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。

105

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，Brändström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

＋－

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

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

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。

§6.3 相转移催化反应机理

相转移催化反应是指在相转移催化剂存在条件下，固态的盐、酸、碱或它们的水溶液和有机溶剂中的反应之间进行的两相反应。典型的相转移催化剂有鎓盐或碱金属阳离子的络合剂，如冠醚、穴醚、开链聚醚。反应可在中性、酸性和高浓度无机碱条件下进行，下面分别讨论它们的反应机理。

6.3.1 中性条件下的相转移催化反应机理及动力学 1．反应机理

由于离子对易于被萃取到非极性有机介质中，而鎓盐在均相溶液中具有较高的活性。所以

＋

可以用置换反应机理来描述中性条件下的PTC反应机理：鎓盐阳离子Q和被萃取进入有机相的

－＋－＋－

阴离子Y形成离子对[QY]，然后与RX迅速置换。新生成的[QX]盐再返回到水相中，在水

＋－

相中Q又与新的Y离子结合成离子对，再进行下一循环，见图6-1。 RX ＋ [QY] → RY ＋ [QX] （有机相）

（相界面）

＋

－

＋

－ ＋

－

＋

－

NaYQX（水相）

图6-1相转移催化反应的置换机理

催化剂为QX，反应盐为NaY

2．动力学方程

在PTC反应中，鎓盐类相转移催化剂起到表面活性剂作用，使反应物阴离子Y萃取到有机相中与另一反应物RX反应。整个反应分为萃取阶段（6-18）和化学反应阶段（6-19）：

[QX]有 ＋Y

＋

－＋

－

－水

－

＝ [QY]有 ＋ X

＋－－

水

（6-18）

[QY]有 ＋ RX [Q⎯

→⎯2kX

＋

－

]有 ＋ RY （6-19）

由式（6-10）知 水水有－有＝][][]X[Q]Y[QQXQY−−+−+⋅=YXEEK 设该催化剂的初始浓度为q，则有下式成立：

[QY]有·[X]水=K（q－[QY]有）·[Y]水 （6-20）

＋－－＋－－

有有有有

][Y][X][Y]Y[Q0−−−=−+⋅+⋅KqK （6-21）

而有机相中的化学反应（式6-19）速度为

[RX]]Y[Qdd[RX]2⋅=−+有kt （6-22）

求积分，得 [RX]]Y[Qln1QY0,RX0,RX0,QY0,2有−+⋅−=CCCCtk （6-23） 式中C

0，QY

和C

0，RX

分别为有机相中[QY]和RX的初始浓度。将式（6-21）代入式（6-23），得

＋－

)[RX]][Y]([X][Yln10QY0,RX0,RX0,QY0,2水水水−−−+⋅⋅−=KqKCCCCtk （6-24）

简化形式为 )[RX]][Y]([X][Yln0水水水−−−+⋅+=KqKBAt （6-25） 其中A，B为常数。这样，如果

[X]水 ＋ K·[Y] ＝ 常数 （6-26）

则由式（6-25）知，ln([Y]水/[RX])对t作图，可得一直线。

只有当K＝1时，方程（6-26）才严格满足，例如同位素交换反应。如果K≈1，则偏差也不

－

大。在一定条件下，对于二级PTC反应，当K>>1时，将导致Y在有机相中的浓度过份地大，并且实验曲线出现自催化的迹象。当K

－＋－

应过程中随着离去基阴离子X浓度的增加，鎓阳离子Q越来越多地与X阴离子缔合。对于一

－＋－

级PTC反应，只有当K和过量的[Y]水乘积使[QY]有保持基本恒定时（见方程式6-21），即K·[Y

－

－

－

－

]水>>[X]，[QY]有≈q，才有一级反应的特征。所需的[Y]水/[RX]的过量值列于表6-2中。

－＋－－

表6-2 符合一级反应动力学测定结果的[Y]水/[RX]最小摩尔比

K 1 1.33 2 10 100 1000 [Y]水/[RX] 10 8 4 2 0.8 0.4

－

－

必须指出，萃取常数E和E以及K，不仅受到离子活性的影响，还受到许多“副反应”的

QX

QY

影响，如有机相中的离子对的缔合，水相中Q的水解及缔合等。所以当水相中的反应物或产物盐接近饱和时，K和k值总是明显增加。

2

＋

相转移催化反应的研究结果表明：

①反应是在有机相中进行的（见图6-1及式6-19）。

②在有机相中，反应总是通过离子对进行的，动力学方程可由式（6-24）和（6-25）表示。 3．催化剂完全脂溶时的反应机理

但是，如果PTC反应的催化剂是脂溶性的，即Q不溶于水相中，则图6-1所示的反应机理就不能适用，应改为图6-2的形式。

－－

当PTC催化剂QX完全是脂溶性时，在两相之间来回迁移的是阴离子Y和X，而不像图6-1

＋－＋－

中的那样，来回迁移的是QY和QX。实际上，催化剂在有机相和水相中的分配程度取决于溶剂和所用鎓盐的亲脂性。在一般情况下，图6-1的反应机理是正确的，只有在催化剂是100％亲脂时，才按图6-2的机理进行反应。所以图6-2是图6-1的一种极限形式。

RX ＋ [QY] RY ＋ [QX] （有机相）

（相界面）

＋

－

－

＋

－

＋

－＋

NaYX（水相）

图6-2 脂溶性催化剂作用下的PTC反应机理

6.3.2 碱性条件下的相转移催化反应机理

在碱性条件下，相转移催化反应可以完成众多的有机制备过程。例如C－烷基化、O－烷基化（即醚化）、N－烷基化、异构化、H－D交换、加成、α－消去、β－消去和水解反应等。这里对三种重要的PTC反应（烷基化、加成、水解）机理进行讨论。

1．烷基化反应机理

烷基化反应和有机酸（即C－H、N－H、O－H）的pKa值有关。比较强的酸，如乙酸丙酮（pKa＝8）能溶于NaOH中，即完全去质子化，并与催化剂正离子形成离子对。因此无论是C－烷基化还是O－烷基化，相转移催化剂的作用都是以离子对的形式反复将阴离子萃取到有机相中，即符合图6-1所示的机理。

