第十二章羟基化课件.ppt

1,第十二章 羟基化,2,第一节 概述,一、羟基化反应及其重要性羟基化是指向有机化合物分子中引入羟基制得醇、酚等物质的反应。羟基化产物在精细化工中具有广泛的用途，主要用于生产合成树脂、各种助剂、染料、农药、表面活性剂、香料和食品添加剂等。另外，通过酚羟基的转化反应还可以制得烷基酚醚、二芳醚、芳伯胺和二芳基仲胺等许多含其他官能团的重要中间体和产物。,3,二、羟基化方法磺化碱熔、水解等。,4,第二节 芳磺酸盐的碱熔,一、碱熔反应及其影响因素1.碱熔反应概述（1）反应机理：属于亲核置换反应（2）举例：例如 2-萘酚钠的合成：,5,芳磺酸盐在高温与熔融的苛性碱溶液作用下，使磺酸基被羟基所置换的反应称为碱熔。生成的酚再用无机酸酸化，即转变成游离酚。,6,2.影响因素（1）磺酸的结构 碱熔反应属于亲核置换反应，因此芳环上含有吸电子基（如磺酸基和羧基）时，对磺酸基的碱熔起活化作用。（2）无机盐的影响 在用熔融碱进行碱熔时，磺酸盐中无机盐含量要求控制在10%（质量分率）以下。,7,（3）碱熔的温度和时间 不活泼芳磺酸的碱熔反应需在较高的温度下（300400）进行，活泼的芳磺酸可在较低的温度（180270）进行，更活泼的萘系多磺酸的碱熔反应可在更低的温度下进行。必须根据具体反应选择适宜的碱熔温度和时间。（4）碱的浓度和用量 磺酸盐碱熔时，磺酸盐与碱熔剂的理论用量比是1：2（物质的量比），但实际上碱必须过量。,8,二、碱熔方法1.用熔融碱的常压碱熔（常压高温碱熔）此法主要用于磺基活泼的情况，也可用于单磺酸或多磺酸中的磺基完全被羟基置换。用这种方法可以制得苯系和萘系许多酚类，重要的有苯酚、间苯二酚、混合甲酚、1-萘酚、2-萘酚等。,9,2.用浓碱液的常压碱熔（常压中温碱熔）萘系的某些多磺酸、氨基和羟基多磺酸可用70 80%苛性钠溶液进行常压碱熔。反应温度是常压下碱液的沸点（180 270）。此法可使萘多磺酸中的一个磺基被羟基置换，而氨基和其他磺基则不受影响。,10,3.用稀碱液的加压碱熔（加压中温碱熔）萘系的多磺酸也可以用稀碱液（20 30）在180 230进行碱熔。因这种反应温度已超过了稀碱液的常压时的沸点，所以碱熔过程需要在压热釜中进行。通过控制反应温度和碱浓度来控制多磺酸中磺基被置换的数目或控制芳环上的氨基是否被水解。,11,三、应用实例1.2-萘酚的制备2-萘酚及其磺酸衍生物是合成染料、有机颜料、农用化学品、医药化学品、香料以及表面活性剂的重要中间体。,12,萘的高温磺化-碱熔法是生产2-萘酚的主要方法。它是在碱熔锅中加入熔融碱，在285320下慢慢加入2-萘磺酸钠湿滤饼（含-盐70%80%），物质的量之比为1:2.3。加料完毕，快速升温到330340，保温30min左右，当碱熔物中的游离碱含量下降到4%以下时为反应终点。碱熔过程的收率可达90%95%。将碱熔物放入热水中，使其完全溶解，然后在6080用酸酸化，静置分层，用热水洗去有机层中的无机盐，经脱水、蒸馏，得到产物2-萘酚。,13,2.2-氨基-5-萘酚-7-磺酸（J酸）的生产J酸也是重要的染料中间体，它是由吐氏酸经磺化、酸性水解和碱熔而制得的。其化学反应过程如下：,14,该法是在碱熔锅中加入45%的碱液和固碱，在190200和0.30.4MPa时，加入氨基J酸钠盐，再在190200保温反应6h，然后进行中和，酸析得J酸。思考：写出分别由氯苯和苯磺酸为原料制备间硝基苯酚的合成方法。,15,第三节 有机化合物的水解,一、卤化物的水解1.脂肪族卤化物的水解碱性脱氯化氢反应的活泼性随-碳原子上氢原子的酸性增强而增加，当分子中存在吸电子取代基时，有利于消除反应的发生。当氯原子和羟基处在相邻位置的氯代醇类化合物与碱作用时，存在取代和消除两种反应的可能性。不过，前者生成二元醇，后者生成-氧化物。