e C4.卤化反应.ppt

1、有机合成 单元过程,C3. 卤化反应,3.1 概述 3.2 芳环取代卤化 3.3 芳侧链、- C 的卤化 3.4 置换卤化,3,阻燃卤化物4.1 概述,3.1 概述 有机分子中引入 X 形成 C X 键的反应，得 ArX、RX。,4,制备中间体4.1 概述,5,一卤化剂 X2 ： F2 （太活 ） Cl2 （廉，最广） Br2 （较贵、选择性最好） I2 （太惰且可逆 ） # 其它： HCl、 X2 / NaOH / H2O、 SOCl2、 PCl3、 PCl5。,6,二反应类型 1 取代卤化 a. 芳环亲电取代 ArH + Cl2 / Fe ArCl b. 芳侧、烷烃自由基取代 ArCH3

2、+ Cl2 / h ArCH2Cl c. 活泼- H 的自由基取代 CH3COOH + Cl2 / P ClCH2COOH,7,2 加成卤化 a. 烯、炔键的亲电加成 b. HBr 的自由基加成 # 3 置换卤化 （间接法） a. 醇、酚、酸的亲核置换 OH X b. 芳环上的自由基置换 N2X、NO2、SO3H X,8,3. 芳环的取代卤化 2讲 一、卤化历程 、进攻芳环的亲电质点是： 卤正离子 E+ = X+ 或 X+ 2、 Cl2/Fe（Cl2/FeCl3）历程： p63 Cl2 (被极化) + FeCl3 Cl+ FeCl4- Cl+FeCl4- + ArH +Ar(H)Cl -H+

3、+ArCl Fe 催化只当 Cl2与之生成 FeCl3 并溶于反应物时才显催化活性。 Cl+FeCl4- 体积大，产物 p o 位。,9,3、 Cl2/H2SO4 历程：,H2SO4 H+ + HSO4 - H+ + Cl2 (被极化) Cl+ + HCl Cl+ + ArH +Ar (H) Cl -H+ ArCl HOCl 最弱，但 H+ 催化下 HOCl 变强卤化剂。 HOCl 最大特点是空阻小，产物 o 位 p 位。 综上： Cat 都是使卤化剂极化成亲电质点 Cl+ 或络合物。,10,4、氯代动力学结论 # 63 a .苯氯化是 亲电取代、 需Cat、 连串、 强放热。 b. 产物一氯

4、、二氯 有极大值, 时间长易多氯化 ！ 严控时间 ! （卤化）k1 = 10 k2 ； （磺化）k1 = 8000 k2 ； （硝化）k1 = 105 - 107 k2,11,氯苯的生产工艺,氯苯是制取农药、染料及其他有机合成工业产品的重要中间体，亦可作为溶剂 早期多采用低温氯化工艺（35-40） 现代的合成多采用沸腾氯化法（80） 沸腾氯化法的优点：1，生产能力大，为间歇氯化的100倍2，在相同的氯化深度下，由于减少了返混，而使二氯苯的含量减少,12,沸腾反应器,设计苯的氯化器时,必须防止在设备中存在滞留区，否则将导致生成四氯苯或五氯苯，这些产物在苯中溶解度小，易造成阻塞现象 局部温度升高到

5、某一点时，会产生以下副反应,13,这一反应主要发生在气相中，是一个放热反应，同时放出大量的氯化氢气体，而使过程失控，有引起自燃的危险。,14,氯苯的生产工艺,15,二影响卤化的因素 1底物结构 活性： ArNH2 ，ArOH ArOCH3 ArH ArCl ArNO2 不必Cat，易多卤代 ; 要Cat、强卤化剂、高温 例： C6H5NH2 (OH) + Cl2 / Cat 2. 4. 6 三氯苯胺（酚）,16,2卤化剂 反应活性： Cl+ Cl2 Br2 I2 HOX （无催化剂时）,3操作条件 a. 终点控制 ? 深度 # 矛盾： 要一氯苯多，多氯苯少，必须苯多，但苯分离回收费。优化？ #

6、 终点： 测氯化液比重 查标准 d c 线知浓度。 #,b . 采用塔式反应器抑制返混 ? H/D大，连续式沸腾氯化法 理想流动。 通 Cl2 量和 C6H6 量大，能力大，不易下降返混 ，塔底进溢流出。 #,17,不同的氯化剂在进行环上氯化时的活泼性顺序,18,不同卤素所构成的卤化剂的反应活性顺序,19,c. 一氯苯宜低温 ? k 1/ k2 = 10， E1 E2，故升温不利于一氯化。 氯化强放热，若通氯快、传热不好，易生成多氯苯。 t 二氯苯异构化。 例：,20,6. 介质（溶剂） 原则： 反应物和产物在反应温度下是液体时不加溶剂。 溶剂： 水、 无机溶剂、 有机溶剂（二氯苯 / 硝基苯

