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第十章 水 解,卤代烃,重氮基,卤代芳烃的水解与分离,卤代烃,重氮基,卤代芳烃的水解反应机理和特征,SNAr机理,苯炔机理,电子云密度,Ev,大分子卤素,小分子卤素,图 不同卤素活化能与电子云密度的关系, 芳环上原有取代基对反应机理影响很大。当芳环上卤素的邻对位有强吸电基团时，一般按SNAr机理进行；芳环上邻对位有强供电基团时，一般按苯炔机理进行。, 无论哪种机理，芳环上电子云密度降低均有利于反应的进行。按SNAr机理进行的反应一般有较低的活化能，而按苯炔机理反应有较高的活化能。, SNAr机理的产物不发生异构，而苯炔机理有异构物产生。根据产物中有无异构，可断定有无苯炔机理存在。根据加入催化剂后异构体量减少，可断定SNAr机理部分取代了苯炔机理。, 水解反应速度取决于活性中间体的生成速度。按苯炔机理进行的反应，需从苯环上脱除卤化氢，故需较高的碱浓度。而SNAr机理进行的反应，较低碱浓度便可满足。,按SNAr反应机理进行的水解反应,一般可将水解反应看作简单反应（浓度效应、温度效应在一定范围内均不显著，一般不予讨论）。,按苯炔反应机理进行的水解反应,卤代芳烃水解产物酚的分离,1、利用羟基的酸性除去非酸性物质,2、利用挥发酚与水共沸的原理减少水溶解损失,3、利用异构体氢键的差异分离异构体,4、利用熔点差异除去异构体,1、利用羟基的酸性除去非酸性物质,2、利用挥发酚与水共沸的原理减少水溶解损失,大量酚类物质是挥发性的，即有一定的沸点；大量的酚类物质又是水溶性的，即有较大的水溶解度；利用酚与水共沸原理可以将酚从水中蒸净。,从蒸出的酚水中回收酚（酸化后分层或过滤）后，水层是酚的饱和水溶液，可返回到下一批的水汽蒸馏，这样酚的损失可减少至最低。,3、利用异构体氢键的差异分离异构体,4、利用熔点差异除去异构体,一般，对称结构物质熔点较高。可通过结晶方式提纯对称结构物质，去除不对称结构物质。, 异构体混合物先加热熔融，然后自然冷却结晶，倒出未结晶的混合物，洗净结晶表面母液，结晶物即为纯品。, 异构体用溶剂重结晶（烷烃类） ，只要保证结晶液的温度不低于不对称异构物的熔点，异构体就不会结晶析出，用烷烃洗去结晶表面的母液，对位异构体便可提纯。,酚提纯过程的主要问题,未认识“中和”与“吸附”联用的好处：吸附有机物而不损失苯氧负离子。在过滤活性炭的过程中，反应液中的机械杂质也一同除去，产品具有非常好的外观和内在质量。用碱性吸附方法后，一般不必用重结晶方法，使过程更简单易行。,对水汽蒸馏能获得定量的回收率认识不足。由于酚羟基的极性较强，多数酚在水中的溶解度较大。而水汽蒸馏即可回收挥发酚，蒸出物分离出酚后的水仍是含酚饱和水溶液，应将其用于下一批水汽蒸馏。但人们往往对酚的水溶性重视不足。,例， 2,4,5-三氯苯酚,工艺过程：向500mL高压釜加入31g 1,2,4,5-四氯代苯、22.6g NaOH和100mL甲醇，加热至160，保持7h。冷却，加水稀释至500mL，加盐酸至呈酸性，进行水汽蒸馏。蒸馏液在冰浴中冷却，析出2,4,5-三氯苯酚。滤出、干燥，得产品24.2g，熔点63，产率84.9%。用石油醚重结晶，得无色针状结晶产品，熔点66，沸点244248（10.13KPa）,例， 2,4-二硝基苯酚,工艺过程：将1400L水加入水解锅中，搅拌加热到60，将750kg已熔化的2,4-二硝基氯苯加入锅内。