X博士化学系列 | 平衡反应
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发布时间：2024-10-23 21:27
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时间：2024-10-27 15:28
大部分有机反应都是平衡反应（可逆反应），如果不采取额外措施，反应的转化率通常较低。因此，我们需要设法使平衡向正反应方向移动。
某些反应会产生水，而水会抑制反应的进一步转化。在这种情况下，可以考虑向体系中加入吸水剂，如4A分子筛、Na2SO4、浓H2SO4等，或者采用Dean-Stark反应（回流分水的方法除水）。常用的Dean-Stark反应溶剂包括：环己烷、甲苯、二甲苯、MeTHF等。
使用回流分水的方法促进反应时，不需要使用无水溶剂和无水试剂。随着反应的进行，体系中的水会被溶剂带走。根据勒沙特列原理，平衡反应中的一种产物（水）被带走，会导致平衡向正反应方向移动。因此，Dean-Stark反应的驱动力非常强，反应可以非常彻底地进行。
除了回流分水的方法外，还可以通过沉淀、产生气体等方式推动平衡反应的移动。以下是一些具体例子：
1、浓硫酸催化酯化反应：浓硫酸催化苯甲酸与甲醇的酯化反应是一个经典的反应。浓硫酸在反应中既有酸催化剂的作用，也有吸水剂的作用。正是由于这两个作用，这类酯化反应通常具有很高的转化率。
2、 Dean-Stark条件1：苯乙酮在TsOH催化下与乙二醇反应生成缩酮，反应会产生水（原料中可能也有水）。水的存在会导致平衡不能移动。如果不使用Dean-Stark条件，反应的转化率很低。使用了Dean-Stark条件之后，原料可以基本定量转化为产物。
3、 Dean-Stark条件2：邻羟基苯甲醛和硝基苯乙烯在哌啶-2-甲酸存在下，以干燥的toluene为溶剂进行反应，收率可以达到81%。然而，原料在冰箱中储存一段时间后再进行反应，转化率就再也无法达到30%以上。经过分析，认为是原料吸水导致无法形成稳定的中间态（亚胺正离子）。鉴于此，我们使用未经干燥的toluene，在Dean-Stark条件下进行反应，原料可以完全转化。
4、 反应过程中产生沉淀：著名的侯德榜制碱法利用NaHCO3在水中溶解度较小（5 g/100 mL）的原理，让NaHCO3从体系中不断析出，促进平衡移动。生成的NaHCO3实际上并没有离开反应体系，只不过它不再参与反应。我们可以从广义上认为产物离开反应体系了。
5、 动态动力学拆分1（沉淀2）：T. Leyssens在2020年发展了一种利用共结晶诱导的去消旋化方法。作者发现R-Bn-FTP在toluene中加DBU（7.5 mol%），加热（90~110 oC）可以发生消旋化反应。S构型的产物可以与S-PBA在toluene中沉淀析出，而R构型则不能析出。基于这个现象，作者设计了一个实验装置：先用消旋的Bn-FTP与S-PBA在toluene中结晶，滤液（R构型占优势）被抽到左侧装置中加热消旋化。消旋化之后重新抽到右侧装置中低温析晶。整个过程连续进行。
6、 动态动力学拆分2（沉淀3）：Xu在2010年发现，在酸性体系中合成16时，16a总是占优势；而在弱碱性条件下，16b占优势。作者筛选溶剂找到在NaHCO3/iPrOH/H2O条件下，16a可以变成16b，16b可以析晶离开反应体系，这样就加速平衡往生成16b的方向移动。最终以76%的收率获得16b。
7、 反应过程中产生气体1：在优化后的Knoevenagel反应中，使用吡啶和哌啶的混合溶剂进行反应：哌啶与苯甲醛反应生成高活性的亚胺正离子，然后与丙二酸反应。产物在吡啶作用下脱除CO2。生成的CO2可以及时离开反应体系，因此可以驱动整个反应往正反应方向移动，所以反应的转化率比较高。
8、 反应过程中产生气体2：VA相关的化合物对热都不稳定。VA醋酸酯是维生素A的最主要的形式。VA棕榈酸酯也以VA醋酸酯为原料进行合成：我们以NaOMe为催化剂，在真空、无溶剂条件下进行反应。
9、 索氏提取：在上述平衡反应中，有利用分水器分水的方法促进平衡移动；也有利用过滤分离固体和液体，让液体参与反应，而固体不参与反应；还有利用产生气体促进平衡移动；这里再提供三种使用索氏提取器促进平衡移动的方式。
10、 平衡反应总结：对于一个平衡反应，如果不打破平衡，则反应速度、转化率都会不理想。所以我们要想办法打破平衡。总的来说就是把反应体系中的某一个产物分离出去。例如用除水剂除水、分水器除水、把产物沉淀出来、让体系产生气体、利用产物沸点较高，让低沸点的原料在索氏提取器中反应等。通过这些方法打破平衡，可以让平衡反应的转化率尽可能高。
