精细有机合成化学与工艺学课件-第10章烃化.ppt
2023/10/30,课件,1,第10章 烃化,课件,2,2023/10/30,烃基：烷基（-R）烯基（-C=C-）、炔基（-CC-）芳基（-Ar）取代烃基(-CH2COOH，-CH2CH2OH，-CH2CH2CN),在有机化合物分子中的碳、氮、氧、硅、磷或硫原子上引入烃基的反应，叫做烃化反应。,10.1概述,课件,3,2023/10/30,课件,4,2023/10/30,（1）卤烷：CH3Cl,CH3I,C2H5Cl,C2H5Br,ClCH2COOH,Ph-CH2Cl;（2）酯类：(RO)2SO2,PhSO2OR,CH3-Ph-SO2OR,(RO)3PO;（3）醇类和醚类：CH3OH,C2H5OH,n-C4H9OH,C12H25OH,CH3OCH3,C2H5OC2H5;（4）环氧化合物：,；（5）烯烃和炔烃：CH2=CH2,CH3CH=CH2,R-CH=CH2,CH2=CHCN,CH2=CHCOOCH3,CHCH;（6）羰基化合物：HCHO,CH3CHO,C3H7CHO,Ph-CHO,CH3COCH3,烃化剂：,取 代 型,加成 型,缩合-还原型,课件,5,2023/10/30,一、N-烃化反应 1.用醇类的N-烷基化;2.用卤烷的N-烷基化;3.用酯类的N-烷基化;4.用环氧乙烷的N-烷化;5.用烯烃的N-烷基化;6.用醛和酮的N-烷基化。7.N-芳基化(芳氨基化),本章教学基本内容和要求,课件,6,2023/10/30,二、O-烷基化反应 1.用醇类的O-烷基化;2.用卤烷的O-烷基化;3.用酯类的O-烷基化;4.用环氧乙烷的O-烷化;5.用醛和酮的N-烷基化；6.用烯烃的O-烷基化;7.O-芳基化(烷氧基化和芳氧基化)。,课件,7,2023/10/30,三.芳环上的C-烷基化反应1.烯烃对芳烃的C-烷基化;2.烯烃对芳胺的C-烷基化;3.烯烃对酚类的C-烷基化;4.卤烷对芳环的C-烷基化;5.醇对芳环的C-烷基化;6.醛烃对芳环的C-烷基化;7.酮烃对芳环的C-烷基化。,课件,8,2023/10/30,10-2 N-烃化,烃化试剂：醇、卤代烷、酯、烯烃、醛和酮、环氧乙烷等。,氨基上的氢原子被烃基取代的反应叫做N-烃化反应。,用途：（1）引入-CH2CH2OH、-CH2CH2CN极性、非水溶性基团；（2）制备季铵盐型阳离子化合物；（3）其它助剂、医药中间体。,本节重点讨论芳胺的N-烷化。,课件,9,2023/10/30,10.2.1 用醇类的N-烷基化,1、用醇类进行液相N-烷基化反应的反应历程,常用用浓硫酸等强酸作催化剂,（7-12）,结论：1、芳香胺类用醇进行的液相N-烷基化是一个亲电取代反应。胺的碱性越强，反应越易进行；2、芳香族胺类，如果环上带有给电基时，则芳胺将容易发生烷基化；而环上带有吸电基时，则烷基化较难进行。3、由强酸催化的用醇进行胺类烷基化反应时，往往得到伯、仲、叔胺和季铵盐的混合物，季铵离子的生成量按化学计量不会超过原来加入的酸量。4、胺类用醇的烷基化是连串反应，又是可逆反应。,一、用醇类的液相N-烷基化,课件,10,2023/10/30,2、用醇类进行液相N-烷基化反应的化学平衡,以苯胺用甲醇的N-烷化为例：,苯胺进行甲基化时，若目的产物是一烷基化的仲胺，则醇的用量仅稍大于理论量；若目的产物是二烷基化的叔胺，则醇用量约为理论量140%160%。即使如此，在制备仲胺时，得到的仍是伯、仲、叔胺的混合物。