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材料化学15_图文

烷基化(烃化)反应

概述
一、烷基化反应及其重要性

把烃基引入有机化合物分子中的碳、氮、氧等原子 上的反应称为烷基化反应,简称烷基化。所引入的烃基 可以是烷基、烯基、芳基等。其中以引入烷基(如甲基、 乙基、异丙基等)最为重要。广义的烷基化还包括引入 具有各种取代基的烃基(—CH2COOH、—CH2OH、— CH2Cl、—CH2CH2Cl等)。

烷基化反应在精细有机合成中是一类极为重要的反应,其应用广泛, 经其合成的产品涉及诸多领域。 最早的烷基化是有机芳烃化合物在催化剂作用下,用卤烷、烯烃等烷 化剂直接将烷基引入到芳环的碳原子上,即所谓C-烷基化(Friedel-Crafts 反应,简称F-C反应)。利用该反应所合成的苯乙烯、乙苯、异丙苯、十 二烷基苯等烃基苯,是塑料、医药、溶剂、合成洗涤剂的重要原料。 通过烷基化反应合成的醚类、烷基胺是极为重要的有机合成中间体, 有些烷基化产物本身就是药物、染料、香料、催化剂、表面活性剂等功能 产品。如环氧化物烷基化(O-烷基化)可制得重要的聚乙二醇型非离子表 面活性剂。采用卤烷烷化剂进行氨或胺的烷基化(N-烷基化)合成的季铵 盐是重要的阳离子表面活性剂、相转移催化剂、杀菌剂等。

二、烷基化反应的类型
1.C-烷基化反应 在催化剂作用下向芳环的碳原子上引入烷基,得到取代烷基 芳烃的反应。如烷基苯的制备反应:

2.N-烷基化反应

向氨或胺类(脂肪胺、芳香胺)氨基中的氮原子上引入 烷基,生成烷基取代胺类(伯、仲、叔、季胺)的反应。如 N,N-二甲基苯胺的制备反应:

3.O-烷基化反应

向醇羟基或酚羟基的氧原子上引入烷基,生成醚类 化合物的反应。如壬基酚聚氧乙烯醚的制备反应:

烷基化反应的基本原理
一、芳环上的C-烷基化反应

1.烷化剂
C-烷化剂主要有卤烷、烯烃和醇类,以及醛、酮类。 (1)卤烷 卤烷(R—X)是常用的烷化剂。不同的卤素 原子以及不同的烷基结构,对卤烷的烷基化反应影响很大。 当卤烷中烷基相同而卤素原子不同时,其反应活性次序为: RI>RBr>RCl

应明确指出,不能用卤代芳烃,如氯苯或溴苯来代替卤烷, 因为连在芳环上的卤素受到共轭效应的稳定作用,其反应活 性较低,不能进行烷基化反应。

(2)烯烃 烯烃是另一类常用的烷基化剂,由于烯 烃是各类烷化剂中生产成本最低、来源最广的原料,故 广泛用于芳烃、芳胺和酚类的C-烷基化。常用的烯烃有: 乙烯、丙烯、异丁烯以及一些长链α -烯烃,它们是生产 长碳链烷基苯、异丙苯、乙苯等最合理的烷化剂。 (3)醇、醛和酮 它们都是较弱的烷化剂,醛、酮 用于合成二芳基或三芳基甲烷衍生物。

2.催化剂 (1)路易斯酸 主要是金属卤化物,其中常用的是AlCl3。 催化活性如下: AlCl3> FeCl3>SbCl5 >SnCl4> BF3> TiCl4 >ZnCl2 路易斯酸催化剂分子的共同特点是都有一个缺电子中心 原子,如AlCl3 分子中的铝原子只有6个外层电子,能够接受 电子形成带负电荷的碱性试剂,同时形成活泼的亲电质点。 无水三氯化铝是各种F-C反应中使用最广泛的催化剂。它 由金属铝或氧化铝和焦炭在高温下与氯气作用而制得。为使 用方便,一般制成粉状或小颗粒状。其熔点192℃,180℃开 始升华。无水三氯化铝能溶于大多数的液态氯烷中,并生成 烷基正离子(R+)。也能溶于许多供电子型溶剂中形成络合 物。此类溶剂有SO2、CS2、硝基苯、二氯乙烷等。

工业上生产烷基苯时,通常采用的是AlCl3-盐酸络 合物催化溶液,它由无水三氯化铝、多烷基苯和微量水 配制而成,其色较深,俗称红油。它不溶于烷化产物, 反应后经分离,能循环使用。烷基化时使用这种络合物 催化剂比直接使用三氯化铝要好,副反应少,非常适合 大规模的连续化工业烷基化过程,只要不断补充少量三 氯化铝就能保持稳定的催化活性。 用卤烷作烷化剂时,也可以直接用金属铝作催化剂, 因烷基化反应中生成的氯化氢能与金属铝作用生成三氯 化铝络合物。在分批操作时常用铝丝,连续操作时可用 铝锭或铝球。