7、 / 二氧六环 / CS2 ） 适用： 易氯化s 难氯化s 中等的 例： 对硝苯胺 蒽醌 萘，水杨酸,e. 原料纯度 影响产物的纯度及反应的进行。,21,危 害 课练题 苯含 噻吩时，会与 FeCl3 成黑色沉淀，包住外表使 r。 苯、Cl2 含水时，与生成的 HCl 成盐酸，FeCl3 将从 有机相（反应区）转溶于盐酸，使均相反应变为非均 相， FeCl3 。 盐酸严重腐蚀设备。,22,措施： . 用低噻吩的苯 . 原料应有含水要求,Cl2 干燥方法： 通入浓硫酸层中 安全操作 总之： 主要是氯化深度和返混！,23,二、芳环取代氯化的影响因素,（1）被氯化物的结构 （2）原料的纯度 （3）氯

8、化深度 （4）温度 （5）操作方式 （6）介质,24,（1）被氯化物的结构,25,胺类、酚类与多烷基苯等活泼物质的氯化,26,（2）原料的纯度,苯中含有少量的噻酚 原料带入水，生成的氯化氢将溶于水生成盐酸 苯中水含量达到0.2时，苯的氯化反应不能进行盐酸还将加快设备的腐蚀和铁环催化剂的消耗 要求原料苯和氯气中水的含量在万分之四 苯的干燥剂一般采用粗盐或固体烧碱，而氯气的干燥剂常采用浓硫酸 氯气中氢的体积含量要求4易引起火灾； 7可引起爆炸,27,（3）氯化深度,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

9、 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,28,（4）温度,生成每mol氯苯所放出的热量约为2820kcal 温度高容易多氯化 苯的氯化温度早期普遍采用35-40，从而使生产能力受到冷却效率的限制 把反应温度提高到苯的沸点，利用苯的汽化热来移除反应热，即沸腾氯化法 ; 减少了返混现象，二氯苯的生成量并末显著增多 氯化温度在8384，二氯苯的含量为0.50.7，在7980则为0.10.2 氯化器中的反应温度与压力大小有关，而压力的高低则取决于HCl吸

10、收系统的阻力大小,29,（5）操作方式,30,（6）介质,当原料和产物都是液态时，如苯、甲苯和硝基苯的环上取代氯化，一般不使用溶剂 (1)水 如果被氯化物和氯化产物都是固体，且氯化反应较容易进行 对硝基苯胺的氯化 (2)硫酸 如果被氯化物和氯化产物都是固态，而氯化反应较难 蒽醌直接接氯化制1,4,5,8四氯蒽醌 (3)有机溶剂 所选有机溶剂应是更难氯化的物质 水杨酸氯化采用乙酸作溶剂；萘氯化采用四氯化碳、苯或氯苯作溶剂等不同的有机溶剂作介质有时会对氯化速度产生影响 萘、菲等芳烃在乙酸介质中的氯化速度比在CCl4CH3COOH(3：1体积比)中大的多,31,二、芳环上的取代氯化（亲电取代）,1反

11、应动力学 当苯与Cl2反应时，首先生成氯苯，当苯的转化率达到20时，氯苯开始与反应生成二氯苯，二氯化的速率随反应体系中氯苯浓度的增加而明显加快。苯氯化时产物组成变化 连串反应K25k2/k1=0.118 T， K 搅拌效果，K 氯苯的收率,32,氯苯生成量最大时 73.5 20.4 6.1,33,2 反应历程,34,催化剂用量很小，少量三氯化铁能溶解在苯中，苯的氯化是均相反应 苯中的三氯化铁浓度达到0.01wt能满足反应的需要 提高苯的质量，三氯化铁的浓度还可以降低到0.002-0.004wt 原料苯和氯气都应该是干燥的 最有效的催化剂可能是三氯化铁的一水络合物,35,三实例 例1：氯苯的合成

12、 PhH + Cl2 / Fe PhCl + HCl 氯化操作方式有: 间歇式、连续式 75 讲 # 氯化反应器有: 间歇釜式、 多釜串联式、 塔式,36,氯苯,泠凝器,沸腾氯化塔,冷凝器,HCl+苯,液态氯苯,37,38,例2： PhNH2 + Cl2 2, 4, 6 - 三氯苯胺 # PhNH2 + Cl2 在极性溶剂（H+/H2O）、缓和条件得 m - 氯苯胺盐酸盐 PhNH2 + Cl2在非极性、极温和条件得 p - 氯苯胺为主。 例3：PhOH (或NH2) + Br2（水） 2, 4, 6 - 三溴苯酚 鉴定反应 工业上加入 NaClO 氧化剂可以充分利用 Br2。,39,甲苯的环

