消耗掉的總摩爾數(shù)的百分?jǐn)?shù)。設(shè)反應(yīng)物A生成目的產(chǎn)物P，Np表示生成目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)，a，p分別為反應(yīng)物A和目的產(chǎn)物P的化學(xué)計(jì)量系效，則選擇性為： 3.2.6 理論收率（以y表示） 收率指的是生成的目的產(chǎn)物的摩爾數(shù)占輸入的反應(yīng)物理摩爾數(shù)的百分?jǐn)?shù)。這個(gè)收率又叫做理論收率。 轉(zhuǎn)化率、選擇性和理論收率三者之間的關(guān)系是：y=s2x。 3.3 化學(xué)反應(yīng)器 3.3.1 概述 化學(xué)反應(yīng)器是反應(yīng)原料在其中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成目的產(chǎn)物的設(shè)備。化學(xué)反應(yīng)器在結(jié)構(gòu)上和材料上必須滿足以下要求： （1）對反應(yīng)物料（特別是非均相的氣液反應(yīng)物、液液反應(yīng)物、氣固反應(yīng)物、液固反應(yīng)物、氣液固三相反應(yīng)物）提供良好的傳質(zhì)條件，便于控制反應(yīng)物系的濃度分步，以利于目的反應(yīng)的順利進(jìn)行。 （2）對反應(yīng)物料（特別是強(qiáng)烈放熱或強(qiáng)烈吸熱的反應(yīng)物系）提供良好的傳熱條件，便于熱效應(yīng)的移除或供給，以利于反應(yīng)物系的溫度控制。 31（3）在反應(yīng)的溫度、壓力和介質(zhì)條件下，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性能。 （4）能適應(yīng)反應(yīng)器的操作方式（間歇操作或連續(xù)操作）。3.3.2 間歇操作和連續(xù)操作 在反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)可以有兩種操作方式，即間歇操作和連續(xù)操作。間歇操作是將各種反應(yīng)原料按一定的順序加到反應(yīng)器中，并在一定的溫度、壓力下經(jīng)過一定時(shí)間完成特定的反應(yīng)，然后將反應(yīng)好的物料從反應(yīng)器中放出。因?yàn)榉磻?yīng)原料是分批加到反應(yīng)器中的，所以又叫做“分批操作”。在間歇操作時(shí)，反應(yīng)物的組成隨時(shí)間而改變。另外，反應(yīng)物的溫度和壓力也可以隨時(shí)間而改變。連續(xù)操作是將各種反應(yīng)原料按一定的比例和恒定的速度連續(xù)不斷地加入到反應(yīng)器中，并且從反應(yīng)器中以恒定的速度連續(xù)不斷地排出反應(yīng)產(chǎn)物。在正常操作下，反應(yīng)器中某一特定部位的反應(yīng)物料的組成、溫度和壓力原則上是恒定的。 連續(xù)操作比間歇操作有許多優(yōu)點(diǎn)。第一，連續(xù)操作比較容易實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)控制，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定；而間歇操作的程序自動(dòng)控制則相當(dāng)困難而且費(fèi)用昂貴，因此間歇操作比連續(xù)操作需要較多的勞動(dòng)，而且反應(yīng)的效果常常受人的因素影響。第二，連續(xù)操作很容易實(shí)現(xiàn)縮短反應(yīng)時(shí)間。而間歇操作則需要有加料，調(diào)整操作的溫度和壓力，放料，以及準(zhǔn)備下一批投料等輔助操作時(shí)間。因此，對于生產(chǎn)規(guī)模大、反應(yīng)時(shí)間短的化學(xué)過程都盡可能采用連續(xù)操作。特別是氣相反應(yīng)和氣固相接觸催化反應(yīng)則必須采用連續(xù)操作。第三，連續(xù)操作容易實(shí)現(xiàn)節(jié)能。例如從反應(yīng)器中移出的熱量以及熱的反應(yīng)產(chǎn)物在冷卻時(shí)通過熱交換器傳出的熱量可以用來預(yù)熱冷的反應(yīng)原料，或者把熱量傳遞給水以產(chǎn)生水蒸汽。而要把間歇操作組合到節(jié)能系統(tǒng)中一般是難于實(shí)現(xiàn)的。 但是，間歇操作也有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。第一，連續(xù)操作的技術(shù)開發(fā)比間歇操作困難得多。節(jié)能和節(jié)省勞動(dòng)力一般是與生產(chǎn)規(guī)模成正比例的，對于小規(guī)模生產(chǎn)來說，開發(fā)一個(gè)連續(xù)操作常常是不值得的。第二，間歇操作的開工和停工一般比連續(xù)操作容易，間歇操作的設(shè)備在產(chǎn)量的大小上有較多的伸縮余地，更換產(chǎn)品也有 32 靈活性，而連續(xù)操作的設(shè)備通常只能生產(chǎn)單一產(chǎn)品。第三，在某些情況下，由于反應(yīng)原料或產(chǎn)物的物理性質(zhì)（例如粘稠度和分散狀態(tài)），或是由于反應(yīng)條件的控制（例如溫度、壓力和操作步驟）等因素，難于采用連續(xù)操作。例如用固相法生產(chǎn)2,3-酸就必須采用間歇操作。因此，對于多品種、產(chǎn)量小的精細(xì)化工產(chǎn)品來說，間歇操作有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。 3.3.3 間歇操作反應(yīng)器 液液相或液固相間歇操作的反應(yīng)器基本上和實(shí)驗(yàn)寶的設(shè)備相似，所不同的是規(guī)模大，制造材料相傳熱方式不同。這種間歇操作反應(yīng)器可以是敞口的反應(yīng)槽（相當(dāng)于燒杯），也可以是帶回流冷凝器的反應(yīng)鍋（相當(dāng)于四口燒瓶），或者是耐壓的高壓釜。對于某些物料非常粘稠的液固相反應(yīng)，則常常采用臥式轉(zhuǎn)筒球磨機(jī)式反應(yīng)器(固相罐)。最常用的傳熱方式是在鍋外安裝夾套或在鍋內(nèi)安裝蛇形盤管。冷卻一般用冷水或冷凍鹽水。加熱一般用水蒸汽，需要較高溫度時(shí)（130~260℃）則用耐高溫導(dǎo)熱油。對于轉(zhuǎn)筒球磨機(jī)式反應(yīng)器（例如苯胺固相焙烘磺化制對氨基苯磺酸，料溫約200℃）或其他高溫反應(yīng)過程（例如2-萘磺酸鈉的堿熔制2-萘酚，料溫28~320℃），還可以采用直接火加熱（燃燒煤氣、燃料油或煤）或者直接用電熱。在個(gè)別情況下，也可以直接向反應(yīng)器中加入碎冰進(jìn)行冷卻（例如重氮化和偶合反應(yīng)），或者直接通入水蒸汽進(jìn)行加熱（例如某些萘系磺酸的水解反應(yīng)）。 3.3.4 液相連續(xù)反應(yīng)器 在連續(xù)操作的反應(yīng)器中，有兩種極限的流動(dòng)模型，即“理想混合型”和“理想置換型”。 3.3.4.1 理想混合型反應(yīng)器 它通常是裝有攪拌器和傳熱裝置的反應(yīng)鍋，如圖所示。 反應(yīng)原料連續(xù)不斷地加入到鍋中，在攪拌下在鍋內(nèi)停留一定時(shí)間，同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物也連續(xù)不斷地從鍋中流出。這種反應(yīng)器的特點(diǎn)是：強(qiáng)烈的攪拌產(chǎn)生了反向混合作用（簡稱返混），即新加入的物料與已存在鍋內(nèi)的物料能瞬間完全混合，所以鍋內(nèi)各處物料的組成和溫度都相同，并且等于出口處物料的組成和溫度。但是，物料中各個(gè)粒子在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間則并不相同。 鍋式連續(xù)反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)烈的攪拌有利于非均相反應(yīng)物的傳質(zhì)，可加快反應(yīng)速度。另外，也有利于強(qiáng)烈放熱反應(yīng)的傳熱，可加大反應(yīng)鍋的生產(chǎn)能力。例如，苯、甲苯和氯苯的一硝化都采用鍋式連續(xù)反應(yīng)器。 鍋式連續(xù)操作也有很多缺點(diǎn)。第一，鍋內(nèi)物料的組成等于出口物料的組成，即其中反應(yīng)原料的濃度相當(dāng)?shù)?，這就顯著影響反應(yīng)速度。第二，流出的反應(yīng)產(chǎn)物中也勢必殘留有一定數(shù)量未反應(yīng)的原料從而影響收率。第三，鍋內(nèi)已經(jīng)生成的反應(yīng)產(chǎn)物的濃度相當(dāng)高，它容易進(jìn)一步發(fā)生連串副反應(yīng)。例如，苯用混酸的一硝化過程，如果采用單鍋連續(xù)操作，不僅設(shè)備生產(chǎn)能力低，反應(yīng)產(chǎn)物中含有較多未反應(yīng)的苯和硝酸，最不利的是產(chǎn)品硝基苯中含有高達(dá)2~4%的副產(chǎn)物二硝基苯。因此，單鍋連續(xù)操作在工業(yè)上很少采用。 為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，一般都采用多鍋串聯(lián)聯(lián)法，如圖所示。 反應(yīng)原料連續(xù)的加到第一個(gè)反應(yīng)鍋中，反應(yīng)物料依次地連續(xù)流經(jīng)第二個(gè)（和第三個(gè)）反應(yīng)鍋。而反應(yīng)產(chǎn)物則從最后一個(gè)反應(yīng)鍋流出。