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第一章绪论
本章主要阐述精细化学品的定义、分类和特点,精细化学品合成发展史和发展趋势,讲授精细有机合成的原料资源及单元反应类型;同时对本课程的性质、讨论范围及学习方法进行简要阐述。使学生对精细有机合成这一学科和本课程将要学习的内容有基本了解,并激发对本课程的学习兴趣。
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●1.1精细化学品的定义、分类和特点
明确本课程的性质,讲授精细化学品的定义和分类,精细化学品及精细化工的特点。
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●1.2精细有机合成化学发展史、现状和趋势
讲授精细化工率的定义,明确精细化工及其产品在国民经济及化学工业中的重要性,讨论精细化工发展趋势。
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●1.3精细有机合成的原料资源和单元反应
讲授精细有机合成的原料资源及单元反应类型,明确本课程学习内容。
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第二章精细有机合成理论与技术基础
本章主要讲授有机反应的基础知识、基本类型及其基本规律,同时对几种有机合成新技术做简要介绍。结合已学《有机化学》理论基础知识,系统回顾掌握有机化合物分子的电子效应和空间效应对单元反应的影响规律;重点回顾芳香族化合物的亲电取代和亲核取代反应,脂肪族化合物的亲核取代,加成反应和消除反应,共计五种典型反应类型的一般原理和规律;阐述精细有机合成过程工艺学基础知识,了解衡量精细化学品技术合成路线和单元反应过程优劣的计算方法;重点阐述溶剂对有机反应的影响规律,掌握精细有机合成过程的溶剂选择原则;讲授精细有机合成新技术新方法,了解实现高效绿色合成的技术需求和措施。
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●2.1精细有机合成反应中的电子效应与空间效应
讲授诱导效应的定义、作用方向和强度,重点阐述动态诱导效应,以及诱导效应对反应方向、反应机理和反应速率的影响规律。讲授共轭效应的定义、分类、作用方向和强度;重点阐述共轭效应对自由基和碳正离子稳定性、有机物酸碱性,以及芳烃亲电取代定位规律等产生的影响;讲授共轭效应与诱导效应的叠加电子效应判断依据。讲授空间效应定义,空间效应对化合物稳定性、酸碱性以及化学反应的影响规律。
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●2.2精细有机合成重要反应类型及其基本原理
讲授芳环上亲电取代反应机理,π配合物与σ配合物的区别;通过对活性中间体稳定性的分析,阐述芳环上取代基的定位效应分析方法,进而理解和掌握芳烃亲电取代定位规则。讲授发生芳环上亲核取代反应的条件;详细阐述芳环上亲核取代反应机理,主要有双分子亲核取代反应、单分子亲核取代反应和苯炔中间体机理。讲授脂肪族亲核取代反应机理,主要有单分子和双分子亲核取代反应机理,并讨论烃基结构、离去基团、亲核试剂、溶剂效应等因素对反应的影响。讲授加成反应的定义,熟悉和掌握烯烃和羰基化合物进行亲电加成的反应机理,以及自由基加成反应机理,特别讨论马尔科夫尼科夫规律(马氏规则)。讲授消除反应E1和E2机理,明确α-消除、 β-消除和γ-消除的区别,讨论扎伊采夫规则和霍夫曼规则及其应用。
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●2.3精细有机合成化学工艺学基础
讲授精细化工工艺学和技术基础概况,侧重讲授精细化学品的合成路线和工艺路线,单元反应的合成工艺条件、合成技术和合成方法。重点讲授化学反应计量学知识,包括反应物的摩尔比,转化率、选择性、收率等的计算,本节内容常用于衡量合成工艺的优劣。
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●2.4精细有机合成中的溶剂效应
讲授精细有机合成中常用溶剂的分类和特点,简要讲授溶剂化作用。讲授溶剂极性、专一性溶剂化作用对有机合成反应速率的影响,重点阐述溶剂的极性对化学反应速率的影响规律。
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●2.5精细有机合成新技术
讲授相转移催化技术的发展史,相转移催化剂分类和特点,以及相转移催化反应机理和实际应用。讲授电解有机合成反应机理,强调化学反应与电化学反应的区别;讲授电解全过程,包括扩散、吸附、脱附、电化学反应、化学反应等步骤。简要讲授微波特性、微波辅助有机合成的机理以及典型的微波辅助合成反应;重点掌握微波促进反应机理。
