第十章烷基化反应.ppt

1、第十章烷基化反应,7.1 概述,一、定义 有机物分子中的碳、氮、氧等原子上引入烃基的反应。 广义上讲，包括引入烷基、烯基、炔基、芳基、羧甲基(-CH2COOH)、羟甲基(-CH2OH)、氯甲基（-CH2Cl）等。 二、烃化剂 发生取代反应的：卤烷、醇类和酯类 发生加成反应的：不饱和烃和环氧化合物 发生脱水缩合反应的：醛类和酮类,烷基化反应在精细有机合成中的应用,1877年法国化学家Friedel和美国化学家Crafts将苯和氯甲烷中加入三氯化铝发生强烈反应，放出氯化氢气体，从反应混合物中分离出甲苯。 芳烃的选择性烷基化及其后续转化反应是需要重点研究的问题。,7.2 碳的烷基化反应,（）烷基相同

2、时，不同的卤素形成的卤代烷烃的反应活性顺序为RI RBrRCl 。 （）卤代烷烃中卤素相同时，不同的烷基则反应活性顺序为: （）不能用卤代芳烃如氯苯、溴苯代替卤代烷进行烷基化反应，因为连接在芳环上的卤素反应活性较低，不能进行烷基化反应。,卤代烃的烷基化反应,四氯化碳与氟苯在无水ZnCl2催化下，生成二（4-氟苯基）二氯甲烷，经水解得到4,4-二氟二苯甲酮（熔点109），用作医药中间体、光记录、电记录材料的成像剂和电荷控制剂、聚合反应的引发剂及共聚单体。,卤烷的C烷基化反应历程,烯烃：乙烯、丙稀、异丁烯,反应历程,1、对芳烃C的烷基化,催化剂：路易斯酸、质子酸 （1）路易斯酸：三氯化铝 A、新鲜

3、制备的升华无水三氯化铝几乎不溶于烃类，并且对用烯烃的C烷基化反应没有活性，必须有少量水分或氯化氢存在，才能显示催化活性。 B、无水三氯化铝吸水性很强，遇水立即分解释放出氯化氢和大量的热甚至引起爆炸；接触空气会吸潮结块，失去催化活性，因此应储存在隔绝空气的密闭容器中。 C、工业生产使用的是一定粒度的颗粒状三氯化铝，既不易吸潮，还可避免颗粒太小引起反应初期反应过于激烈。,D、只有乙烯作烷基化剂时，生成乙苯，碳原子数3以上的烯烃，生成支链芳烃（如异丙苯的制备）。,（2）质子酸：硫酸、氢氟酸和磷酸。 活性次序是：HFH2SO4H3PO4 硫酸是以烯烃、醇、醛和酮为烷基化剂广泛使用的催化剂，为了避免磺化

4、、氧化、酯化、脱水等副反应，必须选择合适的浓度。 例如，异丁烯，用8590的硫酸催化制备烷基苯，除了发生烷基化反应外，还发生酯化反应；使用80的硫酸则不发生烷基化反应，而发生酯化反应和烷基化产物的聚合反应。,氢氟酸：沸点19.5，凝固点-83 主要优点： （1）对含氧、氮和硫的有机物溶解度较大，对烃类也有一定溶解度，因此，液态时即是催化剂又是溶剂； （2）不易引起副反应，尤其是AlCl3或H2SO4作催化剂有副反应时，采用氢氟酸较好； （3）沸点低，反应后氢氟酸容易蒸馏除去； （4）凝固点低，容易在低温下反应。 缺点：价格较贵，腐蚀性强。 应用：工业上用于制备十二烷基苯。,磷酸或多磷酸：无水磷

5、酸（H3PO4）凝固点42.4 ，是烯烃烷基化的良好催化剂。通常使用8589的含水磷酸。多磷酸是各种磷酸多聚物的混合物，对许多类型的有机物是良好的溶剂。,优点：烷基化反应时没有氧化副反应，也不会发生芳环的磺化反应。尤其是芳环上含有敏感性基团（如羟基）时，用磷酸效果比三氯化铝或硫酸都好。 缺点：价格比三氯化铝、硫酸贵得多，限制了应用。,二甲苯溶剂回流,十二烷基苯 目前采用HF为催化剂 十二烷基苯中苯在5、6位异构体含量高，2位异构体含量只有15%。,实验发现：2-苯基烷烃经过磺化制得的洗涤剂易降解。UOP公司开发的氟改性硅铝分子筛为催化剂，苯与烯烃在160、1.5MPa反应，2-苯基烷烃含量超过