＋

而对于较弱的酸，例如脂肪醇ROH（pKa＝18），也可证明相转移催化剂的阳离子（Q）

－

及其阴离子（X）都能被萃取到有机介质中，所涉及的化学平衡有：

NaOH＋ ROH ＝NaOR＋ HO （水相） （6-27）

2

＋

－

＋

－

ROH水相 ＝ROH有机相 （两相） （6-28）

[QX]有机相＋NaOR

＋

－

＋

－水相

＝ [QOR]有机相＋NaX

＋－＋－

水相

（两相） （6-29）

之后在有机相中进行不可逆的醚生成反应，即O－烷基化反应：

[QOR]有机相 ＋ R’X → R’OR ＋ [QX]有机相 （有机相） （6-30）

＋

－

＋

－

在上述PTC反应中，OR的萃取过程是快速的，在有机相中形成R’OR的过程也是比较快的。

＋－

反应物ROH的去质子化作用是在水相中发生的。如果没有催化剂（QX），就会在相界面上产

＋

生两层：一层是碱金属离子（Na）在相界面的水相层，一层是去质子化的反应物阴离子（OR－

）在相界面的有机相层。由于两相之间彼此互不相溶，离子就不能流通，因而无反应活性，这

＋－

种情况相当于表面吸附。当有机相转移催化剂（QX）存在时，它便可以使“锚合”在相界面中

－＋－

的反应物阴离子（OR）脱离相界面，并以离子对（QOR）的形式转移到有机相中，从而可以和有机相中的另一反应物（R’X）进行反应（见式6-30）。而相转移催化剂仍回到原来的状态。相转移催化剂的另一个作用是有助于去质子化，在实验室中可以看出相转移催化剂可以加快H／D的交换速度。

至此，关于弱酸PTC烷基化的反应机理可描述为图6-3所示的情形。与中性水溶液中萃取[Q＋－＋－

X]时相反，这里的离子对[QSub]有机相不能发生大量水合作用，其主要原因是浓碱NaOH溶液是强干燥剂。

NaOHSub

＋

－＋

－

水相＋ HSub有机相 ＝ Na

＋

－

＋

锚合在相界面 ＋ Sub＋

－

－

锚合在相界面 －

－

＋ HO （相界面）

2

锚合在相界面 ＋ [QX]有机相＝ [QSub]有机相 ＋ X

＋

－

水相

（两 相）

[QSub]有机相 ＋ RX —→ RSub ＋ [QX]有机相 （有机相）

图6-3 弱酸性PTC烷基化的反应机理

－

使用浓NaOH溶液进行PTC反应，能顺利地制备含有弱酸（如芴，Fluorene，CH，

13

10

pKa=20.5～22.8）阴离子的离子对稳定溶液。例如在0.1 mol/L亲脂性盐（四正己基氯化铵，

－－

NHexCl）的苯溶液与等体积的50％NaOH溶液平衡时，则该溶液与NaOH交换直到OH／Cl＝

4

28／27。但是如果用1mol/L芴的苯溶液加0.1 mol/L四正己基氯化铵（NHexCl）后，在苯层中的碱性则为81％。有芴存在造成碱性的增加，表明“碱性”是以[NHexCH]有机相离子对形式存在

4

13

9

＋

－

4

的。

2．加成反应机理

以二卤卡宾的形成以及和烯烃的加成反应为例。在相界面上，三氯甲烷可以发生去质子化作用，并形成“锚合”在相界面上的三卤甲川离子，水则留在水相中，即

HCCl

3

＋ Na有机相

＋

水相

＝ CCl

－

3

锚合在相界面

＋ Na

＋

锚合在相界面

＋ HO水相 （6-31）

2

之后在相转移催化剂的作用下，三卤甲川离子脱离“锚合”状态，使平衡向右偏：

CCl

－

3

X]有机相 ＝ [NRCCl]有机相 ＋ X有机相 ＋ [NR

4

4

3

＋－＋－－水相

（6-32）

在有机相中，离子对形成二卤卡宾，然后与有机相中的烯烃进行不可逆的加成反应：

[NRCCl]有机相 ＝[NRCl]有机相 ＋ [CCl]有机相 （6-33）

4

3

4

2

＋

－

＋

－

（6-34） CCl2+ClCl

应该指出，卡宾前体的稳定性是由于它以三卤甲川阴离子的形式动态地“锚合”在相界面上。这是该机理的重要特征。同时由于相界面的存在，还存在许多副反应，如不可逆的水解反应及交换反应：

[CCl]有机相 ＋ OH

22

2

＋

－

－水相

→ [HOCCl] → 甲酸酯 ＋ CO （6-35）

22

－

[CCl]有机相 ＋HO →[HOCHCl] → 甲酸酯 ＋ CO （6-36） [NRCXCl]有机相 ＋ X

4

2

－

水相 ＝ CXCl

－

2

X]有机相 （6-37） 锚合在水界面 ＋[NR

4

＋－

↓

HCXCl

2

在有机相中也会发生交换竞争反应等：

[CCl]有机相＋[NRX]有机相 ＝[NRCXCl]有机相 （6-38）

2

4

4

2

＋

－

＋

－

由于反应的多相性、竞争反应多、平衡复杂，所以研究起来十分不容易。但反应机理的研究实例还是证明了该反应机理是正确的。

3．水解反应机理

当PTC反应萃取的是OH时，便发生水解反应或皂化反应。如果以二氯甲烷为反应物，

＋－

NbuHSO为相转移催化剂，只要没有亲脂性更强的阴离子存在，萃取到有机相中的[NBuOH]

4

4

4

－

便会发生相当快的水解反应。例如： (CH2)4COOC2H5COOC2H5NaOHNBu4+HSO4

-(CH2)4COO-COO-C2H5OHNa+++ +22 2

（6-39）

PTC水解反应对许多因素极其敏感，包括溶剂、催化剂以及反应底物的结构。因此可能有几种不同的机理。如果所释放的羧酸是强亲水性的（例如低分子量的二元酸），则相转移催化剂对加速水解非常有效。反之，相转移催化剂对亲脂性羧酸酯的水解反应是缓慢的。例如，在

＋

己二酸二乙酯的水解反应中，反应条件固定不变，而仅改变催化剂的阴离子（阳离子为NBu），

4

则反应速率的大小为：

HSO>Cl>Br>I>ClO

4

4

4

－

－

－

－

－

4

（6-40）

＋

－

在用NBuHSO催化的反应中，有机相中的离子对为[NBuOOC(CH)COOH]，这显然容易在相界面上与OH发生交换，所以反应速率大。若用其他阴离子（如ClO

－

－

424

－

4

），则OH或

－－

OOC(CH)COOH的萃取和转移将会受到亲脂性更强的无机离子ClO的部分抑制，所以反应速

24

4

度会下降。

值得一提的是，在己二酸二乙酯的水解反应中，中性的表面活性剂如：CH(OCHCH)R

16

33

2

2n

（R=OH，OCOH，OCH，Cl）的催化性能鎓盐一样强。

3

§6.4 相转移催化反应的应用

6.4.1 相转移催化反应条件

1．催化剂

许多季铵盐、鏻、鉮、鋶盐均可作为PTC反应催化剂。但在实际应用中，仅限于数种铵盐和鏻盐。它们都属于精细化学品。目前常用的PTC反应催化剂有：

（1）铵盐类：苄基三乙基氯化铵（TEBA）或溴化铵（TEBA－Br），苄基三甲基氯化铵、溴化铵或氢氧化铵（Triton B），四丁基氯化、溴化铵、碘化铵或氢氧化铵，十六烷基三甲基溴化铵、氯化铵，四正己基溴化铵、氯化铵等。

（2）冠醚类：15－冠－5，18－冠－6，二苯并－18－冠－6，二环己基并－18－冠－6等。 二苯并-18-冠-615-冠-5OOOOOOOOOOO OOOOOONa+Y -冠醚离子对 .