无水三氯化铝具有很强的吸水性,遇水会立即分解 放出氯化氢和大量热,严重时甚至会引起爆炸;与空气 接触也会吸收其水分水解,并放出氯化氢,同时结块并 失去催化活性。

因此,无水三氯化铝应装在隔绝空气和耐腐蚀的密 闭容器中,使用时也要注意保持干燥,并要求其他原料 和溶剂以及反应容器都是干燥无水的。

(2)质子酸 其中主要是氢氟酸、硫酸和磷酸,催化活 性次序如下: HF> H2SO4> P2O5> H3PO4 、阳离子交换树脂 无水氟化氢的活性很高,常温就可使烯烃与苯反应。 氟化氢沸点19.5℃,与有机物的相溶性较差,所以烷基化 时需要注意扩大相接触面积;反应后氟化氢可与有机物分 层而回收,残留在有机物中的少量氟化氢可以加热蒸出, 这样便可使氟化氢循环利用,消耗损失较少。采用氟化氢 作催化剂,不易引起副反应。当使用其他催化剂而有副反 应时,通常改用氟化氢会取得较好效果。但氟化氢遇水后 具有强腐蚀性,其价格较贵,因而限制了它的应用。目前 在工业上主要用于十二烷基苯的合成。

以烯烃、醇、醛、和酮为烷化剂时,广泛应用硫酸 作催化剂。在硫酸作催化剂时,必须特别注意选择适宜 的硫酸浓度。因为当硫酸浓度选择不当时,可能会发生 芳烃的磺化,烷化剂的聚合、酯化、脱水和氧化等副反 应。如对于丙烯要用90%以上的硫酸,乙烯要用98%硫 酸,即便如此,这种浓度的硫酸也足以引起苯和烷基苯 的磺化反应,因此苯用乙烯进行乙基化时不能采用硫酸 作催化剂。

磷酸是较缓和的催化剂,工业上使用的磷酸催化剂 多是将磷酸沉积在硅藻土、硅胶或沸石载体上的固体磷 酸催化剂,常用于烯烃的气相催化烷基化。由于磷酸的 价格比三氯化铝、硫酸贵得多,因此限制了它的广泛应 用。 阳离子交换树脂也可作为烷基化反应催化剂,其中 最重要的是苯乙烯-二烯乙苯共聚物的磺化物。它是烯烃、 卤烷或醇进行苯酚烷基化反应的有效催化剂。优点是副 反应少,通常不与任何反应物或产物形成络合物,所以 反应后可用简单的过滤即可回收阳离子交换树脂,循环 使用。缺点是使用温度不高,芳烃类有机物能使阳离子 交换树脂发生溶胀,且树脂催化活性失效后不易再生。

3.C-烷基化反应历程

(1)用烯烃烷基化的反应历程 烯烃常用质子酸进 行催化,质子先加成到烯烃分子上形成活泼亲电质点碳 正离子;

用三氯化铝作催化剂时,还必须有少量助催化剂氯 化氢存在。AlCl3先与HCl作用生成络合物,该络合物与 烯烃反应而形成活泼的碳正离子;

活泼碳正离子与芳烃形成σ -络合物,再进一步脱去 质子生成芳烃的取代产物烷基苯。

上述亲电质点(碳正离子)的形成反应中,H+总是 加到含氢较少的烯烃碳原子上,遵循马尔克夫尼可夫 (Markovnikov)规则,以得到稳定的碳正离子。

(2)用卤烷烷化的反应历程 Lewis 酸催化剂三氯化铝能使卤烷极化, 形成分子络合物、离子络合物或离子对:

其以何种形式参加后继反应主要视卤烷结构而定。由于碳正离子的稳 定性顺序是:
C H2 ~ C H2= C H-C H2 > R3C > R2C H ~
+ + + + +

>

+

RCH2 > CH3

因此伯卤烷不易生成碳正离子,一般以分子络合物参与反应。而叔卤 烷、烯丙基卤、苄基卤因有σ -π 超共轭或p-π 共轭,则比较容易生成稳定 的碳正离子,常以离子对的形式参与反应。仲卤代烷则常以离子络合物的 形式参与反应。

(3)用醇烷基化的反应历程 当以质子酸作催化剂 时,醇先被质子化,然后解离为烷基正离子和水:

如用无水AlCl3为催化剂,则因醇烷基化生成的水会 分解三氯化铝,所以需用与醇等物质量之比的三氯化铝:

(4)用醛、酮烷基化的反应历程 催化剂常用质子 酸。醛、酮首先被质子化得到活泼亲电质点,与芳烃加 成得产物醇;其产物醇再按醇烷基化的反应历程与芳烃 反应,得到二芳基甲烷类产物:

4. 芳环上C-烷化反应特点

(1)C-烷基化是连串反应 由于烷基是供电子基团,芳环 上引入烷基后因电子云密度增加而比原先的芳烃反应物更加 活泼,有利于其进一步与烷化剂反应生成二取代烷基芳烃, 甚至生成多烷基芳烃。但随着烷基数目增多,空间效应会阻 止进一步引入烷基,使反应速度减慢。因此烷基苯的继续烷 基化反应速度是加快还是减慢,需视两种效应的强弱而定, 且与所用催化剂有关。一般说来,单烷基苯的烷基化速度比 苯快,当苯环上取代基的数目增加,由于空间效应,实际上 四元以上取代烷基苯的生成是很少的。为了控制烷基苯和多 烷基苯的生成量,必须选择适宜的催化剂和反应条件,其中 最重要的是控制反应原料和烷基化剂的物质的量之比。

(2)C-烷基化是可逆反应 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:

当苯量不足时,有利于二烷基或多烷基苯的生成;苯过 量时,则有利于发生烷基转移,使多烷基苯向单烷基苯 转化。因此在制备单烷基苯时,可利用这一特性使副产 物多烷基减少,并增加单烷苯总收率。

(3)烷基正离子能发生重排 C-烷基化中的亲电质 点烷基碳正离子会重排成较稳定的碳正离子。如用正丙 基氯在无水三氯化铝作催化剂与苯反应时,得到的正丙 苯只有30%,而异丙苯却高达70%。这是因为反应过程 中生成的会发生重排形成更加稳定的。

因此上述烷基化反应生成的是两者的混合物。
当用碳链更长的卤烷或烯烃与苯进行烷基化时,则 烷基正离子的重排现象更加突出,生成的产物异构体种 类也增多,但支链烷基苯占优的趋势不变。

5.C-烷基化方法

(1)烯烃烷化法 在C-烷基化反应中,烯烃是最便宜和活泼的 烷化剂,广泛应用于工业上芳烃(另有芳胺和酚类)的C-烷基化, 常用烯烃有乙烯、丙烯以及长链α -烯烃,其可大规模地制备乙苯、 异丙苯和高级烷基苯。由于烯烃反应活性较高,在发生C-烷基化反 应同时,还可发生聚合、异构化和成酯等副反应,因此,在烷基化 时应控制好反应条件,以减少副反应的发生。

(2)卤烷烷化法 卤烷是活泼的C-烷化剂。工业上通常使用的是氯 烷,如苯系物与氯代高级烷烃在三氯化铝催化下可得高级烷基苯。与烯 烃作烷基化剂不同的是在生成烷基芳烃的同时,反应会放出氯化氢。工 业上利用此点将铝锭或铝球放入烷基化塔内,就地生成三氯化铝作为催 化剂 ,而不再直接使用价格较高的无水三氯化铝。由于水会分解破坏 氯化铝或络合物催化剂 ,不仅铝锭消耗增大,还易造成管道堵塞,出 现生产事故。因此进入烷基化塔的氯烷和苯都要预先经干燥处理。因反 应系统中有氯化氢和微量水存在,其腐蚀性极强,所流经的管道和设备 均应作防腐处理,一般采用搪瓷、搪玻璃或其他耐腐材料衬里。为防止 氯化氢气体外逸,相关设备可在微负压条件下进行操作。

(3)醇、醛和酮烷化法 它们均是反应能力相对较 弱的烷化剂,仅适用于活泼芳烃的C-烷基化,如苯、萘、 酚和芳胺等。常用的催化剂有路易斯酸和质子酸等。如 三氯化铝、氯化锌、硫酸、磷酸。用醇 、醛、酮等类进 行C-烷基化反应时,共同特点是均有水生成。 在酸性条件下,用醇对芳胺进行烷化时,如果条件 温和,则烷基首先取代氮原子上的氢,发生N-烷化:

若将反应温度升高,则氮原子上的烷基将转移到芳 环的碳原子上,并主要生成对位烷基芳胺:

苯酚与丙酮在酸催化下,得到2,2-双(对羟基苯基)丙烷, 俗称双酚A。

双酚A是制备新型高分子材料环氧树脂、聚碳酸酯及聚砜等 的主要原料,也可用于油漆,抗氧剂和增塑剂等制备,用途 极为广泛。 工业上常用硫酸、盐酸或阳离子交换树脂为催化剂完成 此反应。前两种无机酸虽反应催化活性很高,但对设备腐蚀 严重,且产生大量含酸、酚的废水,污染极大。阳离子交换 树脂法则具后处理简单、腐蚀性小、环保经济,同时对设备 材质要求低,树脂可重复使用、寿命较长等优点。

