有机合成化学第4章烷基化反应和酰基化反应.ppt

第4章 烷基化反应和酰基化反应,烷基化反应是指在有机化合物分子中的碳、氮 、氧等原子上引入烃基的反应，包括引入烷基、烯 基、炔基、芳基等。,在有机化合物分子中的碳、氮、氧、硫等原子上 引入脂肪族或芳香族酰基的反应称为酰化反应。,4.1 常用的烷基化试剂卤烷烃,卤代烷是一类比较活泼的烷化剂，比醇的活性高许多。,卤代烷烃中烷基相同时，活性大小顺序为：,R-IR-BrR-Cl；,卤代烷中卤素原子相同，反应活性大小顺序为：,各种卤代烷中，氯代烷是最常用的烷化剂，价廉易得， 例如氯甲烷和氯乙烷等。当氯代烷不够活泼时，才使用溴 代烷。,4.1.1 卤代烷用作C-烷基化试剂,卤代烷的烷基化反应一般采用路易斯酸（如AlCl3、 ZnCl2）等作为催化剂。,用三氯化铝进行催化，其活泼亲电试剂的生成：,芳烃的亲电烷基化反应历程：,苄基氯分子中的氯比较活泼，在酸性催化剂的存在下， 可向芳环引入苄基。例如，在苯和氯化锌水溶液滴加苄基 氯，可得到医药中间体二苯甲烷：,用氯乙酸的C-烷化反应可在芳环上引入羧甲基，用铝 粉作催化剂。例如，精萘、氯乙酸和铝粉在185218 搅拌5h，即得到农药和医药中间体萘乙酸：,C-烷基可发生重排，反应中的烷基正离子可重排 成较为稳定形式的烷基正离子。例如：,含活泼亚甲基氢的化合物如乙酰乙酸乙酯、丙二酸 二乙酯、2,4-戊二酮等与卤代烷的C-烷化反应可用于制 备其-H被烃基取代的衍生物。,4.1.2 卤代烷烃作为N-烷基化剂,R、R、R代表烷基，Z则代表-OH，-Cl、-OSO3H等基团。,N-烷基化剂的种类很多，常用的烷基化试剂有卤代烷、醇、醚、酯、环氧化合物、烯烃、醛和酮等。卤代烷烃是N-烷基化常用的烷基化试剂，其反应活性较醇强。,卤代烷进行的N-烷基化反应是不可逆的。烷化反应时生成的卤化氢会与芳胺成盐，而芳胺的盐难于烷化，为了避免这个不利影响，在N-烷化时通常要加入与卤烷等当量的缚酸剂，例如NaOH、Na2CO3, NaHCO3、Fe (OH)2、Ca (OH)2和MgO等。,一般不直接采用叔卤代烷进行反应，因叔卤代烷常常会发生严重的消除反应，生成大量的烯烃。 芳香族卤代烷反应活性较差，较难进行烷基化反应，往往要在强烈的反应条件下或芳环上有其他活化取代基存在时，才能进行。,如：用苯胺和氯乙烷置于装有氢氧化钠溶液的高压釜中，升温至120，压力为1.2MPa时，靠反应热可自行升温至210230，压力4.55.5MPa，反应3h，即可完成烷基化反应。,N,N-二甲基十八胺的苄基化产物是重要的阳离子表面活性剂，制备的反应式如下：,4.1.3 卤代烷作为O-烷基化试剂,O-烷基化反应是制备醚的方法之一。许多芳醚的制备不宜采用烷氧基化的合成路线，而需要采用酚羟基化(即O-烷基化)的合成路线。,对于被烷基化的醇或酚来说，它们的负离子R-O-的反应活性远远大于醇或酚本身的活性。因此，通常都是先将醇或酚与氢氧化钠、氢氧化钾或金属钠相作用生成醇钠或酚钠，然后再与卤代烷反应。,在氢氧化钾和相转移催化剂聚乙二醇-400存在下，酚类与卤代烷的反应非常顺利，如：,用氯乙酸做烷基化剂可用于制备苯氧乙酸类的化合物。,4.2 常用的烷基化试剂硫酸酯和磺酸酯,4.2.1 硫酸酯和磺酸酯用作N-烷基化试剂,硫酸二烷基酯、芳磺酸烷基酯和磷酸三烷基酯等强酸的烷基酯都是活泼的N-烷化剂，主要用于制备价格贵、产量小的N-烷化产物。,硫酸的中性酯很容易释放出第一个烷基，而要释放出第二个烷基则比较困难。当分子中有多个氮原子时，可以根据各氮原子的碱性不同，选择性地只对一个氮原子进行N-烷基化。,使用硫酸二甲酯的N-甲基化，一般是在水介质中缚酸剂存在下进行，或者在无水有机溶剂中进行。硫酸二甲酯的优点是它可以只让氨基烷化而不影响芳环中的羟基。,例如：对甲苯胺与硫酸二甲酯于5060时，在碳酸钠、硫酸钠和少量水存在的条件下，烷基化生成N,N-二甲基对甲苯胺，收率可达95%。,4.2.2 硫酸酯和磺酸酯用作O-烷基化试剂,在碱性催化剂存在下，硫酸酯与酚、醇在室温下即可顺利反应，得到收率良好的醚类化合物。,4.3 其他烷基化试剂,4.3.1 烯、炔,（1） 烯、炔用作C-烷基化试剂,烯烃也是常用的烷基化试剂，如乙烯、丙烯、异丁烯等，催化剂一般选用三氯化铝，也有用三氟化硼、氟化氢作催化剂。