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第四章烷基化反应和酰基化反应 1 烷基化反应是指在有机化合物分子中的碳 氮 氧等原子上引入烷基 烯基 炔基 芳基等的反应 其中以引入烷基最为重要 尤其是甲基化 乙基化和异丙基化最为普遍 广义的烷基化还包括在有机化合物分子中的碳 氮 氧 硫原子上引入羧甲基 羟甲基 氯甲基 氰乙基等基团的反应 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基化反应 酰基引入氮原子上合成酰胺类化合物 酰基引入碳原子上合成芳酮或芳醛 硫原子上引入酰基主要是合成硫酸酯类化合物 氧原子上引入主要是合成酯类化合物 习惯上把这种氧酰化称为酯化反应 2 4 1常用的烷基化试剂卤代烷4 2常用的烷基化试剂硫酸酯和磺酸酯4 3其他烷基化试剂4 4N 酰化4 5O 酰化4 6C 酰化 3 4 1常用的烷基化试剂 卤代烃 卤代烃是一类比较活泼的烷化剂 比醇的活性高很多 对于某些难烷化的芳胺 常用卤代烃作烷化剂 卤代烷的结构对反应活性有很大的影响 烷基相同时 卤素原子不同 反应活性不同R I R Br R Cl卤素相同时 烷基不同时 反应活性也不同苄氯活性最大少量少量氯化锌等就可反应 氯甲烷活性最差 需大量氯化铝并加热才可以反应 氯代烷是最常见的烷基化试剂 4 4 1 1卤代烷用做C 烷基化试剂 C 烷基化反应是在催化剂作用下进行的 通常工业上使用的有两大类 一类是路易斯酸 主要金属卤化物 如AlCl3 FeCl3 SbCl5等 另一类是质子酸 其中最重要的是HF H2SO4 阳离子交换树脂 此外还有其他类型的催化剂 如酸性氧化物 有机铝化物等 卤代烷的烷基化一般是采用路易斯酸做催化剂 必须无水 使用三氯化铝作为催化剂 其活泼亲电试剂的生成可用下式表示 三氯化铝形成碱性试剂 使卤代烷转换为活泼的烷基正离子 成为亲电试剂 生成的离子对在进攻芳环发生烷基化反应 5 烷基化常发生碳正离子重排 稳定顺序是R3C R2CH RCH2 所以伯烷不易生成C 叔卤烷与仲卤烷易生成R 或离子对 芳烃的亲电烷基化反应 可表示为苄基氯在酸性条件下 可在芳环上引入苄基用氯乙酸的C 烷化反应可在芳环上引入羧甲基 用铝粉作催化剂 6 用四氯化碳进行C 烷化可用于制备二苯甲烷和三苯甲烷的衍生物 氯代正十二烷与二笨醚在无水三氯化铝作用下 7 在芳环上引入叔丁基时 一般用异丁烯做C 烷化剂 小批量精细化工常用氯代叔丁烷作C 烷化剂 用类似的方可以从甲苯和氯代叔丁烷制得对叔丁基甲苯 C 烷基可发生重排 反应中的烷基碳正离子可重排成较为稳定的离子 8 C 烷基化是可逆反应 烷基苯在强酸作用下能发生烷基的转移或迁移 苯环上的烷基可以转移 或者烷基发生转移 苯不足量时有利于生成二烷基苯或多烷基苯 苯过量时有利于烷基的转移 使多烷基苯向单烷基苯转换 一个饱和碳原子上 若连有某些不饱和官能团如硝基 羰基 氰基或者苯基是 与该官能团连接的碳原子上氢都具有一定酸性 或者说这个饱和碳原子由于它们的存在而被活化了 故这类化合物称为活泼亚甲基化合物 含活泼亚甲基氢的化合物可以与卤代烷的C 烷化反应可用于制备其 H羟基取代的衍生物 9 含活泼亚甲基氢的化合物可以与卤代烷的C 烷化反应可用于制备其 H羟基取代的衍生物 亚甲基上的活泼氢在强碱作用下脱质子形成碳负离子 再与卤烷发生亲核取代反应而使亚甲基氢被一个或者两个烷基取代 10 亚甲基上所连接基团的吸电子能力越强 则亚甲基上氢的酸性越大4 1 1卤代烷烃作为N 烷基化剂脂肪族 芳香族胺或氨中氮原子上的氢被烷基取代 或者通过加成而在氮原子上引入烷基的反应都称为N 烷基化反应 反应通式如下 11 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者芳环上有其他活化取代基存在是才能进行 通常的催化剂是铜盐 溴代烷与苯胺 摩尔比为1 2 5 5 混合物共热6 12h 即可得到相应的苯胺 N 异丙基苯胺或者N 异丁基苯胺 12 N 乙基苯胺或N 氰乙基苯胺在90 100oC下与氯化苄作用 可得到相应的苄基衍生物 13 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在镀银高压釜中加入间氨基苯磺酸钠水溶液和氯乙烷 14 4 1 3卤代烷作为O 烷基化试剂 卤代烷的O 烷基化是亲核取代反应 卤代烷是亲核试剂 对于被烷基化试剂的醇或者酚来说它们的负离子R O 的反应活性远远大于醇或者酚本身的活性 如果使用的卤代烷沸点较高 则需要在高压釜中进行 15 在氢氧化钾和相转移催化剂聚乙二醇 400的作用下 