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第三章卤化反应
本章以反应类型为主线,讲授不同有机物分子引入卤原子的方法、基本原理和应用实例。首先,阐述卤化反应的重要性以及卤化剂的选择;然后,重点详细讲授芳环上氢的取代卤化反应历程及动力学特征,并从芳烃的结构、卤化剂、反应深度、原料纯度等多角度分析该类反应的影响因素;重点讲解酸和碱催化条件下的羰基α-H取代卤化反应机理;芳环侧链α-H的自由基取代卤化机理;最后讲授加成卤化反应和置换卤化反应,特别强调HX对双键的马氏加成规则(亲电加成)和反马氏规则(自由基加成),并特别强调Gatterman、Sandmeyer、Schiemann反应在卤化反应中的应用。
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●3.1卤化反应概述
讲授卤化反应的定义和重要性,常用的卤化试剂及其使用特点。
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●3.2芳环上氢的取代卤化
讲授芳环上氢取代卤化反应的反应历程和反应动力学特征,亲电质点的产生历程和催化剂种类。讲授芳环上氢取代卤化反应的影响因素,主要包括芳烃结构、卤化剂、卤化深度、原料纯度、反应温度、反应溶剂、催化剂等。讲授芳香族溴系阻燃剂、氯苯以及2,6-二氯苯酚的合成实例。
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●3.3芳环侧链α-H的取代卤化
讲授芳环侧链α-H自由基取代卤化反应机理;从被卤化物性质、卤化剂、光源、温度、引发剂、杂质等方面分析各因素对芳环侧链α-H的取代卤化影响。
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●3.4羰基α-H的取代卤化
讲授羰基α-H酸催化和碱催化取代卤化反应机理,明确羰基α位发生一卤取代和多卤取代反应的原因。
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●3.5加成反应
讲授利用加成卤化制取相应卤化物的反应类型,包括亲电加成和自由基加成两种历程。重点讲授卤素与双键、卤化氢与双键的加成卤化反应规律,明确马氏规则和反马氏规则的适用范围。
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●3.6置换反应
讲授用卤原子置换有机分子中其它基团的置换卤化反应,可被卤素置换的有羟基、硝基、磺酸基、重氮基等;重点阐述酸催化的醇羟基卤置换反应机理,氟原子置换氯原子的氟化物制备方法,重氮基卤置换的几种典型反应。
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第四章磺化反应
本章讲授磺化反应的基本原理、工业实施方法及典型应用实例。首先,阐述磺化反应的重要性以及磺化剂的选择;然后,重点讲解芳香族化合物的磺化反应历程及动力学特征;详细讲授芳香族化合物的磺化反应方法及适用范围,包括过量硫酸磺化法、共沸去水磺化法、三氧化硫磺化法、氯磺酸磺化法和置换磺化法(机理为亲核置换,而非亲电取代);并从被磺化物芳烃的结构、磺化剂浓度和用量、反应温度等多角度分析该类反应的影响因素;最后,阐述液相磺化产物的后处理方法。
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●4.1磺化反应概述
讲授磺化反应的定义和重要性。
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●4.2磺化试剂
讲授浓硫酸、发烟硫酸、三氧化硫、氯磺酸、亚硫酸盐等各种不同磺化剂及其使用特点。
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●4.3芳烃磺化反应
讲授芳香族化合物的磺化反应机理和动力学特征,阐述水的生成对磺化反应的不利影响。讲授过量硫酸磺化法、三氧化硫磺化法、氯磺酸磺化法、亚硫酸盐置换磺化法等常见磺化方法的特点及应用。讲授芳香族化合物的磺化反应的影响因素,主要包括芳烃结构、磺化剂浓度和用量、磺基转化副反应、反应温度、催化剂等。
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●4.4磺化产物的分离
讲授利用磺酸或磺酸盐溶解度的不同来分离磺化物的方法,主要有稀释酸析法、直接盐析法、中和盐析法、脱硫酸钙法、萃取分离法。
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第五章硝化反应