冠醚催化剂的催化机理为：冠醚中的O原子极易络合碱金属离子，如K，Na，Li，使冠醚成为碱金属离子（如Na）配位的阳离子，之后与溶液中阴离子Y结合成为离子对，见上图右。之后该离子对进入有机相，与RX反应，生成RY，催化剂返回水相继续催化反应。用冠醚为相转移催化剂的优点是：冠醚与碱金属离子形成的配合物较稳定，可以提高反应温度。

（3）鏻盐类：三丁基十六烷基溴化鏻，乙基三苯基溴化鏻，四苯基氯化鏻等。

在选择PTC催化剂时，主要应从以下四点来考虑，即：活性、用量、稳定性和易分离性。在中性介质中，优良的相转移催化剂应该具有15个或更多的碳原子。当开始研究一种新的PTC反应时，在中性或碱性介质中可选用四丁基铵盐。在浓碱溶液存在下，首先应选用TEBA。其他的催化剂如鏻盐、冠醚和穴醚也是较有效的催化剂。苄基三丁基溴化铵容易在实验室制备，而且十分有效，所以是用得最多的PTC催化剂。

在不同的体系中，催化剂的用量可在0.01%～10%mol之间变动。因为反应速率决定于催化剂浓度，因此只有是强放热或者催化剂非常昂贵时，催化剂用量才很少。一般正常情况下，用量为1%～3％mol。在某些情况下要求催化剂用量在摩尔级。例如，不活泼的烷基化试剂参与的PTC反应、烷基试剂容易引副反应的PTC反应、希望多官能团分子发生有选择性的PTC反应等。

催化剂的稳定性也是很重要的。一般条件下，PTC反应催化剂的功能很好。但也有的催化剂不稳定，如高温分解或发生副反应。例如：四丁基铵盐在浓NaOH水溶液中，60℃或100℃的条件下，7h之后分别分解出52％和92％的三丁基胺。鏻盐催化剂在浓碱水 +－＋＋＋

溶液中要比铵盐稳定，除非被活化进行Wittig反应，或者带有苯取代基，才会分解出三苯基氧化膦。

在多数情况下，只有催化剂可溶于水。所以合成反应后，很容易将催化剂从产品中分离出来，有时用水反复洗涤反应混合液即可。在某些反应中，可将催化剂的溶液蒸馏，残留物用水处理，再用溶液（如醚）反复萃取。为了再生催化剂，可将不同来源的四丁基铵盐收集并溶解在二氯甲烷中，用pH

2．溶剂

反应底物为液体时，可用该液体作为有机相使用。原则上，许多有机溶剂都可使用，但要求它们与水的互溶性必须很小，以确保离子对不发生水合作用。但是也应该注意的是，溶剂对离子对应有一定的溶解度，否则进入有机相的离子对含量将很少，而无法进行反应。例如TEBA在苯／水体系中的效果极差，在二氯甲烷／水体系中也是很差。所以应改用四正丁基铵或更大的离子，如四正戊基铵和四正己基铵等。

一般而言，在二氯甲烷、1，2－二氯乙烷和三氯甲烷中，有利于离子对的进入，反应速度也较快。在碱性条件下，如果不希望有卡宾反应，一般不使用三氯甲烷。使用上述氯代烃为溶剂时，可不必严格选择催化剂。但是对于强亲核性试剂存在时，就不能用氯代烃作溶剂，因为二者会发生反应，使副反应比例增加，即：

2NROOCR＋ CHCl—→ RCOOCHOOCR ＋ 2NRCl（6-41） 422 24＋－ ＋－

3．搅拌

多数情况下，PTC制备反应用电磁搅拌。但该注意，搅拌太慢时，尤其是在高粘性的50%NaOH中，反应结果有时不能重现。一般地，在水／有机质中的中性PTC反应搅拌速度应大于200r/min，对于固液反应以及有NaOH存在下的反应搅拌速度应大于750～800 r/min。目前，超声波在相转移催化中的搅拌和空化作用也受到了人们的重视，它对于提高产物的收率、降低催化剂使用量、提高反应效率有很好的作用。

4．其他

在水／有机相两相体系中，为了有助于离子对萃取到有机相中，水溶液应具有相当的浓度。同时为了防止某些PTC反应的放热，应准备冷却浴，或者采用逐步加入试剂的办法。在浓NaOH的反应中，常出现稳定的乳化现象，这时可用中和或离心分离的办法，也可用水反复洗涤反应液以除去过量的碱。

6.4.2 中性条件下的PTC置换反应

主要是指不用碱的置换反应，通式为：

RX ＋ Y—→ RY ＋ X（6-42） － －

根据产物的不同，分为5种置换反应，即卤代烷的形成、腈的制备、酯的制备、硫醇或硫醚的制备、以及其他类型的置换反应。

1．卤代烷的制备

PTC反应制备卤代烷主要有以下５种类型的取代反应，即：烷基卤化物→不同的卤化物（卤素交换）；烷基磺酸酯→卤代烷；伯醇＋HCl→氯代烷；二芳基重氮甲烷→二芳基氟代甲烷；亲核芳基取代反应等。

（１）由烷基卤化物制备不同的卤化物

＋－＋－对于卤素交换反应，主要受两个平衡的限制：一是QX和QY离子对的萃取平衡，二是

－ －RX ＋ Y—→ RY ＋ X反应的化学平衡。例如，要将溴代烷转化为氯代烷，就必须使用过

量的氯化钠水溶液，一旦达到PTC平衡，水相就得用新鲜的NaCl溶液来替换。制备碘代烷时，可将氯代烷（或溴代烷）与NaI水溶液在百分之几摩尔的季铵盐存在下，在108℃分别加热5h或2h即可。若加入摩尔量的催化剂，则反应会更快。

在PTC反应中，氟化物离子难于溶剂化，同时还具有亲核性和碱性，因此在PTC交换反应时，会存在取代、水解和消除反应间的竞争。有人将一级、二级烷基溴化物在饱和KF溶液中加入催化剂三丁基十六烷基溴化磷，在100～160℃下搅拌7～16h，结果一级烷和苄基化合物产生的氟化物收率为70％～90％，而二级烷基化合物反应的收率很低。

（２）由烷基磺酸酯制备卤代烷

如果用甲磺酸作为离去基团，就会大大加速PTC置换反应。例如用二环己烷并－18－冠－6为催化剂的反应：

n-CHOSOMe ＋ KX → n-CHX ＋ KOSOMe （6-43） 81728172

X不同，反应活性不同，其顺序为

X＝I＞Br＞Cl＞F（6-44）

最快的反应在100℃下7min后就结束，而最慢的反应在115℃下42h后才完成65%。另外，下列化合物也可以用PTC置换反应来制备： Aliquat 336/ 20minC5H6/KCl(aq)OCH3H3CCH3CH2ClOCH3CH3H3CCH2SO2CH3 （6-45）