二、N-烷基化反应

氨、脂肪胺或芳胺中氨基上的氢原子被烷基取代, 或通过直接加成而在上述化合物分子中的N原子上引入 烷基的反应均称为N-烷基化反应。这是制备各种脂肪族 和芳香族伯、仲、叔胺的主要方法。其在工业上的应用 极为广泛,其反应通式如下:

式中R—Z代表烷基化剂,R代表烷基,Z则代表离 去基团,依据烷基化剂的种类不同,Z也不尽相同。如 烷基化剂为醇、卤烷、酯等化合物时,离去基团Z分别 为—OH、—X、—OSO3H基团。此外烯烃、环氧化合物、 醛和酮也可作为N-烷化剂,其与胺发生加成反应,故无 离去基团。 N-烷基化产物是制造医药、表面活性剂及纺织印染 助剂时的重要中间体。氨基是合成染料分子中重要的助 色基团,烷基的引入可加深染料颜色,故N-烷基化反应 在染料工业有着极为重要的意义。

1.N-烷化剂

N-烷化剂是完成N-烷基化反应必需的物质,其种类 和结构决定着N-烷基化产物的结构。N-烷化剂的种类很 多,常用的有以下六类: (1)醇和醚类 醇、丁醇等。 如甲醇、乙醇、甲醚、乙醚、异丙

(2)卤烷类 如氯甲烷、氯乙烷、溴乙烷、苄氯、 氯乙酸、氯乙醇等。 (3)酯类 酸酯等。 如硫酸二甲酯、硫酸二乙酯、对甲苯磺

(4)环氧类 如环氧乙烷,环氧氯丙烷等。

(5)烯烃衍生物类 如丙烯腈、丙烯酸、丙烯酸甲酯等。
(6)醛和酮类 如各种脂肪族和芳香族的醛、酮。 在上述N-烷化剂中,前三类反应活性最强的是硫酸的中性 酯, 如硫酸二甲酯;其次是卤烷;醇、醚类烷化剂的活性较弱, 须用强酸催化或在高温下才可发生反应。后三类的反应活性次 序大致为:环氧类>烯烃衍生物>醛和酮类。

2.N-烷化反应类型

N-烷基化反应依据所使用的烷化剂种类不同,可分 为如下三种类型:
(1)取代型 所用N-烷化剂为醇、醚、卤烷、酯类。

其反应可看作是烷化剂对胺的亲电取代反应。

(2)加成型 所用N-烷化剂为环氧化合物和烯烃衍 生物。

其反应可看作是烷化剂对胺的亲电加成反应。

(3)缩合-还原型 所用N-烷化剂为醛和酮类。

其反应可看作是胺对烷化剂的亲核加成、再消除、 最后还原。 应该指出,无论哪种反应类型,都是利用胺(氨) 结构中氮原子上孤对电子的活性来完成的。

3.N-烷基化方法

(1)用醇和醚作烷化剂的N-烷基化法 用醇和醚作烷化 剂时,其烷化能力较弱,所以反应需在较强烈的条件下才 能进行,但某些低级醇(甲醇、乙醇)因价廉易得,供应量 大,工业上常用其作为活泼胺类的烷化剂。
用醇烷基化常用强酸(浓硫酸)作催化剂,其催化作 用是将醇质子化,进而脱水得到活泼的烷基正离子R+。R+ 与胺氮原子上的孤对电子形成中间络合物,其脱去质子得 到产物。

可见胺类用醇烷化是一个亲电取代反应。胺的碱性 越强,反应越易进行。因烷基是供电子基,其引入会使 胺的活性提高,所以N-烷基化反应是连串反应,同时又 是可逆反应。对于芳胺,环上带有供电子基时,芳胺易 发生烷基化;而环上带有吸电子基时,烷基化反应较难 进行。综上可知,N-烷基化产物是伯、仲、叔胺的混合 物。可见要得到目的产物必须采用适宜的N-烷化方法。

苯胺进行甲基化时,若目的产物是一烷基化的仲胺, 则醇的用量仅稍大于理论量;若目的产物是二烷基化的 叔胺,则醇用量约为理论量140%~160%。即使如此, 在制备仲胺时,得到的仍是伯、仲、叔胺的混合物。用 醇烷化时,每摩尔胺用强酸催化剂0.05~0.3mol,反应 温度约为200℃左右,不宜过高,否则有利于芳环上的 C-烷化反应。苯胺甲基化反应完毕后,物料用氢氧化钠 中和,分出N,N-二甲基苯胺油层。再从剩余水层中蒸出 过量的甲醇,然后再在170~180℃,压力0.8~1.0MPa下 使季胺盐水解转化为叔胺。

