第十二章精细有机合成-南京工业大学化学工程与工艺

1、第十二章 羟基化,第一节 概述,一、羟基化反应及其重要性 羟基化是指向有机化合物分子中引入羟基的反应。通过羟基化反应可制得醇类与酚类化合物。这两类物质在精细化工中具有广泛的用途，主要用于生产合成树脂、各种助剂、染料、农药、表面活性剂、香料和食品添加剂等。另外，通过酚羟基的转化反应还可以制得烷基酚醚、二芳醚、芳伯胺和二芳基仲胺等许多含其他官能团的重要中间体和产物。,第一节 概述,二、羟基化方法 向化合物分子中引入羟基的方法很多，其中包括还原、加成、取代、氧化、水解、缩合和重排等多种类型的化学反应。 例如，采用还原方法将脂肪酸及其酯或其它含氧化合物（如醛或酮）还原，以及在催化剂存在下芳烃与环氧乙烷

2、缩合成醇的方法，都是工业生产中合成醇类化合物的重要方法。 本章主要讨论通过亲核取代反应合成醇类与酚类的方法，包括芳磺酸基被羟基置换，氯化物的水解羟基化，芳伯胺和重氮盐的水解羟基化等。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,一、碱熔反应及其影响因素 1. 碱熔反应概述 芳磺酸盐在高温下与熔融的苛性碱（或苛性碱溶液）作用，使磺酸基被羟基置换的反应叫作碱熔。其反应通式如下表示： 生成的酚钠用无机酸酸化（如硫酸），即转变为酚：,第二节 芳磺酸盐的碱熔,芳磺酸盐碱熔一般是向盛有熔融碱的碱熔锅中在高温下分批加入磺酸盐，碱过量25%左右。加完磺酸盐后，再升温反应一段时间，通过测定游离碱含量来控制反应终点。同时，为了防止凝

3、锅现象，应将碱熔物快速放入热水中。产物的分离方法及副产物亚硫酸钠的利用，因酚类的性质不同而异。 芳磺酸盐的碱熔是工业生产中制备酚类的最早的方法，也是最重要的方法。 优点是工艺过程简单，对设备要求不高，适用于多种酚类的制备。 缺点是需要使用大量酸、碱，废液多，工艺较落后。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,最常用的碱熔剂是苛性钠，其次是苛性钾。苛性钾的活性大于苛性钠，苛性钾比苛性钠的价格贵得多。当需要更活泼的碱熔剂时，则使用苛性钾与苛性钠的混合物。使用混合碱的另一优点是其熔点可低于300，适用于要求较低温度的碱熔过程。苛性碱中含有水分时，也可使其熔点降低。 常用的碱熔方法主要有三种：即用熔融碱的常压碱熔、

4、用浓碱液的常压碱熔和用稀碱液的加压碱熔。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,2. 影响因素 （1）磺酸的结构 碱熔反应属于亲核置换反应，因此芳环上含有吸电子基（如磺酸基和羧基）时，对磺酸基的碱熔起活化作用。硝基虽然是很强的吸电子基，但在碱熔条件下硝基会产生氧化作用而使反应复杂化，所以含有硝基的芳磺酸不适宜碱熔。芳环上含有供电子基（如羟基和氨基）时，对磺酸基的碱熔起钝化作用。多磺酸在碱熔时，第一个磺酸基的碱熔比较容易，因为它受到其它磺酸基的活化作用，第二个磺酸基的碱熔比较困难，因为生成的中间产物羟基磺酸分子中，羟基使第二个磺酸基钝化。在多磺酸的碱熔时，选择适当的反应条件，可以使分子中的磺酸基部分或全部转变

5、为羟基。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,第二节 芳磺酸盐的碱熔,（2）无机盐的影响 磺酸盐中一般都含有无机盐（主要是硫酸钠和氯化钠）。这些无机盐在熔融的苛性碱中溶解度很小，几乎是不溶解的。在用熔融碱进行高温（300340）碱熔时，如果磺酸盐中无机盐含量太多，会使反应物变得粘稠甚至结块，使物料的流动性降低，造成局部过热甚至会导致反应物的焦化和燃烧。因此，在用熔融碱进行碱熔时，磺酸盐中无机盐的含量要求控制在10%（质量）以下。使用碱溶液进行碱熔时，磺酸盐中无机盐的允许量可以高一些。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,（3）碱熔的温度和时间 碱熔的温度主要取决于磺酸的结构，不活泼的磺酸用熔融碱在300340进行常压