多鍋串聯(lián)連續(xù)操作的特點(diǎn)是：幾個(gè)反應(yīng)鍋之間并元返混作用，從而大大降低了返混作用的不利影響。因此它具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一個(gè)反應(yīng)鍋中反應(yīng)原料的濃度比較高，反應(yīng)速度相當(dāng)快，可大大提高設(shè)備的生產(chǎn)能力；每個(gè)反應(yīng)用可以控制不同的反應(yīng)溫度；另外，在最 34 后一個(gè)反應(yīng)鍋中，反應(yīng)原料的濃度已經(jīng)變得很低，并大大減少反應(yīng)產(chǎn)物中剩余未反應(yīng)物的含量，有利于降低原料的消耗定額，并大大減少連串反應(yīng)副產(chǎn)物的生產(chǎn)量。為了避免原料以短路的方式從各反應(yīng)鍋中流出，可以在鍋內(nèi)安裝導(dǎo)流筒，或是將傳熱蛇管做成導(dǎo)流簡的形式，如圖所示。 另外也可以把反應(yīng)器做成U形循環(huán)管的形式，如圖所示。 3.3.5 氣液相反應(yīng)器 氣液相反應(yīng)主要是利用空氣中氧的氧化反應(yīng)，利用氯氣的氯化反應(yīng)以及用氫氣的加氫反應(yīng)等。大規(guī)模生產(chǎn)，一船都采用鼓泡塔式反應(yīng)器。這類反應(yīng)器既可以間歇操作，也可以連續(xù)操作。在連續(xù)操作時(shí),反應(yīng)氣體總是從塔的底部輸入，尾氣從塔的頂部排出。而液態(tài)物料即可以從塔的底部輸入，從塔的上部流出（并流法），也可以從塔的上部輸入，從塔的底部流出（逆流法），如圖所示。 氣液相塔式反應(yīng)器 因?yàn)樵谒杏幸欢ǖ姆迪蚧旌献饔茫瑸榱藴p少它的不利影響，并使氣液相之間有良好的傳質(zhì)作用，可在塔內(nèi)裝有填料、篩板、泡罩板、各種擋網(wǎng)或擋板等內(nèi)部構(gòu)件。為了控制反應(yīng)溫度，可采用內(nèi)部熱交換器或外循環(huán)式熱交換器。為了避免塔身太高而增加通入氣體的壓頭，也可以來用多塔串聯(lián)的方式，從每個(gè)塔的底部通入反應(yīng)氣體。 當(dāng)氣液相反應(yīng)速度相當(dāng)快,熱效應(yīng)相當(dāng)大時(shí)，也可以采用列管式并流反應(yīng)器（例如高碳烷烴的氯化）或降膜逆流管式反應(yīng)器（例如十二烷基苯磺化）。 雙膜反應(yīng)器 3.3.6 氣固相接觸催化反應(yīng)器 氣固相接觸催化反應(yīng)是將反應(yīng)原料的氣態(tài)混合物在一定的溫度、壓力下通過固體催化劑而完成的。這類反應(yīng)方式在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用，它一般都采用連續(xù)操作的方式。這類反應(yīng)器設(shè)計(jì)的主要問題是傳熱和催化劑的裝卸。這類反應(yīng)器主要有三種類型，即絕熱固定床反應(yīng)器、列管團(tuán)定床反應(yīng)器和流化床反應(yīng)器。 3.3.6.1 絕熱固定床反應(yīng)器 單層絕熱固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)非常簡單，如下圖所示，它是一個(gè)沒有傳熱裝置，只裝有固體催化劑的容器。反應(yīng)原料從容器的一端輸入，反應(yīng)產(chǎn)物則從容器的另一端輸出。這類反應(yīng)器的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，空間利用率高、造價(jià)低、36 催化劑裝卸容易。但是，在這類反應(yīng)器中，反應(yīng)物料和催化劑的溫度是變化的。對于放熱反應(yīng)，從進(jìn)口到出口溫度逐漸升高。對于吸熱反應(yīng)，從進(jìn)口到出口溫度逐漸降低。而且反應(yīng)過程的熱效應(yīng)越大，進(jìn)出口的溫差越大。由于這個(gè)特點(diǎn)使得單層絕熱固定床反應(yīng)器只適用于過程熱效應(yīng)不大、反應(yīng)產(chǎn)物比較穩(wěn)定、對反應(yīng)溫度變化不太敏感、反應(yīng)氣體溫合物中含有大量惰性氣體（例如水蒸汽或氮?dú)猓?，一次通過反應(yīng)器轉(zhuǎn)化率不太高的過程。例如，氯苯的氣相水解制苯酚，甲醇的氧化脫氫制甲醛等，另外，單層絕熱固定床反應(yīng)器中的催化劑層不宜太厚，以免進(jìn)口和出口的溫差太大，因此，只適用于反應(yīng)停留時(shí)間短的過程。 單層絕熱反應(yīng)器 當(dāng)反應(yīng)的熱效應(yīng)較大時(shí)，為了改善反應(yīng)的溫度條件并提高轉(zhuǎn)化率，常常采用多段絕熱反應(yīng)器,如圖所示。 CO水蒸汽變換反應(yīng)裝置示意圖 為了調(diào)整反應(yīng)溫度，可根據(jù)過程的特點(diǎn)，選擇合適的載體或冷卻劑；對于放熱反應(yīng)，可進(jìn)行原料氣的預(yù)熱（例如，一氧化碳的水蒸汽轉(zhuǎn)變制氫）；對于吸熱反應(yīng)還可以采用外部管式加熱爐。 3.3.6.2 列管式固定床反應(yīng)器 列管式固定床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類型很多,最簡單的結(jié)構(gòu)類似于單程列管式換熱器，如圖所示。 列管式固定床反應(yīng)器 催化劑放在列管內(nèi)，載熱體在管外進(jìn)行冷卻或加熱。對于放熱反應(yīng)，可以用熔鹽或其它載熱體將熱效應(yīng)移出。熱的載熱體經(jīng)廢熱鍋爐降溫后再返回列管反應(yīng)器，廢熱鍋爐吸收熱量后可產(chǎn)生0.6~2.0MPa的水蒸汽。熔鹽是等分子比硝酸鉀和亞硝酸鈉的混合物，熔點(diǎn)141℃，可在147~540℃操作。它的優(yōu)點(diǎn)是比熱和導(dǎo)熱系數(shù)大，傳熱效果好。對于吸熱反應(yīng)，根據(jù)所要求的溫度，可以用液態(tài)或蒸汽態(tài)的載熱體進(jìn)行加熱。另外也可以用電熱或用外部管式爐加熱（多段固定床反應(yīng)器）。 3.3.6.3 流化床反應(yīng)器 它的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，主要構(gòu)件是殼體、氣體分布板、熱交換器、催化劑回收裝置。有時(shí)為了減少反向混合并改善流態(tài)化質(zhì)量，還在催化劑床層內(nèi)附加擋板或擋網(wǎng)等內(nèi)部構(gòu)件 流態(tài)化的基本原理是：當(dāng)氣體經(jīng)過分布板以適當(dāng)速度均勻地通過粉狀催化劑床層時(shí)，催化劑的顆粒被吹動(dòng)，漂浮在氣體中做不規(guī)則的激烈運(yùn)動(dòng)，整個(gè)床層類似沸騰的液體一樣，能夠自由運(yùn)動(dòng)，所以又叫做沸騰床。 流化床的主要優(yōu)點(diǎn)是：采用細(xì)顆粒催化劑有利于反應(yīng)氣體在催化劑微孔中的內(nèi)擴(kuò)散，催化劑表面的利用率高。加強(qiáng)床層的傳熱，床層溫度均勻，可控制在1~3℃的溫度差范圍內(nèi)。便于催化劑的再生和更換。制造費(fèi)用比列管式固定床低得多。流化床反應(yīng)器廣泛用于空氣氧化、催化裂化等反應(yīng)過程。 流化床的主要缺點(diǎn)是，由于返混作用，對于某些反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性不如固定床；催化劑容易磨損流失；不能使用表面型顆粒狀催化劑。 流化床反應(yīng)器 1-加催化劑口，2-預(yù)分布器，3-分布板，4-卸催化劑口，5-內(nèi)部構(gòu)件，6-熱交換器，7-殼體，8-旋風(fēng)分離器 3.4 精細(xì)有機(jī)合成中的溶劑效應(yīng) 3.4.1 概述 3.4.1.1 溶劑對有機(jī)反應(yīng)的影響 溶劑的作用不只是使反應(yīng)物溶解，更重要的是溶劑可以和反應(yīng)物發(fā)生各種相互作用。如果選擇合適的溶劑就可以使主反應(yīng)顯著地加速，并且能有效地抑制副反應(yīng)。另外，溶劑還和影響反應(yīng)歷程、反應(yīng)方向相立體化學(xué)。因此，了解溶劑的性質(zhì)、分類以及溶劑和溶質(zhì)之間的相互作用，并合理地選擇溶劑，對于目的反應(yīng)的順利完成有重要意義。 3.4.1.2 溶液和溶解作用 溶質(zhì)溶解于溶劑而形成的均態(tài)混合物體系叫做溶液。溶解作用的最古老的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是“相似相溶”?？偟膩碚f，一個(gè)溶質(zhì)易溶于化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的溶劑，而不易溶于化學(xué)結(jié)構(gòu)完全不同的溶劑。極性溶質(zhì)易溶于極性溶劑，非極性溶質(zhì)易溶于非極性溶劑。但是，也有一些例外，即化學(xué)結(jié)構(gòu)相似的組分呈現(xiàn)不溶性，但化學(xué)結(jié)構(gòu)不相似的組分卻能互相溶解。一般認(rèn)為與溶解作用有關(guān)的因素主要有： 39（1）相同分子之間的引力與不同分子之間的引力的相互關(guān)系。（2）由分子的極性所引起的締合程度。（3）溶劑化作用。（4）溶劑和溶質(zhì)的分子量。（5）溶劑活性基團(tuán)的種類和數(shù)目 3.4.1.3 溶劑和溶質(zhì)之間的相互作用力 大量溶劑分子和少量溶質(zhì)分子之間的相互作用力可以分為三大類：（1）庫侖力 即靜電吸引力，它包括離子-離子力和離子-偶極力。