有機(jī)電化學(xué)合成第一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三2第二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三3電化學(xué)方法合成有機(jī)化合物稱為有機(jī)電合成；有機(jī)電合成被稱為“古老的方法，嶄新的技術(shù)”；有機(jī)電合成相對(duì)于傳統(tǒng)的有機(jī)合成具有顯著的優(yōu)勢：⑴電化學(xué)反應(yīng)是通過反應(yīng)物在電極上得失電子實(shí)現(xiàn)的，原則上不用加上其他試劑，減少了物質(zhì)消耗，從而減少了環(huán)境污染；有機(jī)電化學(xué)合成及其特點(diǎn)第三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三4⑵選擇性很高，減少了副反應(yīng)，使其產(chǎn)品純度和收率均較高，大大簡化了產(chǎn)品分離和提純工作；⑶反應(yīng)在常溫常壓或低壓下進(jìn)行，這對(duì)節(jié)約能源、降低設(shè)備投資十分有利；⑷工藝流程簡單，反應(yīng)容易控制。第四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三5有機(jī)電化學(xué)合成的原理（1）

熱化學(xué)反應(yīng)過程A+B[AB]C+D

電化學(xué)反應(yīng)過程陰極A+e[Ae]ˉC

陽極B–e[B]+D

總反應(yīng)A+BC+D熱化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)區(qū)別：

在熱化學(xué)中，兩個(gè)分子緊密接觸并通過電子的運(yùn)動(dòng)形成一種活化絡(luò)合物，在進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物；在電化學(xué)中，兩個(gè)分子并不彼此接觸，它們通過電解池的外界回流遠(yuǎn)距離交換電子。在熱化學(xué)中，反應(yīng)歷程確定后，反應(yīng)活化能不能改變；電化學(xué)活化能，可通過調(diào)節(jié)加在電極上的電壓可以得到改變。第五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三6有機(jī)電化學(xué)合成的原理（2）為了與電極交換電子，有機(jī)分子必須首先被吸附在電極上，或至少與電極緊緊相鄰；反應(yīng)物和產(chǎn)物可通過濃度梯度進(jìn)行擴(kuò)散，也可以依靠機(jī)械攪拌、溫度梯度以及密度梯度而產(chǎn)生對(duì)流進(jìn)行擴(kuò)散；有機(jī)電化學(xué)合成反應(yīng)的場所在電極的表面及其臨近區(qū)域（統(tǒng)稱電極界面)，電極界面最簡單的模型之一是“三層結(jié)構(gòu)理論”：第一層稱為“電荷轉(zhuǎn)移層”（離電極最近），在該層內(nèi)有極大的電位梯度，電解液中的離子和分子(主要指極性分子)由于靜電力的作用而被吸附取向；第二層是指在電荷轉(zhuǎn)移層外側(cè)的“擴(kuò)散雙電層”；第三層即最外層是指由于濃度梯度而造成的擴(kuò)散層。第六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三7第七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三8有機(jī)電化學(xué)合成的原理（3）各類可能的有機(jī)電化學(xué)反應(yīng)：※

·：代表一個(gè)電子；-：代表一對(duì)電子，也就是一個(gè)負(fù)電荷；R：反應(yīng)物；

N：親核試劑；E：親電試劑。第八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三9有機(jī)電化學(xué)合成的原理（3）第九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三10有機(jī)電化學(xué)合成的原理（4）直接電有機(jī)合成反應(yīng)的分類間接有機(jī)電合成：利用具有氧化/還原價(jià)的金屬離子來氧化或還原有機(jī)化合物，氧化或還原后生成的還原態(tài)或氧化態(tài)金屬離子，再在電極表面上失去或獲得電子而恢復(fù)到原態(tài)，如此周而復(fù)始地使反應(yīng)進(jìn)行下去。陰極反應(yīng)陽極反應(yīng)⒈還原(如硝基苯制備對(duì)氨基苯酚)⒉裂解(如1,1,2-三氟三氯乙烷制一氯三氟乙烯)⒊偶聯(lián)(如丙烯腈制己二腈)⒋生成金屬化合物[如合成雙-(環(huán)己二烯-1,5)鎳(0)]⒈氧化(如異丁醇制異丁酸)⒉裂解(如淀粉制二醛淀粉)⒊Kolbe縮合(如己二酸單酯制癸二酸雙甲酯)⒋生成金屬化合物(如合成四乙基鉛)⒌氯代(如乙醇制碘仿)第十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三11有機(jī)電化學(xué)反應(yīng)的特性：電子轉(zhuǎn)移過程電子轉(zhuǎn)移過程金屬中自由電子的能量用EF(Fermi能)表示，自由電子所占據(jù)的能級(jí)稱為Fermi能級(jí)，在電活性物質(zhì)中感興趣的分子軌道為LUMO，電子由金屬轉(zhuǎn)移到這個(gè)軌道，即還原作用，改變電極電位則能提高Fermi能級(jí)的能量。（a）不能發(fā)生電子轉(zhuǎn)移情況；（b）兩個(gè)能級(jí)恰好匹配，電子可能轉(zhuǎn)移；（c）Fermi能級(jí)高于LUMO能級(jí)，電子可能發(fā)生轉(zhuǎn)移。被作用物改變其能量（由基態(tài)）以使其和金屬的Fermi能相稱，當(dāng)能級(jí)匹配時(shí)，就能發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，也即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。第十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三12有機(jī)電化學(xué)反應(yīng)的特性：反應(yīng)順序反應(yīng)順序：電化學(xué)中的一個(gè)重要假設(shè)是電子一個(gè)一個(gè)的轉(zhuǎn)移；

