卤化反应及其工艺概述课件(PPT 124页).ppt

第三章卤化反应及其工艺 3 1概述 一 定义从广义上讲 向有机化合物分子中碳原子上引入卤素原子的反应 叫做 卤化 根据引入分子的不同 可分为氟化 氯化 溴化 碘化等 03 03 2020 3 二 卤化的目的 赋予有机化合物新的功能卤素基团被亲核置换制备中间体 阻燃卤化物 制备中间体 三 引入卤素的方法 1 加成法 加成卤化 2 取代法 取代卤化 3 置换法 加成卤化 取代卤化 置换法 03 03 2020 10 四 常用的卤化剂 1卤单质2卤化物3酰卤化合物 F2 Cl2 Br2 I2 F2活性太强 常用于间接取代 有时需要用惰性气体稀释 卤单质 03 03 2020 13 卤化物 酰卤化合物 光气硫酰氯 二氯硫酰 次卤酸盐 3 2氯化反应 置换已有取代基芳环上的取代氯化 亲电取代 侧链氯化加成氯化烷烃的取代氯化 03 03 2020 16 置换氯化 卤原子置换有机分子中的其他基团 非氢原子 的反应 称之为置换卤化反应 特点是无异构产物 不发生多卤化 产品纯度高 但比直接取代卤化的步骤多 在制药及染料工业中应用较多 03 03 2020 17 置换NO2置换磺酸基置换重氮基置换羟基 置换NO2 此置换反应为自由基反应机理 置换磺酸盐 蒽醌环上的磺酸基十分容易被氯基置换 它在工业上用于制备1 氯蒽醌和1 5 二氯蒽醌 由于不同位置的氯代蒽醌具有不同的熔点 而卤基置换蒽醌环上的磺酸基的反应几乎是定量进行的 因此 也常作为分折蒽醌磺酸的方法之一 置换重氮盐 Sandmeyer 置换羟基 常用卤化剂有卤化氢 含磷卤化物和含硫卤化物 置换醇羟基亲核置换反应 反应历程 03 03 2020 23 醇羟基的活性大小为 叔羟基 仲羟基 伯羟基 叔醇与浓盐酸顺利反应卤素阴离子的亲核能力大小的顾序为 HI HBr HCl HF可逆反应 增加醇和卤化氢的浓度并不断移去产物和生成的水 有利于加速反应和提高收率 03 03 2020 24 对于低碳醇的置换需要有催化剂的存在 浓硫酸是反应剂也是催化剂 在置换催化卤化过程中 有的催化剂促使醇质子化 加速反应的进行 例如ZnCl2 03 03 2020 25 置换酚羟基 03 03 2020 26 用卤化亚砜和卤化磷对羟基的置换 多用于对高碳醇 酚或杂环羟基的置换反应 03 03 2020 27 置换羧羟基 03 03 2020 28 芳环上的取代氯化 反应历程反应通式为 ArH X2 ArX HX芳环上的取代卤化反应 是典型的亲电取代反应 进攻芳环的活泼质点 都是卤正离子 X 不管使用什么类型的催化剂 它们的作用都是促使卤正离子 X 的形成 03 03 2020 29 以金属卤化物为催化剂的反应历程以硫酸为催化剂的反应历程以碘为催化剂的反应历程以次卤酸为催化剂的反应历程 03 03 2020 30 以金属卤化物为催化剂 工业生产中应用最广泛的卤化反应常用的卤化物有FeCl3 A1Cl3 ZnCl2等以FeCl3催化氯化为例其催化反应机理 由于卤化金属的强极性 促使氯分子极化 而生成氯离子 Cl 03 03 2020 31 反应过程并不消耗催化剂 因此催化剂用量极少 以苯的氯化为例 少量三氯化铁能溶解在苯中 苯的氯化是均相反应 FeCl3用虽仅为原料量的万分之一就足够了 提高苯的质量 三氯化铁的浓度还可以降低到0 002 0 004 wt有资料表明 最有效的催化剂可能是三氯化铁的一水合物 FeCl3 H2O 当二者的分子比 FeCl3 H2O 为l时 反应速度常数为最大值 大于1时 反应速度常数减小 因此 在氯化反应中 原料含有微量水份 必须保持FeCl3 H2O 1 可以生成复合催化剂 能加速反应的进行 03 03 2020 32 以硫酸为催化剂 