烷基化反应的简介.ppt
第七章 烷基化,第一节 概述一、烷基化反应的简介 二、烷基化反应的类型,一、烷基化反应的简介,1研究作用：,可以合成塑料、医药、溶剂、合成洗涤剂、药物、染料、香料、催化剂、表面活性剂等功能性产品。如通过C烷基化反应可制得阴离子表面活性剂；通过O烷基化可制得聚乙二醇型非离子表面活性剂；通过N烷基化合成的季铵盐是重要的阳离子表面活性剂、相转移催化剂、杀菌剂等。,3可发生烷基化反应的有机物：,芳烃、活泼亚甲基化合物、胺类等。,4烷基化试剂种类：,醇、烯烃、硫酸二甲酯、卤代烷、环氧化物、醛、酮等。,2定义：,烷基化反应是指向有机化合物分子中的碳、氮，氧等原子上引入烃基增长碳链（包括烷基、烯基、炔基、芳基等）的反应，其中以引入烷基最为重要。,二、烷基化反应的类型,1C烷基化反应：,如烷基苯的制备反应：,2O烷基化反应：,如非离子表活剂壬基酚聚氧乙烯醚的制备反应：,3N烷基化反应：,如染料中间体N,N二甲基苯胺的制备反应：,第二节 烷基化反应的基本原理,一、芳环上的C烷基化反应 二、O 烷基化反应 三、N烷基化反应,一、芳环上的C烷基化反应,芳环上的C烷基化是在催化剂作用下直接向芳环碳原子上引入烷基的反应，也称为FriedelCartfts反应，简称付氏烷基化反应。利用这类烷基化反应可以增长碳链，合成一系列烷基取代芳烃如十二烷基苯等塑料、医药及合成洗涤剂的原料。,1 C烷基化反应历程 2烷基化试剂 3催化剂 4.芳环上C烷化反应特点 5C烷基化方法,1C烷基化反应历程,催化剂路易大多是斯酸、质子酸或酸性氧化物，催化剂的作用是使烷基化剂转变成活泼的亲电质点 碳正离子。烷基正离子进攻芳环发生亲电取代反应。,用醇烷基化时，当以质子酸作催化剂，醇和氢质子首先结合成质子化醇，然后再离解成烷基正离子和水。,用卤代烷烷基化反应时，Lewis催化剂使卤烷极化，形成碳正离子（有可能发生重排）。,用烯烃烷基化反应时，催化剂使烯烃分子生成活泼亲电质点碳正离子。,1C烷基化反应历程,复习有机化学相关内容。1.将下列碳正离子的稳定性进行排序：,2.完成下列反应方程式：,1C烷基化反应历程,3.判断下列A、B、C、D反应速度的快慢:,结论：C B A D,2烷基化试剂,主要有卤烷、烯烃和醇类，以及醛、酮类。,（1）卤烷：,卤烷（RX）是常用的活性较强的烷化剂。,不能用卤代芳烃（氯苯或溴苯）来代替卤烷作烷基化试剂实验。,原因：,连在芳环上的卤素受到共轭效应的稳定作用，其反应活性较低，不能进行烷基化反应。,（2）烯烃：,烯烃是另一类常用的活性较强的烷基化剂。,（3）醇、醛和酮：,它们都是较弱的烷化剂。醛、酮用于合成二芳基或三芳基甲烷衍生物。,醇类和卤烷烷化剂除活性上有差别外，均特别适合于小吨位的精细化学品，在引入较复杂的烷基时使用。,3催化剂,（1）路易斯酸,主要是金属卤化物，其中常用的是AlCl3。催化活性如下：,AlCl3 FeCl3SbCl5 SnCl4 BF3 TiCl4 ZnCl2,采用无水三氯化铝作催化剂的优点是价廉易得，催化活性好。缺点是有大量铝盐废液生成，有时由于副反应而不适于活泼芳烃（如：酚、胺类）的烷基化反应。,（2）质子酸,其中主要是氢氟酸、硫酸和磷酸，催化活性次序如下：,HF H2SO4 P2O5 H3PO4、阳离子交换树脂,以烯烃、醇、醛、和酮为烷化剂时，广泛应用硫酸作催化剂。,4.芳环上C烷化反应特点,（1）C烷基化属连串反应,由于烷基是供电子基团，芳环上引入烷基后因电子云密度增加而比原先芳烃反应物更加活泼，有利于进一步与烷化剂反应生成二取代烷基芳烃，甚至生成多烷基芳烃。,但随着烷基数目增多，空间效应会阻止进一步引入烷基，使反应速度减慢。因此烷基苯的继续烷基化反应速度的改变需视两种效应的强弱而定，且与所用催化剂有关。,（2）C烷基化属可逆反应,烷基苯在强酸催化剂存在下能发生烷基的歧化和转移，即苯环上的烷基可以从一个苯环上转移到另一个苯环上，或从一个位置转移到另一个位置上，如：,因此在制备单烷基苯时，可利用这一特性使副产物多烷基减少，并增加单烷苯总收率。