※E：離子基（有正、負(fù)離子基之分）；M：被作用物。第十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三13由丙烯腈電化學(xué)合成己二腈第十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三14有機(jī)電化學(xué)反應(yīng)的特性：活性中間體

有機(jī)反應(yīng)物（A）在電解反應(yīng)中可以產(chǎn)生的活性中間體：陽極氧化陰極還原陽極氧化陰極還原自由基(A·)正離子自由基(A+·)自由基(A·)負(fù)離子自由基(A-·)二價(jià)正離子(A2+)其它如N-氮賓等二價(jià)負(fù)離子(A2-)其它如卡賓、氮賓等由有機(jī)電解反應(yīng)產(chǎn)生的活性中間體影響因素：電極材料；電解介質(zhì)的酸堿性；反應(yīng)物濃度；電解質(zhì)；溫度等。第十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三15有機(jī)電化學(xué)反應(yīng)的特性：通過電解反應(yīng)生成的活性中間體往往可以改變化學(xué)鍵的極性（如親核取代反應(yīng)變成親電取代反應(yīng)）：產(chǎn)物的構(gòu)型

2-羥基-1，2-二氫化茚的電化學(xué)α-乙酰氧基化立體選擇性鉑電極：順/反=85/16碳或二氧化鋁：順/反=5/95-e第十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三16電解系統(tǒng)電路示意圖-直流電源+VA陰極陽極eeeRXe有機(jī)電化學(xué)合成技術(shù)：直接有機(jī)電化學(xué)合成（1）電解裝置：⑴直流電源；⑵電極；⑶電壓表；⑷電流表；⑸電解容器。第十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三17有機(jī)電化學(xué)合成技術(shù)：直接有機(jī)電化學(xué)合成（2）電極材料及其修飾是一種以金屬鎳為基體添加銅、鐵、錳等其它元素而成的合金。含2％～8％錫、0.1％～0.4％磷，余為銅的銅合金第十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三18有機(jī)電化學(xué)合成技術(shù)：直接有機(jī)電化學(xué)合成（3）電極材料應(yīng)滿足以下要求：⑴導(dǎo)電性能好；⑵耐腐蝕；⑶優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性；⑷優(yōu)良的電化學(xué)穩(wěn)定性；⑸適當(dāng)?shù)某妱?；⑹良好的電化學(xué)活性；⑺良好的選擇性；⑻易加工性能；⑼價(jià)格低廉。第十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三19有機(jī)電化學(xué)合成技術(shù)：直接有機(jī)電化學(xué)合成（4）有機(jī)電化學(xué)合成中常用的一些電極材料電極材料電導(dǎo)率/Ω-1.cm-1陽極陰極介質(zhì)要求Pt石墨PbFeNiHgCu蒙乃爾合金PbO21.0X1052.5X1024.5X1041.0X1045.6X105√√√√√x√√√√√√√√√√√x作為陽極時(shí)需堿性介質(zhì)第十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三20有機(jī)電化學(xué)合成技術(shù)：直接有機(jī)電化學(xué)合成（5）電極表面修飾：利用共價(jià)鍵、吸附或聚合等方法將具有特定功能的物質(zhì)引入電極表面，賦予電極新的功能。電極表面的主要修飾方法：⑴吸附修飾：通過吸附作用把功能材料負(fù)載到電極表面上；⑵化學(xué)修飾：通過化學(xué)鍵的作用把功能物質(zhì)鍵合在電極表面上；⑶包覆修飾：將含有功能物質(zhì)的高分子膜包裹在電極表面上。電極表面修飾的作用改變被修飾電極的反應(yīng)性質(zhì)和超電勢；加快主反應(yīng)、抑制副反應(yīng)；提高反應(yīng)的選擇性；延長電極壽命。第二十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三21有機(jī)電化學(xué)合成技術(shù)：直接有機(jī)電化學(xué)合成（6）主反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物在輔助電極上發(fā)生反應(yīng)，需用有隔膜的二室電解槽；隔膜的功能：一是使兩極液中的反應(yīng)物和產(chǎn)物不能透過隔膜，以阻止兩極液的相互作用；二是可使帶電粒子或某些帶電離子自由通過隔膜，以導(dǎo)通電流；隔膜材料主要分為兩類：非選擇性隔膜一—般為多孔性無極材料或高分子材料，純粹靠機(jī)械作用傳輸，不能完全阻止因濃度梯度存在而產(chǎn)生的滲透作用。選擇性隔膜（離子交換膜）—分為陽離子交換膜和陰離子交換摸。陽離子交換膜僅允許陰離子通過，陰離子交換膜則只允許陽離子通過。離子交換膜的典型材質(zhì)是全氟磺酸酯及全氟磺酸酯羧酸酯，以交聯(lián)的接枝膜最為適宜。第二十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三22有機(jī)電化學(xué)合成技術(shù)：直接有機(jī)電化學(xué)合成（7)電解質(zhì)電解質(zhì)包括反應(yīng)物的溶劑和支持電解質(zhì)，后者的作用主要是使電流通過介質(zhì)時(shí)電阻不致太大；