,16,由此可见，当氯衍生物与碱作用时，亲核取代与消除反应都有可能发生，何者为主与许多因素有关，如温度、介质、水解剂等，其中对反应选择性起决定作用的是水解剂的选择。进行取代反应要求采用亲核性较强的弱碱(如Na2CO3)作水解剂，进行消除反应时要求采用亲核性较弱的强碱(如NaOH)作水解剂。,17,2.芳香族卤化物的水解（1）氯苯水解制苯酚 碱性高压水解。,18,常压气固相接触催化水解法。此法的缺点是催化剂活性下降快，转化率低。现在氯苯水解法制取苯酚已逐渐被异丙苯氧化-酸解法所取代。,19,（2）多氯苯的水解 二氯苯分子中的氯基虽然稍微活泼一些，但是氯基的水解仍需要相当强的反应条件。而多氯苯分子中的氯基要活泼一些，氯基的水解需要比较强的反应条件。1,2,4,5-四氯苯与氢氧化钠的甲醇溶液在130150、0.11.4MPa反应可以得到2,4,5-三氯苯酚。,20,（3）硝基氯苯的水解 当苯环上氯基的邻位或对位含有硝基时，由于硝基的强吸电子作用的影响，苯环上与氯基相连的碳原子上的电子云密度显著降低，亲核反应活性显著增加，使氯基较易水解。因此只需要用稍过量的氢氧化钠溶液，在较温和的反应条件下进行水解。例如：,21,22,3相转移催化卤化物的水解采用的催化剂是其中含有一个长碳链烷基的季铵盐，以便具有一定的亲油性，在反应过程中，R(CH3)3N+OH-被带入有机相与氯化物发生水解反应，生成的R(CH3)3N+Cl-回到水相，与水相中的OH-进行离子交换又得到R(CH3)3N+OH-，加入相转移催化剂可以使水解反应加速。,23,向反应体系中加入表面活性剂，由于可产生乳化作用，降低扩散阻力，也可加速反应，例如当进行2，4-二硝基氯苯的水解时，如加入含1218个碳原子的N-烷基吡啶氯化物阳离子表面活性剂，可使水解反应加速。,24,二、重氮盐的水解,25,重氮盐在酸性条件下水解可制得酚。此法对某些不易制得的酚具有重要的制备意义。如：间氯苯酚的合成：,26,重氮盐是很活泼的化合物，水解时会发生各种副反应。为了避免这些副反应，总是将冷的重氮硫酸盐溶液慢慢加到热的或沸腾的稀硫酸中，使重氮盐在反应液中的浓度始终很低。水解生成的酚最好随同水蒸气一起蒸出。重氮盐的水解不宜用盐酸和重氮盐酸盐，因氯原子的存在会导致重氮基被氯原子取代。,27,28,三、芳伯胺的水解1.酸性水解酸性水解反应是在稀硫酸中、在高温和压力下进行的。此法的优点是工艺过程简单。缺点是要用搪铅的压热釜，设备腐蚀严重，生产能力低、酸性废水处理量大。酸性水解主要用于从1-萘胺水解制1-萘酚。,29,2.碱性水解在磺酸基碱熔时，如果提高碱熔温度，可以使萘环上位的磺酸基和位的氨基同时被羟基所置换。此法只用于变色酸（1,8-二羟基萘-3,6-二磺酸）的制备。反应式如下：,30,3.在亚硫酸氢钠溶液中水解在工业上，此法用于由1-氨基-4-萘磺酸制备1-羟基-4-萘磺酸（NW酸）。但是，在1-位氨基的邻位、间位和对位有磺酸基时，对布赫勒反应有阻碍作用，限制了此法的应用范围。,31,四、硝基化合物的水解,32,五、应用实例12,4-二硝基苯酚的生产2,4-二硝基苯酚为浅黄色结晶，它主要用于硫化染料、苦味酸和显像剂的生产。其合成反应式如下：,33,首先将氯苯加入到硝化锅中，然后逐渐加入混酸，加料温度控制在55左右。混酸加完后，升温至80维持半小时，静置半小时后分离出废酸，一硝基氯苯留在锅内。在一硝基氯苯中在加入混酸，反应温度控制在65，混酸加毕，升温至100维持1小时。静置半小时后分离出废酸,用热水洗至不呈酸性。然后加入10%的氢氧化钠水溶液，在90100下，常压碱熔，冷却后过滤析出钠盐。用盐酸酸化钠盐至溶液pH=1，即可得2,4-二硝基苯酚黄色结晶状产品。,34,22,3-二甲基苯酚的生产2,3-二甲基苯酚为白色针状结晶，溶于醇和醚等溶剂。主要用于有机合成。工业上通过重氮盐水解法制得，其合成过程如下：,35,先将2,3-二甲基苯胺和硫酸的混合物冷却至05，逐渐加入亚硝酸钠溶液进行重氮化反应。