6、25%。,利用丙烯烷基化-酸解技术生产2萘酚和丙酮，此技术比过去磺化、碱熔制2萘酚更先进。,在以下反应中，所用的HF属于那种类型的试剂？,在苯和烯烃进行烷基化反应中氟化氢是亲电试剂，向烯烃提供质子。 在三氯甲苯和氟化氢反应制备三氟甲苯反应中，氟化氢是亲核试剂，参加反应的是负离子F- 。,思考题,2、烯烃对芳胺C的烷基化 若用质子酸、Lewis酸或酸性氧化物为催化剂，烷基优先进入氨基的对位；若用烷基铝为催化剂，则优先进入氨基的邻位。,橡胶防老剂OD,除草剂拉索的中间体2，6-二乙基苯胺，还广泛用于医药、染料等。高压釜中加入苯胺和催化剂，高温高压下通入过量的乙烯，得到产品。,烷基铝作催化剂，使烷基

7、有选择性地进入芳环氨基或羟基的邻位；遇水或空气会分解燃烧，因此，反应要求无水、隔绝空气，具有良好的搅拌。,3、烯烃对酚类的C烷基化反应 若用质子酸、Lewis酸、酸性氧化物等催化剂，烷基优先进入羟基的对位；若用三苯酚铝，则优先进入邻位。,常用甲基叔丁基醚（沸点55.3）代替异丁烯（-6.8）,醇类反应活性较弱，一般选用硫酸、氯化锌作催化剂。 用醇的烷基化：在酸性催化剂的作用下，醇对芳胺进行烷基化时，如果温度不高（200-250），首先发生N的烷基化。如果温度升高，烷基转移到芳环上，主要生成对位烷基芳胺。,醇类对芳环C的烷基化反应,醛、酮对芳环C的烷基化反应,（1）碳烷基化反应是连串反应： 由于

8、烷基是给电子基团，芳环上引入烷基后，烷基化速度更快。如苯分子结构中引入乙基后，进一步烷基化反应速度比苯快1.53倍。 但是，随着烷基叔目的增多，随着空间位阻的增大，反应速度反而下降。 高产率制备单烷基化产物：选择适宜的催化剂和反应条件，其中最重要的是控制原料苯和烷基化剂的用量比，使苯过量较多，反应后回收利用。,C烷基化反应的特点,（2）碳烷基化反应是可逆反应：烷基苯在强酸催化剂存在下能发生烷基的歧化和转移，即苯环上的烷基可以从一个苯环上转移到另一个苯环上，或从一个位置转移到另一个位置上，如：,利用该原理制备1，2，3三烷基苯、4-叔丁基苯乙酮等难于制备的化合物。,7.3 N烷基化反应,常用的烷

9、基化剂 醇和醚：甲醇、乙醇、甲醚、乙醚等 卤烷：氯甲烷、碘甲烷、溴乙烷、氯苄等 酯类：硫酸二甲酯、硫酸二乙酯、磷酸三甲酯等 环氧化合物：环氧乙烷、环氧氯丙烷 烯烃衍生物：丙稀腈、丙烯酸、丙烯酸甲酯 醛酮：各种脂肪族和芳香族的醛酮,1、用醇的N烷化 （1）历程 醇的烷基化活性较弱，需在较强烈的条件下才能进行。对于活泼的胺类可用价格便宜的醇、醚烷基化。,（2）反应规律,胺类用醇进行的烷基化反应为亲电取代反应，胺的碱性越强，反应越容易进行。 芳香族胺类，环上的给电子基团使芳胺易烷基化；环上的吸电子基团使烷基化变困难。 胺类用醇的烷基化反应是连串反应和可逆反应 存在烷基的转移，即烷基化程度不同的胺之间

10、存在着平衡。,（3）实例,液相烷基化：在强酸存在下，芳胺与醇类的反应要求在高压釜中进行。,临氢烷基化：在骨架镍、钯/炭等催化剂存在时，碱性条件下，芳胺与醇类的反应制备单烷基胺。因为催化剂具有加氢功能，可以硝基化合物为原料合成苯胺。,气-固相接触烷基化法 N,N-二甲基苯胺是制备染料、橡胶硫化促进剂、炸药和医药中间体。 催化剂：-Al2O3 、Cu-Zn/Al2O3、金属氧化物（N-单烷基化选择性好)、正在开发中的改性分子筛择型催化剂 优点：不需要临氢操作，催化剂费用低，可在接近常压操作。,2，用卤代烃作烷化剂 卤代烷的活性较醇强。当需要引入长碳链的烷基时选用卤代烃作烷基化剂。 （1）反应不可逆