03 03 2020 33 以碘为催化剂 以碘为催化剂是通过氯化碘分解出的碘正离子与氯气作用 促使生成氯正离子 Cl 和氯化碘 ICl 以此反复进行 03 03 2020 34 以次卤酸为催化剂 反应中有质子存在 促使生成卤正离子而加速了反应的进行 03 03 2020 35 苯环上有吸电子基团存在时 反应较难进行 常需要加入催化剂 当苯环上有给电子基团时 反应容易进行 有的甚至可以不需要催化剂 例如 酚类 胺类及多烷基苯的氯化 由于氯分子本身易受到芳环的极化 能够顺利进行反应 其反应历程 03 03 2020 36 反应动力学 芳环上的氯化反应属于连串反应 即第一个反应的生成物又是下一步反应的反应物 以此相连串进行的反应 例如苯的氯化 03 03 2020 37 芳环的卤素取代反应属于亲电取代反应 而氯取代了芳环上的氢原子以后 虽然使芳环钝化 但氯基同时有向芳环供给电子的能力 因此 一卤化后 由于产物对亲电取代反应仍具有相当的活泼性 使二卤化反应比较容易进行 03 03 2020 38 苯在硝化 磺化 氯化中k1 k2值的比较 03 03 2020 39 苯的一氯化与氯苯的进一步氯化反应的速度常数相差只有10倍左右 实验证明 在卤化反应中 随着反应生成物浓度的不断变化 使各级反应的反应速率也相应发生较大的变化 例如 在苯的氯化中 当苯中的氯苯含量为1 质量 时 一氯化速度比二氯化速度约大842倍 当苯中的氯苯含量为73 5 质量 时 两种速度几乎相等 在苯的氯化中 随着一氯苯的不断生成 二氯化反应速度不断增加 以致生成较多的二氯化物及多氯化物 03 03 2020 40 影响因素及反应条件的选择 氯化深度的影响混合作用的影响反应温度的影响原料纯度的影响催化剂的选择反应介质的选择 03 03 2020 41 氯化深度的影响 03 03 2020 42 问题 为什么要控制反应深度 什么是反应氯化深度 降低氯化反应的深度 能减少多氯化产物的产率吗 依靠降低氯化反应的深度有什么短处 如何监测氯化反应的深度 03 03 2020 43 环上取代氯化反应为连串反应 由于氯苯的用途比二氯苯大 因此反应深度的控制具有实际的意义氯化深度可以用参加氯化反应的原料的百分数来表示 03 03 2020 44 苯的一氯化反应速度常数 在常温下仅比二氯化大8 5倍左右 因此要想在一氯化阶段少生成多氯化物 就必须严格控制氯化深度从动力学研究及下图中亦可以看出 随着X值的增加 苯的转化率增加 一氯苯的含量虽然随着增加 但二氯苯的含量也随之增加 03 03 2020 45 氯苯生成量最大时73 5 20 4 6 1 03 03 2020 46 为了减少多氯化产物的产率 可以依靠降低氯化反应的深度但剩余的苯愈多 则从反应混合物中回收的苯量将愈多 操作费用及损耗将增大 设备的生产能力将下降可以由出口处氯化液的比重来控制氯化深度 03 03 2020 47 混合作用的影响 如果搅拌效果不好或对反应器型式选择不当 传质不匀 使反应生成的产物未能及时离开 又返回到反应区域促进连串反应的进行 这种现象 称为反混作用 一氯苯的生产工艺经历三个阶段 单锅间歇式生产 提高生产效率 多锅连续氯化 多锅连续生产中反混作用严重 塔式沸腾连续反应 03 03 2020 48 03 03 2020 49 反应温度的影响 K k2 k1 与反应温度的关系如何解决散热 03 03 2020 50 苯的氯化反应温度与K的关系 一般反应温度越高 反应速度越快 较难进行的反应 随着温度的增加反应速度明显增加 在取代氯化反应中 T K 在早期的氯苯生产中 为了防止二氯苯生成过多 尽可能控制反应在35 40 下进行 03 03 2020 51 每生成1mol氯苯 放出约131 5kJ 31 