（３）由伯醇和HCl反应生成氯代烷

直链饱和醇在酸性介质中，以磷盐为PTC催化剂，在适当条件下可以转化为卤代烷。例如，在105℃条件下将直链饱和醇、5molHCl和0.1mol三丁基十六烷基溴化鏻共热30～45h，可以转化为对应的氯化物。C～C醇的收率超过90％，而与水部分混溶的醇卤化时的反应速率和收率都616－－－－

较低。在碱性条件下，醇也可通过PTC二氯卡宾反应转化为卤化物。

2．腈的制备

在以冠醚为催化剂的PTC反应中，可制备三甲基硅烷基氰化物、苄基氰化物、氰基甲酸酯，即 18-Crown-6KCNROCCNOROCClOSiCNCH3CH3H3CKCN18-Crown-6SiClCH3CH3H3C

（6-46）

（6-47）

其中R＝苯基、苄基、烷基。在有的反应中，也可以用鎓盐代替冠醚，例如 (40%)(60%) +COCCNCNOCCNOo0 CNaCN/H2O, NBu4Br/CH2ClCClO

（6-48）

一般难以合成的丙烯腈类化合物也能方便地制备，收率极高（90％），且具有立体专一性。例如在乙烯基卤化物和2mol/L KCN的苯溶液中，加入少许Pd(PPh)和18-冠-6，在75℃下反应，34

则有： CCRXRR123KCNPd(PPh3)4, 18-Crown-6C6H6321CCRCNRR+

（6-49）

室温下用十六烷基三甲基氯化铵或TEBA作催化剂，将偕氯化亚氨类在氯仿和KCN在水溶液中搅拌，可制得α－亚氨基腈类（也称偕亚氨氰化物）： 室温KCN, TEBACNCNCNCl

（6-50）

3．酯的制备

（1） 以羧酸为反应物，在非极性非质子溶剂中，由PTC反应产生的羧酸盐离子对具有较好的反应活性，可以和有机相中的卤代烷生成相应的酯。例如，由邻苯二甲酸制备邻苯二甲酸二正辛基酯和二苄基酯，且收率都是91％。 2+COOC8H17COOC8H17nC8H17XCOOHCOOH （6-51）

这里用的PTC催化剂是三甲基辛基溴化铵或氯化铵，将水溶液／含过量烷基化试剂的有机混合液进行共沸蒸馏，除去水／烷基化试剂，最后在150～160℃下回流。由于所用的催化剂不是非常亲脂性，所以采用的条件可能不是最佳的。

表6-3 关于酯制备的某些PTC反应实例（M=金属离子） CH2=CRCOOKH2CCHCH2Cl

O+RCOOM or RCOOCOOM+H2CCHCH2Cl ORCOOM or RCOOCOOMClCH2CH=CHCH2Cl+MRCOOM or RCOOCOO+R'XCnF2(n+1)CH2CH2X+RCOOKCH3CH=CH2COOKClCH2OCH=CH2+CH2=CRCOOM+ClCH2COOCH2CH3XCH2CHOCORCH2X+R'COOMHOCOHCCl2+ClOCOClNClONaClCl(RO)2PSCl+COONaCOONaClCOOCH2CH3+BrCH2CH2BrKCO3(Crown Ether)+聚碳酸酯酯甘油

（２）以卤化物为反应物，在甲基三辛基氯化铵（Aliquat336）催化剂作用下，1－溴癸烷与过量8倍的醋酸钠水溶液，在105℃下即能转化为它的醋酸酯，该反应1h内即可完成。即：

n-CHBr ＋ NaOAc → n-CHOAc ＋ NaBr （6-52） 10211021

Aliquat336也可将顺式3，5－二溴－1－环戊烯（A）在四氯化碳／醋酸钾水溶液中转化为顺式二乙酰氧基化合物（B）： (B)(A)OAcAcOBrBr

（6-53）

在60℃时，5h后转化率为68％。在42℃，9h后转化率为75％。

应该指出，从水介质中萃取出来的离子对总会带有一些水分子，其活性要比严格无水条件下的要低。所以在烷基化之前，最好将催化剂季铵盐进行分离并干燥。反应一般是在二氯甲烷中进行，因为二氯甲烷是较安全的，它自身是一种非常缓慢的烷基化试剂。在分析工作中，可用冠醚来催化酯化反应，以便提高检测的灵敏度。表6-3是有关PTC反应制备酯的一些例子，水溶液为有机酸盐溶液，催化剂为鎓盐。

4．硫醇和硫醚的制备

由于硫化物和硫醇盐的阴离子是强亲核试剂，可以用季鎓盐的阳离子方便地从水溶液中萃取到有机相中。因此，这些阴离子是理想的PTC反应底物。有关苯硫醚/烷基化体系PTC反应机理及不同催化剂的作用已经作了许多基础研究。例如：苄基硫醇，可用聚乙二醇二甲醚作为络合剂/催化剂，在苯中由溴苄和硫氢化钾（KHS）在0.5h内于室温反应制备：

（6-54） +CH2SHKHSCH2Br

PTC还可以制备二烷基硫醚，例如:

RX ＋ NaS → R-S-R （6-55） 2

该一级烷基卤化物（RX，X=Cl，Br）和硫化钠水溶液在三丁基十六烷基溴化鏻或四丁基氯化铵催化下，在70℃剧烈搅拌40min，获得几乎定量收率的对称硫醚。而二级卤代烷反应较慢，须在110℃反应2h。如果硫醇盐和卤代烷反应，可制备不对称的二烷基聚硫醚:

RSNa ＋ R'X → R-S-R' （6-56）

5．其他置换反应

除了制备卤化物、腈类、酯类和硫醇（醚）类的反应外，还有许多反应也与PTC有关。催化剂和反应条件都一样适用。但应注意，在非极性、非质子溶剂中离子对的反应活性次序与在乙醇水溶液中的离子对活性次序是不同的。有些“弱”亲核试剂却可有较好的亲核活性，例如 RSCNSCN-(aq)RX

（6-57）

当用一级或二级卤代烷进行上述反应时，回流1～24h，产率可达90％，所用催化剂可以是季铵盐、冠醚、伯胺、仲胺或叔胺。但后３种催化剂在反应混合液中须先进行季碱化，因此反应时间较长。

用卤代烷制备叠氮化合物也可用PTC反应进行。当溴代烷在25％ NaN水溶液中，用3

Aliquat336作为催化剂，在100℃下反应6h，就可得到叠氮化合物:

R－X → RN（6-58） 3

而氯代烷反应稍慢，碘代烷反应较快。

用PTC反应，可以制备异氰酸酯，例如: NaN3(aq)RCON3RNCORCOX

（6-59）

也可以用直接置换反应获得异氰酸酯，即

RX ＋ OCN→ R－N=C=O ＋ X（6-60）

该反应不用溶剂或在DMF中，用四丁基碘化铵催化，在170℃下很快使氯苄和氰酸钠反应，制备出苄基异氰酸酯。

PTC反应还可以制备砜类化合物: RSO2CH3+NBu4+O2-SCH3RX

（6-61）

该反应在二氯甲烷中以四丁基氯化铵为催化剂，在10～40℃时可顺利地制备相应的砜。

以上都是中性水溶液中进行的PTC反应，反应物之一溶于有机相中，另一反应物则溶于水相中（呈电离状），催化剂大多为铵盐和冠醚。

6.4.3 碱性条件下的PTC置换反应

在碱性条件下的PTC烷基化反应是最重要的，它可以制备许多精细化学品。反应类型包括O－烷基化、N－烷基化、C－烷基化、异构化、C－C重键加成、C=O和C=N加成、β－消除反应和水解反应等

最常用的无机碱是浓的碱金属氢氧化物水溶液或固体。根据有机化合物的pKa值标准，一般NaOH水溶液／铵盐催化剂能使pKa值达22～25的反应底物除去质子。常用的PTC催化剂有季铵盐、冠醚等。

1．O－烷基化反应（醚的制备）

许多芳醚都是采用O－烷基化PTC反应来制备的。例如，α－萘酚醚的制备，是由α－萘酚和卤代烷反应制备的，所用的PTC催化剂有四丁基溴化铵，产率可达84%，即： +o20%NaOH/75 CBu4NBr/C6H6OC2H5C2H5BrOH － －

（6-62）

产物α－萘酚乙醚也称橙花素，是一种合成香料，可用于肥皂和化妆品中（精细化工，1997，14（6）： 35）。

O－烷基化常用的PTC催化剂有季铵盐、聚乙二醇、高分子交联的季铵盐。反应大多在浓碱（50％NaOH或KOH）水溶液中进行。伯、仲醇（或酚）与伯氯化物、硫酸二烷酯反应，大多会得到高收率的醚，例如： OHC2H5BrOC2H5+50%KOH/CH2Cl聚乙二醇-400

（6-63）

而卤代烷分子则可以通O－烷化生成对称的醚，即 RORNaOH(aq)PTCRX

（6-64）

例如1－溴辛烷在2mol/L NaOH（8%）和季铵盐存在下，生成75％的辛醚及20%的1－辛醇和5%的1－辛烯： C8H17BrC8H17OC8H17 C8H17OHC6H13CHCH28% NaOH++

（6-65）

如果反应中加入一些醇，则会提高醚的形成速度和收率。这表明反应的第一步是1－溴辛烷的水解。同时，应该注意的是：PTC反应中，醚是主要产物，而一般水解反应中1－辛醇是主要产物。这是由于在PTC反应中，电离的烷氧负离子比羟基的亲酯性强许多，而容易被萃取到有机相中，同时烷氧负离子又是较强的亲核试剂，所以主要生成的是醚。

形成非对称醚（反应式6-62）的最佳PTC条件，是使50%NaOH比醇过量几倍，催化剂浓度为3%～5%mol，对于伯醇，产率为80%～95%。

在PTC反应中，酚盐离子的O－烷基化比脂族醇更为容易。例如，四丁基铵酚盐与溴丁烷反应要比普通的钾盐快3×10倍，但如果钾离子被二环己烷并－18－冠－6络合，速度还要快2～3倍。

下面介绍两种醚的制备方法：

（1）甲基醚：将0.5mol醇和lg四丁基卤化铵在200ml石油醚（b.p. 50～70℃）的溶液中，与

1.3mol 50%的NaOH水溶液一起剧烈较拌15～30min，使达到平衡，反应有微热产生。冷却后，在1h内滴入0.6～0.75mol的硫酸二甲酯，调节滴加速度，使反应温度不超过45℃。搅拌2～3h后加入10mol浓氨水，室温下继续搅拌30min，最后把混合物倒入水里，分出有机相，用水洗涤，用无水NaSO干燥。 244

（2）酚醚：50mlCHCl、50ml水、10mmol酚、15mmol的NaOH，20～30mmol的烷基化试22

剂和0.1～1mmol苄基三正丁基溴化铵的混合物，用震动式混合器，室温下搅拌2～12h，分出有机层，并用20mlCHCl萃取水层两次，合并有机萃取液，蒸去有机溶剂，加入水，再用醚或戊22

烷萃取。有机相用2M NH洗涤两次，以除去硫酸二甲酯，或必 3

要时用甲醇的氨液处理，以破坏硫酸二乙酯，最后用饱和NaCl溶液处理。用无水NaSO干24燥后，蒸去溶剂，残留的醚经蒸馏或结晶进行提纯。

2．N－烷基化反应

N－烷基化反应是在含有碳酸钠或者碱性氢氧化物的两相体系中里进行。形成的仲盐或叔铵盐必须扩散到相界面以便转化成胺。反应速率由胺的亲核性决定，PTC催化剂对正常胺的反应没有很大影响。NaOH水溶液的碱性不足以使非活化的胺去质子化。然而如果NH－基团通过邻近吸电子基团使N上的H酸性增强，就可能进行去质子化作用，例如:下列化合物的pKa值分别为

NH: 34～36， ArCONH: 25， PhSONH: 10 3222

其中最后一种胺可形成PhSONH离子，与催化剂正离子形成离子对，并与有机相中的RX发生2－

N－烷基化反应。

催化剂可以通过下述两种途径形成亲核性很强的酰胺阴离子：

－（1）把OH离子转移到有机层中起去质子化作用，即：

[QX]水 ＋ OH—→ [Q·OH]有 ＋ X（6-66）

[Q·OH]有 ＋ RNH—→ [RNH·Q]有 ＋ HO （6-67） 2 2＋－－＋＋－－ ＋－－

[RNH·Q]有＋ R’X —→RNHR’ ＋ QX（6-68）

（2）从相界面脱离去质子化的分子离子对，即：

RNH＋ OH→ RNH·OH—→ [RNH·Q]有 ＋ HO ＋ X（6-69） 2 22－ － －＋－ －＋＋－

苯腙（A）能够用PTC的N－烷基化反应生成化合物（B），反应是在50% NaOH水溶液，过量烷基化试剂及5%mol四丁基氯化铵中进行，在30～60℃下搅拌0.5h，收率为43%～98%。继续用硫酸水解则得到1- 烷基-1-苯肼（C），即： (C)(B)(A)3H2NNC6H5R3CNNC6H5RRR1221CNNHC6H5RR （6-70）

在NaOH存在下，N－烷基化反应可只用1%～5％mol的催化剂，反应时间和温度随烷基化试剂而改变，例如： 312321TEBAR X/NaOHRNCOR R RNHCRO

（6-71）

如果RX为（CH）SO，则在室温下用45min。如果RX为n-CHI时，则在80℃下用22h，收率3244933

为80%～95％。

环酰胺如吡咯烷酮，ε-己内酰胺和ω-辛内酰胺在浓NaOH、苯和TEBA存在下，40～50℃也能够烷基化，环中原子数越多，需要的反应时间越长： NH(CH2)nCOCO(CH2)nNRRX/NaOHTEBA （6-72）

