第五章 卤化反应

第五章卤化反应5.1概述5.2芳环上的取代卤化5.3羰基α-氢的取代卤化5.4芳环侧链α氢的取代卤化5.5饱和烃的取代卤化5.6烯键α氢的取代卤化5.7卤素对双键的加成卤化5.8卤化氢对双键的加成卤化5.9置换卤化2卤化：向有机C原子上引入卤素原子的反应。包括：氟化、氯化、溴化、碘化。是精细有机合成的重要单元过程。

应用：（1）有机单体：氯乙烯、四氟乙烯等，用于生产塑料。（2）有机溶剂：四氯化碳、二氯乙烷、氯苯等。（5）制冷剂：氟利昂等。（4）精细有机化学品：农药、医药、增塑剂、润滑剂、阻燃剂、染料、颜料、橡胶防老化剂等。5.1概述5.1.1定义各种卤化过程的应用及重要性：氯化：卤化中应用最广泛的是氯化。氯碱工业为有机氯化物的生产提供了充足的原料。卤化反应类型：取代卤化、加成卤化、置换卤化溴化：在应用上仅次于氯化。氟化：主要四氟乙烯、氟利昂，个别应用于医药(5－氟尿嘧啶等)、染料。其它应用较少。碘化：仅应用于少数医药、农药及染料。(1)

卤素:Cl2、Br2、I2。(2)

卤化氢加氧化剂：HCl＋NaOCl，HCl＋NaClO3、HBr＋NaOBr，HCl＋NaBrO3。(3)

其它卤化剂：SO2Cl2、HOCl、COCl2、SCl2、ICl。(4)

用于置换的卤化剂：HF、KF、NaF、SbF5、HCl、HBr、NaBr等。5.1.2卤化剂卤化试剂：卤素、卤化氢、卤化亚砜、次卤酸、酰卤、五氯化磷、三氯化磷、三氯氧磷等等。SOCl2PCl5POCl3卤化反应应用：

增加有机物分子极性；制备不同生理活性含卤药物；为提高反应选择性，卤原子可作为保护基、阻断基。丙氟哌酸，盐酸环丙沙星，第三代喹诺酮类抗菌药物置换卤化：亲核反应－置换氟化5.1.3卤化反应的类型5.1.4卤化热力学1、卤化反应热有机反应的反应热通常是利用生成焓来计算的，在标准状态下，反应的反应热等于产物的生成焓之和减去反应物的生成焓之和。表5.1是有关物质的标准生成焓

表5.2某些卤化反应热

表5.3某些有机分子中C－C键的键能

结合表中数据思考：为什么不采用分子态氟为氟化剂？2、碳-卤键的稳定性和反应活性表5.4有机分子中各种C－X键的键能

从表中数据解释有机氟化物的稳定性和有机氯化物在有机合成上应用的广泛性5.2芳环上的取代卤化1、反应历程

亲电取代反应。5.2.1反应历程和催化剂催化剂作用：使氯分子极化，或生成Cl+。常用催化剂是各种金属氯化物，如FeCl3，AlCl3，SbCl3、TiCl4、Lewis酸等。11无水FeCl3的催化作用可简单表示如下：12

在无水状态下或在浓硫酸作用下，用碘作催化剂，其催化作用如下：

在浓硫酸作用下，硫酸的催化作用如下：Cl2+I22ICl2I++2Cl-13

当有机物容易被氯化时，可不用催化剂，且反应可在水介质中进行。水介质中进行的氯化的反应历程如下：硫酰二氯SO2Cl2是温和的氯化剂。SO2Cl2遇水分解成H2SO4和HCl，因此只能用在无水状态下的氯化。142、催化剂的选择一般情况是：卤化剂与催化剂所形成的配合物的体积越大，空间位阻越大，生成邻位异构体的比例越少。(1)苯的一氯化制氯苯催化剂：FeCl3