4kcal 的热量 要维持在低温反应 反应器需要较大的冷却系统 生产能力的提高受到了限制 随着温度的升高 K增加的并不十分显著 温度的影响比反混作用的影响要小得多 因此 在近代的一氯苯生产中 普遍采用在氯化液的沸腾温度下 78 80 用塔式反应器或者列管式氯化器进行反应 过量苯的气化可带走反应热 便于控制反应温度 有利于连续化生产 并可使生产能力大幅度提高 03 03 2020 52 原料纯度的影响 杂质特别是噻吩 容易与催化剂作用 生成黑色沉淀 使催化剂失效 且生成的产物在精制中 又会放出氯化氢气体 腐蚀精馏塔 苯在氯化前最好先除去有机硫化物 03 03 2020 53 水与反应生成的氯化物作用生成盐酸 它对催化剂三氯化铁的溶解度大大超过有机物对三氯化铁的溶解度 水的存在会大大降低有机物中催化剂三氯化铁的浓度 使反应速度减慢 实验证明 苯中的含水量大于3 时 氯化反应将不能进行 03 03 2020 54 为了避免引起火灾或爆炸事故 氯化剂氯气中含氢量应低于4 在一氯苯生产中 由于苯氯比约为4 1 大量的苯要在生产过程中循环 如果不希望生成过多的多氯化物 应加强回收分离 使循环苯中的一氯苯含量越低越好 03 03 2020 55 催化剂的选择 芳环上带有较强的供电子基团 如羟基 氨基 在卤化时一般可不用催化剂 对活泼性较低的芳烃 如甲苯 苯 氯苯 的卤化 一般要加入金属卤化物作催化剂 对不活泼的芳烃 如蒽醌等 的直接卤化 则要求有强烈的卤化条件和催化剂 一般采用浓硫酸 碘或氯化碘作为催化剂 03 03 2020 56 有一些催化剂 还能起到改变异构物组成的作用 如在苯氯化制取二氯苯时 加入适当的定向催化剂苯磺酸或三硫化二锑 可以使对 二氯苯得到较高的收率 03 03 2020 57 反应介质的选择 卤化反应根据被卤化物的性质不同 要求选取的反应介质也不同 在反应温度下为液态的芳烃 可以在催化剂存在条件下 直接进行卤化反应 一般不需用其他反应介质 或可以认为是以反应物本身为介质而直接卤化 如苯 甲苯 硝基苯的氯化 03 03 2020 58 在反应温度下 反应物是固态的 而且性质较为活泼 一般可将它分散在水中悬浮 在盐酸或硫酸存在下进行卤化 例如 对硝基苯胺的氯化 苯绕蒽醌的溴化和1 氨基蒽醌 磺酸的溴化 在反应温度下 反应物是固体 且比较难卤化 则往往需要溶解在浓硫酸 发烟硫酸或氯磺酸介质中进行卤化 有时还要用碘作催化剂 如蒽醌的四氯化 还有一些需用自身不易被卤化的有机物 作为溶剂进行卤化 如水杨酸在氯苯或醋酸中的氯化 03 03 2020 59 氯苯的生产 氯苯是制取农药 医药 染料 助剂及其它有机合成产品的重要中间体 也可以直接作溶剂 现在全世界的年生产总量可达数十万吨 氯苯的生产路线有两条 苯的直接催化氯化苯的氧化氯化 03 03 2020 60 苯的氧化氯化 是由苯 氯化氢和氧气在高温催化条件下反应而制得 这条路线曾用于苯酚的生产 未曾见单独作为氯苯的生产 03 03 2020 61 氯苯的生产工艺 03 03 2020 62 脂烃及芳环侧链取代氯化 反应历程脂烃及芳环侧链的取代卤化反应 用于游离基反应 是精细有机合成中最要反应之一 这类反应一般分成三个阶段 游离基生成反应链的传递反应链的终止 03 03 2020 63 游离基生成 为了使游离基反应能顺利进行 首先必需产生一定数量的游离基 产生游离基的方法有三种 热裂解光离解电子转移法 03 03 2020 64 热裂解法 在500 650 对分子进行热激发 足以使C C C H H H这样的共价键均裂分解 因为这些键的离解能约为330 418 6kJ mol 80 100kcal mol C1 C1 Br Br I I O O N N C N N