精细化学品化学卤化第二章

1、2020/9/16,1,第二章 卤化,第一节 概述,一、定义,卤化：指向有机分子中的碳原子上引入一个或一个以上卤原子的反应。根据引入卤原子的类别又可分为氟化、氯化、溴化及碘化。,许多有机卤化物广泛用作溶剂、医药、杀虫剂、植物生长激素、有机药物、染料、香料、炸药等。其中有机氯化物的制备最为经济，因为生产烧碱的同时联产了大量氯气，因而氯化反应大量应用于工业生产。,2020/9/16,2,第一节 概述,溴的资源相对较氯少，但溴化物常常具有某些功能性用途，如许多含溴化合物可作为性能优良的阻燃剂；向染料和药物分子中引入溴原子，可改进染料和药物的性能；溴化物中溴原子比较活泼，较易为其它基团置换。,碘的价格

2、昂贵，其资源远少于其它几种卤素。引入卤原子的方法一般有加成、取代和置换已有取代基（如羟基或磺酸基）三种类型。,2020/9/16,3,第一节 概述,氟的自然资源较广、具有突出的优点，如氟代烃类是近年来新开发的新型表面活性剂，它具有一般表面活性剂所不具备的优异性能；氟化反应还被用于润滑油、烹饪用具涂料、火箭燃料、染料等多种精细化工产品的合成。,二、卤化在工业上的价值（作用）,卤化反应是精细有机合成中最重要最基本的单元反应。 1、通过卤化反应，可以赋予或改进某些精细化学品的性能；,2020/9/16,4,（1）阻燃性,2020/9/16,5,七氟菊酯,（2）杀虫、杀菌性,2、有机化合物卤化后，其极

3、性增加，化学活性提高，特别是分子中的卤原子具有一定的活泼性，容易为其它基团所置换而形成一系列含有另一种官能团的有机化合物。如卤原子为羟基、氨基、烷氧基所取代。,2020/9/16,6,第一节 概述,三、卤化反应类型,置换卤化：亲核反应置换氟化,2020/9/16,7,第二节 取代卤化反应,芳烃的取代卤化是在催化剂存在下，芳环上的氢原子被卤原子取代的过程。如苯的氯化：,一、芳烃的取代卤化的主要影响因素,2020/9/16,8,此类反应具有连串反应的特点，即先得到的卤代产物可以继续发生取代卤化反应，生成卤化程度较高的产物。取代卤化通常是以金属卤化物作催化剂。,2020/9/16,9,在烃类的取代卤

4、反应中，氟化是高放热反应，氯化是放热反应，溴化为中等放热，而碘化则是吸热反应。在所有温度条件下，氟化、氯化和溴化反应都有利于向右方进行，而碘化反应则恰好相反。,1、底物性质,取代基可通过电子效应使苯环上的电子云密度增大或减小，从而影响芳烃卤化反应的速度。如表2-1所示：,2020/9/16,10,表2-1 一取代苯一溴化时的相对速度,2020/9/16,11,芳环上如有给电子基团时有利于形成-络合物，卤化容易进行，主要形成邻、对位异构体，但常出现多卤代现象。如胺类和酚类的氯化不需要加入催化剂，反应可以在水介质中在室温下完成； 当活泼的芳胺氯化时，容易发生多氯化，若要制取一氯衍生物，常常先要将伯

5、胺转化成酰胺。,2020/9/16,12,芳环上有吸电基时，降低了芳环上电子云密度而使卤化反应不易进行，为此需加入催化剂并提高反应温度以促进反应。 如：苯酚与溴反应时，在无催化剂条件下很迅速，几乎定量生成2，4，6-三溴苯。而硝基苯的溴化，需加铁粉并加热至135140才发生反应。,2020/9/16,13,含多个电子的杂环化合物 (如噻吩 、吡咯 、呋喃 )的卤化反应容易发生；而缺 电子、芳香性较强的杂环化合物(如吡啶)等，其卤化反应较难发生。,2020/9/16,14,2、卤化剂,卤素是最常用的卤化剂，其亲电活性顺序为：Cl2 BrCl Br2 ICl I2 碘的活性低，而且用其进行碘化反应

