精细有机合成05第五章卤化.ppt

1,第五章 卤化 第一节 概述,一、卤化反应及其重要性 1.卤化反应目的 2.卤化反应定义二、卤化类型及卤化剂 1.卤化反应类型 2.常用的卤化剂,2,1.卤化反应目的,（1）通过卤化反应制备的许多有机卤化物本身就是重要的中间体，可以用来合成染料、农药、香料、医药等精细化学品。如：农药2，6-二氯苯腈的合成。,（2）通过卤化物的转化可制备含有其它取代基的衍生物，如：利用引入卤素置换成羟基、氨基、烷氧基等。,（3）向某些精细化学品中引入一个或多个卤原子，可以改进其性能。如：向某些有机化合物分子中引入多个卤原子，可以增强有机物的阻燃性。,3,1.卤化反应目的,4,2.卤化反应定义,向有机化合物分子中引入卤原子（X）生成CX键的反应称为卤化反应。按卤原子的不同，可以分成氟化、氯化、溴化和碘化。卤化是精细化学品合成中重要反应之一。,5,1.卤化反应类型：,根据卤化反应的机理可分为：,（1）卤取代 如,（2）卤加成 如,（3）卤置换 如,6,2.常用的卤化剂：,（1）卤素（Cl2、Br2、I2）,（2）氢卤酸（HCl、HBr等）,（3）次卤酸（HOCl、HOBr）,（4）金属和非金属卤化物（SO2Cl2、ICl等）,7,2.常用的卤化剂：,氯气来源丰富、成本低，适用于加成氯化、芳环的亲电氯化和芳环侧链的自由基氯化。但氯化副产的氯化氢价值低，运输不易，只能用于制盐酸或联产其它需消耗氯化氢的产品。,8,2.常用的卤化剂：,9,2.常用的卤化剂：,10,2.常用的卤化剂：,宁连高速公路有毒化学品泄漏,认识溴素:,11,第二节 取代卤化,根据反应机理不同可分为：,一、芳环上的氢被卤素取代（离子型亲电取代）,二、饱和烷烃的氢及芳烃侧链活泼苄位氢被卤素取代（自由基型取代）,12,一、芳环上的氢被卤素取代,反应通式为：ArHX2 ArXHX。如：苯在铁作催化剂时通氯气反应生成氯苯的反应。发生反应的条件为：有催化剂存在下。此时卤素易产生X+。常用的催化剂为：三氯化铝，三氯化铁，三溴化铁，四氯化锡，氯化锌等Lewis（路易斯）酸。,1反应历程,2.反应动力学特征：芳环上的取代氯化是一个典型的连串反应，即先得 到的卤代产物可以继续发生取代卤化反应，生成卤化程度较高的产物。,13,一、芳环上的氢被卤素取代,3.影响因素及反应条件的选择：,（1）被卤化芳烃的结构,（2）卤化剂,（3）反应介质,（4）反应温度,14,（1）被卤化芳烃的结构,芳环上具有给电子基团时，有利于形成络合物，卤化容易进行，主要形成邻对位异构体，但常出现多卤代现象；芳环上有吸电子基团时，因其降低了芳环上电子云密度而使卤化反应较难进行，需要加入催化剂并在较高温度下反应。,例：完成下列反应并预测两组反应速度的快慢,15,（2）卤化剂,卤化剂往往会影响反应的速度、卤原子取代的位置、数目及异构体的比例等。,例如：,一般不采用卤取代的方法得到氟化物和碘化物。理由列举如下：,对于芳烃环上的氟化反应，直接用氟与芳烃作用制取氟代芳烃，因反应十分激烈需在氦气或氮气稀释下于78进行，故无实用意义。若用碘作卤化试剂进行碘化反应，因反应生成的碘化氢有还原性，可使碘代芳烃还原。所以必须设法不断除去反应生成的碘化氢，除去碘化氢的方法有：加氧化剂（如硝酸、过碘酸、过氧化氢等）；加碱（如氨水、氢氧化钠、碳酸氢钠等）；加入能与碘化氢形成难溶于水的碘化物的金属氧化物（如氧化汞，氧化镁等）。