用醇烷化时，每摩尔胺用强酸催化剂0.050.3mol，反应温度约为200左右，不宜过高，否则有利于芳环上的C-烷化反应。苯胺甲基化反应完毕后,物料用氢氧化钠中和，分出N,N-二甲基苯胺油层。再从剩余水层中蒸出过量的甲醇，然后再在170180，压力0.81.0MPa下使季胺盐水解转化为叔胺。,K2/K1=1000,课件,11,2023/10/30,以苯胺用乙醇的N-烷化为例：,注意：胺类化合物在N烷基化反应中也存在烷基的转移现象。例如：,K2/K1=1/4,课件,12,2023/10/30,临氢烷化法均相配位催化催化法电解N-烷化,课件,13,2023/10/30,二、气-固相接触催化烷化法,催化剂：-氧化铝；改性分子筛；新型纳米催化剂,课件,14,2023/10/30,10.2.2 用卤烷的N-烷基化,一、烷化剂,当烷基相同时：R-I R-Br R-Cl,当烷基不同时：C6H5CH2X R3CX R2CHX RCH2X CH3X。,课件,15,2023/10/30,R越长，RX的活性越低 卤代烃的活性与CX键的键能成反比。RI RBr RCl RF 卤素相同 伯卤代烷反应最好，仲卤烷次之，叔卤烷常因发生消除反应而不宜采用。,二、反应特点：,（1）活泼性,课件,16,2023/10/30,（2）反应不可逆，为连串反应,ArNH2 RX ArNHR HXArNHR RX ArNR2 HX,（3）反应中有HX产生，易与芳胺成盐,常用缚酸剂如：NaOH、Na2CO3、MgO、Ca(OH)2等,（4）RX的沸点较低，反应宜在一定压力下进行,如：氯甲烷的沸点：-23.7，氯乙烷的沸点 13,课件,17,2023/10/30,三、重要实例,（1）N,N二乙基间氨基苯磺酸钠,（2）N,N二乙基-3-乙酰氨基苯胺,（3）N乙基-N-苄基苯胺,课件,18,2023/10/30,10.2.3 用酯类的N-烷基化,硫酸二烷基酯,芳磺酸酯,磷酸单酯,课件,19,2023/10/30,用硫酸酯的N-烷化（1）沸点高，故可在常压下进行；但价格比醇和卤代烃高；ArNH2 ROSO2OR ArNHR ROSO2OH 需要碱中和生成的酸 ArNH2 ROSO2ONa ArNHR NaHSO4 难于进行（2）可在-NH2的N上烷基化而不影响-OH；（3）有多个氨基时，可根据N原子的碱性，选择性地对一个N烷基化；（4）缺点：毒性大。,课件,20,2023/10/30,10.2.4 用环氧化合物的N-烷基化,（）,环氧乙烷的沸点较低(10.7)，其蒸气与空气的混合物的爆炸范围很宽，空气含量为3一98时都在爆炸范围内，所以在通环氧乙烷前后，务必用氮气置换容器内的气体。,课件,21,2023/10/30,特点（1）反应活性高，在N上引入CH2CH2OH；（2）连串反应；,K1与K2相差不大,（3）酸催化反应。,当环氧乙烷过量时，,课件,22,2023/10/30,课件,23,2023/10/30,10.2.5 用烯烃的N-烷基化,酸:CH3COOH、H2SO4、HCl、FeCl3碱:三甲胺，三乙胺,+,催化剂,课件,24,2023/10/30,3-乙酰氨基-N，N-二（-甲氧基羰基乙基）苯胺,课件,25,2023/10/30,10.2.6 用醛或酮的N-烷基化（自学）,10.2.7 N-芳基化（芳氨基化）（自学）,课件,26,2023/10/30,10.3 O-烃化,醇羟基（R-OH）或酚羟基（Ar-OH）上的氢原子被烃基取代，生成二烷基醚、烷基芳基醚或二芳基醚的反应叫做O-烃化反应。,烷化试剂：醇（R-OH）、卤化烷（R-X）、环氧烷类等。