6、时生成的碘化氢具有还原性，使反应可逆：,因此需不断除去反应中生成的HI以利于碘化反应进行。（有哪些方法？）,2020/9/16,15,常用方法是: (1)加入氧化剂(硝酸、三氧化硫和双氧水等)使HI转化为碘; (2)加入碱性物质(NaOH、NaHCO3、CaCO3和NH3等)以中和HI; (3)加入金属氧化物(MgO、HgO等)使之与HI形成难溶于水的碘化物。,2020/9/16,16,在芳香族取代反应中分子碘是活泼性最低的反应剂，除非十分活泼的芳香化合物（如苯酚）要直接采用分子碘作碘化剂外，通常均要求加入氧化剂（如HNO3 、 HIO3 、 SO3 与 H2O2 等），使碘氧化成较强的亲电质

7、点。,ICl是一种较强的碘化剂,故常在I2中加入少量Cl2起催化剂作用，但不会发生氯化。,2020/9/16,17,动力学研究表明，当水杨酸或苯胺用ICl碘化时，反应速度是用I2和KCl作碘化剂的105倍。,而采用不同溴化剂溴化时，其速度常数依下列顺序急剧下降：Br+ BrCl Br2 HBrO,卤化剂种类会影响芳烃卤化反应的速度、取代的位置与数目、异构体的比例等。,在常压下氟与许多有机化合物相遇，立即产生剧烈反应，容易使有机分子产生断键，给有机合成造成较大的困难。,2020/9/16,18,表2-2 苯一取代衍生物在卤化时的定位,2020/9/16,19,3、反应介质,除原料和产物在反应温度

8、下都是液态(如苯、甲苯)可直接进行卤化外，多数反应要在溶剂存在下进行。（如何选择溶剂？?),由表2-2可看出，溴取代对位多，原因是溴原子半径比氯大，可极化度较大，故受溶剂效应的影响也大。,采用不同溴化剂溴化时，其速度常数依下列顺序急剧下降：Br+ BrCl Br2 HBrO,2020/9/16,20,当被卤化物及其产物在反应温度下呈固态，需根据其性质和卤化的难易程度，选择和使用合适的介质： 对于容易卤化的芳烃，常将其悬浮和分散在盐酸或稀硫酸中进行卤化； 对于较难卤化的芳烃，一般用浓硫酸、发烟硫酸或氯磺酸作介质，有时还加入适当的催化剂碘。,2020/9/16,21,2020/9/16,22,当要

9、求反应在较缓和的条件下进行，或是为了定位的需要，有时宁愿选用适当的有机溶剂。例：,2020/9/16,23,醋酸 60%、 三氟醋酸 67% 硫酸 90%。,又如： 邻位产物,由于各种异构体的用途差异较大，如果比例不当，会造成有的产品供不应求，有的产品则严重积压。因此，近年来对改变卤化定位比例的研究十分活跃。,2020/9/16,24,在沸石存在下用次氯酸叔丁酯为氯化剂，可在缓和条件下氯化芳烃，得到高选择性的对位一氯代物：,2020/9/16,25,4、反应温度,在芳烃卤化反应中，温度可以影响卤原子取代的位置和数目。 升高温度有利于多卤代物的生成，如在室温下进行一些苯及衍生物的氯化、溴化反应，

10、单卤代物为主要产物； 而升高温度后，芳环上的氢原子逐渐被卤原子取代，从而得到多卤代芳烃。,2020/9/16,26,二、脂肪烃、芳烃侧链的取代卤化,脂肪烃和芳烃侧链的取代卤化反应是在光照、加热或引发剂存在下卤原子取代烃链上氢原子的过程。,当有催化剂存在时，环上取代氯化的活化能低于侧链氯化的活化能，其速度常数比侧链氯化快几个数量级。 所以应当注意：不要使反应物中混入能发生环上取代氯化的催化剂。生产上要求采用搪瓷、搪玻璃等设备。,2020/9/16,27,(一)反应历程,1、链的引发,2、链的传递,2020/9/16,28,3、链的终止,(二)主要影响因素,1、底物的性质,2020/9/16,29