本章讲授芳香族化合物的C-硝化反应。首先,阐述硝化反应的重要性,常见的硝化试剂和硝化反应方法;然后,重点讲解芳香族化合物的硝化反应历程及动力学特征(重点阐述混酸硝化动力学特征),并从8个方面分析该类反应的影响因素;重点讲解非均相混酸硝化,分别讲解硝化能力指标(硫酸脱水值和废酸计算含量)、混酸的选择原则和配制方法、混酸组成选择和配制、混酸硝化工艺和设备、混酸硝化产物的分离与后处理方法。
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●5.1硝化反应概述
讲授硝化反应的定义及其在精细有机合成中的作用。讲授常用硝化剂的种类以及相应的硝化方法特点,主要有硝酸,硝酸与各种物质的混合物(比如硝酸和硫酸的混合物、硝酸和酸酐的混合物、有机硝酸酯、硝酸盐和硫酸的混合物等);讨论硝酸硝化法、浓硫酸介质中的硝化、有机溶剂中硝化、乙酐或乙酸中的硝化等硝化方法。
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●5.2硝化反应历程及动力学特征
讲授硝化反应的活泼质点和反应历程,重点讨论非均相混酸硝化反应的动力学特点,理解反应中传质效果和化学反应速度均能影响硝化反应速度。
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●5.3硝化反应影响因素
讲授硝化反应的影响因素,主要包括被硝化物的结构、硝化试剂、反应介质的性质、反应温度、催化剂、相比和硝酸比等,对于非均相硝化,搅拌对于增强传质至关重要。
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●5.4非均相混酸硝化法
讲授混酸硝化能力的两个指标,硫酸脱水值D.V.S.和废酸计算浓度F.N.A.,明确二者的关系。讲授混酸组成选择原则,主要从充分利用原料酸,对设备的腐蚀,以及多硝化副反应等多个角度进行剖析;了解配酸工艺过程和操作注意事项;根据物料衡算准则,学习计算具有某一硝化能力的混酸的组成,以及相应的废酸组成。讲授非均相混酸硝化法的工艺过程及注意事项。讲授非均相混酸硝化产物的分离处理措施,包括三个层次:硝化产物与废酸的分离,主副产物的分离,硝化异构产物的分离。
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第六章还原反应
本章以还原剂为主线,讲授各类还原反应的基本原理和工业应用。首先,阐述还原反应类型和重要性,讲授常见的还原剂和还原反应方法,区分加氢和氢解两种反应类型;然后,详细阐述催化加氢的反应原理,几种常用的工艺方法和加氢催化剂的选择原则;最后,重点讲解化学还原方法,讲授铁粉还原反应历程和影响因素,突出强调分步还原过程,明确指出铁粉还原的应用范围;讲解碱性介质中锌粉还原的反应历程,突出“双分子还原”的概念和典型应用。
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●6.1还原反应概述
讲授还原反应的定义、方法、还原反应类型以及不同基团还原的难易顺序。
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●6.2催化加氢原理、类型和工艺
讲授催化加氢的三种工艺方法的区别和适用范围,非均相和均相催化加氢的反应机理和影响因素,以及有机化合物多官能团选择性催化加氢方法和应用实例。
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●6.3化学还原
讲授电解质溶液中铁粉还原的反应历程、影响因素,了解铁粉还原的特点和应用范围。讲授锌粉还原的活性与体系pH值对应关系,特别讨论碱性条件下锌粉还原的“双分子还原”特征和应用范围。
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第七章重氮化及重氮基的转化反应
本章分别讲授重氮化反应和重氮基的转化反应。首先,讲授重氮化反应的概念、特点和应用,阐述重氮化反应的重要性;然后,重点讲授芳胺重氮化反应历程,详细阐述重氮化方法和影响因素,强调芳胺的碱性对铵盐水解以及动力学浓度的影响规律;最后,重点讲授重氮基的转化反应,包括放出氮的反应和保留氮的反应,强调偶合反应的基本原理、特点和规律;并以分子结构复杂的偶氮染料的制备过程为例,总结回顾已学章节的重要知识。
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●7.1重氮化反应概述
讲授重氮化反应的概念、特点和应用,阐述重氮化反应的重要性。
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●7.2重氮化反应历程及动力学特征
讲授重氮化反应的反应历程和反应动力学。
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●7.3重氮化反应方法
以原料芳胺的碱性强弱为划分依据,分别讲授几种常用的重氮化方法的操作特点及适用范围。