（2）范德華（Van der Waals）力 亦稱內(nèi)聚力，它包括偶極—偶極力(定向力)、偶極-誘導(dǎo)偶極力（誘導(dǎo)力）和瞬時(shí)偶極—誘導(dǎo)偶極力（色散力）。 （3）專一性力 它包括氫鍵締合作用、電子對給體/電子對受體相互作用（電荷轉(zhuǎn)移力）。溶劑化作用、離子化作用、離解作用和憎溶劑相互作用等。 第一類和第二類分子間力是普通存在的非專一性力。第三類分子間力是只有在一定結(jié)構(gòu)之間才能發(fā)生的、有一定方向的專一性力。 3.4.2 溶劑的分類 溶劑的分類有許多方案，各有一定的用途。3.4.2.1 溶劑按化學(xué)結(jié)構(gòu)分類 溶劑按化學(xué)結(jié)構(gòu)可以分為無機(jī)溶劑和有機(jī)溶劑兩大類。常用的無機(jī)溶劑數(shù)量很少。把溶劑按化學(xué)結(jié)構(gòu)分類，可以給出某些定性的預(yù)示。這就是前面提到的“相似相溶”原則。另外，根據(jù)各類溶劑化學(xué)反應(yīng)性的知識(shí)，也可以幫助我們合理地選擇溶劑，避免在溶質(zhì)和溶劑之間發(fā)生不希望的副反應(yīng)。 3.4.2.2 溶劑按偶極距μ和介電常數(shù)ε分類 偶極矩μ和介電常數(shù)ε是表示溶劑極性的兩個(gè)重要參數(shù)，因此這種分類法具有重要實(shí)際意義。 1.偶極矩μ 分子中具有永久偶極矩的溶劑叫做“極性”劑。反之，分子中沒有永久偶極 40 矩的溶劑則叫做“無極性”或“非極性”溶劑，例如己烷、環(huán)己烷、苯、四氯化碳和二硫化碳等。由于沒有永久偶極短的溶劑是極少的，因此把偶極矩小于2.5D的非質(zhì)子弱極性溶劑（例如氯苯和二氯乙烷）也列為非極性溶劑。 偶極矩主要影響在溶質(zhì)（分子或離子）周圍的溶劑分子的定向作用。2.介電常數(shù)ε 如果溶劑分子本身沒有永久偶極矩，則外電場會(huì)使溶劑分子內(nèi)部分離出電荷而產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極。具有永久偶極或誘導(dǎo)偶極的溶劑分子被充電的電容器板強(qiáng)制地形成一個(gè)有序排列，從而引起所謂的“極化作用”。極化作用越大,電場強(qiáng)度的下降也越大，即E值越小，介電常數(shù)ε越大。因此，介電常數(shù)表示溶劑分子本身分離出電荷的能力，或溶劑使它的偶極定向的能力。 3.溶劑極性的本質(zhì)—溶劑化作用 關(guān)于溶劑的“極性”這個(gè)術(shù)語，直至現(xiàn)在尚未被確切地下定義。關(guān)于溶劑的所謂極性，重要的是它的總的溶劑化能力。溶劑化作用指的是每一個(gè)被溶解的分子（或離子）被一層或幾層溶劑分子或松或緊地包圍的現(xiàn)象。溶劑化作用是一種十分復(fù)雜的現(xiàn)象，它包括溶劑與溶質(zhì)之間所有專一性和非專一性相互作用的總和。這樣多的溶劑、溶質(zhì)相互作用，很難用一個(gè)簡單的物理量來表示。習(xí)慣上，常常用偶極矩或介電常數(shù)表示。但是這兩個(gè)物理量都只能反映溶劑的一部分性質(zhì)或起某種作用。盡管如此，把溶劑按照它們的極性（偶極矩或介電常數(shù)）分成幾種不同的類型，并分別討論各類溶劑對溶質(zhì)分子（或離子）的作用，對于為各種具體反應(yīng)選擇合適的溶劑還是有重要實(shí)際意義的。 3.4.3 有機(jī)反應(yīng)中溶劑的使用和選擇 3.4.3.1 有機(jī)反應(yīng)對溶劑的要求 在有機(jī)反應(yīng)中溶劑的使用和選樣，除了考慮溶劑對主反應(yīng)的速度、反應(yīng)歷程、反應(yīng)方向、和立體化學(xué)的影響以外，還必須考慮以下因素： （1）溶劑對反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不影響催化劑的活性。溶劑本身在反應(yīng)條件下及后處理?xiàng)l例下是穩(wěn)定性。 41（2）溶劑對反應(yīng)物有較好的溶解性，或者使反應(yīng)物在溶劑中能良好分散.（3）溶劑容易從反應(yīng)物中回收，損失少，不影響產(chǎn)品的質(zhì)量。（4）對溶劑盡可能不需要太高的技術(shù)安全措施。（5）溶劑的毒性小，含溶劑的廢水容易處理。（6）溶劑的價(jià)格便宜、供應(yīng)方便。3.4.3.2 各類反應(yīng)的適用溶劑 1.硝化 混酸硝化：二氯甲烷、二氯乙烷； 稀硝酸硝化：氯苯、鄰二氯苯； 均相硝化：濃硫酸、醋酸、過量濃硝酸； 2.磺化 溶劑磺化：乙酸、三氯甲烷、四氯化碳 三氧化硫或氯磺酸磺化：1,2-二氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、鄰二氯苯、三氯苯、硝基苯； 焙烘磺化：鄰二氯苯、三氯苯 恒沸去水磺化：鄰二氯苯、煤油 3.鹵化 非水介質(zhì)：濃硫酸、氯磺酸、三氯化磷、三氯氧磷、四氯化鈦、四氯化碳、二氯乙烷、氯苯、鄰二氯苯、醋酸 水介質(zhì)：氯苯、鄰二氯苯、硝基苯等 4.催化加氫 低碳醇、乙酸乙酯、乙酸、丙酮、水、二氧六環(huán)、烴類 5.氧化 濃硫酸、乙酸、水、二氧六環(huán)、石油醚、硝基苯、吡啶 6.Friedel-Crafts反應(yīng) 溶劑法：二氯乙烷、四氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、二硫化碳、石油醚、環(huán)丁 42 砜、過量的液態(tài)反應(yīng)組分 熔融法：ALCl3-NaCl、AlCl3-NaCl-H2NCONH2 3.5 氣固相接觸催化 3.5.1 概述 氣固相接觸催化反應(yīng)是將氣態(tài)反應(yīng)物在一定的溫度、壓力下連續(xù)地通過固體催化劑的表面而完成的。這種反應(yīng)方式可應(yīng)用于許多單元反應(yīng)。 固體催化劑通常是由主要催化活性物質(zhì)、助催化劑和載體所組成。有時(shí)為了便于制成所需要的形狀或改善催化劑的機(jī)械強(qiáng)度或孔隙結(jié)構(gòu)，在制備催化劑時(shí)還加入成型劑或造孔物質(zhì)。 固體催化劑按照粒度可以分為顆粒狀和粉末狀兩種類型。顆粒狀催化劑用于固定床反應(yīng)器，粉末狀催化劑用于流化床反應(yīng)器。 固體催化劑按照表面積又可以分為高比表面型和低比表面型兩類。催化劑的表面包括外表面和孔隙中的內(nèi)表面兩部分。每克催化劑的總表面積叫做比表面,它的單位是m2/g。 固體催化劑的密度（s/mL）用視比重來表示。它是把一定重量的催化劑放在量筒中，直接觀測其體積而算得的。 關(guān)于固體催化劑的作用，雖然已經(jīng)提出不少催化理論，但是還沒有一個(gè)理論能全面地、完善地解釋所有各種接觸催化反應(yīng)的機(jī)理。最常用的理論是活性中心理論、活化組合物學(xué)說和多位（活化絡(luò)合物）學(xué)說等。這些學(xué)說的要點(diǎn)是催化劑的表面只有一小部分特定的部位能起催化作用，這些部位叫做活性中心。反應(yīng)物分子的特定基團(tuán)在活性中心發(fā)生化學(xué)吸附，形成活化絡(luò)合物。然后活化絡(luò)合物再與另一個(gè)或另一種未被吸附的反應(yīng)物分子相作用，生成目的產(chǎn)物?；蛘呤莾煞N反應(yīng)物分子分別被兩個(gè)相鄰的不同的活性中心所吸附分別生成活化絡(luò)合物，然后兩個(gè)活化絡(luò)合物相互作用而生成目的產(chǎn)物。由于活性中心的特殊性，所以一種優(yōu)良的催化劑可以只對某一類甚至某一個(gè)具體反應(yīng)具有良好的催化作用，即對目的反應(yīng)具有良好的選擇性。 3.5.2 催化劑的選擇性、活性和壽命 3.5.2.1 催化劑的選擇性 它指的是特定催化劑專門對某一化學(xué)反應(yīng)起加速作用的性能。其選擇性也是用某一反應(yīng)物通過催化劑后轉(zhuǎn)變?yōu)槟康漠a(chǎn)物時(shí)理論消耗的摩爾數(shù)占該反應(yīng)物在反應(yīng)中實(shí)際消耗掉的總摩爾數(shù)百分?jǐn)?shù)來表示，催化劑的選擇性與催化劑的組成、制法和反應(yīng)條件等因素有關(guān)。 3.5.2.2 催化劑的活性 在工業(yè)上，催化劑的活性通常用單位體積（或單位重量）催化劑在特定反應(yīng)條件下，在單位時(shí)間內(nèi)所得到的目的產(chǎn)物的重量來表示。對于某些催化反應(yīng)，工業(yè)催化劑的活性還使用在特定的氣體時(shí)空速度下，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率或目的產(chǎn)物的收率來表示。 3.5.2.3 催化劑的壽命 它指的是催化劑在工業(yè)反應(yīng)器中使用的總時(shí)間。催化劑在使用過程中，由于溫度、壓力、氣氛、毒物的影響，以及焦油或積碳的生成等因索，都會(huì)或多或少地使催化劑發(fā)生某些物理的或化學(xué)的變化，例如熔結(jié)、粉化以及結(jié)晶結(jié)構(gòu)或比表面的變化等，這些都會(huì)影響催化劑中的活性中心，從而影響催化劑的活性和選擇性。當(dāng)催化劑的活性和選擇性下降到一定程度，并且不能設(shè)法恢復(fù)其活性時(shí)，就需要更換催化劑。工業(yè)催化劑的壽命與反應(yīng)類型、催化劑的組成和制法等因素有關(guān)。有些催化劑的壽命可長達(dá)數(shù)年，有的催化劑壽命只有幾小時(shí)。 催化劑使用一定時(shí)間后，因活性下降，需要活化再生，這個(gè)使用時(shí)間叫作催化劑的活化周期。 3.5.3 催化劑的組成 3.5.3.1 催化活性物質(zhì) 它指的是對目的反應(yīng)具有良好催化活性的成分。