,产物：,二烷基醚(R-O-R)：R-OH的H被烷基取代（O-烷基化）烷基芳基醚(Ar-O-R)：Ar-OH的H被烷基取代(O-烷基化）R-OH的H被芳基取代（O-芳基化)二芳基醚(Ar-O-Ar)：Ar-OH的H被芳基取代（O-芳基化，芳氧基化),课件,27,2023/10/30,10.3.1 用醇类的O-烷基化,+,课件,28,2023/10/30,甲醇和乙醇对活泼的酚进行O-烷化。,课件,29,2023/10/30,反应特点（1）用卤烷的O-烷化是亲核取代反应，卤烷是亲核试剂；（2）对于被烷化的醇或酚而言，他们的负离子的反应活性远高于其本身，因此通常是先将醇或酚与NaOH、KOH或金属钠相作用，然后再与卤烷反应；（3）当酚和卤烷都比较活泼时，O-烷化可以在水介质中进行，必要时加入相转移催化剂；（4）当酚和卤烷都不活泼时，要先将醇或酚制成醇钠或醇钾，再与卤烷反应，可以避免卤烷的水解副反应；（5）工业上一般用氯烷，当氯烷不够活泼时则需要用溴烷。,用卤烷的O-烷基化,课件,30,2023/10/30,生产实例,1、用氯甲烷的-O烷化,课件,31,2023/10/30,用卤烷作烷基化剂可制以下重要的芳醚:,课件,32,2023/10/30,相转移催化剂：聚乙二醇-400,课件,33,2023/10/30,2、用氯乙酸的-O烷化,课件,34,2023/10/30,3、用3-氯丙烯的-O烷化,4、用环氧氯丙烷的-O烷化(自学）,课件,35,2023/10/30,硫酸酯及磺酸酯均是良好的烷基化剂。在碱性催化剂存在下，硫酸酯与酚、醇在室温下即能顺利反应，并以良好产率生成醚类：,10.3.3 用酯类的O-烷基化,课件,36,2023/10/30,10.3.4 用环氧乙烷的O-烷基化,1、反应历程,（1）酸性催化剂，如BF3和它的乙醚配合物及酸性Al2O3。属单分子亲电取代反应，其反应历程可简单表示如下：,课件,37,2023/10/30,（2）碱性催化剂，如固体氢氧化钠和固体氢氧化钾。属双分子亲电加成反应，其反应历程可简单表示如下：,课件,38,2023/10/30,2、重要产品举例,（1）低碳醇的乙二醇单烷基醚,以甲醇、乙醇或正丁醇与环氧乙烷作用而制得：,（2）高碳伯醇的聚氧乙烯醚,用途：非离子型表面活性剂。,课件,39,2023/10/30,（3）壬基酚聚氧乙烯醚,式中，n=710，其系列产品的商标牌号有：Perelex、NS等。他们都是重要的非离子型表面活性剂。,课件,40,2023/10/30,醛或酮在酸性催化剂作用下，很容易和两分子醇缩合，并失水变为缩醛或缩酮类化合物。,反应通式如下：,说明：1、当RH时，称缩醛；RR时，称缩酮；2、O-烃化反应需用无水醇类和无水酸作催化剂，常用的是干燥氯化氢气体或对甲苯磺酸，也有采用草酸、柠檬酸、磷酸或阳离子交换树脂等。,10.3.5 用醛类的O-烷基化,课件,41,2023/10/30,通常醛加醇容易，酮困难。,反应式：,反应机理：,课件,42,2023/10/30,缩醛具有双醚结构，对碱和氧化剂稳定，但遇酸迅速水解为原来的醛和醇,所以，制备缩醛时必须用干燥的HCl气体，体系中不能含水。,课件,43,2023/10/30,醛可与一元醇或二元醇生成缩醛或环状缩醛：,酮只能与二元醇生成环状缩醛（因为五元、六元环有特殊稳定性）：,课件,44,2023/10/30,用途：,a.