13、上氯化,生产吨位远小于氯苯，多采用间歇法 改变催化剂可改变邻、对位异构体的比例催化剂对甲苯氯化产物组成的影响5，甲苯的环上氯化 邻氯甲苯和对氯甲苯的沸点相近，不易用精馏法制得纯净的邻氯甲苯或对氯甲苯 过去常常采用甲苯胺为原料经重氮化再与氯化亚铜进行氯化利用分子筛分离邻氯甲苯和对氯甲苯 邻氯甲苯用于制邻氯苯甲醛或邻氯苯甲酸；对氯甲苯用于制对氯苯甲醛、对氯三氯甲基苯或对氯苯甲酸等 降低反应温度，对于大多数催化剂都有利于提高对位异构体的量,40,苯酚的氯化,41,42,思考 1： 苯胺 纯 p 氯苯胺(乙酰化) 思考 2： 苯酚 纯 o 氯苯酚 (磺化) 苯胺和苯酚都易氧化。,注意：,43,烷烃的取

14、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 烯丙基氯是由丙烯采用气相氯化工艺制得,44,烯丙基氯的工艺,45,丙烯的氯化是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,46,采取的必要措施,（1）采用大量的烃类蒸汽 （2）使用N2等惰性气体稀释 （3）使用某种惰性溶剂作介质 （4）采

15、用反应缓和的卤素取代，然后用Cl2置换 （5）分段卤化，每段仅加入部分卤化剂,47,氟化反应的特点,1，F2F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 一般用间接F化反应 2，氟化反应的热效应很大 氟化反应一、氟化反应的特点当XF时，M431.5，N448.0； XCl时，M96.3， N138.2 CC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,48,氟化方法,直接氟化 金属氟化物氟化 亲核置换 间接氟化法,49,1 直接氟化,缺点：放热量大，造成明显的CC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

16、氟的方法，并采用导热好的反应装置,50,直接氟化反应的历程,51,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1：4：5：60,52,2 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CF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CoF3,53,反应过程,54,氟化反应器,55,3 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IBrCl 最常用的氟化剂为金属氟化剂，尤其是氟化钾,56,57,58,间氯苯三氯甲

17、烷与无水HF（Mol比为1：4），25atm,100110,59,氟被置换的活泼顺序为,60,4 间接氟化法(schiemann ),61,例1: 课堂p77,例2: 以间苯二胺为原料，合成水杨酸药物中间体 2, 4 -二氟苯胺 说明其生产工艺过程增加作业并 课堂练p77,62,（二） 溴化 特点： 1. 溴化有一定的可逆性，体积效应明显，长受热力学控制。 2. 溴贵，为充分利用溴，长加氧化剂 NaClO、H2SO4等。,63,实例,64,溴化反应的特点,1 反应的活性比Cl低，放热量小缓和，选择性好 2 Br空间位阻稍大，Br作为离去基团比Cl更容易一些 3 环上溴化与环上氯化相似，采用Mg

18、Br2、ZnBr2等金属溴化物为催化剂 4 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 5 溴的价格贵，应充分回收利用,65,碘化反应,碘的价格昂贵，碘化反应的实际应用受到很大限制 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H202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,66,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

19、.5hr后，在冰水中析出对碘苯甲醚,67,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,68,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,69,例1：溴氨酸,例2： 十溴联苯醚 p77,70,（三） 碘化 特点： 1. C - I 键能体积效应明显，生成的HI具有强还原性， 故碘化可逆，产物受热力学控制 2. 为使平衡向右，加氧化剂硝酸等，并用强 I Cl。,71,体积大，热控产物,不必氧

20、化剂,完全,72,芳烃侧链氯化,73,1 链引发,74,2 链的传递,75,3 链的终止/链转移,一部分游离基或者通过与容器壁碰撞时自相结合，并把剩余的能量传给器壁 通过与某些杂质结合使链反应终止,76,3.3 芳侧链的卤化 讲 a. 自由基取代历程，连串。 b. F Cl Br I。 Br 选择性好，有明显优势产物。 1. 影响因素 a. 反应深度控制 连串，要控制氯化液比重， 如 PhCH2Cl 为 1.06， PhCHCl2 为 1.28。,77,b.反应途径控制： 微量 Fe 等会改变反应途径而发生环上亲电取代 例 # 水存在 利核上取代、氯苄易水解。 例 # 2. 氯苄的生产 PhCH3 + Cl2 hv / 110度 PhCH2Cl 液氯经蒸发汽化得 Cl2。 Cl2 要干燥、要过滤除锈等，防 Fe 质、防水。 #,78,加成卤化,79,苯环上的加成氯化,80,合理利用副产物,81,三氯苯可以制得许多有价值的农药,82,3.4 置换卤化 一 OH X 1. 醇羟基被卤置换 a. HX 卤化剂： ROH + HX RX + H2O 典型可逆 # HX 活性： 醇活性： PhCH2OH、 叔醇 仲 Cat： 无水 Z