有时也可采用强碘化剂进行芳烃的碘化，也可获得较好的效果。,NBS：N溴化丁二酰亚胺,溴资源比氯少，价格也比较高。为回收副产物溴化氢，常在反应中加入氧化剂（如次氯酸钠、氯酸钠、氯气、双氧水等），使生成的溴化氢氧化成溴素而得到充分利用。,16,（3）反应介质,若被卤化物在反应温度下呈液态，则不需要介质而直接进行卤化，如苯、甲苯、硝基苯的卤化；,若被卤化物在反应温度下为固态，则可根据反应物的性质和反应的难易，选择适当的溶剂。,17,（4）反应温度,一般反应温度越高，反应速度越快。,但实际上卤化温度的确定，要考虑到被卤化物的性质和卤化反应的难易程度，工业生产上还需考虑主产物的产率及装置的生产能力。,18,二、饱和烷烃的活泼氢及芳烃侧链活泼苄位氢被卤素取代,1.举例：发生反应的条件为：光照、高温或引发剂存在下，此时卤素易产生自由基。,完成下列反应方程式：,19,二、饱和烷烃的活泼氢及芳烃侧链活泼苄位氢被卤素取代,2脂肪烃及芳烃侧链取代卤化的反应特点,(1)反应是典型的自由基反应 其历程包括链引发、链增长和链终止三个阶段,例如甲烷的氯化：引发：增长：X+CH4 HX+CH3 H3C+X2 CH3X+X 终止：X+XX2 X+H3C CH3X 反应一经引发，便迅速进行。,(2)反应具有连串反应特征,烷烃氯化时，在生成一氯代烷的同时，氯自由基可与一氯代烷继续反应，生成二氯代烷，进而生成在地三氯、四氯及至多氯代烷。,(4)反应的热力学特征,发生取代卤化时，氟化是高度放热反应，氯化是较高放热反应，溴化是中等放热反应，而碘化则是吸热反应。,（3）反应产物为混合物,20,二、饱和烷烃的氢及芳烃侧链活泼苄位氢被卤素取代,3.影响因素及反应条件的选择,(1)引发条件及温度,烃类化合物的取代卤化反应发生的快慢主要取决于引发游离基的条件。光照引发和热引发是经常采用的两种方法。光照引发以紫外光照射最为有利。提高反应温度有利于取代反应。,(2)催化剂及杂质,当反应体系中有铁、氧气和水等质存在时，芳环上的氢易被卤化。,(3)被卤化物的活性,ArCH2HCH2=CHCH2H叔CH仲CH伯CHCH2=CHH,(4)卤化剂,其反应活性顺序为：F2Cl2Br2I2,21,三、应用实例：氯苯的生产,1.氯苯的作用,是制备农药医药、染料、助剂及其他有机合成产品的重要中间体，也可以直接作溶剂。,2.氯苯的生产路线：,3.氯苯的沸腾氯化流程,沸腾氯化法,22,氯苯的沸腾氯化流程及沸腾氯化器的构造,23,第五章 卤化 第三节 加成卤化,一、烯烃与卤化剂的加成卤化,（一）烯烃与卤素的加成卤化（二）烯烃与卤化氢的加成卤化（三）烯烃与次卤酸加成卤化（四）烯烃与N卤代酰胺加成卤化（五）烯烃与卤代烷加成卤化,二、炔烃与卤化剂的加成卤化,（一）炔烃与卤素的加成卤化（二）炔烃与卤化氢的加成卤化,三、应用实例,五氯乙烷的生产,24,（一）烯烃与卤素的加成卤化,1烯烃与卤素的亲电加成卤化,2烯烃与卤素的自由基加成卤化,一、烯烃与卤化剂的加成卤化,25,1烯烃与卤素的亲电加成卤化,（1）反应历程,属亲电加成反应。卤素对双键的加成反应，一般经过两步，首先卤素向双键作亲电进攻，形成过渡态络合物，然后在催化剂（FeCl3）作用下，生成卤代烃。,催化剂的作用是加速络合物转化成络合物，并且促使Cl2与FeCl3形成ClCl:FeCl3络合物，有利于亲电进攻。,（2）影响因素,有催化剂存在时发生亲电加成反应。