(2)用卤烷作烷化剂的N-烷基化法 卤烷作N-烷化剂时, 反应活性较醇要强。当需要引入长碳链的烷基时,由于醇 类的反应活性随碳链的增长而减弱,此时则需使用卤烷作 为烷化剂。此外,对于活泼性较低的胺类,如芳胺的磺酸 或硝基衍生物,为提高反应活性,也要求采用卤烷作为烷 化剂。卤烷活性次序为: RI>RBr>RCl; 脂肪族>芳香族; 短链>长链。 用卤烷进行的N-烷基化反应是不可逆的,因反应中有 卤化氢气体放出。此外,反应放出的卤化氢会与胺反应生 成盐,胺盐失去了氮原子上的孤对电子,N-烷基化反应则 难以进行。工业上为使反应顺利进行,常向反应系统中加 入一定的碱(氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钙等)作为缚酸 剂,以中和卤化氢。

(3)用酯作烷化剂的N-烷基化法 硫酸酯、磷酸酯 和芳磺酸酯都是活性很强的烷基化剂,其沸点较高,反 应可在常压下进行。因酯类价格比醇和卤烷都高,所以 其实际应用受到限制。硫酸酯与胺类烷基化反应通式如 下:

硫酸中性酯易给出其所含的第一个烷基,而给出第 二烷基则较困难。常用的是硫酸二甲酯,但其毒性极大, 可通过呼吸道及皮肤进入人体,使用时应格外小心。用 硫酸酯烷化时,常需要加碱中和生成的酸,以便提高其 给出烷基正离子的能力。如对甲苯胺与硫酸二甲酯于 50~60℃时,在碳酸钠、硫酸钠和少量水存在下,可生 成N,N-二甲基对甲苯胺,收率可达95%。

(4)用环氧乙烷作烷化剂的N-烷基化法 环氧乙烷 是一种活性很强的烷基化剂,其分子具有三元环结构, 环张力较大,容易开环,与胺类发生加成反应得到含羟 乙基的产物。例如:芳胺与环氧乙烷发生加成反应,生 成N-(β -羟乙基)芳胺,若再与另一分子环氧乙烷作用, 可进一步得到叔胺:

(5)用醛或酮作烷化剂的N-烷基化法 醛或酮可与 胺类发生缩合-还原型N-烷基化反应,其反应通式如下:

反应最初产物为伯胺,若醛、酮过量,则可相继得到仲 胺、叔胺。在缩合-还原型N-烷基化中应用最多的是甲 醛水溶液,如脂族十八胺用甲醛和甲酸反应可以生成 N,N-二甲基十八烷胺:

三、O-烷基化反应 醇羟基或酚羟基中的氢被烷基所取代生成醚类化合 物的反应,称为O-烷基化反应。反应常用的O-烷基化剂 有活性较高的卤烷、酯、环氧乙烷等,也有活性校低的 醇。O-烷基化反应是亲电取代反应,能使羟基氧原子上 电子云密度升高的结构,其反应活性也高,相反,使羟 基氧原子上电子云密度降低的结构,其反应活性也低。 可见,醇羟基的反应活性通常较酚羟基的高。因酚羟基 不够活泼,所以需要使用活泼烷基化剂,只有很少情况 会使用醇类烷化剂。

1.用卤烷的O-烷基化

此类反应容易进行,一般只要将酚先溶解于稍过 量的苛性钠水溶液中,使它形成酚钠盐,然后在适中 的温度下加入适量卤烷,即可得良好收率的产物。但 当使用沸点较低的卤烷时,则需要在压热釜中进行反 应。如在高压釜中加入氢氧化钠水溶液和对苯二酚, 压入氯甲烷(沸点-23.7℃)气体,密闭,逐渐升温至 120℃和0.39~0.59MPa,保温3小时,直到压力下降至 0.22~0.24MPa为止。处理后,产品对苯二甲醚的收率 可达83%。反应式如下:

2.用酯的O-烷基化 硫酸酯及磺酸酯均是活性较高的良好烷化剂。它们 的共同优点是高沸点,因而可在高温、常压下进行反应, 缺点是价格较高。但对于产量小、价值高的产品,常采 用此类烷基化剂。特别是硫酸二甲酯应用最为广泛。例 如,在碱性催化剂存在下,硫酸酯与酚、醇在室温下既 能顺利反应,并以良好产率生成醚类。