6、碱熔，碱熔速度较快，所需时间较短，一般在熔融碱中加完磺酸盐后，保持十分钟即可达到终点。 温度过高或时间过长，都会增加副反应；但是温度太低则会产生凝锅事故。比较活泼的磺酸可选用70%80%苛性钠溶液，在180270进行常压碱熔。更活泼的萘系多磺酸可在20%30%稀碱液中进行加压碱熔，反应时间较长，需要1020h。高温碱熔适宜于不活泼的磺酸的碱熔。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,（4）碱的浓度和用量 高温碱熔时一般使用90%以上的熔融碱，理论上1mol磺酸盐需要2mol碱即为1:2（物质的量之比），但实际上碱必须过量，一般为1:2.5左右。中温碱熔时，一般使用70%80%的浓碱液，且碱过量较多，有时可达

7、1：（68）（即理论量的34倍）或更多一些。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,二、碱熔方法 1. 用熔融碱的常压碱熔（常压高温碱熔） 用熔融碱的常压碱熔适用于含有不活泼磺酸基的芳磺酸盐的碱熔，并且可以使多磺酸中的磺酸基全部置换为羟基。主要产物有苯酚、间苯二酚、1-萘酚和2-萘酚等。通常是向盛有熔融碱的碱熔锅中分批加入磺酸盐，碱熔温度为320340，碱过量25%左右。加完磺酸盐后，再升温反应一段时间，通过测定游离碱含量控制反应终点。为了防止发生凝锅现象，应将碱熔物快速放入热水中。产物的分离方法及副产物亚硫酸钠的利用，因酚类的性质不同而异。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,2. 用浓碱液的常压碱熔（常压中温碱熔）

8、 以70%80%的NaOH浓碱液为碱熔剂适用于将多磺酸化合物中的一个磺酸基置换成羟基，由于第一个磺酸基比较活泼，故碱熔温度为180270，常压下反应。主要产物有J酸、酸、芝加哥S酸等。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,3. 用稀碱液的加压碱熔（加压中温碱熔） 用20%50%NaOH溶液为碱熔剂在高温及压力下碱熔，可以实现多磺酸中仅置换其中的一个磺酸基，而保留其余的磺酸基和氨基。 例如，2,7-萘二磺酸用50%的NaOH在200220、1MPa下碱熔，得到2-羟基-7-萘磺酸；1,5-萘二磺酸用21.74%NaOH在230、2.4MPa下碱熔，得到1-萘酚-5-磺酸；1-氨基萘-3,6,8-三磺酸用23

9、%NaOH在178182、0.550.65MPa碱熔，得到1-氨基-8-萘酚-3,6-二磺酸（H酸）。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,三、应用实例 1. 2-萘酚的制备 2-萘酚及其磺酸衍生物是合成染料、有机颜料、农用化学品、医药化学品、香料以及表面活性剂的重要中间体。 萘的高温磺化-碱熔法是生产2-萘酚的主要方法。它是在碱熔锅中加入熔融碱，在285320下慢慢加入2-萘磺酸钠湿滤饼（含-盐70%80%），物质的量之比为1:2.3。加料完毕，快速升温到330340，保温30min左右，当碱熔物中的游离碱含量下降到4%以下时为反应终点。碱熔过程的收率可达90%95%。将碱熔物放入热水中，使其完全溶解，

10、然后在6080用酸酸化，静置分层，用热水洗去有机层中的无机盐，经脱水、蒸馏，得到产物2-萘酚。,第二节 芳磺酸盐的碱熔,2. 2-氨基-5-萘酚-7-磺酸（J酸）的生产 J酸也是重要的染料中间体，它是由吐氏酸经磺化、酸性水解和碱熔而制得的。 其化学反应过程如下： 该法是在碱熔锅中加入45%的碱液和固碱，在190200和0.30.4MPa时，加入氨基J酸钠盐，再在190200保温反应6h，然后进行中和，酸析得J酸。,第三节 有机化合物的水解,一、卤化物的水解 1. 脂肪族卤化物的水解 卤化物中以有机氯化物的制备比较方便和价廉，所以常被用来作为制取醇和酚的中间产物。与烷基相连的氯原子通常比与芳基相