11、，为连串反应。,（4）相转移催化剂 酰胺、酰亚胺由于羰基的影响，N原子上的H具有一定的酸性，很难N-烷基化，在非质子极性溶剂中或含吡啶的碱性溶液中，反应速率也很慢，收率低。,1,8-萘内酰亚胺容易与NaOH形成Na盐。加入相转移催化剂或能使钠离子溶剂化的溶剂N-甲基吡咯烷酮，在温和条件下与溴乙烷等反应。,由2-氯-5-硝基苯磺酸与对氨基乙酰苯胺反应，在水介质中，约120和0.2MPa条件下制备4-乙酰氨基-4-硝基二苯胺-2-磺酸时，为何用氧化镁作缚酸剂而不用碳酸氢钠、碳酸钠或氢氧化钠作缚酸剂？,思考题,因为在水介质中，约120和0.2MPa条件下，如果用碳酸钠和碳酸氢钠作缚酸剂，需要不断排除

12、二氧化碳，操作不方便； 如果用氢氧化钠作缚酸剂，介质碱性太强，会引起乙酰氨基水解或氯的水解副反应； 而采用水不溶性的氧化镁作缚酸剂，可以使介质的pH值始终保持在中性至微酸性（生成氯化镁），不会引起上述不良效果。,3，用酯类烷化,硫酸酯、磷酸酯和芳磺酸酯是很强的烷基化剂，沸点较高，反应可在常压下进行。但价格较高。 硫酸酯与胺类反应通式如下： 硫酸酯很容易释放出第一个烷基，释放第二个烷基很困难。需要碱中和生成的酸。 优点：只使N烷基化，而不影响芳环中的羟基。,医药中间体,4、加成N-烷化,用环氧乙烷烷化 环氧乙烷是一种活性较强的烷基化剂，其分子具有三元环结构，容易开环，发生加成反应，引入生成羟乙基

13、化产物。 环氧乙烷沸点10.7，其蒸汽与空气形成爆炸性混合物，所以在通入环氧乙烷前后，必须用氮气置换反应器内的空气。 碱性或酸性催化剂都能加速这类加成反应。,抗滴虫药塞克硝唑,芳胺与环氧乙烷反应，首先生成N-羟乙基芳胺。如再与另一分子环氧乙烷作用，可进一步生成叔胺。反应式如下：,两个反应速度常数k1和k2相差不大，当只需引入一个羟乙基时，环氧乙烷的用量为理论用量的30-50%，以免生成过多的叔胺。,用烯烃及其衍生物的N烷化,脂肪族或芳香族胺类都能与烯烃发生N的烷基化反应。常用烯烃为丙烯腈和丙烯酸酯，生成氰乙基和羧酸酯基化合物。其产物均为生产染料、表面活性剂和医药的重要中间体。 （1）当双键的位

14、没有吸电子基团时，很难N烷基化。 如 （2）烯烃衍生物易聚合，需要加入阻聚剂。 （3）烯烃衍生物的烷基化能力较弱，常需要加入酸、碱为催化剂。酸：醋酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、三氯化铁；碱：三甲胺、三乙胺等。,以丙稀腈为例的反应,芳伯胺的单氰乙基化比二氰乙基化反应速率常数大得多，控制适当的反应条件，可以得到高收率的单氰乙基化产物。 加入无水ZnCl2、无水AlCl3可以缩短反应时间。,5，缩合还原N-烷化,氨或胺类化合物和许多醛、酮可以发生还原性烷基化。 胺与醛酮首先缩合生成席夫碱，在还原剂的作用下加氢得到仲、叔胺。 还原利用 Zn HCl / HCOOH/ H2 + Cat Ni / Co +

15、 RhCl3等,抗菌药培氟沙星,特点： （1）不使用硫酸二甲酯等，操作简单； （2）生成的亚胺可以加氢还原，也可以采用甲酸存在下的胺化还原。,芳伯胺与反应性芳香烃生成二芳基仲胺。 其中X可以是吸电子基团Cl、Br、-NO2、-SO3H等，也可以是给电子基团-OH、-NH2等。 当芳环上的卤素不够活泼时，加入催化剂如CuSO4、CuCl和Cu粉，可使反应在较温和条件下进行。,6，N-芳基化,酸性蒽醌艳蓝,7.4 O-烷基化反应,O的烷基化可以制备脂肪族和芳香族醚类化合物。 1、卤代烃 ：较容易进行，一般将酚类化合物溶解于稍过量的苛性钠水溶液，形成钠盐，然后加入卤代烷，可得到良好的产率。有时加入相转移催化剂效果更好。,2、用酯的烷基化,硫酸酯、磺酸酯均是良好的烷基化剂，硫酸酯与酚、醇在室温下就能顺利反应，以良好的产率生成醚。缺点是价格高。 控制适当的反应条件，可以选择性烷基化。,以下反应中，环氧乙烷各属于哪种类型的试剂？,（1）环氧乙烷是亲电试剂，因为碱使环氧乙烷分子极化，使带部分正电荷一端的碳原子参加亲电加成O-烷基化反应。 （2）环氧乙烷是亲电试剂