如乙烯和氯气在三氯化铝催化下反应生成1，2-二氯乙烷。,26,2烯烃与卤素的自由基加成卤化,卤素在光、热或引发剂（如有机过氧化物、偶氮二异丁腈等）存在下，可与不饱和烃发生自由基加成反应。,其反应历程按自由基机理进行，分链引发、链传递和链终止三步。,例如：,27,（二）烯烃与卤化氢的加成卤化,1烯烃与卤化氢的亲电加成卤化,2.烯烃与卤化氢的游离基加成卤化,28,1烯烃与卤化氢的亲电加成卤化,（1）反应历程,首先是质子对烯烃分子进行亲电进攻，形成一个碳正离子中间体，然后卤负离子与之结合，形成加成产物。,如乙烯与氯化氢在氯仿作溶剂时反应生成氯乙烷。,29,1烯烃与卤化氢的亲电加成卤化,定位符合马尔科夫尼柯夫规则，即氢原子加在双键中含氢较多的碳原子上。,但是，当烯烃上带有强吸电子取代基时，不对称烯烃与卤化氢的加成与马尔科夫尼柯夫规则相反。例如：,（2）定位规律,30,2.卤化氢的游离基加成卤化,在光和引发剂作用下，溴化氢和烯烃的加成属于游离基加成反应。其定位一般为反马尔科夫尼柯夫规则。,31,（三）烯烃与次卤酸加成卤化,次卤酸与烯烃的加成属于亲电加成，定位规律符合马氏规则。,氯乙醇,例如：,思考：,32,（四）烯烃与N卤代酰胺加成卤化,常用的N卤代酰胺有N溴（氯）代乙酰胺NBA（NCA）和N溴（氯）代丁二酰亚胺NBS（NCS）等。,反应特点为：,该法具有高度的立体选择性，产率高，纯度好，且反应温和，操作方便，不会有二溴化物产生。此外，该卤化剂能溶于有机溶剂，故可与不溶于水的烯烃在有机介质中进行有效的均相反应，得到相应的卤醇及其衍生物。,33,（五）烯烃与卤代烷加成卤化,34,（一）炔烃与卤素的加成卤化,和烯烃相比，炔烃与卤素的加成较难进行。,当分子中兼有双键和叁键时，首先在双键上发生卤素的加成，这种加成也叫作选择性加成反应。如：,二、炔烃与卤化剂的加成卤化,35,（二）炔烃与卤化氢的加成卤化,炔烃和卤化氢加成与烯烃规律类似，但不如烯烃那样容易进行。,不对称炔烃的亲电加成产物取向符合马氏规则；在光和过氧化物存在下，不对称炔烃与溴化氢的加成也是自由基加成反应，得到的是反马氏规则的产物。,36,三、应用实例五氯乙烷的生产,五氯乙烷是一种无色液体，能与醇、醚混溶，不溶于水。具有氯仿气味。它是良好的极性溶剂、清洁剂、矿石浮选剂和木材干燥剂，还可用于制造驱钩虫药四氯乙烯。,生产过程为：,将三氯乙烯加入氯化锅内，在日光灯照射下，缓慢通入氯气反应，温度控制在6070，通氯至相对密度达到1.6801.684（20）为止。用碳酸钠尿素水溶液除去过剩的氯气，经水洗和干燥后得到收率达90%以上的产品。,反应式为：,37,第五章 卤化 第四节 置换卤化,取代卤化是以卤基置换有机物分子中H原子（如芳环上H、饱和烷烃中的H及苄位H等）的反应。加成卤化是利用卤化试剂与不饱和烃发生加成的反应。,置换卤化在药物合成、染料及其他精细化学品的合成中应用较多。,氟可以置换其他卤基（Cl、Br），置换卤化是氟化的主要途径。,简介:,置换卤化是以卤基置换有机物分子中除了H原子以外其他基团（如羟基、硝基、磺酸基及重氮基等）的反应。置换卤化与取代卤化有较多相似之处。,复习,38,本次课主要内容,一、羟基的卤置换 二、芳环上硝基、磺酸基和重氮基的卤置换 三、置换氟化 四、应用实例,39,一、羟基的卤置换,1.醇羟基的卤置换,2.酚羟基的卤置换,3.羧羟基的卤置换,40,1.