11、连的氯原子活泼，当其与水解试剂作用时，即可水解得到相应的醇类。如不同结构的有机氯化物，其水解的难易顺序可排列如下： C6H5CH2ClCH2=CHCH2Cl伯碳RCl仲碳RClC6H5Cl 常用的水解试剂是NaOH、Ca(OH)2及Na2CO3的水溶液。不过，在氯化物碱性水解的同时，也可能伴随有碱性脱氯化氢生成烯烃的平行反应发生：,第三节 有机化合物的水解,碱性脱氯化氢反应的活泼性随-碳原子上氢原子的酸性增强而增加，当分子中存在吸电子取代基时，有利于消除反应的发生。 当氯原子和羟基处在相邻位置的氯代醇类化合物与碱作用时，存在取代和消除两种反应的可能性。不过，前者生成二元醇，后者生成-氧化物。,

12、第三节 有机化合物的水解,当氯衍生物与碱作用时，亲核取代与消除反应都有可能发生，何者为主与许多因素有关，如温度、介质、水解剂等，其中对反应选择性起决定作用的是水解剂的选择。在发生取代反应时，水解剂显示亲核性进攻碳原子；在发生消除反应时，水解剂显示碱性接近位碳上的氢原子。因此，进行取代反应要求采用亲核性较强的弱碱(如Na2CO3)作水解剂，进行消除反应时要求采用亲核性较弱的强碱(如NaOH)作水解剂。取代氯原子的水解反应宜选用Na2CO3作水解剂，它将阻止发生脱氯化氢的消除反应，以减少生成醚的副反应。 芳香族氯化物的水解比氯代烷烃困难得多。一般不用Na2CO3，而用NaOH作水解剂，这是由于芳香

13、族氯化物的活性低，一般不产生脱HCl的消除反应。向芳环上引入吸电子取代基，可以提高氯原子的活泼性，使水解反应较易进行。,第三节 有机化合物的水解,2. 芳香族卤化物的水解 （1）氯苯水解制苯酚 氯苯分子中的氯基很不活泼，它的水解需要极强的反应条件，在工业上曾经用氯苯的水解法制取苯酚。水解的方法有两种： 碱性高压水解 将10%15%氢氧化钠和氯苯的混合液在360390、3036MPa下连续地通过高压管式反应器，进行水解，停留时间约为20min，除生成苯酚外，还副产二苯醚。 此法的缺点是要消耗氯和氢氧化钠、副产废盐水，同时需要使用耐腐蚀的高压管式反应器。,第三节 有机化合物的水解,常压气固相接触催

14、化水解法 将氯苯和水的气态混合物预热到400450通过Ca3(PO4)2/SiO2催化剂，氯苯即水解为苯酚，氯苯的单程转化率约为10%15%。 此法的缺点是催化剂活性下降快，转化率低。 现在氯苯水解法制取苯酚已逐渐被异丙苯氧化-酸解法所取代。,第三节 有机化合物的水解,（2）多氯苯的水解 二氯苯分子中的氯基虽然稍微活泼一些，但是氯基的水解仍需要相当强的反应条件。而多氯苯分子中的氯基要活泼一些，氯基的水解需要比较强的反应条件。 邻二氯苯碱性部分水解可得到邻氯苯酚，但此法需要高纯度的邻二氯苯，并且要使用高压反应器；邻二氯苯碱性完全水解可以得到邻苯二酚，常用硫酸铜为催化剂，在管式高压反应器中1801

15、90下停留5060min即可。此法只适用于小规模生产。 对二氯苯在氢氧化钠的甲醇溶液中（硫酸铜作催化剂），在高压釜中225下反应，可得到对氯苯酚。 1,2,4,5-四氯苯与氢氧化钠的甲醇溶液在130150、0.11.4MPa反应可以得到2,4,5-三氯苯酚。,第三节 有机化合物的水解,（3）硝基氯苯的水解 当苯环上氯基的邻位或对位含有硝基时，由于硝基的强吸电子作用的影响，苯环上与氯基相连的碳原子上的电子云密度显著降低，亲核反应活性显著增加，使氯基较易水解。因此只需要用稍过量的氢氧化钠溶液，在较温和的反应条件下进行水解。例如：,第三节 有机化合物的水解,氯基水解是制备邻、对硝基酚类的重要方法，用