(2)苯的二氯化制对二氯苯催化剂：FeCl3、Sb2S3、Sb2S3-I2、硫化铁-硅铝胶、经二氯乙酸钠等羧酸盐处理过的沸石。(3)甲苯的氯化制对氯甲苯催化剂：Lewis酸催化剂、AlCl3和其他氯化物的复合催化剂。3.2.2反应动力学

芳环上的氯化反应属于亲电取代反应，同时也是连串反应。

氯取代了芳环上的氢原子以后使得芳环钝化，但氯基同时又有向芳环供给电子的能力。因此，氯基的钝化能力远远小于硝基和磺酸基。所以，在芳环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。氯苯含量，％173.5k1/k2842约1表氯苯含量对k1/k2的影响反应类型氯化磺化硝化k1/k28.5103～104105～107表苯在氯化、磺化和硝化反应中k1/k2的比较若用CA,0表示原料苯的摩尔浓度（CA,0＝1）CA为氯化液中苯的摩尔浓度CB为氯化液中氯苯的摩尔浓度CC为氯化液中二氯苯的浓度并且假设当氯化深度不太高时，三氯苯的浓度可忽略不计则：CA+CB+CC=CA，0=1CACBCC氯化液中氯苯浓度与反应液中苯浓度的关系式：CB＝

CAK－CA

1－K

氯化液中氯苯浓度的极大值：此时氯化液中苯的浓度：CB,max＝

K1－K

KCA＝K1－K

1K与反应温度、搅拌效果有关由反应速率方程推导知

每摩尔纯苯所消耗的氯气的量（摩尔）叫做氯化深度。图苯在间歇氯化时的产物组成变化5.2.3芳环取代氯化反应影响因素及反应条件的选择芳环：环上含给电子基，易形成σ-配合物，生成邻对位体。如苯酚，几乎定量。反之，含吸电子基，难形成σ-配合物，需较高反应温度并加入催化剂。如C6H5NO2,Fe粉催化，135~140℃，生成间氯硝基苯。1、被卤化芳烃的结构2、卤化剂影响反应速率，卤原子取代位置、数目、异构体比例等。如：NBS（N-溴代丁二酰亚胺）与液溴对苯胺的溴化。再如，P673、氯化深度从图3－1分析，X↑氯苯↑二氯苯↑（多氯苯产率增多）

根据目的产物定苯氯比。目的产物为氯苯，降低氯化深度，提高苯的比例(4:1)；目的产物为二氯苯，提高氯化深度，提高氯的比例，或采用高效催化剂。

生产控制：测出口液密度。含氯越高，密度越大。化合物苯氯苯二氯苯(对邻)三氯苯密度(20℃)0.8733(-3.77℃)1.1058

1.2475-1.30221.46三氯苯的结晶点：10－52℃。不同氯化深度产物的用途

氯苯：溶剂、硝基氯苯(染料、农药中间体)。过去，大量用于生产DDT(氯苯乙烷)杀虫剂，因生态问题已受严格限制。用于生产苯胺、苯酚的工艺已淘汰。目前主要作溶剂。二氯苯：有机溶剂、有机载热体、杀虫剂、染料、中间体。（对二氯苯曾广泛用作杀虫剂、除臭剂，但近年已禁用）三氯苯：油浴、溶剂(染料、脱油脂)、润滑油添加剂。四、五、六氯苯都有工业用途。其它多氯苯没有工业用途。

4、原料纯度和杂质在苯的氯化反应中，一般不希望原料中含有其他杂质，特别是噻吩。例如苯的一氯化制氯苯时，应该用低硫石油苯。回收苯中水的质量含量应低于2×10-3。所用氯气中H2的体积含量应低于4%。原因分析：