,4.芳环上C烷化反应特点,（3）烷基正离子能发生重排,这与反应机理密切相关。,C烷基化中的亲电质点烷基碳正离子会重排成较稳定的碳正离子。如用正丙基氯在无水三氯化铝作催化剂与苯反应时，得到的正丙苯只有30%，而异丙苯却高达70%。,原因：,反应过程中生成的,会发生重排形成更加稳定的,当用碳链更长的卤烷或烯烃与苯进行烷基化时，则烷基正离子的重排现象更加突出，产物中支链烷基苯占优势。,由该仲碳正离子进攻苯环的大电子云发生反应。,所以，利用付氏烷基化反应不能得到长、直碳链的烷基苯。,5C烷基化方法,（1）烯烃烷化法,（2）卤烷烷化法,因反应系统中有氯化氢和微量水存在，其腐蚀性极强，所流经的管道和设备均应作防腐处理，一般采用搪瓷、搪玻璃或其他耐腐材料衬里。为防止氯化氢气体外逸，相关设备可在微负压条件下进行操作。,（3）醇、醛和酮烷化法,它们均是反应能力相对较弱的烷化剂，仅适用于活泼芳烃的C烷基化，如苯、萘、酚和芳胺等。,二、O-烷基化反应,醇羟基或酚羟基中的氢被烷基所取代生成醚类化合物的反应，称为O烷基化反应。,常用的O烷基化剂：,卤烷、酯及环氧乙烷等,被烷基化物：醇、酚,反应机理：,属亲电取代反应,O烷基化反应分类：,1用卤烷的O烷基化,此类反应容易进行，一般只要将酚先溶解于稍过量的苛性钠水溶液中，使它形成酚钠盐，然后在适中的温度下加入适量卤烷，即可得良好收率的产物。如：,2用酯的O烷基化,硫酸酯及磺酸酯均是活性较高的良好烷化剂。它们的共同优点是高沸点，因而可在高温、常压下进行反应，缺点是价格较高且毒性较大。但对于产量小、价值高的产品，常采用此类烷基化剂。特别是硫酸二甲酯应用最为广泛。,3用环氧乙烷O烷基化,醇或酚用环氧乙烷的O烷基化是在醇羟基或酚羟基的氧原子上引入羟乙基。,高级脂肪醇或烷基酚与环氧乙烷加成可生聚醚类产物，它们均是重要的非离子表面活性剂，反应一般用碱催化。,用十二醇为原料，通过控制环氧乙烷的用量以控制聚合度为2022的聚醚生成。产品是一种优良的非离子表面活性剂，商品名为乳化剂O或匀染剂O。,将辛基酚与其质量分数为1%的氢氧化钠水溶液混合，真空脱水，氮气置换，于160180通入环氧乙烷，经中和漂白，得到聚醚产品，其商品名为OP型乳化剂。,小结,1.烷基化反应按照引入位置分：,3.C和O烷基化反应机理分：,2.烷基化试剂的种类：,4.付氏烷基化反应的特点：,5.付氏烷基化反应催化剂的种类：,C、N和O烷基化反应,卤代烷、烯烃、醇、硫酸二甲酯、环氧乙烷、醛以及酮等,亲电取代以及亲电加成型,连串反应、可逆反应以及生成带支链的烷基产物,（1）路易斯酸（2）质子酸,第二节 烷基化反应的基本原理,一、芳环上的C烷基化反应 二、O 烷基化反应 三、N烷基化反应,三、N烷基化反应（简介）,氨、脂肪胺或芳胺中氨基上的氢原子被烷基取代，或通过直接加成而在上述化合物分子中的N原子上引入烷基的反应均称为N烷基化反应。,是制备各种脂肪族和芳香族伯、仲、叔胺的主要方法。反应通式如下：,N烷基化产物是制造医药、表面活性剂及纺织印染助剂时的重要中间体。氨基是合成染料分子中重要的助色基团，烷基的引入可加深染料颜色，故N烷基化反应在染料工业有着极为重要的意义。,三、N烷基化反应,1N烷化剂 2N烷化反应类型 3N烷基化方法,1N烷化剂,按活性依次排序,2N烷化反应类型,依据所使用的烷化剂种类不同，可分为如下三种类型：,（1）亲电取代型：,所用N烷化剂为醇、醚、卤烷、酯类。,（2）亲电加成型：,聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂,2N烷化反应类型,（3）缩合还原型：,所用N烷化剂为醛和酮类。,例如：防老剂4010NA的合成,其反应可看作是胺对烷化剂的亲核加成、再消除、最后还原。,3N烷基化方法,（1）用醇和醚作烷化剂的N烷基化法,用醇和醚作烷化剂时，其烷化能力较弱，所以反应需在较强烈的条件下才能进行。,（2）用卤烷作烷化剂的N烷基化法,卤烷作N烷化剂时，反应活性较醇要强。