同样，吲哚、咔唑、吡咯、苯并三唑和二苯基胺在TEBA存在下都能进行N－烷基化反应。吲哚中－NH氢不活泼，必须在Na或NaNH作用下才能去质子化。但在PTC反应中，50% NaOH2

水溶液便可去质子化，产率也较高（＞90%）。

N－烷基化反应的典型实验操作如下（乙酰苯胺烷基化反应）：

①摩尔量的催化剂：0.1mol四丁基硫酸氢铵溶解在100ml 2M的NaOH中。再加入0.1mol乙酰苯胺和溶于100ml CHCl中的0.18mol碘甲烷。加热回流30min。两相分离后，将有机相浓缩，22

加100ml醚到残留物里，过滤掉四丁基碘化铵，除去溶剂便得到N－乙酰―N－甲基苯胺，收率为90％。

②少量的催化剂：0.02mol乙酰苯胺、0.001mol TEBA、50ml苯、0.1mol NaOH和4ml水的混合物在室温下剧烈搅拌使成糊状物。在60～70℃下，滴加0.04mol 的1－溴丙烷，将混合物液加热并搅拌200min后，反应物溶解。分离有机相，用2M HCl和水洗涤、干燥，除去溶剂后，产物即结晶析出，溶点45～48℃，收率82％。

3．C－烷基化反应

负碳离子的PTC烷基化反应是最重要的有机合成方法之一。早在1951年，Jarrousse就发现苯乙腈能够用氯乙烷和氯苄在浓碱液和TEBA存在下烷基化。现在，这个方法已经具有普遍性。PTC方法与普通的操作方法相比有很大优点，它不用昂贵的碱（氨基钠、叔丁醇钠、金属氢化物等），也不用无水溶剂（无水乙醚、苯、二甲亚砜、二甲基甲酰胺等），而且操作方便，选择性高，纯产品收率也高。最常用的催化剂是TEBA。例如： 1% mol TEBANaOH+CHCH2CH3CNC2H5BrCH2CN

（6-73）

该反应是最典型的N－烷基化反应，有轻度的放热，在28～35℃下反应3～5h，收率为78%～84％。为了将产物从反应液中分离出来，待反应完成后，往反应混合液中加入苯甲醛，使未反应的原料转化为α－苯基肉桂腈。

一般地，在强吸电子基（－CN，＝CO，＝SO）时，与之相联的甲基或亚甲基上的H被活

－化，可以成为C。按吸电子基不同，C－烷基化PTC反应可分为2大类：

（1）腈类的C－烷基化反应，通式为： ++NaOHQ+X -HXRCHCNR'R'XRCH2CN

（6-74）

其中R'X为烷基化试剂，伯卤代烷＞仲卤代烷＞叔卤代烷；Br＞Cl。

腈类C－烷基化反应可以制备许多不同取代基的芳基乙腈衍生物，见图6-4。 PhCHCNCHPhCHCNPhPhCHCNCnH2nXPhCHCNCnH2nCHCNPhPhCCN(CH2)nPhCHCNCHPhCHCNPhRCHX2X(CH2)nXPhCH2CNClCH2COORPhCHCNCH2COORPhCCNCH2COORCH2COORClCHORRX(CH2)nCNn=1,2X(CH2)nCNn>2RXPhCHCNRR'XPhCCNRR'PhCCNCnH2nCNCnH2nCNPhCHCNCnH2nCN+++

图6-4 苯乙腈的PTC烷基化产物

（2）醛酮类化合物的C－烷基化。除腈类外，还有许多其他化合物可以进行PTC烷基化反应，如醛、酮、酯、砜类化合物等。醛酮类化合物的α－位置活泼氢，可以与有关的卤代烷或其他化合物进行C－烷基化反应，但一般需要在强碱下进行。即： +RCCHR'R''ONaOHQ+X -R''XRCCHR'HO

（6-75）

醛的α-C烷基化较为少见，因为醛在碱性催化下容易发生羟醛缩合。所以一般将醛转变为烯后再进行烷基化。而采用相转移催化剂可以不要经过烯胺转换而直接进行烷基化，并可用NaOH代替强碱，收率也有所提高。

丙酮的α-H酸性较弱，需要在很强的碱中进行反应。而采用季胺盐为PTC催化剂，可以在60％NaOH溶液中进行烷基化反应，如用三辛基甲基氯化铵为催化剂，与氯代异戊烯反应，可得到异戊烯基丙酮，收率为45％～50％，反应式为： CH3CCH3OClCH2CH=C(CH3)2(C8H17)3CH3NClCH3CCH2CH2OCH=CCH3CH3+60%NaOH / 40 CO

（6-76）

酯中的CH键在PTC中很容易进行C－烷基化。砜中的CH键也是弱酸性的，在温和条件下无副反应发生，烷基化反应很容易进行。虽然PTC烷基化并不是烷基化的唯一方法，酯和砜类化合物也可以通过其他方法顺利地烷基化，但只有PTC方法具有方便和经济的特点。例如，医药麝香酮中间体－甲基丙二酸二乙酯的合成，若采用丙二酸二乙酯在乙醇钠存在下与硫酸二甲酯反应，收率为62％。若采用PTC催化剂，在反应中用NaOH代替乙醇钠，产品收率可达80.7％，反应式为： COOC2H5CH2COOC2H5NEt3+CH2C6H5Cl-C6H6/50%NaOH/Me2SO4CH3CHCOOC2H5COOC2H5 （6-77）

二酯、酮砜（Ketosulfone）等具有二个活性基团的反应物也很容易达到期望的烷基化。在两个反应位置（C和O上），到底在哪个位置上烷基化，主要由溶剂的极性决定，同时也与无有冠醚有关，即： /CH3CCHCOC2H5OOC2H5CH3CCH2COC2H5OOC6H6KOHCH3CH2OTs

（6-78） CH3CH2OTsKOHC6H6CH3CCH2COC2H5OOCH3CCHCOC2H5OOC2H5/CH3C=CHCOC2H5OC2H5O+Crown ether/ （6-79）

C-烷基化典型实验操作如下：

①芳乙腈烷基化（催化剂为TEBA）制备4－溴－2，2－二苯基丁腈：0.025mol的二苯基乙腈，0.06mol的2，6－二溴乙烷，0.1g TEBA和10ml 50％NaOH水溶液一起搅拌，有温热产生。5h后分离有机相和水相，用水蒸馏除去过量的1，2－二溴乙烷。残留物用石油醚萃取和结晶，熔点68～69℃，收率94％。

②苯基醋酸叔丁酯烷基化制备2－苯基己酸叔丁酯：0.025mol苯基醋酸叔丁酯、0.038mol 1－溴丁烷、12ml 50％NaOH水溶液、0.1g TEBA和5ml DMSO，在60℃下搅拌3h。混合物用水稀释，用苯萃取、干燥、除去溶剂后，真空蒸馏纯化产品，沸点为129～131℃，收率45％。