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●7.4重氮化反应影响因素
讲授重氮化反应的影响因素,主要包括芳胺碱性、无机酸性质和浓度等几个方面。
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●7.5重氮基的转化反应—放出氮
讲授重氮基被氢原子、羟基、卤原子和氰基取代的反应,重点讲授被卤基取代的反应,包括Sandmeyer反应、Gattermann反应、Schiemann反应。
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●7.6重氮基的转化反应—保留氮
讲授重氮基转化为肼和偶氮化合物的反应,即还原反应和偶合反应。重点讲解偶合反应的机理、影响因素和具体应用。
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第八章氨解和胺化反应
本章主要讲授氨解反应的基本原理和常见的氨解方法。首先,讲授氨解和胺化反应的定义和重要性,特别指出氨解和胺化的区别,讨论芳胺的制备方法,简要了解常用的氨基化试剂;然后,重点讲解羟基氨解制备胺系化合物的反应历程及适用范围,突出强调醇羟基的氨解、萘酚磺酸的氨解(Bucherer反应机理和规律);最后,讲授芳环上卤基的催化和非催化氨解反应历程和应用条件。并通过实例进行巩固总结,以萘为原料,制备γ-酸,J酸,巩固已学的磺化、碱熔、阶段磺化、磺化产物分离、氨解等知识。
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●8.1氨解和胺化反应概述
讲授氨基化合物的重要性,讨论引入胺基的方法,明确氨解和胺化的区别,并讲授各种氨化试剂的特点和应用范围。
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●8.2羟基的氨解
讲授醇类、环氧化合物、酚类以及亚硫酸盐存在下的氨解反应的特点、实例,重点讨论醇羟基气固相接触催化氨化氢化反应过程的机理。讲授苯酚及其衍生物的氨解,萘酚磺酸的氨解(Bucherer反应机理和规律),引入染料中间体的合成实例。
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●8.3芳环上卤基的氨解
讲授卤基氨解的历程、各种影响因素以及反应实例,重点讨论芳环上卤基的催化和非催化氨解反应历程和应用条件。
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第九章烃化反应
本章主要讲授三类烃化反应(N-烃化、O-烃化和C-烃化)的烷基化试剂、反应特点、反应历程以及反应的影响因素。首先,讲授烃化反应的重要性,特别指出烷基苯、醚和胺类及季铵盐的等重要中间体及精细化学品,可经烃化反应合成;然后,根据已学章节知识,归纳对比醇、醛、酮的N-烃化与氨基化反应(看问题的角度不同而已);重点讲解以卤代烷烃和环氧化合物为烃化剂的O-烃化反应机理以及影响因素;最后,重点讲授芳烃的C-烃化反应机理和影响因素。
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●9.1烃化反应概述
讲授烃化反应的定义、烃化试剂类型和特点。
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●9.2N-烃化反应
讲授以醇、卤代烃、酯、环氧化合物、烯烃、醛酮为烃化剂的N-烃化反应的反应机理、反应特点和应用实例。
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●9.3O-烃化反应
讲授以醇、卤代烃、酯、环氧化合物、不饱和烃为烃化剂的O-烃化反应的反应机理、反应特点和应用实例。
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●9.4芳烃的C-烃化反应
讲授芳烃C-烃化反应的反应机理、反应催化剂的类型以及催化剂的活性区别、适用范围以及反应实例。
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第十章酰化反应
本章主要讲授N-酰化和C-酰化反应的基本原理、合成方法和应用实例。首先,讲授酰化反应的重要性,酰化试剂及其活性;然后,重点阐述N-酰化反应机理、特点、影响因素;最后,重点讲授芳烃的C-酰化反应历程、特点应用,明确几种常见的C-酰化产物合成方法。
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●10.1酰化反应及酰化剂
讲授酰基化反应的类型、酰基化合物的用途,酰化试剂的类型和反应活性。