11、,（1）几条经验规律： 饱和碳上氢的取代氯化速率大于不饱和碳上氢的取代氯化速率。如：,在高温下氯化，饱和碳上的取代氯化速率大于双键加成速率；但低温下氯化，则加成大于取代速率。即高温取代，低温加成。,2020/9/16,30,双键的加成速率大于不饱和碳上的氢的取代氯化速率。（同一位置上的H）,处在氯的-位氢的取代氯化速率，与该碳原子未氯化前氢的取代氯化速率大体相同。如：CH3CH2Cl在260时，反应主要在1-碳原子上进行。,处在氯的-位氢取代氯化速率明显小于连接氯的碳原子未氯化前氢的取代氯化速率。,2020/9/16,31,处在氯的-位氢的取代氯化速率与连接氯 的碳原子未氯化前氢的取代氯化速率

12、相近。,处在氯-位或距离更远的氢，则取代氯化速率与有无氯原子的存在关系不大。各种底物氢原子的活性顺序为： ArCH2-H CH2=CHCH2-H 叔C-H 仲C-H 伯C-H CH2=CH-H 这与反应中形成的碳游离基的稳定性规律相同。,2020/9/16,32,（2）苄位和烯丙位氢原子比较活泼，容易进行游离基取代卤化反应。,如果在苄位的邻、对位接有吸电子基团使环上电子云密度下降，使苯环钝化，不易发生环上取代，苄位的卤化更容易进行；如果在苄位的邻对位为给电子基团，则卤化相对困难.,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，它们的反应活 性取决于相应的碳游离基的稳定性

13、。其活性顺序为：叔CH仲CH伯CH。,2020/9/16,33,2、卤化剂,常用的卤化剂为氯、溴、碘、磺酰氯、次氯酸叔丁酯、N-卤代酰胺、N-卤代胺、N-溴代丁二酰亚胺（NBS）和多卤烃等，它们在光照、加热或引发剂存在下产生卤游离基。,2020/9/16,34,卤素的活性顺序是F Cl Br I，但其选择性与此相反。碘的活性差，较难直接与烷烃反应；而氟的反应性极强，用其直接进行氟化反应十分剧烈，常使有机物分解，所以它们在烷烃取代卤化中应用较少。 （Cl 、 Br）,卤素可与脂肪烃中的双键发生加成反应，一般不宜采用卤素进行烯丙位取代卤化反应； 而芳环上不易发生卤素的加成反应，则可采用卤素进行苄位

14、取代卤化反应。,2020/9/16,35,NBS用于烯丙位或苄位氢的卤化反应，具有反应条件温和、选择性高和副反应少的特点。 例：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溴化物或烯丙位溴化物：,2020/9/16,36,3、游离基的引发条件,烃类化合物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。光照引发和高温引发是经常采用的两种方法。,表2-4 卤素分子离解所需能量,2020/9/16,37,4、反应条件,(1)介质 CCl4是通常采用的反应介质，因它属于非极性惰性溶剂，可避免游离基反应的终止和一些副反应的发生。 反应物若为液体，则可不用溶剂。,(2)温度 低温有利

15、于烯烃与卤素的加成反应，而提高反应温度则有利于取代反应，也可促进卤化剂均裂成游离基，所以一般在高温下进行苄位和烯丙位的取代卤化反应。,2020/9/16,38,另外，进行侧链氯化时，能产生环上加成氯化副反应，低温时尤为显著，因此一般侧链氯化均要求在高温下进行。,(3)其它 金属卤化物等对烯烃的加成卤化或芳环的亲电取代卤化反应具有催化作用，而对游离基反应不利。 反应物中的铁杂质、微量水和氧气也会抑制游离基反应的进行。因此不使用铁质反应器，原料也应是干燥的、不含氧和杂质的。,2020/9/16,39,三、其它取代卤化,羰基-H比较活泼，在酸或碱的催化下可被卤原子取代。常用卤化剂有卤素、N-卤代酰胺