保护醛基：,课件,45,2023/10/30,b、苹果酯（2-甲基-2-乙酸乙酯-1,3-二氧茂烷)的制备,课件,46,2023/10/30,10.3.7 O-芳基化（烷氧基化和芳氧基化）,芳环上的取代基(主要是氯原子和硝基)被烷氧基（或芳氧基）所置换的反应叫做烷氧基化。烷氧基化是亲核取代反应。,本节主要讲解苯系卤素化合物的烷氧基化和芳氧基化。,课件,47,2023/10/30,一、氯原子置换成烷氧基,该反应是在碱性试剂存在下(例如苛性钠)，用醇作用于芳香族氯衍生物来完成的。属芳香族亲核取代反应，SN2机理。,课件,48,2023/10/30,应用该法可制得如下重要硝基苯烷醚：,课件,49,2023/10/30,带有吸电基的单卤代芳烃与醇钠反应远较水解反应容易，这是因为烷氧基的亲核性远大于水的亲核性，因而醇解反应活化能远低于水解反应活化能。在这样的前提下，控制足够低的反应温度，完全可以抑制水解副反应。由于体系中存在的水（OH-）在低温下不参与化学反应，这样，直接以纯的醇钠或其溶液与卤代芳烃反应是不必要的，因为以氢氧化钠醇溶液与卤代芳烃反应仍无水解副反应，而原料更经济。单卤代芳烃的烷氧基化反应的优化应记住两个要点：1、控制足够低的反应温度；2、选用廉价原料-强碱的醇溶液。,课件,50,2023/10/30,烷氧基化时加入相转移催化剂(主要是季铵盐)、可以减少醇的用量(相应地提高了碱浓度)，缩短反应时间，反应可在常压下进行。其反应历程如下：,动画演示,课件,51,2023/10/30,二芳醚一般是由芳香族卤化物与酚钠盐(或酚钾盐)相作用而生成,芳环上的取代基被芳氧基所取代的反应叫做芳氧基化，制得的产物是二芳基醚。,课件,52,2023/10/30,1、对于非常活泼的芳香族氯化物，可在水介质中进行反应；但在一般情况下，反应均在无水介质及较高温度下进行,课件,53,2023/10/30,2、,3、,4、,课件,54,2023/10/30,有机芳环化合物在催化剂作用下，用卤烷、烯烃等烷基化剂可以直接将烷基接到芳环上反应。,一、C-烷基化剂,1、卤代烷,2、烯烃,3、醇类,4、醛和酮,1、当卤烷中的烷基相同，而卤素原子不同时，则反应活性的顺序为：RCl R3CX R2CHX RCH2X CH3X。3、不能用卤代芳烃如氯苯或溴苯来代替卤烷。,烯烃也是最常用的烷基化剂，如乙烯、丙烯、异丁烯等，一般可用AlCl3作催化剂，也有用BF3、HF作催化剂，效果也很好。,醇类也可作烷基化剂，但催化剂选用硫酸、氯化锌较多，醚类虽然也可参与烷基化反应但应用较少。,醛和酮都是反应能力较弱的烷基化剂，它们仅适用于活泼芳香族衍生物的烷基化。醛和酮常用于二芳基或三芳基甲烷衍生物的制备。,10.4 芳环上的C-烷化,课件,55,2023/10/30,注意：芳环结构对C-烷基化的影响,1、芳环上有给电子基团（1）烷基（2）NH2、OR、OH等 2、芳环上有吸电子基团（1）X、羰基、羧基等（2）硝基（NO2），氰基（CN）3、烷基进入芳环的位置（1）低温、低浓度、弱催化剂、短时间，烷基进入的位置遵循亲电取代反应的规律（2）不在上述条件下，烷基进入的位置缺乏规律,课件,56,2023/10/30,二、催化剂,1、路易斯酸,2、质子酸,3、酸性氧化物,4、烷基铝,AlCl3 FeCl3 SbCl5 SnCl4 BF3 TiCl4 ZnCl2,HF H2SO4 P2O5 H3PO4、阳离子交换树脂,SiO2-Al2O3、分子筛、M（SiO2 Al2O3）,烯烃作烷基化剂时的一种专属催化剂，其特点是能使烷基有选择性的进入芳环上氨基或羟基的邻位。