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 16 卤代烷作烷基化试剂进行烷基化反应 是一类非常重要的反应 用这类反应可以制得一些重要的酚醚 17 4 2常用的烷基化试剂 硫酸酯和磺酸酯 硫酸酯和芳磺酸酯都是很强的烷基化剂 这类烷基化剂的沸点较高 反应可在常压下进行 但由于酯类的价格比醇类和卤代烷都高 其实际应用不如醇和酯广泛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 18 在这些酯类中 可以代替卤代烷 具有实用价值的是硫酸二酯 其N 烷基化的反应如下 由于甲基硫酸钠的烷化能力弱 通常只利用硫酸二甲酯中的一个甲基参与N 甲基化反应 19 硫酸的中性酯很容易就释放第一个烷基 第二个烷基较为困难 当分子中有多个氮原子时 根据碱性的不同 有选择的对一个氮原子进行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 其优点是只让氨基烷化不影响芳环中的烃基 20 芳磺酸酯也是一种强烷基化剂 烷基化的芳磺酰氯应在反应前制备 由芳磺酰氯与相应的醇在氢氧化钠存在下与低温反应 即成为芳磺酸酯 芳磺酸酯用于芳胺烷基化的反应通式为 21 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 在O 烷基 化过程中硫酸酯或磺酸酯的结构影响着反应的活性 22 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见的烷基化试剂 23 在整个烷基化过程中 烯烃的加成遵循马科夫尼科夫规则 马氏规则 由于反应经历了一个碳正离子的过程 中间体可能发生重排 烯烃在一定条件下会发生聚合 异构化等副反应 因此在烷基化是要控制好反应条件以减少副反应的发生 24 乙炔及单取代的炔化物 它们的端基氢受到碳碳三键的影响而容易脱落下来 因此具有一定酸性 其酸性介于氨与水之间 这类炔烃可与强碱如氨基钠等作用生成炔化钠 炔化钠可作为亲核试剂与卤代烷乙基羰基化合物反应 生成炔烃衍生物 25 炔化物与卤代烷反应较易进行 不同卤素原子取代的卤代烷的反应活性有所不同 烷基相同的情况下 碘代烷的活性最大 其次是溴代烷 再次是氯代烷 氟代烷最差 另外 卤素原子相同时 一般烷基越大活性越小 实际中应用以溴代烷最为合适 金属炔化物可在羰基碳原子上引入一个炔基 26 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 丙烯腈和丙烯酸分子中官能团列为吸电子基团 使得分子中 碳原子上带部分正电荷 27 胺与烯烃的加成反应是一个连串反应 伯胺可引入两个烷基 分别得到仲胺和叔胺 但在引入第一个烷基衍生物后 活性将下降 同时 由于某些烯烃容易发生聚合 如丙烯腈 故在使用这些烯烃时 还要加入少量的助燃剂 如对二苯酚 以防聚合 将苯胺与丙烯酸甲酯以1 3 4 的物质的量混合 并加入乙酸和对苯二酚 在120oC 150oC时进行烷基化反应 28 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 苯 萘 酚和芳胺类化合物 催化剂可选用路易斯酸 如三氯化铝 氯化锌等 和质子酸 如硫酸 盐酸等 等 这三类烷基化试剂在烷基化反应时 都会有水生成 生成的水会使催化剂活性降低 1 醇用作烷基化试剂 29 如果将温度升到至204 300oC 氮原子上的烷基将转移到芳环上 主要生成对位烷基芳胺 萘与正丁醇和发烟硫酸可同时发生烷基化和磺酸化反应 生成二丁基萘磺酸 30 醇作为N 烷基化试剂 虽然活性较弱 但因其价格便宜 供应量大 工业上仍常用作活泼胺类的烷基化试剂 醇的烷基化反应常用强酸 如浓硫酸 做催化剂 催化剂的作用是离解出质子 质子可与醇反应生成活泼的烷基正离子 烷基正离子与胺的氮原子上的未共用电子对能形成中间配合物 然后在脱去质子成为伯胺 31 同理 由于伯胺的氮原子上还有未共用电子对 伯胺也可进一步烷基化成为仲胺 仲胺再继续烷基化为季胺 32 2 醛和酮用作烷基化试剂醛或酮只适用于活泼芳香子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 用类似的方法还可以制备以下化合物 33 用甲醛与各种二烷基酚在酸催化剂作用下 可以烷基化制得一系列抗氧化剂 用芳醛与活泼芳香族衍生物进行烷基化反应 可制得三芳基甲烷系衍生物 34 在酸作为催化剂的条件下 酮类化合物也可以作为烷基化试剂 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 