對于具體反應(yīng)，其催化活性物質(zhì)是通過大量實(shí)驗(yàn)篩選出來的。它通常是單一成分或二到三種成分。例如，對于強(qiáng)氧化反應(yīng)的催化劑，其活性組分通常都是五氧化二釩。 3.5.3.2 助催化劑 它是本身沒有催化活性或催化活性很小但是能提高催化活性物質(zhì)的活性、選擇性或穩(wěn)定性的成分。在催化劑中通常都含有適量的助催化劑。助催化劑主要是在高溫下穩(wěn)定的各種金屬氧化物、非金屬氧化物、金屬鹽和金屬元素。 3.5.3.3 載體 載體是催化活性組分和助催化劑的支持物、粘結(jié)物或分散體。由于使用載體、在催化劑中催化活性組分和助催化劑的含量可以很低。載體的機(jī)械作用是增加催化活性組分的比表面，抑制微晶增長，從而延長催化劑的壽命，使催化劑具有足夠的空襲度、機(jī)械強(qiáng)度（硬度、耐磨性、耐壓強(qiáng)度等）、熱穩(wěn)定性、比熱和導(dǎo)熱率等。另外，有些載體還常常與催化活性組分發(fā)生某種化學(xué)作用，改變了催化活性組分的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)，從而改善了催化劑的活性和選擇性。因此，在制備催化劑時(shí)載體的選擇也是很重要的。 3.5.4 催化劑的毒物、中毒和再生 催化劑因微量外來物質(zhì)的影響，使其活性和選擇性下降的現(xiàn)象叫做催化劑的中毒。微量外來物質(zhì)叫作催化劑的毒物。 3.5.4.1 催化劑的毒物 在工業(yè)生產(chǎn)中，催化劑的毒物通常來自反應(yīng)原料。有時(shí)毒物也可能是在催化劑制備過程中混入的，或者是來自其它污染源。由于中毒作用通常發(fā)生在催化活性組分表面的活性中心上，所以微量毒物就能引起催化劑活性顯著下降。 3.5.4.2 催化劑的中毒 中毒是由于毒物與催化活性組分發(fā)生了某種作用，因而破壞或遮蓋了活性中心所造成的。毒物在活性中心吸附較弱或化合較弱，可以用簡單的方法使催化劑恢復(fù)活性的中毒現(xiàn)象叫作“可逆中毒”或“暫時(shí)中毒”。毒物與活性中心結(jié)合很強(qiáng)，不能用一般方法將毒物除去的中毒現(xiàn)象叫作“不可逆中毒”或“永久中毒”。催化劑暫時(shí)中毒，可設(shè)法再生。催化劑永久中毒后，就需要更換新鮮催化劑。 3.5.4.3 催化劑中毒的預(yù)防和再生 為了避免催化劑的中毒，一種新型催化劑在投入生產(chǎn)使用前，都應(yīng)指出哪些是毒物，以及這些毒物在反應(yīng)原料中的最高允許含量。當(dāng)原料中有害物質(zhì)的含量超過規(guī)定時(shí)，必須對原料進(jìn)行精制，或換用其他原料。催化劑暫時(shí)中毒可設(shè)法再生。再生的方法通常是用空氣、水蒸汽或氯氣在一定溫度下通過催化劑以除去積碳、焦油物或硫化氫等毒物。當(dāng)催化劑活性下降很慢，使用較長時(shí)間才需要進(jìn)行再生時(shí)，再生過程可以就在反應(yīng)器中進(jìn)行。 3.5.5 催化劑的制備 一種優(yōu)良的催化劑一般應(yīng)具備以下性能。 （1）活性高、選擇性好、對熱和毒物穩(wěn)定、使用壽命長、容易再生。（2）機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性好。 （3）具有合適的宏觀結(jié)構(gòu)。例如，比表面、孔隙度、孔徑分布、顆粒度和微晶結(jié)構(gòu)等。這種宏觀結(jié)構(gòu)既要提供足夠的催化表面，又要能使反應(yīng)物和產(chǎn)物在反應(yīng)過程中順利擴(kuò)散。 (4)制備簡便、價(jià)格便宜。 控制備催化劑時(shí)，常常使用一系列化學(xué)的、物理的和機(jī)械的專門處理。應(yīng)該指出，一種催化劑盡管組分和含量完全相同，但是只要在處理細(xì)節(jié)上稍有差異，就可能因催化劑的微觀結(jié)構(gòu)不同，而導(dǎo)致其催化性能有很大的差異，甚致不符合使用要求。因此，催化劑的制備細(xì)節(jié)都是嚴(yán)格保密的。 3.6 相轉(zhuǎn)移催化 3.6.1 概述 發(fā)生雙分子反應(yīng)的最起碼條件是兩個(gè)反應(yīng)物分子之間必須發(fā)生碰撞。如果兩個(gè)分子不能披此靠擾，那么不管其中一種分子的能量有多大，它也不能和另一種分子發(fā)生反應(yīng)。例如，溴辛烷與氰化鈉在一起共熱兩星期，也不發(fā)生反應(yīng)。這是因?yàn)榍杌c完全不溶于溴辛烷的緣故。對于無機(jī)鹽與有機(jī)物的反應(yīng)，傳統(tǒng)的解決辦法是使用既具有親油性，又具有親水性的溶劑。例如，甲醇、乙醇、丙酮、二氧六環(huán)等。但是這也有一定的困難，即無機(jī)鹽在這些溶劑中的溶解度很小，而有 機(jī)物又常常難溶于水。后來發(fā)現(xiàn)非質(zhì)子極性溶劑對無機(jī)鹽有一定的溶解度，它能使二元鹽中的陽離子專一性溶劑化，從而使陰離子成為高活性的裸陰離子，對于親核取代反應(yīng)是良好的溶劑。但是使用這類溶劑也有缺點(diǎn)。主要是價(jià)格貴、難于精制和干燥、不易長期保存在無水狀態(tài)、有時(shí)少量水會(huì)對反應(yīng)產(chǎn)生干擾、反應(yīng)后難回收、有毒和操作不便。 為此，在60年代末又發(fā)展了一種“相轉(zhuǎn)移催化”有機(jī)合成新方法。它的優(yōu)點(diǎn)是：第一，可以不用上述特殊溶劑，并且常常不要求無水操作。第二，由于相轉(zhuǎn)移催化劑（PTC）的存在，使需要參加反應(yīng)的陰離子具有較高的反應(yīng)活性，從而降低反應(yīng)溫度、縮短反應(yīng)時(shí)間、簡化工藝過程、提高產(chǎn)品的收率和質(zhì)量、并減少三廢。第三，具有通用性，可廣泛應(yīng)用于許多單元反應(yīng)。相轉(zhuǎn)移催化化的缺點(diǎn)是相轉(zhuǎn)移催化劑價(jià)格較貴，只有在使用相轉(zhuǎn)移催化法能顯著提高收率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、取得較好經(jīng)濟(jì)效益時(shí)，才具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。盡管如此，它在工業(yè)上已取得許多有價(jià)值的成果。 3.6.2 相轉(zhuǎn)移催化劑 相轉(zhuǎn)移催化劑至少要能滿足以下兩個(gè)基本要求：一個(gè)是能將所需要的離子從水相或固相轉(zhuǎn)移到有機(jī)相；另一個(gè)是要有利于該離子的迅速反應(yīng)。 當(dāng)然，一種具有工業(yè)使用價(jià)值的相轉(zhuǎn)移催化劑還必須具備以下條件：（1）用量少，效率高，自身不會(huì)發(fā)生不可逆的反應(yīng)而消耗掉，或者在過程中失去轉(zhuǎn)移特定離子的能力。 （2）制備不太困難，價(jià)格合理。（3）毒性小，可用于多種反應(yīng)。3.6.3 相轉(zhuǎn)移催化的應(yīng)用 根據(jù)相轉(zhuǎn)移催化原理可以看出，凡是能與相轉(zhuǎn)移催化劑形成可溶于有機(jī)相的離子對的多種類型化合物，均可采用相轉(zhuǎn)移催化法進(jìn)行反應(yīng)?，F(xiàn)在它己用于許多單元反應(yīng)，實(shí)例很多。 3.6.5.1 二鹵卡賓的產(chǎn)生和應(yīng)用 二氯卡賓(∶CCl2)又名二氯碳烯或二氯亞甲基，它的碳原子周圍只有六個(gè)電子，是一個(gè)非?；顫姷娜彪娮釉噭?，容易發(fā)生各種加成反應(yīng)。但二氯卡賓極易水解，在水中的生存期不到1秒。產(chǎn)生二氯卡賓的傳統(tǒng)方法要求絕對無水和其他很不方便的條件。而在相轉(zhuǎn)移催化劑的存在下，則可以由氯傷與氫氧化鈉濃溶液相作用而產(chǎn)生穩(wěn)定的二氯卡賓，其反應(yīng)歷程大致如下。 水相界面有機(jī)相Q XQ CCl3Q ClNaOH2Q OHNa ClH2OQ OHHCCl3氯仿CCl2二氯卡賓 由氯仿生成二氯卡賓的反應(yīng)歷程 即在水相中季銨鹽Q+Xˉ與NaOH作用，生成季銨堿離子對Q+OHˉ，它被萃取到有機(jī)相，與氯仿作用而生成二氯卡賓。在有機(jī)相中二氯卡賓水解很慢。因?yàn)橛袡C(jī)相中二氯卡賓與三氯甲基季銨鹽處于一個(gè)平衡體系中，如果二氯卡賓不發(fā)生進(jìn)一步反應(yīng)，它在有機(jī)相中仍能保持原有活性達(dá)數(shù)日之久。當(dāng)有機(jī)相中存在有烯烴、芳環(huán)、碳環(huán)、醇、酚、醛、胺、酰胺等試劑時(shí)，就可以發(fā)生加成反應(yīng)而生成多種類型的化合物。 3.6.5.2 O-烴化（醚類的合成） 對硝基苯乙醚是由對硝基氯苯與氫氧化鈉的乙醇溶液相作用而制得的。其反應(yīng)式如下： CH3CH2OHNaOHCH3CH2ONaH2OO2NClCH3CH2ONaO2NOCH2CH3NaCl 按老工藝不加相轉(zhuǎn)移催化劑，O-芳基化反應(yīng)（烷氧基化反應(yīng)）要在壓熱釜中加熱幾十小時(shí)，對-硝基氯苯的轉(zhuǎn)化率只有75%，要用減壓蒸餾法回收未反應(yīng)的對硝基氯苯，能耗大，另外，還有水解副反應(yīng)，生成對-硝基酚鈉，廢液多。 按消耗的對-硝基氯苯計(jì)，對-硝基苯乙醚的收率只有85~88%。 加入相轉(zhuǎn)移催化劑，在常溫、常壓下只需幾個(gè)小時(shí)，對-硝基氯苯的轉(zhuǎn)化率即達(dá)到99%以上，對-硝基苯乙醚的收率可達(dá)92~94%，純度達(dá)99%以上。