,三氯化铝,反应历程,课件,57,2023/10/30,(A)无水AlCl3,1、新鲜制备的升华无水AlCl3，几乎不溶于烃类中，并且对用烯烃的C-烷基化反应没有催化活性；而必须有少量水分或者氯化氢存在，才能显示出催化活性。2、工业上生产烷基苯时，通常使用的是三氯化铝-氯化氢络合物催化剂溶液，它由无水三氯化铝、多烷基苯和少量水配制而成，其色较深，俗称红油。3、用氯烷作烷基化试剂时，可以直接用金属铝作催化剂，而不必用无水三氯化铝，在分批操作时常用铝丝，连续操作时可用铝锭或铝球。4、优点：价廉易得，催化活性好；缺点：有铝盐废液生成，有时由于副反应而不适用于活泼芳香族化合物（如酚或芳胺等）的烷基化反应。5、无水三氯化铝能与氯化钠等盐类形成复盐，如AlCl3NaCl，其熔点185，在141已开始流体化。如果需要较高的烷基化温度(140250)而又无合适的溶剂的，就可以使用这种复盐，它既是催化剂又是反应介质。6、无水AlCl3具有很强的吸水性，因此，无水AlCl3应装在隔绝空气和耐腐蚀的密闭容器中，使用时也要注意保持干燥，并要求其他原料和溶剂以及反应器那是干燥无水的。此外，含硫化合物会影响AlCl3的催化活性，所以应严格控制有机原料的含硫量。工业生产时通常选用适当粒度的无水AlCl3，而不宜使用粉状的。,质子酸,课件,58,2023/10/30,10.4.1 烯烃对芳烃的C-烷化,一、反应历程和动力学,三氯化铝为催化剂时的反应历程,特点：1、对于多碳烯烃，质子总是加到烯双键中含氢较多的碳原子上，即遵循Markovnikov规则；2、用烯烃进行C-烷化时，总是在芳环上引入带支链的烷基。如丙烯和苯生成异丙苯，异丁烯和苯生成叔丁苯。3、在反应条件下，烷基正离子会发生氢转移-异构化反应。一般规律：伯重排为仲、仲重排为叔；对于多碳直链仲碳正俩，一般规律是正电荷从靠边的仲碳原子逐步转移到居中的仲碳原子上。4、可逆反应。,课件,59,2023/10/30,二、重要实例,液相法的催化剂呈溶液状态参加反应，液态苯和气态烯烃(如乙烯、丙烯)或其他液态烷基化剂在催化剂（路易斯酸和质子酸）作用下，完成烷基化反应。,工业上进行烷基化反应的方法有液相法和气相法两类。,气相法是使气态苯和气态烷基化剂在一定的温度和压力下，通过固体酸催化剂，如磷酸-硅藻土，BF3-Al2O3。,课件,60,2023/10/30,（1）异丙苯的制备,课件,61,2023/10/30,反应特点：1、反应较温和，催化剂对烷基转移反应也有较好的活性，多烷基苯可以循环使用。2、需定期或连续补加新鲜的络合物催化剂。3、需用耐腐蚀材料衬里的设备。4、缺点：反应过程中，放出少量HCl，在烷基化液的中和、洗涤时生成Al(OH)3絮状物，不易处理。目前此法已较少发展。,课件,62,2023/10/30,用磷酸/二氧化硅为催化剂，反应温度：250350；反应压力：0.31.0MPa,课件,63,2023/10/30,（2）异丙基甲苯的制备,为了增加间甲酚含量，要采用三氯化铝与多异丙基甲苯的络合物,220，4MPa,课件,64,2023/10/30,（3）高级烷基苯的制备,侧链烷基含有1014个碳原子的单烷基苯，如十二烷基苯的制备,用-十二烯制十二烷基苯时异构体组成,课件,65,2023/10/30,（4）2-异丙基萘的制备,三氯化铝、三氯化铝与甲苯或二异丙基萘的络合物、三氟化硼磷酸、固体磷酸、硅酸铝、浓硫酸等。,课件,66,2023/10/30,10.4.2 烯烃对芳胺的C-烷化,4,4-双叔辛基二苯胺（用途：橡胶防老剂OD）,硅酸铝,说明：芳胺在用烯烃进行C-烷化时，如果用质子酸、Lewis酸或酸性氧化物作催化剂，则烷基优先进入芳环上氨基的对位；如果用烷基铝类催化剂，则烷基优先进入氨基的邻位。