③丙二酸酯烷基化制备乙基丙二酸二乙酯：溶于50ml水的0.24mol NaOH加到溶于50ml水的0.12mol四丁基硫酸氯铵中，再加入含0.1mol 丙二酸二乙酯、0.2mol碘乙烷的75ml二氯甲烷溶液，搅拌回流20min，分离水相与有机相，有机溶剂用旋转蒸发器除去。把200ml的醚加到残留物中，滤除不溶的NBuI。除去溶剂后，几乎获得定量的产物（收率100％）。 4

4．碳－碳重键的加成反应

碳－碳重键的PTC加成反应包括苯乙炔的加成、Michael加成和非活化双键的加成。

（1）苯乙炔的加成。例如苯基乙炔与硫化钠或乙基硫醇盐的水溶液进行PTC加成反应，催化剂可用二苯并－18－冠－6或TEBA（但效率低）： PhCCH(PhCH=CH2)2S+ PhCHCHSRNa2SRSNa

（6-80）

苯基腈也可以和炔烃进行加成反应，即： PhCHRCNHCCR'PhCC=CR'CNHHHPhCC=CR'HHHCN+

（6-81）

其中R'＝H、Ph、S－R，反应可采用粉末状KOH，在DMSO中加入TEBA，反应收率为60％左右。而且顺式结构体多于反式化合物。

（2）Michael加成。活性亚甲基化合物和α，β－不饱和羰基化合物在碱性催化下发生的加成缩合反应，称为Michael反应。在发生反应的两个反应物中，碱的催化能使活性亚甲基化合物形成负碳离子，该活性亚甲基化合物称为Michael供电体，例如丙二酸酯（a）、乙酰丙酮（b）、硝基烷烃等。 (b)(a)CH3COCH2CCH3OOCH3OCCH2COCH3OO

（6-82）

而α，β－不饱和羰基化合物及其衍生物则称为Michael受电体，它是一类亲电的共振体系，如α,β－烯醛（或酮）、α,β－炔酮（或酯）、杂环α,β－烯烃、α,β－不饱和硝基化合物以及对醌类等，即

CH＝CH－CO－CH和CH＝CH－N→O （6-83） 232

环酮与α,β－不饱和酮在碱催化下首先发生Michael加成，紧接着发生分子内醇醛缩合，闭环产生一个新的六元环，再接着消除、脱水生成二环或多环不饱和酮，即： OOOKOHCH3OHOOONHH2O/H+OO+

（6-84）

这类反应广泛用于甾体合成、萜类药物的合成。

但对于Michael受电体为硝基烯烃时，则不能使用碱作催化剂，因为硝基烯烃对一般碱极其敏感。所以改用氟化物离子作催化剂，例如：

128 室温CCHNO2CH2CNNEt4F+H3CCNC=CNO2

（6-85） OO+OOCH3回流二甲苯KF/CH2CCH3NO2

（6-86）

5．C＝O和C＝N键的加成反应

这类加成反应的典型例子是安息香缩合和醇醛缩合。安息香缩合是在室温下，通过苯甲醛和四丁基氰化铵一起在水相中搅拌，收率为70％左右。即： 2H2OArCCHArOHONBu4CNArCHO （6-87）

也可以用KCN水溶液／纯芳香醛，或固体KCN／溶于苯或乙腈的醛，在25℃到60℃下，用18－冠－6作为催化剂进行反应。

醇醛缩合是指在催化剂作用下，含有α－氢的醛或酮相互作用，生成羟基醛或酮。芳香醛和N－苄叉－苄胺通过50％NaOH／TEBA在室温下缩合，生成2－氨基－1－芳基－N－苄叉－2－苯基乙醇，即：

ArCHO ＋ PhCH＝N－CHPh —→ ArCH（OH）－CH（Ph）－N=CHPh （6-88） 2

醇醛缩合还可以制备前列腺素的前体，反应在40℃下进行20min，便有较高收率，该反应属于分子内醇醛缩合。即： H3CSCH3OHC(CH2)6COOROOHO(CH2)6COORC6H6/Adogen464LiOH(aq) （6-89）

6．水解反应

酯的水解反应中皂化反应是最典型的。例如： R'CCOOEtXR''R'CCOOKXR''R'CHXR''KOH/18-Crown-6室温

（6-90）

其中X＝－COOEt，－COR，－CN。该反应的第一步即是水解或皂化反应。

对PTC皂化反应，可用Aliquat336作催化剂，在50％NaOH水溶液中进行，见表6-4。

*指10mol酯，5ml石油醚，3ml 50%NaOH，10mol Aliquat 336，1h，室温 在水解反应中，含有亲水性羟基的羧酸酯和二羧酸酯的水解比简单的长链羧酸酯的水解快得多，对于后者，铵盐的催化效果非常小。有效的PTC催化剂有四丁基硫酸氢铵、硬脂酸氢铵、硬脂酸钠和冠醚或穴醚。后者对有空间位阻的酯的皂化反应很有价值。

7．鏻内鎓盐和锍内鎓盐的制备和转化

这类反应主要与Wittig反应和Norner反应有关。

（1）Wittig反应：硫、磷等第3周期元素与碳结合，使碳带负电荷，硫或磷带正电荷，且彼此相邻，称为邻位两性离子或内鎓盐（Ylide）离子。由磷形成的内鎓盐称为鏻内鎓盐，结构式为：

＋－（CH）P－CH←→（CH）P＝CH（6-91） 6532 6532 －2－2

内鎓盐的制备可由四级鏻盐在强碱性作用下，失去一分子卤化氢而成，即： +干燥乙醚C6H5Li (C6H5)3P+CH2-(C6H5)3P+CH3Br-CH3Br(C6H5)3P

（6-92）

由于鏻内鎓盐很活泼，可以和负碳离子发生亲核反应。

由于P可以形成５价化合物，它的外层可以有10个电子。P可以利用3d轨道与相邻的C上的p轨道重叠形成pd－π键。该π键具有很强的极性，可以和酮、醛的羰基进行亲核加成反应，形成烯烃，称为Wittig反应。例如：

（6-93） ++(C6H5)3POC6H5CCH2C6H5-CH2+P(C6H5)3C6H5COC6H5

鏻内鎓盐对水和空气都不稳定，因此在合成时一般不将它分离出来，而是直接进行下一步反应。

在浓碱／有机溶剂中，也可以进行PTC Wittig反应。所用的催化剂有铵盐、冠醚。在不同的溶剂中（THF、苯、二氯甲烷），鏻内鎓盐和不同的醛在碱溶液或固体碱作用下，无论有无催化剂均能反应，生成烯烃。对于鏻内鎓盐反应：