顯然，這是因?yàn)橄噢D(zhuǎn)移催化劑季銨鹽Q+X-將原來難溶于對-硝基氯苯的乙醇鈉轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹苡趯?硝基氯苯和對-硝基苯乙醚的Q+C2H5O-離子對的緣故。 3.6.5.3 O-?；磻?yīng)（酯類的合成） 例如從二乙氧基硫代磷酰氯與對-硝基苯酚鈉在甲苯-氫氧化鈉水介質(zhì)中制備乙基對硫磷（有機(jī)磷殺蟲劑）時(shí)： SC2H5OPClOC2H5NaONO2O-?；疭C2H5OPO乙基對硫磷NO2NaClOC2H5 如果不加入相轉(zhuǎn)移催化劑，反應(yīng)速度很慢，而且有水解副反應(yīng)。但是，只要加入很少量的三甲胺或季銨鹽，在25~40℃反應(yīng)1小時(shí)，對硫磷的收率可達(dá)95~99.5%。顯然，在這里季銨鹽Q+X-的作用是將不溶于甲苯的對硝基酚鈉離子對轉(zhuǎn)變成易溶于甲苯的Q+-OC6H4NO2離子對的緣故。 3.6.5.4 氰離子的親核取代 例如，從對氯氯芐與氰化鈉作用制備對氯芐氰（農(nóng)藥中間體）時(shí)由于采用相轉(zhuǎn)移催化劑，可以不用非質(zhì)子極性有機(jī)溶劑，并且可縮短反應(yīng)時(shí)間，收率可達(dá)94~96%。 ClCH2ClNaCNClCH2CNNaCl3.6.6 液、固、液三相相轉(zhuǎn)移催化 考慮到相轉(zhuǎn)移催化劑價(jià)格貴，難回收，又發(fā)展了固體相轉(zhuǎn)移催化劑。它是將季銨鹽、季鏻鹽、冠醚或開鏈聚醚連接到聚合物上而得到的不溶于水和一般有機(jī)溶劑的固態(tài)相轉(zhuǎn)移催化劑。相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)在水相、固體催化劑和有機(jī)相這三相之間進(jìn)行。所以這類催化劑又叫做“三相催化劑”。它的優(yōu)點(diǎn)是：操作簡便、反應(yīng)后容易分離，催化劑可定量回收。另外，這種方法所需費(fèi)用和能源都很低，并 49 適用于自動(dòng)化連續(xù)生產(chǎn)。60年代這種催化劑已成功地用于合成氰醇、氰乙基化和安息香縮合等反應(yīng)。已引起工業(yè)界的極大興趣。另外，這種催化劑還可用于氨基酸立體異構(gòu)體的分離，手征性冠醚聚合物催化劑適用于不對稱合成。 3.7 均相絡(luò)合催化 均相絡(luò)合催化指的是用可溶性過渡金屬絡(luò)合物作為催化劑，在液相對有機(jī)反應(yīng)進(jìn)行均相催化的方法。這種方法在工業(yè)上有重要應(yīng)用。1977年，美國利用均相絡(luò)合催化大約生產(chǎn)了900萬噸有機(jī)化學(xué)品，并相繼建立了約24個(gè)重要工業(yè)過程。 3.7.1 過渡金屬化學(xué) 3.7.1.1 過渡金屬的特點(diǎn) 最常用的過渡金屬主要有銅組的鈦Ti、釩V、鉻Cr、錳Mn、鐵Fe、鈷Co、鎳Ni、銅Cu；銀組的鉬Mo、釕Ru、鐒Rh、鈀Pd、銀Ag；金組的鎢W、銥Ir、鉑Pt等。典型的過渡金屬原子都具有在幾何形狀上和能量特征上適于成鍵的1個(gè)s軌道、3個(gè)p軌道和5個(gè)d軌道。在特殊情況下，這9個(gè)軌道可以和9個(gè)配位體成鍵。例如，錸的絡(luò)合物ReH7[P(C2H6)2(C6H5)]2，它具有7個(gè)Re-H共價(jià)鍵和兩個(gè)Re-P配位鍵。在這里，錸原子一共和9個(gè)配位體成鏈。 3.7.1.2 18電子規(guī)則 如果過渡金屬原子的9個(gè)可能成鍵的軌道都是充滿的，即外層軌道上的總電子數(shù)是18，則表明這個(gè)絡(luò)合物是飽和的，穩(wěn)定的，它不能再與另外的配位體絡(luò)合。這時(shí)配位體的取代反應(yīng)要允許從18電子絡(luò)合物上解離下來一個(gè)給電子配位體，生成一個(gè)16電子的“配位不飽和”型絡(luò)合物，這種絡(luò)合物可以再和其他配位體結(jié)合，又生成飽和的18電子絡(luò)合物。這就是18電子規(guī)則。當(dāng)然，在均相絡(luò)合催化反應(yīng)中，并不總是需要經(jīng)過18電子絡(luò)合物。 3.7.1.3 配位體 各種配位體與過渡金屬原子的成鍵方式和給電子能力，一般確定如下： 單電子配位體：它提供一個(gè)電子與過渡金屬原子形成共價(jià)鍵。例如，氫基、50 第1講 緒論 教學(xué)內(nèi)容：1.緒論 §1-1 生物技術(shù)的定義和性質(zhì) §1-2 生物技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用概況 §1-3 生物技術(shù)的發(fā)展趨勢 目的要求：1.掌握生物工藝學(xué)的定義，特點(diǎn)，生物技術(shù)概念的范疇 2.了解生物技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用概況 3.了解生物技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展趨勢 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)： 1、生物技術(shù)的定義，內(nèi)涵 2、生物技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用概況 教學(xué)方法：課堂講授為主，自學(xué)結(jié)合 內(nèi)容提要及課時(shí)分配： 1、生物技術(shù)的定義和性質(zhì)（20′） 2、生物技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用概況（60′） 3、生物技術(shù)的發(fā)展趨勢（20′）作業(yè)： 1.由國際經(jīng)濟(jì)與發(fā)展組織（IECDO）提出的有關(guān)生物技術(shù)的定義有何特點(diǎn)？ 2.教材中把生物技術(shù)的發(fā)展分為四個(gè)時(shí)期，它們各有哪些主要代表性技術(shù)和產(chǎn)品？ 主講教師： 授課班級： 授課日期： 2010.9.7 導(dǎo)入新課： 介紹生物工藝學(xué)的內(nèi)涵，教材包括得主要內(nèi)容，重點(diǎn)要學(xué)習(xí)的章節(jié)和內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)生物工藝學(xué)的重要意義。1 緒 論 1.1 生物技術(shù)的定義 ⑴ 1919年匈牙利艾里基提出：“凡是以生物機(jī)體為原料，無論其用何種生產(chǎn)方法進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)的生物技術(shù)”都屬于生物技術(shù)； ⑵ 20世紀(jì)70年代末，80年代初提出的定義傾向于：必須采用基因工程等一類具有現(xiàn)代生物技術(shù)內(nèi)涵或以分子生物學(xué)為基礎(chǔ)的技術(shù)； ⑶ 國際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（IECDO）在1982年提出定義：應(yīng)用自然科學(xué)和工程學(xué)的原理，依靠生物作用劑的作用，將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或用以為社會(huì)服務(wù)的技術(shù)； 在國際經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（IECDO）提出生物技術(shù)定義的特點(diǎn)： 生物作用劑：指從活的或死的微生物、動(dòng)物或植物的機(jī)體、組織、細(xì)胞、體液以致分泌物以及上組分中提取出來的生物催化劑——酶或其他生物活性物質(zhì)； 提供的產(chǎn)品：可以是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、食品等產(chǎn)品； 被作用的物料：可以是有關(guān)的生物機(jī)體或其中的有關(guān)器官，如細(xì)胞、體液以及極少量必須的無機(jī)物質(zhì)； 應(yīng)用的自然科學(xué)：可以是生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等以及相關(guān)的分支學(xué)科，交叉學(xué)科； 應(yīng)用的工程學(xué)：可以是化學(xué)工程、機(jī)械工程、電氣工程、電子工程； 1.2 生物技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用概況 生物技術(shù)的發(fā)展分為四個(gè)時(shí)期：經(jīng)驗(yàn)生物技術(shù)時(shí)期；近代生物技術(shù)的形成和發(fā)展時(shí)期；近代生物技術(shù)的全盛時(shí)期，現(xiàn)代生物技術(shù)的建立和發(fā)展時(shí)期； 1.2.1 經(jīng)驗(yàn)生物技術(shù)時(shí)期 （人類出現(xiàn)到19世紀(jì)中期） 生物技術(shù)的發(fā)展和利用可以追溯到1000多年（甚至4000多年）以前如酒類的釀造，豆糧輪作的方法等，主要產(chǎn)品有果酒、酸奶、啤酒、大豆釀醬油，多種植物配制劑——麻沸散等。經(jīng)驗(yàn)生物技術(shù)時(shí)期的技術(shù)為其后生物技術(shù)相關(guān)理論的建立創(chuàng)造了條件。1.2.2 近代生物技術(shù)建立時(shí)期 （19世紀(jì)中期至20世紀(jì)40年代） 這一時(shí)期的誕生是與顯微鏡的誕生和微生物的發(fā)展以及微生物學(xué)的問世密切相關(guān)的。