對(duì)電解質(zhì)的要求⒈對(duì)反應(yīng)物的溶解度要大，不沾污電極和隔膜；⒉有足夠的電極電勢范圍，在較高電極電勢下不發(fā)生顯著的反應(yīng)；⒊能夠適應(yīng)所希望的反應(yīng)途徑，電解質(zhì)并不僅僅只是電流的載流子，他對(duì)雙電層的性質(zhì)影響極大；電解質(zhì)的某一種離子又常發(fā)揮出極化劑的作用，這種作用能使電極上不希望的反應(yīng)降至最低限度；⒋良好的電導(dǎo)率，防止高電阻所引起的發(fā)熱以及由此可能引起的副反應(yīng)的發(fā)生。第二十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三23有機(jī)電化學(xué)合成技術(shù)：直接有機(jī)電化學(xué)合成（8）水性電解質(zhì)水為最經(jīng)濟(jì)、無污染、最安全的溶劑，可通過與有機(jī)溶劑的混合提高有機(jī)物的溶解度；支持電解質(zhì)為無機(jī)的和有機(jī)的酸、堿和鹽，其中硫酸用的最多，其次是高氯酸或其鹽類。非水性電解質(zhì)非水溶劑對(duì)有機(jī)物的溶解能力較強(qiáng)，所能適應(yīng)的電極電勢范圍較寬，使很多在水中無法進(jìn)行的反應(yīng)有了完成的可能；在選擇有機(jī)溶劑時(shí)，介電常數(shù)要大于10，粘度要低；常用支持電解質(zhì)為脂肪族季銨鹽。第二十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三24有機(jī)電化學(xué)合成技術(shù)：直接有機(jī)電化學(xué)合成（9）

電流密度變化的影響在電極反應(yīng)中，電流密度變化對(duì)產(chǎn)品的分布有一定影響。電流密度/mA.cm-222.941035200n(CH4)/n(C2H6)0.750.280.180.050.030.02電流密度變化的影響被作用物濃度/%5102140n[NC(CH2)4CN]/n[CH3CH2CN]13.55041被作用物濃度的影響電流密度變化的影響第二十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三25有機(jī)電化學(xué)合成技術(shù)：間接有機(jī)電化學(xué)合成（1）由反應(yīng)物以外的第二種物質(zhì)與電極發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，然后在溶液中此第二種物質(zhì)再與反應(yīng)物進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移，發(fā)生反應(yīng)得到產(chǎn)物；第二種物質(zhì)是在電極和基質(zhì)之間起著運(yùn)輸電子的作用，被稱為電子載體，一般叫做媒質(zhì)；特點(diǎn)⒈節(jié)約能量；⒉防止污染；⒊有利于活性大分子的合成反應(yīng)；⒋可以合成其他方法難以得到的產(chǎn)物。對(duì)氟苯甲醛間接電化學(xué)氧化法合成的工藝過程主要反應(yīng)分兩步:

電解反應(yīng)：Mn2+→Mn3++ｅ

合成反應(yīng)：

p-FC6H5CH3+4Mn3++H2O→p-FC6H5CHO+4Mn2++2H+

第二十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三26間接有機(jī)電化學(xué)合成裝置間接電解氧化合成裝置流程示意圖