噻吩：可与FeCl3作用，生成黑色沉淀，包裹催化剂，使之失效。与Cl2作用，生成氯代产物，放出氯化氢，腐蚀设备。

水：遇氯化氢生成盐酸，腐蚀设备；转移FeCl3，降低反应速率。当苯中含水0.2%时，v=0氢气：超4%可引起火灾甚至爆炸。5、反应温度温度升高，反应速率增加；温度决定定位及取代基的数目；如萘的溴化。

温度决定生产能力和产品质量。如氯苯生产：早期采用35~40℃，因反应强放热，需要很好的冷却效率，限制了生产能力。近代采用78~80℃，塔式沸腾床氯化法。过量苯的汽化可带走反应热，利于控制反应温度。根据被卤化物的性质选取反应介质。反应温度下为液态的芳烃，可不用介质，或认为反应物本身即为介质，如苯、甲苯、硝基苯；反应温度下为固态的，且性质较活泼的，可悬浮在水中，在盐酸或硫酸存在下进行卤化，如对硝基苯胺；反应温度下为固态的，且较难卤化，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，或用更难卤化的有机溶剂作介质，有时用碘作催化剂；如水杨酸在氯苯或醋酸中的氯化。6、溶剂液态：无需溶剂，如苯、甲苯、硝基苯等。

固态：水，如酚、胺、多烷基苯等活泼易卤化烃。

浓硫酸、发烟硫酸、氯磺酸等

有机溶剂7、催化剂芳烃催化剂芳环上带有较强的供电子基团（羟基、氨基）不需要催化剂活泼性较低的芳烃（苯、甲苯、氯苯）金属卤化物不活泼芳烃（蒽醌）浓硫酸、碘、氯化碘8、混合作用在连续反应时，由于反应器型式选择不当、传质不均匀，使反应生成的产物未能及时离开，又返回反应区域促进连串反应的进行，这种现象叫做反混作用。连续氯化时，为了减少多卤化副反应，要采用多锅串联操作或塔式反应器，以减少反混作用的影响。图氯苯的生产工艺1、氯苯的制备路线一：氧化氯化法（已淘汰，主要目的生产苯酚）路线二：塔式沸腾连续氯化法

其生产流程如下：C6H6＋HCl＋O2C6H5Cl＋H2O12FeCl3-CuCl2C6H5Cl＋H2OC6H5OH＋HClSiO2或磷酸钙5.2.3重要实例图苯的沸腾氯化工艺流程图图沸腾氯化塔1-酸水排放口2-苯及氯气入口3-炉条4-填料铁圈或废铁管5-钢壳衬耐酸砖6-氯化液出口7-挡板8-气体出口2、2,6-二氯苯酚的制备

（参见课本关于苯酚的氯化P69）1）

2）4)

3)

产量最大的溴化实例是芳香族溴系阻燃剂。它们都是高熔点的固体。3、十溴二苯醚（联苯醚）的制备（白色或淡黄色粉末，用作PEPPABS阻燃剂）4、四溴双酚A的制备5.3羰基α-氢的取代卤化5.3.1反应历程酸催化或碱催化的亲电取代反应。所用卤化剂主要是氯气和溴素，另外也可以用硫酰二氯或N-卤代酰胺等。

酸催化：碱催化：

1、酸催化剂

可以是质子酸，例如硫酸和卤化氢。也可以是Lewis酸，主要是硫酸、磷、碘和金属卤化物等。2、碱催化剂

可以是无机碱，例如NaOH和CaO等。也可以是有机碱，例如脂肪胺、吡啶、三苯基磷、酰胺和乙酸钠等。5.3.2催化剂1、羰基的α-碳原子上连有供电子基(例如各种烷基)时，它有利于酸催化下的烯醇化和烯醇式的稳定，卤原子主要取代这个α-碳原子上的氢。2、羰基的α-碳原子上连有吸电子基（如卤原子）时，酸催化受到抑制，这时在同一个α-碳原子上引入第二个卤原子就比较困难。但是在碱催化时，则羰基α-碳原子上各种取代基的影响相反，这时就容易生成α-多卤化物。5.3.3被卤化物结构的影响5.4芳环侧链α氢的取代卤化自由基链锁反应。除碘化外均为放热反应。包括链引发、链增长和链终止：(以甲苯氯化为例)链引发：链增长：链终止：5.4.1反应历程ClOO·不是活泼的自由基。