16、和次氯酸酯等，溶剂是CCl4、氯仿和乙酸等。,2020/9/16,40,第三节 加成卤化反应,一、卤素与烯烃的加成,不饱和烃类的加成卤化对于所有的卤素都是高放热反应，反应均有利于向右方进行。 由于氟分子反应性极强，它与CC加成时，将放出大量的热而使反应难以控制，易发生消除取代和聚合等副反应，且脂肪族氟化物性质稳定，不能作为反应中间体，所以氟和烯烃的加成反应在有机合成上无实用意义。,2020/9/16,41,碘的化学性质不活泼，与烯烃的加成是可逆的，生成的二碘化物不仅收率低，而且稳定性差，故亦极少应用。 在精细有机合成中，卤素与CC的加成反应以氯化和溴化比较普遍。 卤素与烯烃加成有不同的反应历程

17、：亲电加成、游离基加成。,(一)亲电加成卤化,1、反应历程,2020/9/16,42,反应分两步： 卤素分子受双键电子的影响发生极化，其正电部分向双键作亲电攻击，形成三元环“-络合物”。,卤负离子从位阻较小的三元环背后向缺电子的碳原子作亲核进攻，生成反式加成产物。,2020/9/16,43,说明： 烯烃在液相中进行亲电加成，在低温下可顺利进行；而加入路易斯酸作催化剂（如三氯化铁）则可加速反应，因此该反应属亲电加成历程。在反应过程中形成-络合物和-络合物。,烯烃与卤素反应时，卤原子与双键的两个相邻碳原子连接；如果是与卤化氢作用，将服从马氏规则，卤原子连接在含最少氢原子的碳上，而氢则加到双键的另一

18、端的碳原子上。,2020/9/16,44,2、主要影响因素,（1）烯烃的结构 由于是亲电加成，所以烯烃双键的电子云密度的大小必然直接影响反应的难易程度。,当烯烃双键有给电子基团（如HO-，RO- R-, CH3CONH-，C6H5-等）相连时，其反应性能提高，有利于烯烃的加成卤化；,与吸电子基（如-NO2, -COOH, -COOH, -CN, 磺酸基-SO3H和-X等）相连时则起相反的作用。不利于烯烃的加成卤化。,2020/9/16,45,烯烃的加成卤化反应活性顺序是： R2CCR2R2CCHRR2CCH2RCHCH2CH2CH2CH2CHCl,对于烯烃双键电子云密度较低的反应物，则可加入少

19、量路易斯酸或叔胺吡啶等进行催化，以便加快反应进行。,2020/9/16,46,（2）溶剂 常用的溶剂有CHCl3、CCl4、CS2、CH2Cl2和乙酸乙酯等。如果在极性溶剂中（如水、醇、羧酸等）中进行加成反应，则溶剂的负离子也会参与反应，产物不仅是1,2-二卤化物，还包括-卤醇或相应的醚、酯等，有的产物完全是由溶剂负离子进行加成而产生的。,2020/9/16,47,2020/9/16,48,（3）其它 通常，卤素与烯烃的加成反应在较低温度下进行。若反应温度过高，容易导致取代和消除等副反应的发生。 而常用的卤素中：氯与溴相比，前者的加成反应速度快，而后者的反应选择性好。,(二)游离基加成卤化,游

20、离基加成卤化是经光照、高温的激发活化，或在引发剂存在下，首先生成卤游离基，然后与烯烃发生加成反应。其反应历程：,2020/9/16,49,引发：,传递：,终止：,影响反应的主要因素是游离基的引发和终止。,2020/9/16,50,反应溶剂通常是CCl4等惰性溶剂，若反应呈液态亦可不用溶剂。 双键上有吸电子基的烯烃，较难与卤素发生亲电加成反应，但能发生游离基加成卤化。,如：分子中已含有三个氯原子的三氯乙烯，很难直接加成，若用光催化的游离基加成氯化则可制得五氯乙烷，而五氯乙烷经消除HCl后，即得四氯乙烯。（从三氯乙烯制备四氯乙烯？）,2020/9/16,51,二、卤化氢与烯烃的加成,卤化氢是常用卤