然后将重氮盐缓缓加入到已预热至160的稀硫酸中进行水解反应，生成的2,3-二甲基苯酚用水蒸汽蒸馏，所得的粗品用苯重结晶，即可得到产品。,36,第四节 其它羟基化反应,一、烃类的氧化-酸解制酚1异丙苯氧化-酸解制苯酚用异丙苯法合成苯酚是当前世界各国生产苯酚最重要的路线，它以苯和丙烯为原料，在催化剂存在下首先烷化得到异丙苯，而后用空气氧化得到异丙苯过氧化氢，最后经酸性分解得到苯酚和丙酮，每生产1吨苯酚，将联产0.6吨丙酮。因此这条路线的发展规模与经济效益，与丙酮的销路和价格密切相关。此法的优点是原料易得，不需要消耗大量的酸碱，而且三废少，能连续操作，生产能力大，成本低。其基本反应过程如下：,37,当异丙苯氧化时，开始只生成异丙苯过氧化氢，在许多因素的影响下，如温度、氧化深度、原料异丙苯的纯度、催化剂的用量、反应器壁的材料等，在氧化过程中能进一步生成许多氧化副产物。例如：,38,异丙苯过氧化是制取苯酚和丙酮过程中的必要过程，获得最大的过氧化氢收率和尽量减少副产物生成，在整个生产过程中起十分重要的作用。由于酸性分解是放热反应，如果温度过高，异丙苯过氧化氢会按其他方式分解，产生副产物。甚至会发生爆炸事故。因此必须小心控制酸解温度，一般控制在60100。异丙苯过氧化氢酸性分解可以使用各种不同的酸，如硫酸、磷酸、对甲苯磺酸等。如果用硫酸作催化剂时，以80%异丙苯过氧化氢氧化液在86左右进行酸分解反应最好，可利用丙酮的沸腾回流来控制反应温度。酸解液中约含苯酚30%35%，丙酮44%，异丙苯8%9%，甲基苯乙烯3%4%，苯乙酮2%。可以用适当的碱或离子交换树脂中和此溶液，加入适量水以利于除去无机盐，然后通过分离水洗或通过蒸馏获得产物。,39,2间甲酚的合成甲酚有三种异构体，其中间甲酚是制备农药的重要中间体。甲苯异丙基化时主要生成异丙基甲苯，一般不经分离直接进行氧化酸解。因此涉及到混合甲酚的分离，其总的工艺流程比异丙苯法制备苯酚复杂的多。其反应式可表示如下：,40,41,异丙基甲苯分子中有异丙基和甲基两个烷基，氧化时生成两种过氧化氢物。叔过氧化氢物酸性分解生成甲酚和丙酮，二伯过氧化氢物酸性分解则生成异丙基苯酚甲醛和树脂物。因此混合甲酚的收率比苯酚低。制得的混合物中约含有2/3的间甲酚和1/3的对甲酚。两者的性质极其接近，不能用通常的方法分离。目前采用异丁烯烷化法分离，反应式如下。,42,43,通过上述反应，可分别生成4,6-二叔丁基间甲酚和2,6-二叔丁基对甲酚，二者的沸点相差很大，可以通过精馏分离。分出的4,6-二叔丁基间甲酚在催化剂硫酸作用下，脱去叔丁基即可得到间甲酚，而副产2,6-二叔丁基对甲酚进一步精制得抗氧剂BHT（二叔丁基对甲苯酚）。近来又出现了尿素络合物分离法。在甲苯中在10尿素与间甲酚形成络合物结晶，可用过滤法分离。将此络合物在甲苯中加热至8090，便分解为间甲酚和尿素。此法工艺简单、原料易得、产品纯度可达98%以上，适于中小型企业生产。,44,二、芳羧酸的氧化-脱羧制酚反应过程如下：（1）甲苯的氧化,45,（2）苯甲酸铜的热分解,46,（3）苯甲酸亚铜再生为苯甲酸铜,47,（4）苯甲酰基水杨酸水解生成水杨酸,48,（5）水杨酸脱羧生成苯酚,49,从总的反应式可以看到，这是一个均相催化反应，在反应过程中铜盐并不消耗，向铜盐中加入镁盐可起助催化剂的作用，由于反应温度高于苯酚沸点，生成的苯酚可随水蒸气一起蒸出，将混合汽送入分馏塔，向塔中加入甲苯，利用共沸蒸馏去水，而后蒸出产物苯酚。积聚在氧化器中的焦油送往萃取器中，用水进行萃取，萃取得到的含苯甲酸及铜盐和镁盐的水溶液循环使用，不溶性的焦油则作为废料移出，在氧化器中加入一些抗氧剂可以减少焦油的生成。,50,上述方法也可用来由苯甲酸的衍生物合成酚类的衍生物，这时羟基总是进入到羧酸的邻位，例如，由对甲基苯甲酸和邻甲基苯甲酸为原料，所得到的产品都是间甲酚。,51,