1、被卤化物性质

被卤化物氢原子的活性顺序为:这与反应中形成的碳游离基的稳定性规律相同。若在苄位或邻位对位带有吸电子基团，苄位的卤化更易，反之，则难进行。烯丙位卤化反应的难易与其结构有关，如果分子中存在不同的烯丙基C-H键，它们的稳定性取决于相对应的碳游离基的稳定性，即叔C-H>仲C-H>伯C-H。

5.4.2主要影响因素芳环侧链α氢的取代卤化反应发生的快慢主要取决于引发游离基的条件。2、卤化剂

最常用的是卤素。但由于其可以与双键发生加成，所以烯丙位卤化不宜采用卤素。苄位可以。而NBS可用于苄位或烯丙位氢的卤代。当分子中存在多种可被卤代的活泼氢时，用NBS卤化的主产物为苄位或烯丙位溴代物。3、光源

氯分子的热离解能是238.6kJ/mol，光离解能是250kJ/mol，它需要波长小于478.5nm的光才能引发，但小于300nm时光透不过玻璃，所以400~700nm最合适。一般可用富有紫外线的日光灯。现在趋向于选用高效引发剂。4、温度

为了使氯分子或引发剂热离解生成自由基，需要较高的反应温度，但温度太高容易引起副反应。中温：100-150℃，高温：>250℃。5、引发剂最常用的自由基引发剂是有机过氧化物（在受热时分解产生自由基)：

a.金属杂质：卤化反应时，不能接触金属内壁或金属杂质。原因：易产生金属卤化物，不仅抑制自由基反应，还催化烯烃和芳烃的加成卤化或环上的亲电取代卤化。故杂质中不能含铁，设备不能用普通钢，需衬玻璃或搪瓷或石墨反应器。

b.氧气（杂质阻化剂）：抑制反应，使链反应终止。从反应速度方程可看出：v=k[Cl2]2[O2]－1

c.固体杂质或粗糙的器壁：容易使链终止。6、杂质自由基取代是一连串反应。产物组成随氯化深度而变化。氯化深度越大，多氯化物产率越高。若目的产物为一氯化物，则应严格控制反应的氯化深度或原料比例。7、氯化深度

氯化苄的生产甲苯的侧链氯化可制取一氯苄、二氯苄、三氯苄。反应器：搪瓷釜或搪玻璃塔式反应器。工艺条件：

一氯苄：加热，100℃；二氯苄：光照、100℃

三氯苄：光照、0.01~0.1%的引发剂，>110℃。氯化深度控制：测反应液的相对密度。

表3－6氯化苄的有关数据。5.4.3重要实例ArCH3+Cl2ArCH2Cl+HCl100

℃以上一氯苄ArCH2Cl+Cl2ArCHCl2+HCl二氯苄光照100

℃以上ArCHCl2+Cl2ArCCl3+HCl

三氯苄110

℃光照,加引发剂表3-6甲苯氯化制氯苄的有关物理数据

有机物性质甲苯一氯苄二氯苄三氯苄纯物质的相对密度0.8861.1031.2561.380沸点，℃110.7179207215生产中控制反应液的相对密度1.061.28～1.291.38～1.393.5饱和烃的取代卤化饱和烃的取代卤化也是自由基链反应，与芳环侧链卤化的反应历程相似，其最重要的生产实例是甲烷和一氯甲烷的氯化制各种氯甲烷以及石蜡的氯化制氯化石蜡。2.氧氯化法甲烷热氯化时副产大量的氯化氢，为此开发了以氯化氢和（空气中的）氧为氧化剂的氧氯化法。此法以CuCl2-Cu2Cl2-KCl组成的熔盐催化剂兼热载体。5.5.2一氯甲烷的氯化制多氯甲烷在没有天然气的地区，也可以甲醇为原料，与盐酸反应5.5.1甲烷的氯化制各种氯甲烷甲烷的氯化有氯气氯化和氧氯化两种：1、氯气氯化法甲烷的氯化是连串反应，可依次生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷。甲烷的氯化，目前工业上都采用350~500℃的热氯化法。5.5.3氯化石蜡