21、化剂，可经由碱金属的卤化物与硫酸作用产生，用于卤化反应的卤化剂主要指氯化氢和溴化氢。,卤化氢与烯烃的加成反应是一个放热的可逆反应：低温有利于加成反应，当温度低于50时，反应几乎不可逆。,采用卤化氢为卤化剂时的放热量比用卤素时要小，但所有用卤化氢的反应都是可逆反应。,2020/9/16,52,根据机理，卤化氢的加成反应也可分为亲电加成和游离基加成。,(一)亲电加成卤化,1、反应历程,反应分两步： 质子亲电进攻烯烃形成碳正离子； 碳正离子与卤负离子结合生成卤代化合物。,卤化氢的活性顺序为：HI HBr HCl 在反应中加入路易斯酸（三氯化铝、三氯化铁等），可以促进卤化氢分子的离解，从而加速反应的进

22、行。,2020/9/16,53,2、定位规律-马氏规则,由于是亲电加成，所以当双键碳原子上接有供电子基时有利于反应，加成方向符合马氏规则，即氢原子加到含氢较多的双键碳原子上，卤原子加到另一双键碳原子上。,2020/9/16,54,烯烃双键带有强的吸电基时，加成反应速 度明显下降，定位按反马加成：例：,2020/9/16,55,(二)游离基加成卤化,在光照或引发剂的存在下，溴化氢与烯烃的加成属游离基历程。其定位主要受到双键极化方向、位阻效应和烯烃游离基的稳定性等因素影响，一般为反马加成。如：,2020/9/16,56,三、其它卤化物与烯烃的加成,(一)次卤酸与烯烃的加成,常用的HXO为HClO，

23、可将Cl2通入水中而制得，其性质不稳定，难以保存，制备后必须立即使用。,HXO与烯烃的加成属亲电加成，定位规律符合马氏规则。,2020/9/16,57,工业生产中的一个典型例子是HClO水溶液与丙烯的加成反应，产物氯丙醇是重要的有机化工原料，可在碱性条件下制取环氧丙烷。,(二)N-卤代酰胺与烯烃的加成,在酸催化下，N-卤代酰胺也是一种常见的卤化剂。其优点可避免二卤化物的生成，产品纯度高，收率高。,NBS,NBA,2020/9/16,58,反应历程类似于卤素和烯烃的亲电加成反应，卤正离子由N-卤代酰胺提供，负离子来自溶剂。 此外，该卤化剂溶于有机溶剂，所以不溶于水的烯烃可在有机介质中进行有效的均

24、相反应。,第四节 置换卤化反应,2020/9/16,59,一、概述,置换卤化反应是利用卤原子置换有机物分子中与碳原子相连的羟基、硝基、重氮基、磺酸基和其它卤原子等官能团。 由于氟分子的特殊性，氟化物主要通过置换卤化反应来制备。置换卤化反应具有副反应少、产品纯度高的显著特点。,二、羟基的置换卤化,(一)置换醇羟基,2020/9/16,60,1、氢卤酸(HX),氢卤酸与醇发生置换反应的难易取决于它们各自的活性大小。氢卤酸的活性与负离子的亲核能力有关，其顺序为： HI HBr HClHF,醇羟基的活性规律一般是： 叔羟基仲羟基伯羟基 伯醇和仲醇的置换反应较慢，需加入ZnCl2等催化剂以促进反应。,2

25、020/9/16,61,由于反应可逆，故采用不断从反应液中移去产物，或加入去水剂（硫酸、磷酸、CaCl2等）和恒沸带水剂（苯、环已烷、甲苯和氯仿等）除去生成的水等方法，均能加速反应，提高产率。,2020/9/16,62,2、卤化亚砜,对于高碳醇、杂环醇的置换卤化反应，常以卤化亚砜作卤化剂。若加入吡啶等有机碱作催化剂，则可加快反应速度。（为什么不使用HX?),2020/9/16,63,此法的优点： 1）生成的二氧化硫和氯化氢等副产物均为气体，易与产物卤代烷分离； 2）异构化等副反应少，产率高； 3）氯化亚砜本身的沸点低，过剩量可以蒸馏回收，因而在生产上广泛采用。,(二)置换酚羟基,酚羟基的活性较