继续升温到90，于1.5h内逐渐加入780L 30% NaOH溶液，加料中温度上升，控制温度不超过102104，保温30min。冷却，过滤析出的钠盐用水溶解，酸化至pH=1，析出黄色结晶即为目标产物。,例， 2,3-二氟-6-硝基苯酚：在装有搅拌器、液体加料管、温度计及取样管的1000mL的四口烧瓶中依次加入220mL水和34.8gKOH，升温至45，待KOH全溶解后，滴加30.4g三氟硝基苯，加料以不使反应温度剧烈上升为宜。反应液逐渐由无色变为橙色、黄色、粉红色、红色、深红色。当反应进行1.5h，边反应边取样分析，当两次分析浓度不再变化时，停止反应（约2h左右）。然后向烧瓶中加入300mL环已烷，再滴加盐酸，反应液由深变浅，由深红色变为黄色，这时减慢滴加盐酸的速度，同时用pH试纸测反应液的pH值，当pH=12时，此时反应液为淡青色，终止滴加盐酸，停止搅拌，把反应液移入分液漏斗，分出有机相，水相用50mL环已烷萃取两次后弃去，有机相合并，减压蒸馏回收环已烷，剩下的结晶即为目标产物，收率82%84%。,例， 对硝基苯酚,工艺过程：在装有搅拌器、温度计、回流冷凝管的500mL不锈钢反应瓶中，加入NaOH 12g（0.3mol）、蒸馏水12mL、搅拌使其溶解，再加入对硝基氯苯15.7g（0.1mol）、硝基苯50mL、季铵盐A-1(C79H1519)3N+CH3Cl- 3mL（0.06mol），控制反应温度为140，常压下搅拌7h ，冷却至室温，过滤收集结晶产物，用20mL硝基苯洗涤结晶，再加入100mL蒸馏水加热溶解，分去下层油状物，上层溶液用硫酸酸化，冰浴中静置，沉淀析出完全后，过滤，少量冰水洗涤。滤饼置于滤纸30左右干燥至恒重，得无色针状晶体即产物10.3g，收率73.6%。,作业：4-氯-2-硝基酚,工艺过程：在3000L压热釜中加入2100L水及675kg 30%液碱，搅拌均匀后取样分析，NaOH浓度应为7580 g/L。然后加入400kg 2,5-二氯硝基苯，密闭反应釜，加热至60左右，开动搅拌，在1.52h内升温至130136反应10h。反应完毕，压送至结晶釜，在8090时加入300kg工业盐，使相对密度达1.181.20（25），过滤。得100% 4-氯-2-硝基酚钠盐324kg，收率90%。用盐酸酸化得4-氯-2-硝基酚。,芳烃重氮基水解,卤代烃,重氮基,一、重氮基水解反应的机理（SN1）和特征,R：芳环上原有化学性质稳定的取代基；,X：羟基、卤素、氢、氟硼酸、硫化物等亲核试剂,SN1 机理的特征：, 反应速度取决于重氮盐的裂解速度（芳基正离子生成速度），与重氮盐浓度成正比（一级反应），与亲核试剂浓度无关；, 亲核取代反应的选择性与亲核试剂的亲核性和浓度有关；, 亲核试剂的亲核性大小顺序一般为： NH2- Ph3C- PhNH- ArS- RO- R2NH- ArO- OH- ArNH2 NH3 I- Br- Cl- H2O ROH HSO4- 一般不会发生亲核取代反应，因此重氮基水解反应选择硫酸重氮盐。,在重氮盐以SN1机理进行的反应中，水解反应制备酚是最常用和最有代表性的。,此外，以氟硼酸重氮盐制取氟化物或重氮盐以卤素取代、以硫化物取代和氢取代等，应用也十分广泛。本节仅就水解反应进行讨论。