氯化石蜡是以C10~C30的正构烷烃为原料，经取代氯化制得的产物的总称。每种产品都是混合物，因此其化学式和相对分子质量都是平均值，商品的牌号通常是以氯的含量（质量分数）来命名，如氯蜡42、氯蜡52和氯蜡70等。生成一氯甲烷，再将一氯甲烷氯化成多氯甲烷。除高温气相热氯化法外，也可用液相引发氯化法。例如，在四氯化碳溶剂中，在1.3~2.5MPa和80~120℃，在少量过氧化物引发剂的存在下，用氯气进行一氯甲烷的氯化时，氯的转化率可达98%~100%。此法特别适用于二氯甲烷的制备。氯蜡40-49用作增塑剂、润滑油添加剂；氯蜡70-72用作阻燃剂5.6烯键α氢的取代卤化

烯烃在高温下与氯发生自由基反应，氯主要取代烯键的α氢。丙烯的氯化制3-氯丙烯，主要采用高温热氯化法：3-氯丙烯的需求量很大。为了利用上述反应中氯化氢，开发了以氯化氢和空气为氯化剂的氧氯化法。丙烯的氧氯化反应是在一个反应器中同时完成的：催化剂是含有V2O5和H3PO3的流化床催化剂。

制备环氧氯丙烷和甘油的重要中间体用氯和溴的加成卤化一般采用亲电加成反应，但有时也用自由基加成反应。3.7.1亲电加成卤化

1、反应历程5.7卤素对双键的加成卤化（以溴为例）2、主要影响因素1)催化剂

一般用FeCl3等Lewis酸催化剂。2)溶剂卤化产物呈液态，不用溶剂或用卤化产物作溶剂。呈固态时，用四氯化碳、三氯乙烯等惰性非质子性溶剂。在不致引起副反应时，也可以用甲醇、乙醇等质子溶剂。3)温度严重影响烯烃的卤化反应历程和反应方向。乙烯与氯的反应在40~70℃和催化剂存在下是亲电加成反应。在90~130℃，无催化剂，在气相是自由基加成氯化。在250~360℃，无催化剂则过渡为自由基取代氯化。自由基加成卤化的影响因素取决于自由基的引发和终止。3.7.2自由基加成卤化一般采用亲电加成反应，但有时则需要采用自由基加成反应。5.8.1亲电加成卤化1、反应历程一般认为反应是分两步进行的，第一步是HX分子中的H+对双键进行亲电进攻，生成碳正离子中间体，第二步是X-的进攻，生成加成产物：

在反应液中加入FeCl3，AlCl3等Lewis酸催化剂，有利于HX的异裂，例如：5.8卤化氢对双键的加成卤化卤化氢的活泼性次序是：HI＞HBr＞Hl＞HF。当双键中的碳原子上有供电子基时，双键中的π电子向含供电子基少、含氢多的碳原子转移，H+加到含氢多的碳原子上，即服从马氏规则。

当双键碳上连有吸电子基时，双键中的π电子向含吸电子基多、含氢少的碳原子转移，H+加到含氢少的碳原子上，即与马氏规则相反。

2、反应物结构的影响

溴化氢与烯烃若在光照或引发剂存在下进行加成反应，则属自由基加成。定位规则与Markovnikov规则相反。

CH3CH=CH2+HBr_________