20世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)某些梭菌能夠引起丙酮、丁醇的發(fā)酵，隨之引發(fā)了一系列初級代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)。這一時(shí)期是人類有意識(shí)地利用某些微生物進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)期，這一時(shí)期的發(fā)酵產(chǎn)物的特點(diǎn)：都屬于微生物形成的初級代謝產(chǎn)物，發(fā)酵以厭氧發(fā)酵居多，發(fā)酵產(chǎn)品主要為某些有機(jī)溶劑。 這一時(shí)期進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)酵產(chǎn)品有乳酸、酒精、面包酵母、檸檬酸和蛋白酶等。1.2.3 近代生物技術(shù)全盛時(shí)期 （20世紀(jì)40年代至20世紀(jì)70年代末） 1929年Flemming發(fā)現(xiàn)了青霉素，從此生產(chǎn)技術(shù)產(chǎn)品中增加一大類新的產(chǎn)品——抗生素。第二次世界大戰(zhàn)促進(jìn)許多科學(xué)家和工程師齊心協(xié)力，攻克許多難關(guān)，實(shí)現(xiàn)了青霉素的工業(yè)化生產(chǎn)。20世紀(jì)40年代，抗生素工業(yè)成為生物發(fā)酵工業(yè)技術(shù)的支柱產(chǎn)業(yè)。這一時(shí)期生物技術(shù)的發(fā)展主要成就有：青霉素的發(fā)現(xiàn)及其開發(fā)概況、酶反應(yīng)過程和生物轉(zhuǎn)化的過程的開發(fā)概況等，為基因工程的建立和新的生物技術(shù)時(shí)期的來臨創(chuàng)造條件。區(qū)分初級代謝產(chǎn)物和次級代謝產(chǎn)物 初級代謝產(chǎn)物：指微生物處于對數(shù)生長期所形成的產(chǎn)物，主要是與細(xì)胞生長有關(guān)的產(chǎn)物，如氨基酸、核酸、蛋白質(zhì)、碳水化合物以及能量代謝有關(guān)的副產(chǎn)品，如乙醇、丙酮、丁醇等。次級代謝產(chǎn)物：次生代謝物的產(chǎn)生與產(chǎn)生這種產(chǎn)物的微生物本身的生長和生命活動(dòng)并不是密切相關(guān)的，它們一般產(chǎn)生于微生物生長的穩(wěn)定期，他們的結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜。1.2.4 現(xiàn)代生物技術(shù)建立和發(fā)展時(shí)期 （20世紀(jì)70年代末開始）現(xiàn)代生物技術(shù)時(shí)期是以分子生物學(xué)的理論為先導(dǎo)，基因工程的技術(shù)開始能作為生物技術(shù)新產(chǎn)品的一種開發(fā)手段或關(guān)鍵技術(shù)后算起的。80年代以來，隨著重組DNA技術(shù)的發(fā)展，人們可以按人類社會(huì)的需要，定向培養(yǎng)出有用的菌株，這為發(fā)酵工程技術(shù)引入了遺傳工程的技術(shù)，使生物技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。 基因工程的應(yīng)用首先集中于許多多肽或蛋白質(zhì)的生化藥物中，如胰島素、干擾素等。這一時(shí)期生物技術(shù)的發(fā)展主要有：單克隆抗體的發(fā)展和應(yīng)用；動(dòng)、植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用；雜交技術(shù)在動(dòng)植物生產(chǎn)中的應(yīng)用；轉(zhuǎn)基因植物和動(dòng)物的研究和開發(fā)，克隆動(dòng)物的發(fā)展及取得的成就等方面。 1.3 生物技術(shù)的發(fā)展趨勢 1.3.1.深入開展人類后基因組學(xué)的研究，逐步掌握人類生、老、病、死的自然規(guī)律 有關(guān)后基因組學(xué)的研究概括講就是：首先要將完成圖的堿基對序列中所有的基因識(shí)別出來，其次要鑒別每一個(gè)基因的生物化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，最后要搞清所有基因與人類生、老、病、死的關(guān)系。 后基因組學(xué)的研究主要包括：結(jié)構(gòu)基因組學(xué)、功能基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)。1.3.2.逐步深入的開展基因診斷和基因治療研究 基因診斷是通過基因工程的手段對生物體的基因組DNA片段及其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物進(jìn)行定性和定量分析； 基因治療是以正常基因通過病毒載體原位轉(zhuǎn)入病人體內(nèi)以取代原來缺陷或病變的基因，也可以是使原來喪失表達(dá)能力或使原來喪失表達(dá)能力或使機(jī)體產(chǎn)生免疫基因已達(dá)到抗腫瘤、抗病毒的目的。 1.3.3 加強(qiáng)各種生物技術(shù)新藥物的研究開發(fā) 加強(qiáng)對重組激素、重組細(xì)胞因子、從足溶血栓物質(zhì)、治療性抗體的研究開發(fā)。1.3.4.人類干細(xì)胞培養(yǎng)或胚胎工程的發(fā)展 人類干細(xì)胞可分為兩類：全能性干細(xì)胞和多能性干細(xì)胞；前者能發(fā)育成完整的個(gè)體，后者只能發(fā)育成人體某一臟器或組織，如肝臟、腎臟、心臟或骨胳、皮膚、肌肉等。人類胚胎干細(xì)胞來自早期胚胎，這些全能型干細(xì)胞后來發(fā)育成多能性干細(xì)胞。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的發(fā)展，克隆動(dòng)物的發(fā)展成就 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物是通過基因工程手段獲得在基因中整合了外源基因的動(dòng)物?？寺?dòng)物是指通過無性繁殖的手段復(fù)制而誕生的動(dòng)物，其外形和生理性狀均與其供體細(xì)胞相同的動(dòng)物。加速對人類功能基因的研究開發(fā) 由于功能基因?qū)θ祟惖慕】狄约八幬镅芯块_發(fā)的關(guān)系密切，因此各國科學(xué)家相互爭先把已知的功能基因進(jìn)行相當(dāng)深入的研究以獲得發(fā)明專利權(quán)?；蜣r(nóng)作物為農(nóng)作物方面的發(fā)展前景 轉(zhuǎn)基因農(nóng)作的重點(diǎn)發(fā)展方向是：抗蟲害的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物；尋找新的抗病毒基因并將其轉(zhuǎn)入一些重要農(nóng)作物中；抗干旱、抗鹽堿、抗重金屬、抗水澇、抗寒凍等的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物； 加強(qiáng)與環(huán)境保護(hù)學(xué)科的合作研究 主要集中在對環(huán)境污染的生物治理。 積極開展海洋生物技術(shù)的研究 大力發(fā)展與生物技術(shù)相關(guān)的工程技術(shù)學(xué)科的研究 小結(jié)：內(nèi)容包括三個(gè)部分：生物技術(shù)的定義和性質(zhì)；生物技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用概況；生物技術(shù)的發(fā)展趨勢。重點(diǎn)掌握生物技術(shù)的定義質(zhì)；生物技術(shù)的發(fā)展的四個(gè)時(shí)期及代表產(chǎn)品和技術(shù)，了解生物技術(shù)的發(fā)展趨勢。第二講 菌種的來源 教學(xué)內(nèi)容：2-1 菌種的來源 §2-1-1 微生物的特點(diǎn) §2-1-2 常見的工業(yè)微生物及作用 §2-1-3 典型微生物新種分離篩選過程 §2-1-4 微生物選擇性分離的原理和發(fā)展 目的要求：1.掌握典型微生物新種分離篩選過程，微生物選擇性分離的原理和發(fā)展； 2.了解常見的工業(yè)微生物及其用途 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)： 1、典型微生物新種分離篩選過程 2、微生物選擇性分離的原理和發(fā)展 教學(xué)方法：課堂講授為主，自學(xué)結(jié)合 內(nèi)容提要及課時(shí)分配： 1、微生物的特點(diǎn)（5′） 2、常見的工業(yè)微生物及作用（15′） 3、典型微生物新種分離篩選過程（30′） 4、微生物選擇性分離的原理和發(fā)展（50′）作業(yè)： 1.微生物選擇性分離的方法及原理？ 主講教師： 授課班級：生物08班 授課日期： 2010.9.9 導(dǎo)入新課：課堂提問：初級代謝產(chǎn)物、次級代謝產(chǎn)物。生物反應(yīng)過程原理篇 2.菌種選育 2.1 菌種的來源： 2.1.1 微生物的特點(diǎn) 微生物的資源非常豐富，廣泛分布于土壤，水和空氣中，尤其土壤中最多。 有的微生物從自然界中分離出來就能被利用，有的需要對分離到的微生菌種進(jìn)行人工誘變，得到突變株才能被利用。 微生物的特點(diǎn)是：種類多，分布廣；生長迅速，繁殖速度快；代謝能力強(qiáng)；適應(yīng)性強(qiáng)，容易培養(yǎng)。 