,（2） 烯、炔用作N-烷基化试剂,脂肪族或芳香族类化合物都能与烯烃发生N-烷基化反应，反应是通过烯烃的双键与氨基上的氢加成而完成的。,将苯胺与丙烯酸甲酯以1:34的物质的量比混合，并加入乙酸和对苯二酚，在120150时可进行烷基化反应：,4.3.2 醇、醛和酮,醇、醛和酮均是反应能力较弱的烷基化试剂，只适用于活泼芳香族衍生物的烷基化，如苯、萘、酚和芳胺类化合物。,（1）醇用作烷基化试剂,酸性催化剂作用下，用醇对芳胺进行烷基化，温度不太高（200250）时，烷基首先取代氮原子上的氢，发生N-烷基化。,（2）醛和酮用作烷基化试剂,醛或酮只适用于活泼芳香族衍生物的烷基化反应，常用于合成二芳基或二芳基甲烷衍生物。,例如：过量的苯胺与甲醛在盐酸中反应，可以制备4, 4-二氨基二苯甲烷：,4.3.3 环氧乙烷,环氧乙烷的分子具有三元环结构，易开环与含有活泼氢的化合物（如水、醇、氨、胺、羧酸及酚等）发生加成反应，环氧乙烷是一种有较强活性的烷基化试剂。,环氧化合物与醇发生开环反应，生成羟基醚。,开环反应可用酸或碱催化，但往往生成不同的产品。,高级脂肪醇能加成环氧乙烷生成高级脂肪醇聚氧乙烯醚型非离子表面活性剂：,高级脂肪酸也能加成环氧乙烷生成酯类聚氧乙烯型非离子表面活性剂，是一种性能优良的乳化剂：,需要特别注意的是，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%98%时都可爆炸，因此在使用环氧乙烷前后，务必要用氮气转换容器内的气体。,4.4 N-酰化,N-酰化是将胺类化合物与酰化剂反应，在氨基的氮原子上引入酰基而成为酰胺化合物的反应。,胺类化合物可以是脂肪族或芳香族胺类。常用的酰化剂有羧酸、羧酸酐、酰氯以及酯等。,胺类化合物的酰化活性，其一般规律为：,伯胺仲胺；脂肪族胺芳香族胺 无空间阻碍的胺有空间阻碍的胺,酰化反应活性的大小次序为：,对于同一类型的酰氯，当R为芳环时，由于芳环的共轭效应，使羰基碳原子上的部分正电荷降低，因此芳香族酰氯的反应活性低于脂肪族酰氯（如乙酰氯）。如：,4.4.1 用羧酸的N-酰化,用羧酸对胺类化合物进行酰化是合成酰胺的重要方法，反应有水生成，是一个可逆反应，其酰化反应通式为：,为了使反应进行到底，可使用过量的反应物，通常是用过量的羧酸，并同时不断移去反应生成的水。移去反应生成水的方法常常是在反应物中加入甲苯或二甲苯进行共沸蒸馏脱水，也可采用化学脱水剂如五氧化二磷、三氯氧磷等移去反应生成的水。,4.4.2 用酸酐的N-酰化,用酸酐对胺类进行酰化反应的通式为:,这一反应是不可逆的，反应中没有水生成。酸酐的酰化活性较羧酸强，最常用的酸酐是乙酸酐，在2090反应即可顺利进行，乙酐的用量一般过量5%10%。,用酸酐对胺类进行酰化时，一般可以不加催化剂。,4.4.3 用酰氯的N-酰化,用酰氯对胺类进行酰化的反应通式为:,反应是不可逆的。反应中放出的氯化氢能与游离胺化合成盐，从而降低酰化反应速度。因此，反应时需要加入碱性物质，如NaOH、Na2CO3、NaHCO3、CH3COONa、N(C2H5)3等，以中和生成的氯化氢，使氨基保持游离状态，从而提高酰化反应的收率。,4.5 O-酰化,O-酰化反应指的是醇或酚分子中的羟基氢原子被酰基取代而生成酯的反应，也叫做酯化反应。几乎所有用于N-酰化的酰化剂都可用于酯化，常用的酰化试剂有羧酸、酸酐和酯。,羧酸价廉易得，是最常的酰化试剂。但羧酸是弱酰化剂，它只能用于醇的酯化，而不能用于酚的酯化。,一般地，醇分子中有空间位阻时，其酯化速率和K值降低，即仲醇的酯化速率和K值比相应的伯醇(即正丙醇)低一些。,苯酚由于苯环对羟基的共轭效应，其酯化速率和K值也都相当低。在制备酚酯时，不用羧酸而改用酸酐或酰氯作酯化剂。,强质子酸可以有效地加速酯化。工业上常用的酯化催化剂有氯化氢、浓硫酸、对甲苯磺酸、强酸性阳离子交换树脂等。但酸只能加速酯化，而不影响平衡常数K。,例如，将1 mol L-1苯基丙氨酸溶于6.19 mol甲醇中，通入氯化氢气体使饱和(全变成盐酸盐，然后回流1h，减压蒸出过量的甲醇，将残余油状物在甲醇-乙醚中重结晶，即得到L-苯基丙氨酸甲酯盐酸盐，收率81%：,4.6 C-酰化,C-酰化反应指的是碳原子上的氢被酰基取代的反应。C-酰化在精细有机合成中主要用于在芳环上引入酰基，以制备芳酮、芳醛和羟基芳