酰基化反应

概述
一、酰基化反应及其重要性 酰基化反应指的是有机化合物分子中与碳原子、氮原子、 氧原子或硫原子相连的氢被酰基所取代的反应。碳原子上的氢 被酰基所取代的反应叫作C-酰化,生成的产物是醛、酮或羧酸。 氨基氮原子上的氢被酰基所取代的反应叫作N-酰化,生成的产 物是酰胺。羟基氧原子上的氢被酰基取代的反应叫作O-酰化, 生成的产物是酯,因此也叫作酯化。 由于氨基或羟基等官能团与酰化剂作用可以转变为酰胺或 酯,所以引入酰基后可以改变原化合物的性质和功能性。如染 料分子中氨基或羟基酰化前后的色光、染色性能和牢度指标将 有所改变。有些酚类用不同羧酸酯化后会产生不同的香气,医 药分子中引入酰基可以改变药性。

酰基化的另一作用是提高游离氨基的化学稳定性 或反应中的定位性能,满足合成工艺的要求。如有的 氨基物在反应条件下容易被氧化,酰化后可以增强其 抗氧性;有些芳氨在进行硝化、氯磺化、氧化或部分 烷基化之前常常要把氨基进行“暂时保护”性酰化, 反应完成后再将酰基水解掉。如:

二、酰化剂 常用的酰化剂主要有: (1)羧酸 如甲酸、乙酸、草酸、2羟基-3-萘甲酸 等。 (2)酸酐 如乙酸酐、顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸 酐等 (3)酰氯 如乙酰氯、苯甲酰氯、对甲苯磺酰氯、 光气、三氯化磷、三聚氯氰等。 (4)酰胺 如尿素、N,N/-二甲基甲酰胺等。 (5)羧酸酯 如氯乙酸乙酯、乙酰乙酸乙酯等。 (6)其它 如乙烯酮、双乙烯酮、二硫化碳等。 最常用的酰化剂是羧酸、酸酐和酰氯。

第二节 N-酰化反应
一、N-酰化反应基本原理 N-酰化是制备酰胺的重要方法。被酰化的物质可以是脂肪胺, 也可以是芳胺。 1. N-酰化反应历程 用羧酸或其衍生物作酰化剂时,酰基取代伯氨基氮原子上的 氢,生成羧酰胺的反应历程如下:

首先是酰化剂的羰基中带部分正电荷的碳原子向伯胺氨基氮原子上 的未共用电子对作亲电进攻,形成过渡络合物,然后脱去HX而形成羧 酰胺。 在酰化剂分子中,X是—OH时,酰化剂是羧酸;X是—OCOR时, 酰化剂是酸酐;X是—Cl时,酰化剂是酰氯。

2. N-酰化影响因素 (1)酰化剂的活性的影响 酰化剂的反应活性取决 于羰基碳上部分正电荷的大小,正电荷越大反应活性 越强。对于R相同的羧酸衍生物,离去基团X的吸电子 能力越强酰基上部分正电荷越大。所以其反应活性如 下: 酰氯>酸酐>羧酸。 芳香族羧酸由于芳环的共轭效应使酰基碳上部分 正电荷被减弱,当离去基团相同时,脂肪羧酸的反应 活性大于芳香族羧酸,低碳羧酸的反应活性大于高碳 羧酸。

(2)胺类结构的影响 胺类被酰化的反应活性是: 伯胺>仲胺,无位阻胺>有位阻胺,脂肪胺>芳胺。 即氨基氮原子上电子云密度越高,碱性越强,空间位 阻越小,胺被酰化的反应性越强。对于芳胺,环上有 供电子基时,碱性增强,芳胺的反应活性增强。反之, 环上有吸电子基时,碱性减弱,反应活性降低。 通常对于活泼的胺,可以采用弱酰化剂。对于不 活泼的胺,则必须使用活泼的酰化剂。

二、N-酰化方法 1. 用羧酸的N-酰化 羧酸是最廉价的酰化剂,用羧酸酰化是可逆过程。

为了使酰化反应尽可能完全,并使用过量不太多的羧酸,必须除 去反应生成的水。如果反应物和生成物都是难挥发物,则可以不 断地将反应生成的水蒸出;如果反应物能与水形成共沸混合物冷 凝后又可与水分层,则可以采用共沸蒸馏,冷凝后使有机层返回 反应器。也可以加苯或甲苯等能与水形成共沸混合物帮助脱水。 少数情况可以加入化学脱水剂如五氧化二磷,三氯化磷等。

乙酰化,不论是永久性还是暂时保护性目的,都 是最常见的酰化反应过程。由于反应是可逆的,一般 要加入过量的乙酸,当反应达到平衡以后逐渐蒸出过 量的乙酸,并将水分带出。如合成乙酰苯胺时将苯胺 与过量10~50%的乙酸混合,在120℃(乙酸的沸点 118℃)以下回流一段时间,使反应达到平衡,然后停 止回流,逐渐蒸出过量的乙酸和生成水,即可使反应 趋于完全。