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●10.2N-酰化反应
讲授N-酰化反应的历程,N-酰化反应影响因素,主要阐述胺的结构和酰化剂的影响规律。
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●10.3C-酰化反应
讲授芳烃的C-酰化亲电取代反应机理,主要阐述酰氯和酸酐两种酰化试剂的酰化机理,讲授F-C酰基化反应的影响因素,主要有酰化剂、被酰化物的结构、催化剂、溶剂等。讲授以碳酸酐为酰化剂,发生C-羧化反应的重要应用,C-甲酰化制备芳醛的反应原理和应用。
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第十一章氧化反应
本章采用类比法,与还原反应进行比较学习,讲授各种氧化反应定义和类型,重点讲授气固相接触催化氧化、空气液相氧化和化学氧化的特点以及影响因素。首先,讲授氧化反应的重要性、常见的氧化剂及其活泼性;然后,重点阐述空气液相氧化反应机理、一般规律和影响因素;突出归纳总结苯酚的五条合成路线,讨论各路线的优缺点;最后,讲授化学氧化及其应用。
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●11.1氧化反应概述
讲授广义、狭义氧化反应的定义,氧化反应的类型及区别,氧化剂的种类。
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●11.2气固相接触催化氧化
讲授气固相接触催化氧化反应催化剂、作用机理及重要应用。
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●11.3空气液相氧化
讲授空气液相氧化反应的自由基反应历程、影响因素、反应特点和典型生产实例。
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●11.4化学氧化
讲授各种常见的化学氧化剂的特点、氧化性能、适用范围和应用实例,并对一些重要的有机化合物的合成方法进行讨论。
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第十二章羟基化反应
本章讲授向有机物分子引入羟基制备醇或酚的方法,主要讨论通过亲核取代反应引入羟基的水解法。首先,介绍羟基化反应的重要性和羟基化方法;然后,重点阐述芳磺酸盐的碱熔反应机理和影响因素,突出举例介绍J酸的合成路线;重点阐述芳环上卤基的水解机理和方法;最后重点讲述重氮盐和芳伯胺的水解反应历程和影响因素。
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●12.1羟基化反应及其方法
讲授常用的羟基化反应方法,明确羟基化反应与水解反应的差异。
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●12.2芳磺酸盐的碱熔反应
讲授芳磺酸盐的碱熔反应的OH-亲核置换反应机理、影响因素、反应特点和生产实例,主要讨论磺酸盐结构、无机盐、反应温度、反应时间、碱的浓度和用量对芳磺酸盐碱熔反应的影响规律。
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●12.3有机化合物的水解
讲授卤化物的水解、重氮盐的水解、芳伯胺的水解和硝基化合物的水解等羟基化方法的反应机理和应用。
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第十三章缩合反应
讲授醛、酮、酸、醇、酯等参与的缩合反应的机理及条件,掌握其在精细有机合成中的应用。
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●13.1缩合反应概述
讲授缩合反应的定义、分类和重要性,缩合反应类型和反应基本原理,回顾羰基α-H酸催化和碱催化烯醇化反应机理。
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●13.2羟醛缩合(Aldol缩合)反应
讲授羟醛缩合反应的定义、分类和用途,讨论分子间、分子内羟醛缩合的一般反应机理,熟悉分子间羟醛缩合典型反应,明确羟醛缩合中α-碳负离子对羰基碳的亲核加成机理。
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●13.3羧酸及其衍生物的缩合
讲授羧酸酯与活泼甲基或亚甲基羰基化合物在碱催化下缩合生成β-酮酸酯和β-二酮化合物的反应,包括酯-酯缩合、酯-酮缩合和酯-腈缩合反应机理和影响因素;讲授生成β-芳基丙烯酸类化合物的Perkin反应,了解α,β-不饱和化合物的Knoevenagel-Doebner反应及生成α,β-环氧羧酸酯的Darzers缩合反应。