2.1.2 常見的工業(yè)微生物 ⑴ 細(xì)菌 工業(yè)常用細(xì)菌有：枯草芽孢桿菌，醋酸桿菌，棒狀桿菌，端桿菌等； 用途：用于生產(chǎn)淀粉酶，乳酸，氨基酸和肌苷等。⑵ 酵母菌 工業(yè)常用酵母菌有：啤酒酵母，假絲酵母，類酵母等。 用途：釀酒，制造面包，生產(chǎn)脂肪酶以及生產(chǎn)可食用，藥用和飼料用酵母菌蛋白等。⑶ 霉菌 工業(yè)常用霉菌有：藻狀菌綱的根霉，毛霉，犁頭霉，子囊霉綱的紅曲霉，半知菌類的曲霉，青霉等。 用途：多種酶制劑，抗生素，有機(jī)酸及輜體激素等。⑷ 放線菌 工業(yè)常用放線菌有：鏈霉菌屬，小單孢菌屬和諾長菌屬等。 用途：產(chǎn)生抗生素，微生物中發(fā)現(xiàn)的抗生素，有60%來自放線菌。⑸ 擔(dān)子菌 通常所說的菇類微生物。 用途：多糖，橡膠物質(zhì)和抗癌藥物的開發(fā)。⑹ 藻類 自然界分布極廣的一類自養(yǎng)微生物。 人類保健食品和飼料，（螺旋藻）環(huán)境治理，產(chǎn)生能源。2.1.3 典型的微生物新種分離篩選過程 分離微生物新種的具體過程大體可分為采樣、增殖、純化和性能測定 2.2.4 微生物選擇性分離的原理和發(fā)展 在過去的半個(gè)世紀(jì)里曾篩選出許多產(chǎn)生新的有用的刺激代謝產(chǎn)物的菌種，這些菌種多半是利用經(jīng)驗(yàn)式的篩選方法獲得的。大多數(shù)的抗生素均由放線菌綱產(chǎn)生。下面介紹以放線菌為主的分離方法原理的發(fā)展。 選擇性分離方法大致分為五個(gè)步驟：①含微生物材料的選擇；②材料的預(yù)處理；③所需菌種的分離；④菌種的培養(yǎng)；⑤菌種的選擇和純化。以上任何一個(gè)階段都可以引入選擇壓力。⑴ 微生物材料的選擇 在選擇菌種來源時(shí)，存在以下一些標(biāo)準(zhǔn)： ① 對于天然材料，如土壤的選擇，來源越是廣泛的樣品，含有目的微生物的可能性就越大，越有可能獲得新的菌種； ②可尋找已適應(yīng)相當(dāng)苛刻的環(huán)境壓力的微生物類群； ③在酸性土壤圈的放線菌類群與緊接下層的中性圈的放線菌類群有很大的不同； ④自然環(huán)境的菌群可因?yàn)槿祟惢顒?dòng)而改變； ⑤更新的生態(tài)環(huán)境有待于進(jìn)一步開發(fā)。⑵ 材料的預(yù)處理 為了提高菌種的分離效果，人們設(shè)計(jì)了各種處理材料的方法，有物理方法、化學(xué)方法和生物方法。 為提高菌種的分離效果，設(shè)計(jì)各種與處理方法。物理方法：加熱，過路，離心，沉淀池中攪拌?；瘜W(xué)方法：加幾丁質(zhì)或碳酸鈣提高PH。 誘餌法：花粉，蛇皮，人的頭發(fā)，涂石蠟的棒。⑶ 所需菌種的分離 所需菌種的分離效率取決于分離培養(yǎng)基的養(yǎng)分、pH和加入的選擇性抑制劑。一般憑經(jīng)驗(yàn)而不是絕對的選擇。 培養(yǎng)基養(yǎng)分：幾丁質(zhì)（用來分離土壤或水中的放線菌），淀粉——羅素（和幾丁質(zhì)相類同），M3群脂(阻滯鏈霉素的生長，容易分離到其他霉菌)。PH值： (1)6.7——7.5之間（大多數(shù)放線菌，嗜中型） (2)4.5——5.0（嗜酸性） (3)6.1——6.8（嗜堿性)選擇抑制劑：抗細(xì)菌抗生素，抗真菌抗生素；分離培養(yǎng)基中加入抗生素。⑷ 菌種的培養(yǎng) 溫度，時(shí)間兩方面主要變量為時(shí)間。放線菌平板通常在25-30℃； 嗜熱菌通常在45-55℃； 在此三者中可加入時(shí)間變量。嗜冷菌通常在4-10℃； 分離嗜溫菌如鏈霉菌和小單胞菌一般培養(yǎng)7~14天；嗜熱菌如高溫放線菌只需1~2天。有時(shí)培養(yǎng)時(shí)間短會(huì)漏掉一些新的和不尋常的菌種，因此有人在30℃和40℃將培養(yǎng)時(shí)間延長1個(gè)月，結(jié)果分離出一些不尋常的種屬。⑸ 菌落的選擇 分離步驟中最容易受挫折和最耗時(shí)間的階段，菌落的選擇有三種方法： 顯微鏡觀察分離 不易區(qū)分同一屬的不同種。 鋪菌法 會(huì)使所需菌落污染，并且只能美平板一種試驗(yàn)菌。 復(fù)印平板法 對不長孢子的鏈霉菌則不能使用，也不適用于游動(dòng)細(xì)菌的篩選。采用怎樣的選擇菌落方式取決于篩選的最終目的。 小結(jié)：內(nèi)容包括兩個(gè)部分： 工業(yè)常用微生物的種類及用途；微生物選擇分離的原理、步驟和發(fā)展的方法。第三講 菌種的來源 教學(xué)內(nèi)容：2-1 菌種的來源 §2-1-4 重要工業(yè)微生物的分離 2-2 菌種選育 §2-1-1 自然選育 §2-1-2 誘變育種 §2-1-3 抗噬菌體菌株的選育 目的要求：1.掌握工業(yè)微生物的分離方法，菌種選育的自然選育和誘變育種法 2.了解抗噬菌株的選育過程 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)： 1、工業(yè)微生物的分離方法 2、菌種選育的自然選育和誘變育種法 教學(xué)方法：課堂講授為主，自學(xué)結(jié)合 內(nèi)容提要及課時(shí)分配： 1、重要工業(yè)微生物的分離（30′） 2、自然選育（20′） 3、誘變育種（30′） 4、抗噬菌體菌株的選育（20′）作業(yè)： 簡述誘變育種的一般步驟？ 主講教師： 授課班級：生物08班 授課日期： 2010.9.14 導(dǎo)入新課：提問微生物選擇選性分離的相關(guān)內(nèi)容 2.2.3 重要工業(yè)微生物的分離 篩選具有潛在工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的微生物的第一個(gè)階段是分離，分離是指獲得純的或混合的培養(yǎng)物。接著篩選出那些能產(chǎn)生所需產(chǎn)物或具有某種生化反應(yīng)的菌種。在篩選所需菌種時(shí)宜考慮：（1）菌的營養(yǎng)特性；（2）菌的生長溫度，應(yīng)選擇溫度高于40℃的菌種；(3)菌對所采用的設(shè)備和生產(chǎn)過程的適應(yīng)性；（4）菌的穩(wěn)定性；（5）菌的產(chǎn)物的率；（6）容易從培養(yǎng)液中回收產(chǎn)物； 理想的分離步驟是從土壤環(huán)境開始的，土壤中富于各種分離的菌。設(shè)計(jì)的分離步驟應(yīng)有利于具有工業(yè)重要特征的菌的生長。2.2.3.1 施加選擇壓力的分離方法 ⑴ 富集液體培養(yǎng) 只能增加混合菌群中所需菌株數(shù)量的一種技術(shù)。方法的原理是：給混合菌群提供一些有利于所需菌種生長或不利于其他菌型生長的條件。供給特殊基質(zhì)或加入某些抑制劑。液體培養(yǎng)（分批富集，連續(xù)富集）⑵ 固體培養(yǎng)基的使用 常用于分離某些酶產(chǎn)生菌，其選擇培養(yǎng)基中常含有所需的基質(zhì)，以便促進(jìn)酶產(chǎn)生菌的生長。2.2.3.2 隨機(jī)分離方法 有些微生物的產(chǎn)物對產(chǎn)生菌的篩選沒有任何選擇性優(yōu)勢，可以用采用隨機(jī)分離法獲得所需菌種。 隨機(jī)分離法發(fā)展了一些快速篩選方法和歸納出高產(chǎn)培養(yǎng)基成分的選擇性準(zhǔn)則如下： ⑴ 制備一系列培養(yǎng)基，其中有各種類型的養(yǎng)分成為生長限制因素； ⑵ 使用一聚合或復(fù)合形式的生長限制養(yǎng)分； ⑶ 避免使用容易同化的碳； ⑷ 確定含有所需的輔因子，⑸ 加入緩沖液以減少pH變化。 例如：抗生素產(chǎn)生菌的篩選；藥理活性化合物的篩選；生長因子產(chǎn)生菌的篩選；多糖產(chǎn)生菌的篩選。2.3菌種選育 目前菌種選育常采用自然選育和誘變育種等方法，隨著微生物學(xué)、生化遺傳學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)導(dǎo)、接合、原生質(zhì)體融合、代謝調(diào)控和基因工程較為定向的方法。經(jīng)典育種：自然選育和誘變育種。菌種選育常采用。 定向育種：轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)導(dǎo)，接合，原生質(zhì)體融合，代謝調(diào)控，基因工程。2.3.1 自然選育 生產(chǎn)中，不經(jīng)過人工處理，利用菌種的自然突變而進(jìn)行菌種篩選的過程叫自然選育。一般認(rèn)為引起自然突變的原因有兩個(gè)：多因素低劑量的誘變效應(yīng)和互變異構(gòu)效應(yīng)。自然突變有兩種情況： 菌種衰退，對生產(chǎn)無利的突變，對生產(chǎn)有利的突變的。 自然選育優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：是簡單易行； 缺點(diǎn)：效率低、進(jìn)展慢。2.3.2 誘變育種 2.3.2.1 誘變育種的基本原理 變育種的理論基礎(chǔ)是基因突變。 突變是指由于染色體和基因本身的變化而產(chǎn)生的遺傳性狀的變異。誘發(fā)突變是指用各種物理、化學(xué)因素人工誘發(fā)的基因突變。其中誘發(fā)突變的變異幅度大大高于自然突變。 誘變因素的種類很多，有物理的、化學(xué)的和生物的三大類。2.3.2.2 誘變育種的一般步驟 誘變育種的整個(gè)流程包括：誘變和篩選兩個(gè)部分。誘發(fā)所形成的突變與菌種本身的遺傳背景、誘變劑種類及劑量的選擇和合理使用方法均有密切的關(guān)系。 2.3.2.3 誘變育種工作中應(yīng)該注意的幾個(gè)問題 ⑴ 選擇好出發(fā)菌種 ⑵ 復(fù)合誘變因素的使用 ⑶ 劑量的選擇 ⑷ 變異菌株的篩選 ⑸ 高產(chǎn)菌株的獲得需要篩選條件的配合 2.3.2.4 幾種物理、化學(xué)誘變劑的使用方法 紫外線、快中子、氮芥、亞硝酸、航天育種 2.3.3 抗噬菌體菌株的選育 2.3.3.1 噬菌體的分布 凡有寄主細(xì)胞的地方，一般容易找到相應(yīng)的噬菌體。