1-電解槽；2-分離器；3-泵反應(yīng)槽與電解槽分開的間接電解合成裝置流程示意圖

1-電解槽；2-氧化劑貯槽；3-回收氧化劑貯槽；4-凈化器；5-反應(yīng)槽；6-分離器；7-泵生成物原料1231234567生成物原料第二十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三27第二十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三28第二十八頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三29有機(jī)電化學(xué)合成反應(yīng)：氧化還原反應(yīng)（1）雙鍵的電氧化芳香族化合物的電氧化第二十九頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三30有機(jī)電化學(xué)合成反應(yīng)：氧化還原反應(yīng)（2）電氧化-邁克爾加成反應(yīng)可能機(jī)理第三十頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三31有機(jī)電化學(xué)合成反應(yīng)：氧化還原反應(yīng)（3）陽極反應(yīng):Al-3e-Al3+陰極反應(yīng):C6H5Cl+2e-C6H5-+Cl-陰極隨后化學(xué)反應(yīng):C6H5-

+Cl-+CO2C6H5COO-+Cl-總反應(yīng):3C6H5Cl+3CO2+2Al(C6H5COO)3Al+AlCl3酸化電解完成液的反應(yīng):(C6H5COO)3Al+3HCl3C6H5COOH+AlCl3第三十一頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三32有機(jī)電化學(xué)合成反應(yīng)：氧化還原反應(yīng)（4）陽極反應(yīng):Al-3e-Al3+陰極反應(yīng):C6H5CH2Cl+2e-C6H5CH2-+Cl-陰極隨后化學(xué)反應(yīng):C6H5CH2-

+Cl-+CO2C6H5CH2COO-+Cl-總反應(yīng):3C6H5CH2Cl+3CO2+2Al(C6H5CH2COO)3Al+AlCl3酸化電解完成液的反應(yīng):(C6H5CH2COO)3Al+3HCl3C6H5CH2COOH+AlCl3第三十二頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三33有機(jī)電化學(xué)合成反應(yīng)：Wittig反應(yīng)以乙醇為介質(zhì)生成葉立德的間接反應(yīng)體系圖示和反應(yīng)方程式1,4-雙[2-(3,4,5-三甲氧基苯基)乙烯基]苯第三十三頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三34有機(jī)電化學(xué)合成反應(yīng)：碳酸二甲酯合成（1）機(jī)理1:

陽極：2Br-Br2+2eBr2+COCOBr2COBr2+2CH3OHCH3OCOOCH3+2Br-+2H+

陰極：2H++2eH2

總反應(yīng)：CH3OH+CO(CH3O)2CO+H2機(jī)理2:Br-Br·+eCH3OH+Br·CH3O·+HBr2CH3O·+CO(CH3O)2CO第三十四頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三35有機(jī)電化學(xué)合成反應(yīng)：碳酸二甲酯合成（2）催化劑存在下，甲醇電化學(xué)羰基化反應(yīng)機(jī)理：2Br--2eBr2Br2+RO-(ROH)ROBr+Br-+H+ROBr+M(ⅧB族元素）RO—M—BrRO—M—Br+COROCO-M-BrROCOMBr+RO-(ROH)R2CO3+M+Br-2ROH+2e2RO-+H2總反應(yīng)：ROH+COR2CO3+H2第三十五頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三36有機(jī)電化學(xué)合成在工業(yè)上的應(yīng)用（1）電氫化二聚反應(yīng)

2CH2=CH—X+2H++2eX—CH2—CH2—CH2—CH2—XX=—CN、—COOR、—CONR2、—COR等

CYH—CH2XCXH—CH2YCXH—CH2Y2X—CH=CH—Y+2H++2e++CYH—CH2XCXH—CH2YCYH—CH2X

己二腈和己二酸酯的合成

2CH2=CH—CN+2H++2eNC—CH2—CH2—CH2—CH2—CN

2CH2=CH—COOC2H5+2H++2eH5C2OOC—CH2—CH2—CH2—CH2—COOC2H5第三十六頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三37有機(jī)電化學(xué)合成在工業(yè)上的應(yīng)用（2）主反應(yīng)：2CH2=CHCN+H2O

NC(CH2)4CN+1/2O2陰極：2CH2=CHCN+2H++2e

NC(CH2)4CN陽極：H2O

-2e-1/2O2+2H+副反應(yīng)第三十七頁，共四十八頁，編輯于2023年，星期三38有機(jī)電化學(xué)合成在工業(yè)上的應(yīng)用（3）配對(duì)