16、氯基水解法还可以制得以下邻硝基酚类。例如：,第三节 有机化合物的水解,3相转移催化卤化物的水解 近年来相转移催化技术被应用到氯基的水解反应中，采用的催化剂是其中含有一个长碳链烷基的季铵盐，以便具有一定的亲油性，在反应过程中，R(CH3)3N+OH-被带入有机相与氯化物发生水解反应，生成的R(CH3)3N+Cl-回到水相，与水相中的OH-进行离子交换又得到R(CH3)3N+OH-，加入相转移催化剂可以使水解反应加速。,第三节 有机化合物的水解,向反应体系中加入表面活性剂，由于可产生乳化作用，降低扩散阻力，也可加速反应。 例如当进行2，4-二硝基氯苯的水解时，如加入含1218个碳原子的N-烷基吡啶

17、氯化物阳离子表面活性剂，可使水解反应加速。,第三节 有机化合物的水解,二、重氮盐的水解 重氮盐在酸性介质中水解是制取酚类的常用方法之一。 在没有还原剂存在时，重氮基被羟基取代是亲核取代反应，当加入铜的化合物时，其历程与桑德迈反应历程相似。 常用的重氮盐是重氮硫酸氢盐，分解反应常在硫酸溶液中进行。重氮盐的水解不宜采用盐酸和重氮盐酸盐，因为氯离子的存在会导致发生重氮基被氯原子取代的副反应。,第三节 有机化合物的水解,重氮盐水解成酚的一个改良方法是将重氮盐与氟硼酸作用，生成氟硼酸重氮盐，然后用冰乙酸处理，得乙酸芳酯，再将它水解得到酚。 重氮盐是很活泼的化合物，水解时会发生各种副反应。为了避免这些副反

18、应，总是将冷的重氮硫酸盐溶液慢慢加到热的或沸腾的稀硫酸中，使重氮盐在反应液中的浓度始终很低。水解生成的酚最好随同水蒸气一起蒸出。重氮盐水解时若有硝基存在，则可得到相应的硝基酚。利用此方法可以制备下列酚：,第三节 有机化合物的水解,三、芳伯胺的水解 1. 酸性水解 酸性水解反应是在稀硫酸中、在高温和压力下进行的。若所需要的水解温度太高，硫酸会引起氧化副反应，可采用磷酸或盐酸。此法的优点是工艺过程简单。缺点是要用搪铅的压热釜，设备腐蚀严重，生产能力低、酸性废水处理量大。酸性水解主要用于从1-萘胺水解制1-萘酚。,第三节 有机化合物的水解,用酸性水解还可以由1-萘胺磺酸衍生物制备相应的1-萘酚磺酸衍

19、生物。如： 应该指出，从1,8-氨基萘磺酸制取1,8-萘酚磺酸时，不能采用酸性水解法制取，而要采用重氮化水解法。,第三节 有机化合物的水解,2. 碱性水解 在磺酸基碱熔时，如果提高碱熔温度，可以使萘环上位的磺酸基和位的氨基同时被羟基所置换。此法只用于变色酸（1,8-二羟基萘-3,6-二磺酸）的制备。反应式如下：,第三节 有机化合物的水解,3. 在亚硫酸氢钠溶液中水解 某些1-萘胺磺酸在亚硫酸氢钠水溶液中，常压沸腾回流（100104），然后用碱处理，即可完成氨基被羟基置换的反应。上述反应也称布赫勒反应。它是使萘系羟基化合物与氨基化合物相互转化的重要反应。 在工业上，此法用于由1-氨基-4-萘磺酸

20、制备1-羟基-4-萘磺酸（NW酸）。 但是，在1-位氨基的邻位、间位和对位有磺酸基时，对布赫勒反应阻碍，限制了此法的应用范围。,第三节 有机化合物的水解,四、硝基化合物的水解 芳环上的硝基对于碱的作用相当稳定。此法只用于从1,5-和1,8-二硝基蒽醌的碱熔制取1,5-和1,8-二羟基蒽醌。为了避免氧化副反应，不用苛性钠而用无水氢氧化钙作碱熔剂。反应要在无水非质子强极性溶剂环丁砜中、280左右进行。此法由于蒽醌的二硝化制1,5-和1,8-二硝基蒽醌时副产物多、产品分离精制困难以及碱熔产物的分离精制和溶剂回收等问题，目前尚未工业化。,第三节 有机化合物的水解,五、应用实例 12,4-二硝基苯酚的生

