有机合成工艺优化-（6水的影响）检测定量与除水
6.1引言
在开发-一个工艺的时候，化学工作者会遇到水以各种形式出现，可能是作为杂质、有益的添加剂或溶剂。水作为溶剂和辅助溶剂的例子已经在第4章中讨论过。在水合物的结晶中，水的存在也是必要的。本章将讲解水在合成工艺中的--些更为微妙的作用。
提示:往往是当与水相关的问题显露出来才会考虑水对合成工艺的影响。其中关键的问题是: (1)水对反应是不利的还是有利的? (2) 如果水在其中起作用，反应可以容忍多少水或者可靠的反应过程需要多少水?
水可以阻止很多化学工作者要做的反应的发生(图6.1)。有些试剂跟水反应非常迅速同时放出大量的热，如烷基锂试剂遇水分解的反应。其他的反应要慢一些，而且更多地取决于反应条件。例如，在Schotten- Baumann反应中，为了把酰氯的水解降到最低，反应过程中通常把温度控制在0~10°C，pH保持8~10 (图6.2)[1,2]。化学工作者凭经验优化了反应条件，从而把反应试剂的原位水解降到最低。
6.2 水的检测和定量
6.3常规有机工艺中除水的相关事项
在一个反应中，水可以由空气、溶剂、试剂或者副产物引入，还可能作为杂质进人反应体系(表6.2)。因为水在各个反应过程中都可能作为杂质出现，所以要考虑其存在和影响。
II. A通过空气引入水分
20°C下，我们呼吸的空气中的水分含量用相对湿度表示可以达到17g/m3，我们所关注的不是空气中的含水量，而是在反应器、关键中间体以及产物中的水的含量。当操作对水敏感的反应时，能阻止空气中的水分进入反应体系的最简单的方法是在干燥的氮气或氩气气氛下进行该反应。由于氩气比氮气重(表6. 3)，因此在实验室里有时更倾向于使用氩气，而在放大反应中，氮气比氩气更为常用。Aldrich 化学公司已经出版了- -本手册，对如何处理对空气敏感的试剂进行了极其详尽的描述[4]。
III. B通过溶剂引入水分
在某些情况下，溶剂中少量的水分就会改变原来的反应历程。轮烯1在无水DMF中溴代(图6.3)得到目标双溴代产物2;而在1%的水的存在下溴代却以46%的收率得到二酮[35]。但在乙腈中进行吲哚氮原子的甲苯磺酰基化时如果没有1%的水的存在,该反应就不能顺利进行(图6.3);显然少量的水对于溶解KOH是必要的[6]。这些例子说明了监测溶剂含水量的重要性，尤其因久置而吸收了空气中湿气的溶剂。
提示:很多试剂和溶剂是易潮解的，如暴露在空气中的时候，它们就从空气中吸收水分。因为水的存在可能对反应历程有相当大的影响，所以在操作一个苛刻的反应之前，应该谨慎地了解哪些反应组分是容易潮解的，而且要分析出其含水量。
获得干燥溶剂的最简单途径是购买无水溶剂。查阅化学品目录就可以发现做小规模的反应时购买无水溶剂很方便，而购买大量用于放大反应时就比较昂贵了。最经济的方法是通过使水与溶剂形成共沸物来把水除掉，用分子筛除水可能适合与水不形成共沸物的溶剂。反应中还可以用原甲酸酯除水，因为其与水反应生成挥发性的副产物(图6.4)。这种处理方法只有在未反应的原甲酸三甲酯不影响后面的反应时才适用。用Na2SO,或者MgSO、干燥溶剂的效率是很低的，对于介电常数小于15的溶剂来说，在实验室规模，其中的水和其他杂质可以通过Al2O3 (经活化)或者SiO2 (经活化)过滤除去[8]。
IHI. C通过试剂引入水分
水是一些稳定结晶化合物中固有的成分，既有有机物也有无机物。含结晶水的无机化合物有NaOAc●3H2O、 Fe (C2O4) ● 2H2O、Zn (OAc)2 ●2H2O、CaCl2●2H2O、SnCl2●2H2O、K2CO3●1.5H2O,从这些化合物中除去水并防止其再次吸水是不容易。人们发现“无水”(nBu);NF 其实含有1. 6当量的水，而且这些水可能导致不想要的两种叶立德的平衡(图6. 5)[910]。我们必须认识到这些化合物中水的存在，并进一步采取必要的措施来消除水的影响。水的存在并不总是不利的;水可能影响某些体系的活性和使用期，如甲基三氧化铼催化的环氧化反应(图1.5)。
III.D作为 副产物生成的水及其去除方法
III.E从工艺设备中除水
实验室用的小反应仪器可以很容易洗净并在烘箱中烘干。玻璃仪器可以快速地趁热组装起来并在氮气或氩气氛下冷却，这样就能把空气中的湿气排除在外。但是大型的设备就不能轻易地拆开并在烘箱中干燥后再快速地组装起来。因此有必要把设备各个部分中的湿气驱赶出来。对于放大反应的设备，清洗起来就比较费时费力。因为有些内壁面清洗刷是不能进行清洗，通常残留物会溶解到某种溶剂中，因此有必要使这种溶剂在设备中回流，并且保证其能到达全部内表面，然后收集馏出物，尤其重要的是“死角”，就是有液体储存在内但又难于排出的管道(“死角”经常出现在不容易发现的地方，如靠近反应装置顶部的管子。最好的方法是在这些地方插人一根管子或者避免用到装置的这一部分)。通常当装置冷却前就要把溶液排干，也可以先用水冲洗，把水排干;然后用一-种能与水混溶的溶剂冲洗，把该溶剂也排干，最后用少量即将要用于反应的溶剂冲洗，再通过卡尔●费舍尔来测定残留的水量是否达标。当清洗过程中没有用水冲洗的时候，最后可以利用微弱的N2流通过来阻挡空气中的湿气。