,二、重氮基水解的主副反应,水解（亲核）,偶合（亲电）,芳基正离子 络合物 反应进程,能 量,图 重氮盐水解与偶合反应各阶段的能量变化,EVS EVP,1、温度效应,原因：偶合反应较水解反应有较低的活化能。,结论：升高温度有利于水解反应。,2、浓度效应, 水浓度高，对水解有利, 重氮盐高，对偶合有利, 酚浓度高，对偶合有利,三、重氮盐水解反应的重要影响因素,1、反应温度,图 两种升温方法的温度变化,T,0,t,2、加料方式与分布,加料方式 要体现 浓度效应 和 温度效应。先加入稀硫酸溶液，预热至反应温度后，将重氮盐溶液滴入反应系统，这样边滴加边反应，既满足了重氮盐低浓度的要求，也保证了较高温度有利于主反应竞争这一温度效应要求。,强调：冷的重氮盐水溶液滴入高速搅拌的高温水溶液中，先分散后反应 是反应要点。若滴在釜中反应物未及时分散，相当于重氮盐的浓度未得到稀释，就不利于主反应。若重氮盐在未滴入水中前已被预热了，那么在未滴入水中前副反应已经发生，且高浓度的重氮盐更有利于副反应。,B,B 水,A,重氮盐,P,酚,S,偶氮化合物,图 选择性随原料分布的影响,3、产物的移走,3.1 相转移法（溶剂法）,3.2 水汽蒸馏法,将重氮盐滴入水与有机溶剂的非均相混合物中，水解反应在水相进行，生成的水解产物迅速转移至有机相，从而减少偶合反应。此方法适用于产物酚不易挥发的重氮盐水解过程。,将重氮盐滴至含硫酸的沸水中，边滴加 边反应 边蒸出酚 与水的共沸物，从而减少偶合反应。（适用于易挥发酚）, 避免重氮盐溶液在滴入沸水之前被加热；, 重氮盐溶液滴入水中后应立即分散，良好的搅拌是必要的。,浓度效应 酚浓度高，对偶合有利,4、重氮盐水解的介质及催化剂,介 质：重氮盐水解反应应用硫酸重氮盐。硫酸负离子在水中不表现亲核性质，不参与化学反应。若用盐酸重氮盐水解，则由于氯离子本身是比水更强的试剂，氯代副反应不可避免。,催化剂：若Cu2O存在，并加入大大过量的Cu(NO3)2，可降低水解反应的活化能，可在室温下进行重氮基水解反应，反应速度加快，副反应减少。,5、一步法及其应用范围,当芳胺上的电子云密度极低（硝基苯类、吡啶硫酸盐类），则产物酚的电子云密度仍很低，不易与重氮盐发生亲电取代偶合反应。在此特殊情况下，若重氮基的水解能在较低的温度下反应，则将亚硝酸钠水溶液直接滴至芳胺硫酸盐溶液中，边滴加 边重氮化 边水解，采用一步法制备酚类。,1、对重氮盐的低浓度有利于主反应而不利于偶合副反应认识不足，而这是影响主副反应竞争的关键因素（重氮盐的低浓度有利于主反应）；,五、重氮盐水解工艺常见问题,2、产物酚的低浓度与重氮盐的低浓度同等重要，对此认识不足（酚的低浓度有利于主反应）；,3、对重氮盐溶液不能经过中间预热段，而硫酸溶液需预热认识不足（硫酸溶液的高温，重氮盐的低温有利于主反应）。,例， 2,4,-二甲酚,工艺过程：在盛有300mL水的1000mL四口烧瓶中加入250mL浓硫酸，混匀，趁热加入121g（1mol）2,4-二甲基苯胺，溶后迅速冷却，使析出细小结晶。外部冷却控制5左右，必要时向反应物加少许冰块，搅拌着，从液面下慢慢加入用73g（1.05mol）亚硝酸钠溶于100mL水的溶液，重氮盐应清亮，分成几份加热至7080以分解。放置过夜，或直接将反应物水汽蒸馏，得粗品96100g（78%82%）。