C键的离解能仅在250kJ mol 60kcal mol 以下 所以在50 150 的温度范围内即可进行热裂解 从而提供了自由基的来源 03 03 2020 65 常将一些在低温下容易热裂解生成游离基的物质 如过氧化苯甲酰及偶氮二异丁腈等称之为引发剂 在许多情况下 可以先由它们裂解出游离基后 再引发游离基反应 03 03 2020 66 光离解法 分子受到光的照射而被活化 诱导离解而产生游离基 这种离解方法被称之为光离解法 可见光波在400 500nm之间的光量子能在250kJ mol以上 低于400nm光波的光量子能更强 使用这种波长的光 照射Cl2 Br2 I2分子能发生均裂而产生游离基 03 03 2020 67 电子转移法 重金属离子具有得失电子的性能 它们常常被用于催化某些过氧化物的分解 例如 亚铁离子将一个电子转移给过氧化氢 使它生成一个羟基游离基及一个更稳定的羟基负离子 03 03 2020 68 反应链的传递 通过裂解或离解产生的游离基 可以迅速按下列方式发生游离基的链锁反应 从链的传递来看 每有一个游离基参加反应 就生成一个新的游离基 如此反复循环 可达几千次乃至上万次 03 03 2020 69 03 03 2020 70 反应链的终止 游离基循环链的传递 在实际上 不可能无限循环下去 总会由于某些因素的存在而终止 游离基与器壁碰撞而释放出能量后自相结合 在某些抑止剂 阻化剂 的存在下 如氧气或其他杂质 游离基与抑止剂生成稳定的化合物或不活泼的质点 从而使反应链中断 03 03 2020 71 03 03 2020 72 影响因素 引发条件及温度的影响催化剂及杂质的影响氯化深度的影响 03 03 2020 73 引发条件及温度的影响 游离基反应发生的快慢取决于引发条件 光照引发以紫外光照射最有利 因为紫外光的能量较高 有利于引发游离基 以氯化为例 氯分于的光化离解能是250kJ mol 59 7kcal mol 能使氯分子发生光化离解的最大波长不得超过478 5nm 光的波长越短 光量于能越强 但波长小于300nm的紫外光 不能透过普通玻璃 所以在工业生产中 常采用富于紫外光的日光灯光源来照射 其波长范围在400 700nm之间 03 03 2020 74 氯化深度的影响 游离基取代反应是一个连串反应 用直接氯化的方法 不可能制得单一的氯化产物 在氯化反应中 产品的组成随着氯化反应深度的变化而变化 氯化深度越高 多氯化物组成越高 仅需要一氯化物产品 则严格控制反应的氯化深度或原料的比例 03 03 2020 75 催化剂及杂质的影响 亲电取代卤化催化剂 例如金属卤化物 对烯烃和芳环的加成卤化或环上的取代卤化有利 对游离基反应不利 会抑止游离基反应的进行 从反应动力学研究中发现 在卤化反应中 如果有催化剂的存在 催化反应的速度大大高于游离基反应的速度 通过游离基反应进行芳环侧链的卤化时 反应设备不能用普通钢设备 需要用衬玻璃或搪瓷或石墨反应器 且原料中也不能含有杂质铁 其他杂质的存在 如氯气中含有少量氧气 也会抑制反应的进行 因为氧分子有两个未成对电子 具有双游离基的性质 O O 可以与高度活泼的游离基结合 从而使链锁反应终止 03 03 2020 76 氯化苄的生产 甲苯的侧链氯化可以制取氯化苄 03 03 2020 77 加成卤化 利用加成卤化可以从具有双键 三键或某些芳环的有机化合物来制取卤化烷 卤代烯烃或卤代环烷烃 加成卤化包括卤素对双键的加成 卤化氢对双键的加成 及其他卤化物对双键的加成 03 03 2020 78 卤素对双键的加成 亲电加成游离基加成 03 03 2020 79 亲电加成卤化 亲电加成卤化一般经过两步 首先是卤素分子对双键进行亲电攻击 形成过渡态的 络合物 然后 在路易士酸催化剂 