26、小，常采用较强的卤化剂如PCl5。（酚羟基的置换有何特点？）,2020/9/16,64,由于PCl5受热分解成PCl3和Cl2，离解度随温度的升高而增大，置换能力却随之而下降，而且产生的Cl2易引起芳烃的取代卤化和烯烃双键的加成卤化等副反应，所以温度不宜过高。,POCl3的活性较PCl5小，置换一个酚羟基需加入过量的POCl3，有时还需加适量的吡啶、DMF、二甲苯胺等催化剂才能使置换反应进行完全。这是因为其分子虽有三个氯原子可供反应，但只有第一个氯原子置换能力强。,2020/9/16,65,又：2,3-二羟基喹恶啉及其衍生物，在有机溶剂和缚酸剂存在下与POCl3或SOCl2一同回流2-3小时，

27、即可将羟基置换成氯。,2020/9/16,66,(三)置换羧羟基,羧羟基与PCl3、PCl5和SOCl2等卤化剂发生氯化置换反应，可制得相应的酰氯化合物。,PCl3的活性较小，适用于脂肪酸中羟基的置换。 PCl5的置换能力强而选择性差，它可将脂肪酸或芳香酸转化成酰氯，但要求羧酸分子中不含有醛基、酮基、烷氧基和羟基等敏感基团，否则容易发生副反应。,羧羟基的置换有何特点？,2020/9/16,67,氯化亚砜SOCl2与羧酸反应时加入少量的催化剂（DMF、路易斯酸等）增强其活性，生成的副产物都是气体，容易从酰氯中除去，同时氯化亚砜本身的沸点低，过剩量可以蒸馏回收。,2020/9/16,68,三、芳环

28、上的硝基、磺酸基和重氮基的置换卤化,(一)置换硝基,2020/9/16,69,在220时，氯气通入熔融的间硝基氯苯中，可制得间二氯苯。（怎样制备间二氯苯？）,在适量的助熔剂1-氯蒽醌的存在下，氯与1-硝基蒽醌在230反应可制得1-氯蒽醌。因铁制容器易引发副反应，故反应在搪瓷或搪玻璃反应器中进行。,2020/9/16,70,又：2,4-二氯氟苯是制备新型广谱抗菌素环丙沙星的主要原料。采用3-氯-4-氟硝基苯为原料，在光照及引发剂存在下在220通氯制得。 通氯的反应器应当是搪瓷或搪瓷玻璃，如果反应在铁制容器内进行，则由于生成极性催化剂，将使离子型反应与游离基反应同时发生，得到一部分环上取代氯化产物

29、。,如何制备2,4-二氯氟苯？,2020/9/16,71,(二)置换磺酸基,工业上制1,5-二氯蒽醌，常采用氯酸盐与蒽醌磺酸的稀盐酸溶液作用，发生氯置换磺酸基反应的方法。,但该反应用于生产时，反应速度较慢，某些重金属盐尤其是锰盐会阻碍反应的进行。,2020/9/16,72,(三)置换重氮基,芳胺经重氮化后，与卤化亚铜及相应的氢卤酸作用，生成卤代芳烃的反应称桑德迈耶反应。采用此路线可制备间氯甲苯、1-氯-8-萘磺酸等重要卤化物。,四、置换氟化,(一)氟化反应特点,如何制备间氯甲苯？,2020/9/16,73,1、向有机物分子中引入氟有两个重要作用： （1）可以提高其化学稳定性（如耐水解、氧化）和

30、热稳定性。 （2）由于强的诱导效应，可使分子中其它官能团的活泼性明显增大。,比较氟代烃与氯代烃类的沸点，每个氯原子被氟原子取代后，其沸点平均降低50。 与许多常见化合物（如水、溴甲烷、苯、辛烷等）比较，氟代烃类的表面张力低得多。,2020/9/16,74,氟衍生物优异的物理性质和化学性质，使它在各领域广泛应用，如合成润滑油、火箭燃料、新型药物、新型表面活性剂、牢度优异的染料新品种等。,2、在常压条件下，氟与许多有机化合物相遇如苯、醚、松节油等立即产生剧烈反应，给有机 合成带来较大困难。 氟分子的键能较弱，容易均裂成氟原子，而其电离电位则很高，极难形成F，因此直接 氟化反应是快速的游离基反应。,2020/9/16,75,(二)氟化方法,1、卤原子交换