21、产 2,4-二硝基苯酚为浅黄色结晶，它主要用于硫化染料、苦味酸和显像剂的生产。其合成反应式如下：,第三节 有机化合物的水解,首先将氯苯加入到硝化锅中，然后逐渐加入混酸，加料温度控制在55左右。混酸加完后，升温至80维持半小时，静置半小时后分离出废酸，一硝基氯苯留在锅内。在一硝基氯苯中在加入混酸，反应温度控制在65，混酸加毕，升温至100维持1小时。静置半小时后分离出废酸,用热水洗至不呈酸性。然后加入10%的氢氧化钠水溶液，在90100下，常压碱熔，冷却后过滤析出钠盐。用盐酸酸化钠盐至溶液pH=1，即可得2,4-二硝基苯酚黄色结晶状产品。,第三节 有机化合物的水解,22,3-二甲基苯酚的生产 2

22、,3-二甲基苯酚为白色针状结晶，溶于醇和醚等溶剂。主要用于有机合成。工业上通过重氮盐水解法制得，其合成过程如下： 先将2,3-二甲基苯胺和硫酸的混合物冷却至05，逐渐加入亚硝酸钠溶液进行重氮化反应。然后将重氮盐缓缓加入到已预热至160的稀硫酸中进行水解反应，生成的2,3-二甲基苯酚用水蒸汽蒸馏，所得的粗品用苯重结晶，即可得到产品。,第四节 其它羟基化反应,一、烃类的氧化-酸解制酚 1异丙苯氧化-酸解制苯酚 用异丙苯法合成苯酚是当前世界各国生产苯酚最重要的路线，它以苯和丙烯为原料，在催化剂存在下首先烷化得到异丙苯，而后用空气氧化得到异丙苯过氧化氢，最后经酸性分解得到苯酚和丙酮，每生产1吨苯酚，将

23、联产0.6吨丙酮。因此这条路线的发展规模与经济效益，与丙酮的销路和价格密切相关。此法的优点是原料易得，不需要消耗大量的酸碱，而且三废少，能连续操作，生产能力大，成本低。其基本反应过程如下：,第四节 其它羟基化反应,当异丙苯氧化时，开始只生成异丙苯过氧化氢，在许多因素的影响下，如温度、氧化深度、原料异丙苯的纯度、催化剂的用量、反应器壁的材料等，在氧化过程中能进一步生成许多氧化副产物。例如：,第四节 其它羟基化反应,异丙苯过氧化是制取苯酚和丙酮过程中的必要过程，获得最大的过氧化氢收率和尽量减少副产物生成，在整个生产过程中起十分重要的作用。 由于酸性分解是放热反应，如果温度过高，异丙苯过氧化氢会按其

24、他方式分解，产生副产物。甚至会发生爆炸事故。因此必须小心控制酸解温度，一般控制在60100。 异丙苯过氧化氢酸性分解可以使用各种不同的酸，如硫酸、磷酸、对甲苯磺酸等。,第四节 其它羟基化反应,2间甲酚的合成 甲酚有三种异构体，其中间甲酚是制备农药的重要中间体。此法与异丙苯制苯酚相同。甲苯异丙基化时主要生成异丙基甲苯，一般不经分离直接进行氧化酸解。涉及混合甲酚的分离，其总的工艺流程比异丙苯法制备苯酚复杂的多。其反应式可表示如下：,第四节 其它羟基化反应,异丙基甲苯分子中有异丙基和甲基两个烷基，氧化时生成两种过氧化氢物。叔过氧化氢物酸性分解生成甲酚和丙酮，二伯过氧化氢物酸性分解则生成异丙基苯酚甲醛和树脂物。因此混合甲酚的收率比苯酚低。制得的混合物中约含有2/3的间甲酚和1/3的对甲酚。两者的性质极其接近，不能用通常的