如三氯化铁 的作用下 生成卤代烃 路易士酸的作用 不仅在于加速 络合物转化为 络合物 而且还可以使C12与催化剂形成Cl Cl FeCl3 络合物有利于亲电进攻 03 03 2020 80 烯烃的反应能力 取决于中间体阳离子的稳定性 其活泼次序如下 03 03 2020 81 在卤素的亲电加成反应中 一般采用的溶剂有四氯化碳 氯仿 二硫化碳 乙酸等 若以醇或水作为溶剂 由于它们可作为亲核试剂 向过渡态 络合物作亲核进攻 可能会发生生成卤代醇或卤代醚的副反应 在卤素亲电加成反应中 反应温度不宜太高 否则 有脱去卤化氢的可能 或者同时发生取代代反应 03 03 2020 82 游离基加成卤化 游离基加成卤化是卤化剂在光的激发 或高温 或在引发剂的存在下 首先生成卤原子游离基 然后与双键发生加成反应 03 03 2020 83 光卤化加成特别适用于双键上有吸电子基的烯烃 游离基加成卤化取决于游离基的引发和终止 反应历程 03 03 2020 84 卤化氢对双键的加成 卤化氢对双键的加成反应是放热的可逆反应 反应温度升高 平衡向左移动 温度降低对加成反应有利 低于50 反应时 反应几乎不可逆 卤化氢的加成反应也分两类 即亲电加成和游离基加成反应 03 03 2020 85 卤化氢的亲电加成 卤化氢与碳 碳双键的加成 是分两步进行的 首先是质子对分子进行亲电进攻 第二步生成一个卤代化合物 03 03 2020 86 在反应中加入路易士酸 A1Cl3或FeCl3 将使反应速度加快 氢原子和卤原子的定位规律符合马尔科夫尼科夫规则 即氢原子加到含氢原子多的碳原子上 当烯烃有给电子基时 对反应有利 当烯烃上带存强的吸电性取代基 如 COOH CN CF3 N CH3 3时 使烯烃的 电子云间取代基方向转移 与卤化氢加成时质子加到带有负电荷的亚甲基碳原子上 而卤素加到带有正电荷的亚甲基碳原子上 它们的加成方向正与马尔科夫尼科夫规则相反 03 03 2020 87 卤化氢的游离基加成 溴化氢与烯烃若在光照或引发剂的存在下进行加成反应 与前面不同 属于游离基加成反应 因此 应当注意其定位规则与马尔科夫尼科夫规则相反 03 03 2020 88 用卤代烷的加成 卤代烷对双键的加成 多是叔卤代烷在路易士酸的催化下 向双键进行亲电进攻 得到加成化合物 多卤代甲烷衍生物也可以与双键发生游离基加成反应 03 03 2020 89 烷烃的取代氯化 正构烷烃 石蜡 天然橡胶的氯化丙烯氯化制烯丙基氯烯丙基氯用于向各种化合物中引入烯丙基 如 合成烯丙基酯 烯丙胺 烯丙基蔗糖 特别是用来生产甘油和环氧氯丙烷 后者可用于合成环氧树脂烯丙基氯是由丙稀采用气相氯化工艺制得 03 03 2020 90 取代和加成的竞争反应 高温下氯化 饱和碳上的取代氯化速率大于双键加成氯化速率低温氯化则相反一旦Cl2受激发产生一定量的活泼氯原子后 反应便迅速发生 往往以燃烧甚至爆炸的速度进行 一分钟之内 丙烯几乎完全消失 03 03 2020 91 采取的必要措施 采用大量的烃类蒸汽使用N2等惰性气体稀释使用某种惰性溶剂作介质采用反应缓和的卤素取代 然后用Cl2置换分段卤化 每段仅加入部分卤化剂 03 03 2020 92 氟化反应 氟化反应的特点氟化方法 03 03 2020 93 氟化反应的特点 F2 F 相当困难 而均裂为F自由基较容易 因而直接氟化反应常为自由基反应氟化反应的热效应很大当X F时 M 431 5 N 448 0 X Cl时 M 96 3 N 138 2C C键的裂解能为297 3KJ mol 所以在氟化时常常会发生有机分子的裂解 而氯化 溴化 碘化则不能 03 03 2020 94 氟化反应 03 03 2020 95 氟化方法 直接氟化金属氟化物氟化亲核置换间接氟化法 