,例， 邻溴对甲基苯酚,工艺过程：将稀硫酸加到3-溴-4-氨基甲苯中，搅拌，冷却到15，当温度降到5以下加入亚硝酸钠水溶液，温度保持在5以下；然后再加冷水、尿素和碎冰，得重氮盐溶液。再将无水硫酸钠、浓硫酸和水加热，使温度维持在130135时分批加入重氮盐溶液，然后分批加入水进行蒸馏，所得馏出液用乙醚提取，用10%碳酸氢钠溶液洗，再用无水硫酸钠干燥，过滤混合物，滤出液在水浴上蒸去乙醚得成品。,例， 间溴苯酚,工艺过程：将50g（0.29mol）间溴苯胺、400mL水和50mL浓硫酸的热溶液冷却至10，加入21g（0.30mol）NaNO2重氮化。将此重氮盐溶液以细流形式，在1530min内，加入100mL浓硫酸和300mL水的沸腾液中，同时进行水汽蒸馏，其速度为重氮盐全部加完后，恰好收集到1L馏出液。继续水汽蒸馏，收集125130/3.33kPa馏分，得间溴苯酚39g（78%）。,例， 4-羟基吡啶,工艺过程：称取141g 4-氨基吡啶，溶于配好的15%（质量分数）的稀硫酸溶液， n(4-氨基吡啶):n(硫酸)= 1:2.5 。将114g亚硝酸钠溶于300mL水中，再将此亚硝酸钠溶液在搅拌条件下慢慢滴加到4-氨基吡啶的硫酸溶液中，控制反应温度为3050，反应终点采用淀粉碘化钾试纸检验，当反应液使淀粉碘化钾变蓝并且颜色不再褪去，停止滴加。如亚硝酸钠量不足则继续滴加，直至反应至终点。然后使反应液在50下继续搅拌，直至反应液中不再有气泡生成，表明水解过程结束。,例， 对氟苯酚,1、重氮盐的制备：500mL三口烧瓶中加入44.4g对氟苯胺（0.4mol），200mL水，快速搅拌下加入70mL浓硫酸。混合物在冰水浴中冷却到0，此温度下逐滴加入溶有30g NaNO2（0.43mol）的水溶液，保持反应温度5。随着NaNO2的加入，对氟苯胺硫酸盐固体逐渐溶解而生成淡黄色的透明溶液。待NaNO2全部加入后，继续反应0.5h，然后加入适量尿素以分解过量的NaNO2。所得重氮盐溶液在05放置备用。,2.1 普通水解法：在装有搅拌器、滴液漏斗和回流装置的1000mL三口烧瓶中加入300mL稀硫酸（V 1:1），加热至沸腾。然后从滴流漏斗滴入重氮盐溶液。滴加过程中保持反应物处于回流状态。滴加完毕后水解降至室温。用40%的液碱调到pH=2左右。用200mL乙醚分三次萃取上述溶液。合并萃取液，用200mL 10%的液碱进行反萃取。再用稀盐酸将水相酸化至pH=3左右，然后用200mL乙醚分三次萃取。萃取液用无水硫酸钠干燥后，水浴蒸出乙醚，182185蒸出产品。冷却后凝结为淡黄色固体，质量1418g，收率31%40%（平行实验结果）。,2.2 蒸馏水解法：在装有搅拌器、滴液漏斗和蒸馏装置的500mL三口烧瓶中加入300mL稀硫酸（V 1:1），加热至沸腾。然后从滴液漏斗滴入上述制得的重氮盐溶液。在滴加的同时，有淡黄色乳浊液从蒸馏装置中蒸出。调整重氮盐溶液的滴加速度，使其与蒸出的速度相当。待重氮盐溶液全部滴加完毕后继续蒸馏30min，使生成的产物全部蒸出。收集所有的馏出液，此后的处理过程与普通水解法的后处理完全相同。产品重3538g，收率89%85%（平行实验结果），HPLC分析，其纯度高于99%。,例， 对羟基苯甲醚,1、重氮盐的制备：在装有搅拌器的三口烧瓶中加入硫酸水溶液115mL（130140g/L），工业品对氨基苯甲醚10g，搅拌下升温至8