2.3.3.2 抗噬菌體菌株的選育 細(xì)菌的抗性是基因突變的結(jié)果 ⑴ 抗噬菌體菌株選育的幾種方法 根據(jù)基因突變規(guī)律，可采用自然突變和誘發(fā)突變等。⑵ 抗噬菌體菌株的特性試驗(yàn) 抗噬菌體性狀的穩(wěn)定性試驗(yàn)；抗性菌株的產(chǎn)量試驗(yàn)；真正抗性和溶源性的區(qū)別試驗(yàn)。2.3.3.3噬菌體的防治 噬菌體感染會(huì)出現(xiàn)畸形菌絲，菌體迅速消失，pH上升，發(fā)酵產(chǎn)物停止積累，甚至下降等現(xiàn)象。 對于噬菌體的防治要做到以下幾點(diǎn)： ⑴ 正確判斷； ⑵ 普及有關(guān)噬菌體的知識(shí)； ⑶ 選育抗噬菌體菌株； ⑷ 消滅噬菌體； ⑸ 收集和保存噬菌體。 小結(jié)：內(nèi)容包括兩個(gè)部分：菌種的來源——重要工業(yè)微生物的分離；菌種的選育。重點(diǎn)掌握菌種來源——重要工業(yè)微生物的分離（施加選擇壓力分離法、隨機(jī)分離法）。菌種自然選育和誘變育種的原理、方法及基本步驟。了解抗噬菌株的選育過程及注意事項(xiàng)。第四講 菌種的來源 教學(xué)內(nèi)容：2-2 菌種選育 §2-2-4 雜交育種 §2-2-5 原生質(zhì)體融合技術(shù) §2-2-6 DNA重組技術(shù) 目的要求：1.了解菌種選育的方法：雜交育種、原生質(zhì)體融合、DNA重組技術(shù)等方法的原理 2.了解幾種育種方法的應(yīng)用 教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)： 1、雜交育種 2、原生質(zhì)體融合技術(shù) 教學(xué)方法：課堂講授為主，自學(xué)結(jié)合 內(nèi)容提要及課時(shí)分配： 1、雜交育種（50′） 2、原生質(zhì)體融合技術(shù)（30′） 3、DNA重組技術(shù)（20′） 作業(yè)：微生物菌種選育的方法及特點(diǎn)。 主講教師： 授課班級：生物08班 授課日期： 2010.9.16 導(dǎo)入新課： 生物反應(yīng)過程原理篇 2.3.4雜交育種 雜交育種是指將兩個(gè)基因因不同的菌株經(jīng)吻合（或接合）是遺傳物質(zhì)重新組合，從中分離和篩選具有新性狀的菌株。雜交育種的目的在于：（1）通過雜交使不同菌株的遺傳物質(zhì)進(jìn)行交換和重新組合，從而改變原有菌株的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)，獲得重組體;（2）可以通過雜交把不同菌株的優(yōu)良性能集中于重組體中，克服長期用誘導(dǎo)劑處理造成的菌株的生活能力下降等缺陷；（3）通過雜交，可以擴(kuò)大變異范圍，改變產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，甚至出現(xiàn)新品種；（4）分析雜交結(jié)果，可以總結(jié)遺傳物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和傳遞規(guī)律，促進(jìn)遺傳學(xué)理論的發(fā)展。 微生物雜交育種所使用的配對菌株稱為直接親本。直接親本菌株應(yīng)帶有適應(yīng)的遺傳標(biāo)記。常用的遺傳標(biāo)記有顏色、營養(yǎng)要求和抗藥性等。營養(yǎng)標(biāo)記菌株是最長用的遺傳標(biāo)記之一。2.3.4.1細(xì)菌的雜交 細(xì)菌的接觸是導(dǎo)致基因重組的必要條件。 細(xì)菌雜交可以通過F因子轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)導(dǎo)等發(fā)生重組，但育種獲得成功的報(bào)道不多。受體細(xì)胞接受供體細(xì)胞內(nèi)抽提得DNA而進(jìn)行的基因重組稱轉(zhuǎn)化。 通過噬菌體載體，DNA從一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞而進(jìn)行的基因重組稱轉(zhuǎn)導(dǎo)。 細(xì)胞結(jié)合融合之后重組，質(zhì)粒介導(dǎo)的結(jié)合作用稱F因子轉(zhuǎn)移。雄體（供體）部分遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)移到雌體受體細(xì)胞中。 質(zhì)粒自我控制轉(zhuǎn)移的過程稱為接合。 在E.coli中接合性質(zhì)粒家族稱為F因子（F為致育因子） 例 A-B+lac-SMrT1s + A+B-lac+SMsT1r A+B+lac+SMT1r 2.3.4.2 放線菌雜交育種 2.3.4.2.1原理 放線菌只有一條環(huán)狀染色體。大體有四種遺傳體系：（1）異核現(xiàn)象，異核體：同一條軍銜活細(xì)胞中含有不同基因型的細(xì)胞核。（2）接合現(xiàn)象 相同細(xì)胞質(zhì)里不同基因型細(xì)胞核在雙方增殖過程中發(fā)生部分染色體的轉(zhuǎn)移或遺傳信息的交換。接合現(xiàn)象導(dǎo)致部分合子的形成。 （3）異核系的形成 部分合子形成后，接著就產(chǎn)生雜核的無性繁殖系（經(jīng)一次單交換形成）即異核染色體組。（4）重組體的形成 異核系不穩(wěn)定，在菌落生長過程中，二體區(qū)的不同位置發(fā)生交換后，能產(chǎn)生重組體細(xì)孢子，能長出各類型的分離子。2.3.4.2.2放線菌雜交技術(shù) 現(xiàn)常用的放線菌雜交方法主要有三種：混合培養(yǎng)法、平板雜交法和玻璃紙轉(zhuǎn)移法。2.3.4.3霉菌的雜交育種 2.3.4.3.1準(zhǔn)性生殖過程 準(zhǔn)性生殖：指真菌中部通過有性生殖的基因重組過程。 準(zhǔn)性生殖的整個(gè)過程包括三個(gè)階段：異核體的形成；二倍體的形成；體細(xì)胞的重組。（1）異核體的形成 異核體（2）雜合雙倍體的形成 （3）體細(xì)胞重組 染色體交換 染色體單倍化 2.3.4.3.2霉菌雜交技術(shù)（1）選擇直接親本；（2）異核系的形成；（3）雙倍體的檢出；（4）分離子的檢出； 2.3.5 原生質(zhì)體融合技術(shù) 原生質(zhì)融合：將兩個(gè)親體細(xì)胞作用釋放原生質(zhì)體，在使其在高滲條件下混合在PEG作用下細(xì)胞融合，使兩親本基因組發(fā)生重組。2.3.5.1原生質(zhì)融合的優(yōu)越性： 優(yōu)點(diǎn)：① 去除細(xì)胞壁的障礙；② 增加重組親本的種類的數(shù)目；③ 增加重組的頻率 ④ 配合其他方法集中優(yōu)良性狀； ⑤ 可以通過鈍化親株，提高篩選效率。2.5.2原生質(zhì)體融合的一般步驟 親株Ⅰ→原生質(zhì)體Ⅰ 兩者融合（PEG處理）→融合子 親株Ⅱ→原生質(zhì)體Ⅱ 2.3.5.3原生質(zhì)體融合技術(shù)在微生物育種中的應(yīng)用 原生質(zhì)體融合方法：PEG助融、電誘導(dǎo)、脂質(zhì)體為媒介的融合。2.3.6DNA重組技術(shù) DNA重組技術(shù)：按人的意志，將某一生物的遺傳信息在體外經(jīng)人工與載體相接，構(gòu)成重組DNA分子，后轉(zhuǎn)入另一生物體細(xì)胞中得以表達(dá)和遺傳。2.3.6.2工程菌的穩(wěn)定性問題 2.3.6.2.1工程菌不穩(wěn)定性表現(xiàn) 工程菌不穩(wěn)定實(shí)際包括：質(zhì)粒不穩(wěn)定以及表達(dá)產(chǎn)物不穩(wěn)定兩個(gè)方面。 表現(xiàn)為以下三種形式：質(zhì)粒丟失；重組質(zhì)粒發(fā)生DNA片斷脫落；表達(dá)產(chǎn)物不穩(wěn)定。2.3.6.2.2解決工程均不穩(wěn)定性的對策 工程菌穩(wěn)定與否，與重組質(zhì)粒本身的分子組成、宿主細(xì)胞生理和遺傳性以及環(huán)境條件等因素有關(guān)。 常采用以下措施降低或防治工程菌的不穩(wěn)定性:（1）組建合適載體（2）選擇合適宿主（3）施加選擇壓力（4）控制基因過量表達(dá)（5）控制培養(yǎng)條件 （6）質(zhì)粒構(gòu)建時(shí)，插入一段能改良宿主細(xì)胞省長速率的特殊DNA 片段。（7）質(zhì)粒不應(yīng)有可轉(zhuǎn)移因子（8）精減質(zhì)粒DNA（9）固定化重組菌 小結(jié)：內(nèi)容為菌種選育的方法：雜交育種；原生質(zhì)體融合技術(shù)，DNA重組技術(shù)。重點(diǎn)掌握雜交育種；原生質(zhì)體融合技術(shù)，DNA重組技術(shù)的原理、特點(diǎn)、基本步驟及注意事項(xiàng)。了解雜交育種；原生質(zhì)體融合技術(shù)，DNA重組技術(shù)在菌種選育中的應(yīng)用 涂料與涂裝工藝綜合實(shí)踐 ——學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1.實(shí)驗(yàn)一 —— 碳鋼表面的噴砂試驗(yàn) 2.實(shí)驗(yàn)二 —— 碳鋼表面的噴涂試驗(yàn) 3.實(shí)驗(yàn)三 —— 漆膜性能檢測試驗(yàn) 上海海事大學(xué) 陳燕瓏 材料科學(xué)與工程第四篇：生物工藝學(xué)教案及講稿1.2.3.4
第五篇：涂料與涂裝工藝綜合實(shí)踐(實(shí)驗(yàn)報(bào)告)
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