当需要引入长碳链的烷基时，由于醇类的反应活性随碳链的增长而减弱，此时则需使用卤烷作为烷化剂。,（3）用酯作烷化剂的N烷基化法,硫酸中性酯易给出其所含的第一个烷基，而给出第二烷基则较困难。常用的是硫酸二甲酯，但其毒性极大，使用时应格外小心。,3N烷基化方法,（4）用环氧乙烷作烷化剂的N烷基化法,环氧乙烷是一种活性很强的烷基化剂，与胺类发生加成反应得到含羟乙基的产物，可以用于非离子表面活性剂的合成。,环氧乙烷沸点较低（10.7），其蒸气与空气的爆炸极限很宽（空气398%），所以在通环氧乙烷前，务必用惰性气体置换反应器内的空气，以确保生产安全。,（5）用烯烃衍生物作烷化剂的N烷基化法,常用的烯烃衍生物为丙烯腈和丙烯酸酯，其产物均为生产染料、表面活性剂和医药的重要中间体。,（6）用醛或酮作烷化剂的N烷基化法,在缩合还原型N烷基化中应用最多的是甲醛水溶液，此法合成的含有长碳链的脂肪族叔胺是表面活性剂、纺织助剂等的重要中间体。,小结,1.N-烷基化反应的烷基化试剂为：,2.N-烷基化反应的机理为：,亲电取代、亲电加成以及缩合还原型,卤代烷、烯烃、醇、硫酸二甲酯、环氧乙烷、醛以及酮等,3.能发生亲电取代反应的烷基化试剂为：,卤代烷、醇以及硫酸二甲酯,4.能发生亲电加成反应的烷基化试剂为：,烯烃和环氧乙烷,5.能发生缩合还原反应的烷基化试剂为：,醛和酮,6.能同时发生C、N、O-烷基化反应时，优先发生N、O-烷基化，再发生C-烷基化反应。,第三节 相转移烷基化反应,相转移催化烷基化技术有以下优点：,既可克服溶剂化反应，不需要无水操作，又可取得如同采用非质子极性溶剂的效果；通常后处理较为简便、容易；可用金属氢氧化物水溶液代替醇钠、氨基钠、氢化钠或金属钠，这在工业生产上是非常有利的；可降低反应温度，改变反应选择性，通过抑制剂反应来提高收率。,一、相转移催化C烷基化,二、相转移催化O烷基化,三、相转移催化N烷基化,相转移催化剂一般为翁盐类、冠醚类和聚乙二醇类化合物。如：四丁基溴化铵、十八冠醚-六以及聚乙二醇。,相转移催化剂是利用催化剂将反应物从一相转移到另一相中，然后发生反应。,一、相转移催化C烷基化,碳负离子的烷基化，由于其在合成中的重要性，是相转移催化反应中研究最早和最多的反应之一。例如，乙腈在季铵盐催化下进行烷基化反应：,二、相转移催化O烷基化,在碱性溶液中正丁醇用氯化苄O烷基化，相转移催化剂的使用与否，反应收率相差很大。,三、相转移催化N烷基化,吲哚和溴苄在季铵盐的催化下，可高收率得到N苄基化产物。此反应在无相转移催化剂时将无法进行。,第四节 应用实例,异丙苯的生产：,1AlCl3法 2固体磷酸法,AlCl3法生产异丙苯,1.生产原理：苯和丙烯的烷基化反应如下：,2.生产过程：,首先在釜1中配制催化络合物，该反应器为带加热夹套和搅拌器的间歇反应釜。先加入多烷基苯（PAB）或其和苯的混合物及AlCl3，后者与芳烃的摩尔比为1:2.53.0,然后在加热和搅拌下加入氯丙烷，制备好的催化络合物周期性地注入烷化塔2。烷基化反应是连续操作，丙烯、经共沸除水干燥的苯、多烷基苯及热分离器下部分出的催化剂络合物由烷化塔2底部加入，塔顶蒸出的苯被换热器3冷凝后回到烷化塔，未冷凝的气体经PAB吸收塔8回收未冷凝的苯，在水吸收塔9捕集HCl后排放。烷化塔上部溢流的烷化物经热分离器4分出大部分催化络合物。热分离器排出的烷化物含有苯、异丙苯和多异丙苯，同时还含有少量其他苯的同系物。烷化物的质量组成为：苯45%55%、异丙苯35%40%、二异丙苯8%12%，副产物（包括其它烷基苯及焦油）占3%。烷化物进一步被冷却后，在冷分离器5中分出残余的催化络合物，再经水洗塔6和碱洗塔7，除去烷化物中溶解的HCl和微量AlCl3，然后进行多塔蒸馏分离。异丙苯收率可达94%95%，每吨异丙苯约消耗10kgAlCl3。,异丙苯的生产,3.工艺流程简图,小结,1.烷基化反应的分类：,2.烷基化反应的机理:,3.烷基化反应影响因素:,4.烷基化催化剂种类:,5.烷基化试剂种类:,6.烷基化方法:,