2. 用酸酐的N-酰化 酸酐是比酸活性高的酰化剂,但比酸贵,多用于 活性较低的氨基或羟基的酰化。常用的酸酐是乙酐和 邻苯二甲酸酐。用乙酐的N-酰化反应如下:

式中R1 可以是氢、烷基或芳基;R2 可以是氢或烷 基。由于反应不生成水,因此是不可逆的。乙酐比较 活泼,酰化反应温度一般控制在20~90℃。乙酐的用 量一般只需过量5~10%即可。 胺类酰化时可以用硫酸或盐酸作催化剂,碱性较强的 胺酰化时一般不需要加催化剂。

酚类用酸酐酰化可以用酸催化,或在碱性水溶液中以酚盐形 式参加酰化,也可以在无催化剂的情况下反应。水杨酸用乙酐酰 化可以不加催化剂,将水杨酸与过量10%左右的乙酐,在60~ 70℃反应后,用上批的乙酸母液稀释冷却后,析出结晶,过滤后 用乙酸洗去未反应的水杨酸,干燥后即得粗产品(阿斯匹林)。

对甲酚在磷酸催化下与乙酐作用得乙酸对甲基苯酯。反应后 蒸出醋酸,用氯仿萃取并用稀碱洗出未反应的甲酚,蒸出氯仿后, 减压蒸馏,取83~84℃/0.8~0.9Kpa的馏分,收率90~94%。

3. 用酰氯的N-酰化 酰氯是最强的酰化剂,适用于活性低的氨基或羟基的酰化。常用的酰氯 有长碳链脂肪酸酰氯、芳羧酰氯、芳磺酰氯、光气等。用酰氯进行N-酰 化的反应通式如下:

式中R表示烷基或芳基,Ac表示各种酰基,此类反应是不可逆的。 酰氯都是相当活泼的酰化剂,其用量一般只需稍微超过理论量即可。 酰化的温度也不需太高,有时甚至要在0℃或更低的温度下反应。 另外,酰化产物通常是固态,所以用酰氯的N-酰化反应必须在适当 的介质中进行。如果酰氯的N-酰化速度比酰氯的水解速度快得多,反应 可在水介质中进行。如果酰氯较易水解,则需要使用惰性有机溶剂,如 苯、甲苯、氯苯、醋酸、氯仿、二氯乙烷等。

由于酰化时生成的氯化氢与游离氨结合成盐,降 低了N-酰化反应的速度,因此在反应过程中一般要加 入缚酸剂来中和生成的氯化氢,使介质保持中性或弱 碱性,并使胺保持游离状态,以提高酰化反应速度和 酰化产物的收率。但是,介质的碱性太强,会使酰氯 水解,同时耗用量也增加。常用的缚酸剂有:氢氧化 钠、碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠及三乙胺等有机叔胺。 但是,酰氯与氨或易挥发的低碳脂肪胺反应时,则可 以用过量的氨或胺作为缚酸剂。在少数情况下,也可 以不用缚酸剂而在高温下进行气相反应。

5. 酰基的水解 酰胺基可以在酸或碱催化下水解,这是暂时保护性酰化 的后续工序。

酰化物即可以在稀酸中水解,也可以在稀碱中水解。它们各 有优缺点,碱性水解对设备的腐蚀性小,但生成的胺类和酚 类在碱性介质中高温下容易被氧化,不如在酸中稳定。而稀 酸对设备的腐蚀性要比碱严重的多,在较浓的酸中腐蚀性较 小。 选择水解介质的另一因素是各类酰化物在不同介质中的 水解活性不同,一般情况下在酸性介质中不同酰化物的反应 活性是: ArNHCO>ArNHSO2Ar>ArNHCOAr

在碱性条件下磺酰胺不易水解,这是由于在磺酰基 的作用下,氢原子的酸性增加,在碱的作用下可以给出质 子,形成稳定的氮-硫键。 利用上述规律可以进行选择性水解,如:

C-酰化
一、C-酰化反应原理 1.C-酰化反应历程 当用酰氯作酰化剂时,以无水三氯化铝为催化剂, 反应历程大致如下: 首先酰氯与无水三氯化铝作用生成各种正碳离子 活性中间体(a)、(b)、(c)。

这些活性中间体在溶液中呈平衡状态,进攻芳环 的中间体可能是(b)或(c),它们与芳环作用生成 芳酮与三氯化铝的络合物。例如:

芳酮与三氯化铝的络合物经水解即可得到芳酮。

无论何种反应历程,生成的芳酮总是和三氯化铝形成1:1的络 合物。这是因为络合物中的AlCl3不能再起催化作用,故每摩 尔酰氯在理论上要消耗1molAlCl3,实际上要过量10%~50%。 当用酸酐作酰化剂时,它首先与AlCl3作用生成酰氯。