,二异丁烯,课件,67,2023/10/30,T=300，P=6.57.0MPa,乙烯,课件,68,2023/10/30,10.4.3 烯烃对酚类的C-烷化,说明：用烯烃对酚类进行C-烷化时，如果用质子酸、Lewis酸或酸性氧化物作催化剂，则烷基优先进入芳环上酚羟基的对位；如果用三苯酚铝类催化剂，则烷基优先进入酚羟基的邻位。,课件,69,2023/10/30,用卤烷为烷基化剂，通常用三氯化铝为催化剂,其反应历程如下;,一般认为，当R为苄烷基、叔烷基或仲烷基时，比较容易生成R+或离子对；当R为伯烷基时，往往不易生成R+，而是以分子络合物参加反应。,10.4.4 卤烷对芳环的C-烷化,课件,70,2023/10/30,（塔式反应器）,反应特点:用卤烷的C-烷基化（C6H6+CH3ClC6H5CH3+HCl）,反应特点：1、卤烷是活泼的C-烷基化试剂。工业上一般使用的是氯烷，例如氯代高级烷烃在三氯化铝催化下，能与苯经烷基化制备高级烷基苯。2、工业上直接用铝锭或铝球放入烷基化塔而不用无水三氯化铝。3、需用耐盐酸腐蚀材料（搪瓷或搪玻璃）衬里的设备。,课件,71,2023/10/30,用卤烷的C-烷基化的应用实例,课件,72,2023/10/30,用醇类为烷基化剂，质子酸为催化剂时的反应历程,如用无水三氯化铝作催化剂则因醇烷基化生成的水会分解三氯化铝，所以需用与醇等摩尔比的三氯化铝：,10.4.5 醇对芳环的C-烷基化,课件,73,2023/10/30,一、用醇对芳烃的C-烷基化,反应条件：催化剂：改性ZSM-5新型分子筛（烷基铵型分子筛）甲苯：甲醇=1：1（摩尔比）T：400-600结果：甲苯的转化率37%；二甲苯的理论收率100%，其中对二甲苯含量97%。,碱金属离子改性的沸石,课件,74,2023/10/30,酸性催化剂，温度不太高（200-210），先N烷基化反应温度再升高（240-300）烷基转移，生成烷基芳胺,二、醇对芳胺的C烷基化,课件,75,2023/10/30,三、醇对酚类的C烷基化,醇与酚在硫酸的存在下，一般只发生酚羟基的O-烷化而生成酚醚。但也有例外。,课件,76,2023/10/30,10.4.5 用醛和酮的C-烷基化,用酮作C-烷基化剂的反应历程和醛相似。,醛为烷基化剂,酸催化时其反应机理可描述为:,课件,77,2023/10/30,一、醛对芳环的C-烷基化,醛类对芳烃的C-烷化，因所用催化剂的不同，可得到不同类型的产物。若用硫酸、磺酸、乙酸等催化剂，一般以二芳基甲烷衍生物为主；,醛对芳烃的C-烷基化,无水AlCl3,制高温合成材料中间体,合成香料中间体,课件,78,2023/10/30,醛类与芳胺在酸性催化剂存在下，可发生脱水C-烷化反应而生成二芳基甲烷或三芳基甲烷衍生物。,醛对芳胺的C-烷基化,苯甲醛与过量的苯胺在浓盐酸中反应制得4,4-二氨基三苯甲烷。,课件,79,2023/10/30,醛对酚类的C-烷基化,双酚F,注意1：在碱催化下甲醛与酚类作用将在芳环上引入羟甲基。,注意2：如果不使用大过量的苯酚，无论用酸催化还是用碱催化都将生成酚醛树脂。,课件,80,2023/10/30,(3)用酮的烷基化,双酚A是制备新型高分子材料环氧树脂、聚碳酸酯及聚砜等的主要原料，也应用于制造油漆、抗氧剂和增塑剂等方面。,课件,81,2023/10/30,10-7；10-16；10-19；10-20。,思考题,