故环氧乙烷也是一种有较活泼性的烷基化试剂 35 如果环氧乙烷用量进一步增大 反应将生成N 聚乙二醇芳胺衍生物 Ar CH2CH2O mCH2CH2OH 2 氨与环氧乙烷发生加成烷基化反应 首先生成乙醇胺 乙醇胺还可继续与环氧乙烷作用 生成二乙醇胺和三乙醇胺 36 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这种反应在工业上的应用之一是由醇类与环氧乙烷反应生成各种乙二醇醚 37 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 苯酚与萘酚也能加成环氧乙烷 其中重要的是芳基酚 如壬基酚 与环氧乙烷的加成产物 38 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 4 4N 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 N 酰化反应有两种目的 一种是将酰基保留在最终产物中 一种是为了保护氨基 39 胺类化合物的酰化是发生在氨基氮原子上的亲电取代反应 酰化剂中酰基的碳原子上带有部分正电荷 它与氨基氮原子上的未共用电子对相互作用 形成过渡态配合物 再转化成酰胺 以芳香族胺类化合物为代表 酰化反应历程可表示为 此类N 酰化反应难易 与胺类化合物和酰化剂的反应活性以及空间效应都有密切关系 氨基氮原子上的电子云密度越大 空间阻隔越小 反应活性越强 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 40 羧酸 酸酐和酰氯都是常用的酰基化试剂 当它们具有相同的烷基R时 酰化反应活性的大小次序为 羰基碳原子上的部分正电荷大小顺序为 41 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 42 4 4 2用酸酐的N 酰化用酸酐对胺类进行酰化的通式 用酸酐对胺类进行酰化时 一般可以不加催化剂 如果是多取代芳胺 或者带有较多吸电子基 以及空间位阻较大的芳香胺类 需要加入少量强酸作催化剂 以加速反应 43 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中放出的氯化氢能与游离胺合成盐 从而降低酰化反应速率 因此 反应时需要加入碱性物质 如NaOH Na2CO3 NAHCO3 CH3COONa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 44 4 4 4用二乙烯酮的N 酰化二乙烯酰是两分子乙烯酮的聚合体 工业制法是由乙酸在高温 800oC 下裂解 首先生成乙烯酮 然后再进行二聚合成 二乙烯酮与芳胺反应是合成乙酰乙酰芳胺最好的方法 45 4 5O 酰化 O 酰化反应指的是醇和酚分子中羟基氢原子被酰基取代而生成酯的反应 也叫酯化反应 强质子酸可以有效地加速酯化 46 1 羧酸和醇的酯化羧酸和醇的酯化方法因原料不同而有差异 2 羧酸和不饱和烃的加成酯化羧酸和不饱和烃在强酸作用下的加成酯化是通过碳正离子中间体而完成的 加成反应服从马氏规则 所以生成的酯是叔酯或仲酯 47 3 羧酸和环氧烷的酯化 4 羧酸盐与卤代烷的酯化 48 5 环氧氯丙烷 甲基丙烯酸合成甲基丙烯酸环氧丙酯 6 酯交换法酯交换指的是将一种容易制得的酯与醇或与酸反应而制得所需要的酯 最常见的酯交换法是酯 醇交换法 其次是酯 酸交换法 49 将碳酸乙二醇酯 或碳酸丙二醇酯 与过量甲醇在甲酸钠的催化下进行酯交换反应 4 6C 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 酯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 芳醛和羟基芳酸 50 4 6 1Friedel Crafts酰化反应在三氯化铝或者其他Lewis酸 质子酸 催化下 酰化剂与芳烃发生环上的亲电取代 生成芳酮的反应 称为Friedel Crafts酰化反应 酰化剂除酰卤外 还可是酸酐 羧酸 羟酸酯等酰化剂活性顺序酰卤 酸酐 羧酸酰卤的酰基相同 则含有不同卤素的酰卤的反应活性顺序为 51 在酰卤中酰氯用的较为多 脂肪族酰卤中烃基的结构对反应影响较大 当酰基的 碳原子为叔碳时 容易在AlCl3作用下形成叔碳正离子 反应主要得到烷基化物 二元酸酐可用于制备芳酰脂肪酸 该酸经锌汞齐 盐酸还原可得长链羧酸 接着进行分子内酰化即可得到环酮 52 羧酸也可以直接用作酰催化剂 但不宜用AlCl3作催化剂 一般用硫酸 磷酸 最好是氟化氢 酯也可以作酰化剂 但