（CH）P－CH－R·X＋ CHCHO → CHCH=CH－R （6-94） 65326565＋－

当R＝芳基时，烯烃收率为60％～80％。当R=CH时，则烯烃收率仅为20％～30％。 3

用苯作有机相时，烯烃收率和NaOH浓度有关，先升到最大值，然后随浓度增加而减小。最

－佳条件不仅和R有关，而且也和鏻内鎓盐的阴离子X有关，见表6-5。

表6-5 关于C

HCHO和RCHP(CH)X反应的最佳NaOH浓度及收率

PTC Wittig反应还能扩展到与酮的反应，但收率低。有关PTC Wittig反应的详细机理还有待进一步研究。

（２）Horner反应：用亚磷酸酯代替三苯基膦去制备鏻内鎓盐，并与羰基化合物进行亲核加成，称为Horner反应。例如亚磷酸乙酯和溴代乙酸乙酯反应，生成膦酸酯： NaH-+Na+(C6H5O)2POCH-COOC2H5(C6H5O)2PCH2COOC2H5OC2H5Br(C6H5O)2P+CH2COOC2H5OC2H5Br-BrCH2COOC2H5(C6H5)3P

（6-95）

用膦酸酯负碳离子代替鏻内鎓盐，有以下三个优点：①膦酸酯负碳离子的亲核性较强，而且能和更多类型的醛和酮在温和条件下反应。②水溶性较好，易于从反应混合物中分离出来。③价格低且易得。

和鏻内鎓盐一样，膦酸酯也可以和羰基化合物反应。与丙酮反应生成α，β－不饱和酸酯。例如： ++(C6H5O)2PONaO(CH3)2CCHCOOC2H5(CH3)2CONa+(C6H5O)2POCH-COOC2H5

（6-96）

近年来，人们研究了PTC Horner反应。有的加催化剂（如铵盐、冠醚等），有的不加催化剂，并得知形成的烯烃以反式占优势。例如在50％ NaOH／CHCl和无催化剂下，(EtO)POCHX 2222（X=COOR，SOCH，PO(Oet)）和醛反应可形成纯反式异构体。如果加入催化剂，则仅用于232

芳醛，而不适用于脂肪醛和酮。对于反应： (EtO)2POCH2(S)nROR'CHOR'CHCH(S)nRO+ （6-97）

当n＝2时，则产生100%的反式化合物，n＝0，1时，则为顺／反异构体混合物。

PTC Horner反应对于合成共轭二烯烃及多烯烃是有用的。在NaOH水溶液／苯中用NBuI催4化，通过两种途径可以合成二烯烃：

（EtO）POCHAr + Ph-CH=CH-CH—→ArCH=CH-CH=CH-Ph （6-98） 2

2222 （EtO）POCHCHCH=CHPh + ArCHO —→ArCH=CH-CH=CH-Ph （6-99） 2

（3）锍内鎓盐：锍内鎓盐可由二甲亚砜或二甲硫醚与碘甲烷反应制备 +(CH3)2S+CH2-O(CH3)2SONaII-CH3S+CH3CH3OCH3ICH3SCH3O .

（6-100）

锍内鎓盐和非共轭的醛或酮反应，得到环状化合物。反应首先是亲核加成，然后是发生分子中的取代反应： +(CH3)2SOOCH2S+(CH3)2OO-+O(CH3)2S+CH2-O

（6-101）

和α，β－不饱和酮反应，发生共轭加成，然后再发生分子内取代反应，得到环氧丙烷衍生物： ++(CH3)2SOCCH3OCCH3OCH2S+(CH3)2O-CH2S+(CH3)2OCCH3O

（6-102）

在PTC条件下，锍内鎓盐和羰基化合物的反应可在无催化剂和有催化剂下进行。例如，在无催化剂下，月桂基二甲基锍碘化盐和苯甲醛在15 M NaOH中反应，收率为81%： +ArOC12H25S+(CH3)2I -ArCHO

（6-103）

在有催化剂时，苯甲醛和氧代锍内鎓盐反应，也会生成苯基环氧丙烷，并伴有醇醛缩合反应： +SOArOAr+ArO(CH3)2S+I -ArCHO

（6-104）

有关Wittig和Horner PTC反应实例：

①Wittig反应：将3mmol苯甲醛、5mmol烷基三苯基卤化鏻、5ml苯和10ml NaOH水溶液的非均匀混合物，室温下搅拌几分钟至几天，然后再以通常方法处理。

②Horner反应：在室温下，把溶于5ml苯中的20mmol膦酸酯和20mmol醛，加到含有1mmol NBuI催化剂的200ml苯/20ml 50% NaOH水溶液的两相体系中，激烈搅拌混合液，回流约30min，4

再作处理。

③2－苯基环氧乙烷的制备：100ml 50% NaOH水溶液加入搅拌中的0.1mol苯甲醛、0.1mol三甲基锍碘化盐、1mmol NBuI和100ml二氯甲烷形成的混合液中。该反应液在50℃加热，搅拌4

48h。处理后可得92%的２－苯基环氧乙烷。

8．α－消去反应

碱催化形成二卤卡宾（碳烯，Cabenes）是最常见的PTC反应之一。形成二卤卡宾主要靠α－消去反应，即两个原子或基团从一个原子上除去的反应。例如二氯卡宾的形成： +HClC:ClClH+--t-BuOCHClClCl

（6-105）

二卤卡宾的稳定性和卤素的电负性有关，电负性越大，二卤卡宾越稳定。所以稳定性为：

CF＞CCl＞CBr＞CI（6-106） 2 2 2 2

制备二卤卡宾的α－消去反应类型主要有：①三卤甲烷脱卤化氢，②三卤醋酸在80℃下脱CO，2③LiCCl在73℃以上分解，④Seyferth试剂（PhHg-CBrCl）在80℃分解，⑤四氯化碳和丁基锂32

反应等。

在所有条件下形成的二卤卡宾的寿命都非常短，它是一个非常活泼的活性中间体。其典型反应有π键加成和σ键插入反应，见反应式（6-107）和（6-108）。但反应历程及结果和反应物种类、催化剂有关。表6-6是PTC-CCl对单烯烃加成反应的结果。表6-7是PTC-CCl的C-H插入22

反应结果。除二氯卡宾外，其他二卤卡宾（如二溴、二氟卡宾）也能用PTC α-消去反应制备，其应用正在逐步扩大。 CYXClCl+XYC:ClClCYClClXXY+C:ClCl

（6-107）

（6-108）

表6-6 对单烯烃的加成反应

231(CH2)nRH2CCCNCH3

表6-7 PTC CCl

的C－H插入反应 习 题

1．什么是相转移催化反应，它具有哪些优点？

2．影响离子对从水相萃取到有机相的因素有哪些？都是如何影响的？

3．中性条件下，PTC反应的机理如何？

4．碱性条件下的PTC反应中，烷基化、加成、水解反应机理如何？举例说明。

5．PTC催化剂有哪几类？它们都是如何发挥催化作用的？选择PTC催化剂应遵循哪些原则？

6．在PTC反应中，选择有机溶剂和水相时，应遵循哪些原则？

7．指出碱性条件下，PTC反应的主要应用，为什么这些反应不能在中性条件下进行？

8．什么是Michael加成反应？

9．什么是Wittig、 Horner反应？它们都是用于制备何种化合物的？

10．在下列反应中，写出主在产物并说明原因：

（1）CHBr + NaOH —→ 8

81717（2）CHBr + NaOH ⎯⎯→⎯季铵盐

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