03 03 2020 96 直接氟化 缺点 放热量大 造成明显的C C键的断裂 并发生聚合副反应克服这一缺陷 常采用氮气稀释氟的方法 并采用导热好的反应装置 03 03 2020 97 直接氟化反应的历程 03 03 2020 98 苯的直接氟化 用氮稀释的气态氟与苯的6 乙腈溶液在 35 反应 得到间 邻 对二氟苯 以及氟苯的混合物 其大致比例为1 4 5 60 03 03 2020 99 金属氟化物氟化 采用高价金属氟化物作氟化剂优点 生成每一个C F键所释放的热量为192 6KJ mol 远比直接氟化放热量小 收率高 选择性强实际应用的氟化剂有两种AgF2和CoF3 03 03 2020 100 反应过程 03 03 2020 101 氟化反应器 03 03 2020 102 亲核置换 利用有机卤化物与无机卤化物NaF HF KF卤素交换容易被置换的顺序为I Br Cl最常用的氟化剂为金属氟化剂 尤其是氟化钾 03 03 2020 103 03 03 2020 104 03 03 2020 105 间氯苯三氯甲烷与无水HF Mol比为1 4 25atm 100 110 03 03 2020 106 氟被置换的活泼顺序 03 03 2020 107 间接氟化法 schiemann 03 03 2020 108 溴化反应 03 03 2020 109 溴化反应的特点 反应的活性比Cl低 放热量小 缓和 选择性好Br空间位阻稍大 Br作为离去基团比 Cl容易环上溴化与环上氯化相似 采用MgBr2 ZnBr2等金属溴化物为催化剂溴的水溶液与不饱和化合物迅速发生加成反应 常用于定性或定量检测不饱和度溴的价格贵 应充分回收利用 03 03 2020 110 碘化反应 碘的价格昂贵 碘化反应的实际应用受限碘化反应是可逆的 要使反应进行完全 必须移除反应中生成的碘化氢芳香族取代反应中分子碘是活泼性最低的反应剂通常要求加入氧化剂 如HNO3 HIO3 SO3 与H2O2等 使碘氧化成较强的亲电质点ICl是一种较强的碘化剂水杨酸或苯胺用ICl碘化时 其反应速度是用I2和KCl作碘化剂的105倍 03 03 2020 111 对碘苯甲醚 碘片与氯气反应制得氯化碘 将苯甲醚与冰醋酸混合均匀 慢慢加入ICl 回流3 5hr后 在冰水中析出对碘苯甲醚 03 03 2020 112 对碘苯胺 100 时 向碘化亚铜 浓氨水 氯化铵和碘化铵的混合物中通入空气使其氧化成碘 然后将它加到苯胺与氨水的混合物中 在65 反应 便可以得到对碘苯胺 03 03 2020 113 碘苯 向苯胺重氮盐溶液中加入KI溶液 放置过夜 再在蒸汽浴上加热到不再有气体析出 而后冷却静置 用苛性钠溶液洗涤有机层 经水蒸气蒸馏即可得到碘苯 03 03 2020 114 总结 卤化反应基本特征定位规律异构体的分离方法分离提纯卤化反应优化步骤温度效应浓度效应 03 03 2020 115 卤化反应基本特征总结 卤素不同 亲电活性不同 卤化反应活性也不同 反应活性依F Cl Br I的顺序依次减弱o卤素不同 反应选择性不同 反应选择性依F Cl Br I的顺序依次增强 卤素不同 卤化产物的稳定性不同 反应活性越低 产物越不稳定 产物稳定性依F Cl Br I的顺序依次减弱 卤素不同 对产物的钝化程度不同 钝化程度依F Cl Br I的顺序依次增强 这是因为较小原子的未共用电子对与苯环的共辄效应比较大的缘故 芳环上电子云密度不同 反应活性不同 电子云密度越大 卤化反应越容易发生 03 03 2020 116 定位规律总结 芳环上原有取代基对卤化反应的定位起重要作用 带有第二类取代基的芳香族化合物以间位取代为主带有第一类取代基的芳香族化合物以邻对位取代为主 03 03 2020 117