醇羟基的卤置换,（1）反应类型：,属于亲核取代反应，可逆平衡反应。,对于可逆平衡反应而言，增加反应物的浓度及不断移出产物和生成的水，有利于加快反应速度，提高收率。,41,1.醇羟基的卤置换,（2）卤化试剂,常见的用于置换醇羟基的卤化试剂还有含磷卤化物种类有PX3、POX3 和PX5等。卤素中氯、溴用得较多。,含磷卤化物的活性排列顺序为：PX5 PX3 POX3,氯化亚砜活性较大，特别应用于伯醇制伯氯代烃的反应。反应中生成的氯化氢和二氧化硫气体易于挥发而无残留物，所得产品可直接蒸馏提纯，且异构化等副反应少，产率较高。在生产上被广泛采用。如：,在高温下醇与氢卤酸发生卤置换时，常有重排、消除等副反应伴随发生。,42,2酚羟基的卤置换,酚羟基的卤素置换相当困难，需要活性很强的卤化剂，如五氯化磷、三氯化磷以及二卤代三苯基膦等。,请解释酚羟基比醇羟基卤置换困难的原因。,请判断对氯苯酚和2，4-二氯苯酚分别发生酚羟基卤置换反应时反应速度的快慢，并请说明原因。,43,3.羧羟基的卤置换,用SOCl2或PCl3与羧酸反应是合成酰氯最常用的方法。例如：,44,二、芳环上硝基、磺酸基和重氮基的卤置换,1硝基的卤置换,硝基被置换的反应为游离基反应。例如：,2.磺酸基的卤置换,45,二、芳环上硝基、磺酸基和重氮基的卤置换,3.重氮基的卤置换,用卤原子置换重氮基是制取芳香卤化物的方法之一。先由芳胺制成重氮盐，再在催化剂（亚铜型）作用下得到卤化物。它被称作桑德迈尔（Sandmeyer）反应。即：,46,二、芳环上硝基、磺酸基和重氮基的卤置换,用铜粉代替亚铜盐催化剂加入重氮盐的盐酸或氢溴酸溶液中也可进行卤基置换重氮基的反应。此时称为盖特曼（Gatterman）反应。如：,生成的邻溴甲苯是合成医药的中间体。,47,三、置换氟化,1伯胺基的置换：,称希曼（Schieman）反应,2卤素的亲核置换（卤素交换反应）,对于有机氟化物的制备，工业上常用HF、KF、NaF、AgF2、SbF5等无机氟化剂通过置换有机卤化物中的卤原子来实现。,48,三、置换氟化,例题：由苯为原料合成3,4,5-三氟苯酚,49,四、应用实例 2,4二氟苯胺的合成,2,4二氟苯胺是有机合成的中间体，用于氟苯水杨酸的合成。氟苯水杨酸是羧酸类非甾抗炎药，是水杨酸药物最具发展前途的品种。,2,4二氟苯胺的合成有两条路线，一条是以1,2,4三氯苯为原料，经硝化、氟代、还原脱氯而得到产品。,另一条合成路线是以间苯二胺为原料，经重氮化、置换、硝化、还原而得到2,4二氟苯胺。其合成步骤如下：,50,2,4二氟苯胺的生产方法,（l）重氮化、置换,将含有亚硝酸钠的水溶液和含有间苯二胺盐酸盐的水溶液在搅拌条件下，分别缓慢地滴入冷却的56%氟硼酸溶液中。反应结束后，过滤得到黄色固体，干燥后得间二氟硼重氮盐。将其加热分解，经蒸馏可得间二氟苯，收率60.3%。,（2）硝化,将间二氟苯逐渐滴入冷却的发烟硝酸中，加毕，继续搅拌反应1h。然后将反应液倾入冰水中，用乙醚提取，提出液用碳酸氢钠溶液及水洗涤，干燥后减压蒸馏，收集5859533.3Pa（4mmHg）馏分，得2,4二氟硝基苯，收率为93.2%。,（3）还原,将2,4二氟硝基苯滴加入铁粉和氯化铵水溶液的混合液中，加毕，继续回流反应2h。反应结束后进行水蒸气蒸馏，馏出液用乙醚提取，干燥，回收乙醚后减压蒸馏，收集46471200Pa（9mmHg）馏分，得2,4二氟苯胺，收率为84.6%。,