然后酰氯再按照上述的反应历程参加反应。 由以上反应可知,如果只有一个酰基参加酰化反应, 每摩尔酸酐至少需要2mol三氯化铝。这个反应的总方 程式可简单表示如下:

2.C-酰化的影响因素 (1) 被酰化物结构的影响 C-酰化属于C- 烷基化 (Friedel-Crafts)反应,该反应是亲电取代反应。因此, 当 芳 环 上 有 供 电 子 基 ( — CH3、—OH、—OR、— NR2、—NHAc)时反应容易进行。因为酰基的空间位阻 比较大,所以酰基主要进入芳环上已有取代基的对位。当 对位已被占据时,才进入邻位。氨基虽然也是活化基,但 是它容易发生N-酰化,因此在C-酰化以前应该先对氨 基进行过渡性N-酰化加以保护。

芳环上有吸电子基(—Cl、—NO2、—SO3H、— COR)时,C-酰化反应难以进行。因此当芳环上引入 一个酰基后,芳环被钝化不易发生多酰化、脱酰基和 分子重排等副反应,所以C-酰化的收率可以很高。但 是,对于1,3,5-三甲苯和萘等活泼的化合物,在一定条 件下可以引入两个酰基。硝基使芳环强烈钝化,因此 硝基苯不能被C-酰化,有时可用作C-酰化反应的溶剂。

(2)酰化剂的结构 C-酰化反应的难易与酰化剂的 亲电性有关。这是由于C-酰化是亲电取代反应,酰化 剂是以亲电质点参加反应的。酰化剂的反应活性取决 于羰基碳上部分正电荷的大小,正电荷越大,反应活 性越强。烷基相同的羧酸衍生物,离去基团的吸电子 能力越强,酰基上部分正电荷越大。反应活性如下: 酰氯>酸酐>羧酸 芳香族羧酸由于芳环的共轭效应,使酰基碳上部 分正电荷被减弱。当离去基团相同时,脂肪羧酸的反 应活性大于芳香羧酸,高碳羧酸的反应活性低于低碳 羧酸。

(3)催化剂 催化剂的作用是通过增强酰基上碳原子 的正电荷,来增强进攻质点的反应能力。由于芳环上碳原 子的给电子能力比氨基氮原子和羟基氧原子弱,所以C-酰 化通常需要使用强催化剂。 最常用的强催化剂是无水三氯化铝。它的优点是价廉 易得,催化活性高,技术成熟。缺点是产生大量含铝盐废 液,对于活泼的芳香族化合物在C-酰化时容易引起副反应。 用AlCl3作催化剂的C-酰化一般可以在不太高的温度下 进行反应,温度太高会引起副反应甚至会生成结构不明的 焦油物。AlCl3 的用量一般要过量10%~50%,过量太多将 会生成焦油状化合物。 由于C-酰化时生成的芳酮-三氯化铝络合物遇水会放出 大量的热,因此将C-酰化反应物放入水中进行水解时,需 要特别小心。

对于活泼的芳香族化合物和杂环化合物,在C-酰 化时如果用三氯化铝作催化剂,则容易引起副反应, 常常需要使用温和的催化剂,如无水氯化锌、磷酸、 多聚磷酸和三氟化硼等。例如: 间苯二酚进行C-酰化时,为了避免活泼酚羟基的 O-酰化副反应,可以用相应的羧酸作酰化剂,并用无 水氯化锌作催化剂。

(4)C-酰化的溶剂 在Friedel- Crafts反应中,芳酮 -三氯化铝络合物大部分都是固体或粘稠的液体,为了 使反应物具有良好的流动性,反应能够顺利进行,常 常需要使用有机溶剂。溶剂的选择有以下三种情况。 ①用过量的低沸点芳烃作溶剂。例如在由邻苯二 甲酸酐与苯制取邻苯甲酰基苯甲酸时,可用过量约6~ 7倍的苯作溶剂,因为苯易于回收使用。用类似的方法 可以从苯酐和过量的氯苯制得邻-(对氯苯甲酰基)-苯甲 酸,从苯酐与过量的甲苯制得邻-(对甲基苯甲酰基)-苯 甲酸。它们均是染料中间体。

②用过量的酰化剂作溶剂。例如3,5-二甲基特丁苯 在用乙酐酰化时可以用冰醋酸作溶剂。这是由于特丁 基的空间位阻,使其只能在两个甲基之间引入一个乙 酰基,因此可以使用与乙酐相应的冰醋酸作溶剂。 ③另外加入适当的溶剂。当不宜采用某种过量的 反应组分作溶剂时,就需要加入另外的适当溶剂。常 用的有机溶剂有硝基苯、二氯乙烷、四氯化碳、二硫 化碳和石油醚等。


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