精细有机合成单元反应(陈志)07烷基化反应.ppt
第第7 7章章 烷基化反应烷基化反应(Hydrocarbylation)1.熟悉烷基化反应的定义及烷基化试剂2.熟悉C、N、O烷基化的试剂及方法。3.掌握芳香烃碳烷基化反应理论及影响因素。4.熟悉N烷基化反应。5.了解O烷基化反应。本章教学目标本章教学目标:本章教学重难点本章教学重难点:C烷基化反应的烷基化试剂及催化剂。烃基：烷基（烃基：烷基（-R）烯基（烯基（-C=C-）、炔基（）、炔基（-CC-）芳基（芳基（-Ar）取代烃基取代烃基(-CH2COOH,-CH2CH2OH,-CH2CH2CN)在有机化合物分子中的碳、硅、氮、磷、在有机化合物分子中的碳、硅、氮、磷、氧或硫原子上氧或硫原子上引入烷基引入烷基的反应，叫做的反应，叫做烷基化烷基化（烃化）烃化）反应。反应。（1 1）卤烷：）卤烷：CH3Cl,CH3I,C2H5Cl,C2H5Br,ClCH2COOH,Ph-CH2Cl;（2 2）酯类：）酯类：(RO)2SO2,PhSO2OR,CH3-Ph-SO2OR,(RO)3PO;（3 3）醇类和醚类：）醇类和醚类：CH3OH,C2H5OH,n-C4H9OH,C12H25OH,CH3OCH3,C2H5OC2H5;（4 4）环氧化合物：）环氧化合物：,；（5 5）烯烃和炔烃：）烯烃和炔烃：CH2=CH2,CH3CH=CH2,R-CH=CH2,CH2=CHCN,CH2=CHCOOCH3,CHCH;（6 6）羰基化合物：）羰基化合物：HCHO,CH3CHO,C3H7CHO,Ph-CHO,CH3COCH3,烷基化剂：烷基化剂：类型类型C烷基化烷基化 CH CR 有机芳环化合物在催化剂作用下，用卤烷，烯烃等烷基化剂可以直接将烷基接到芳环上。N烷基化烷基化 NH NR O烷基化烷基化 OH OR典型反应典型反应7.1 C烷烷基化反基化反应应 卤烷卤烷 烯烃烯烃 乙烯、丙稀、异丁烯；一般乙烯、丙稀、异丁烯；一般AlCl3作催化剂，也作催化剂，也可用可用BF3、HF醇类醇类 一般选用硫酸、氯化锌作催化剂一般选用硫酸、氯化锌作催化剂醛、酮醛、酮7.1.1 C-烷化剂烷化剂一、卤烷作一、卤烷作C-烷化剂烷化剂烷基相同时，反应活性为烷基相同时，反应活性为 RIRBr RCl卤原子相同卤原子相同二、芳环结构对二、芳环结构对C C烷基化的影响烷基化的影响 芳环上有给电子基团芳环上有给电子基团（1）烷基：反应）烷基：反应容易容易进行进行（2）-NH2、-OR、-OH等等：不利于不利于反应，为什么？反应，为什么？芳环上有吸电子基团芳环上有吸电子基团（1）-X、羰基、羧基等、羰基、羧基等，不容易进行反应，不容易进行反应（2）硝基（）硝基（-NO2），反应不能进行，但可以做溶剂。），反应不能进行，但可以做溶剂。烷基进入芳环的位置烷基进入芳环的位置（1）低温、低浓度、弱催化剂、短时间，烷基进入的位置遵）低温、低浓度、弱催化剂、短时间，烷基进入的位置遵循亲电取代反应的规律循亲电取代反应的规律（2）不在上述条件下，烷基进入的位置缺乏规律）不在上述条件下，烷基进入的位置缺乏规律 7.1.2 C烷基化反应的催化剂烷基化反应的催化剂 路易斯酸路易斯酸 质子酸质子酸 烷基铝烷基铝（AlR3）使烷基有选择性地进入芳环氨基或羟基的邻位使烷基有选择性地进入芳环氨基或羟基的邻位 一、路易斯酸一、路易斯酸 活泼顺序活泼顺序最重要的氯化铝、氯化锌和氟化硼最重要的氯化铝、氯化锌和氟化硼 路易斯酸共同特点是有一个缺电子的中心原子路易斯酸共同特点是有一个缺电子的中心原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。电质点。AlCl3使卤烷转变为活泼的亲电质点使卤烷转变为活泼的亲电质点-烷基正离子烷基正离子+-最广泛使用的傅克反应的最广泛使用的傅克反应的催化剂，熔点催化剂，熔点192.0，180升华升华，440以下以二聚体形以下以二聚体形式存在。式存在。液态烃溶剂中液态烃溶剂中 AlCl3能能与与HCl作作用用生生成成络络合合物物，这这种种络络合合物物又又能能与烯烃反应，形成活泼的亲电质点。与烯烃反应，形成活泼的亲电质点。三氯化铝优缺点三氯化铝优缺点 优点：优点：价廉易得，催化活性好价廉易得，催化活性好 缺点：缺点：生成铝盐废液；由于副反应不适于活泼芳香族物生成铝盐废液；由于副反应不适于活泼芳香族物（酚、芳胺等）（酚、芳胺等）三氯化铝在贮存和运输过程中必须注意密封三氯化铝在贮存和运输过程中必须注意密封（B）BF3 活泼的催化剂活泼的催化剂沸点低（沸点低（101101），容易从反应物中蒸出，可以循），容易从反应物中蒸出，可以循环使用环使用 优点：可以同醇、醚或酚类等形成具有催化活性的优点：可以同醇、醚或酚类等形成具有催化活性的络合物，副反应少络合物，副反应少 当用烯烃或醇类作烷基化剂时，当用烯烃或醇类作烷基化剂时，BFBF3 3还可以作硫酸、还可以作硫酸、磷酸和磷酸和HFHF的促进剂的促进剂 缺点：价格贵，使用受到限制缺点：价格贵，使用受到限制 （C）其）其 他他 ZnCl2、FeCl3、TiCl4等温和催化剂等温和催化剂ZnCl2还广泛用于氯甲基化反应还广泛用于氯甲基化反应 二、质子酸二、质子酸 硫酸、氢氟酸、磷酸、多磷酸、硫酸、氢氟酸、磷酸、多磷酸、HCl等等 可以使烯烃、醛酮质子化，成为活泼的亲电质点可以使烯烃、醛酮质子化，成为活泼的亲电质点（A）硫酸）硫酸 价廉易得价廉易得 选择适宜的浓度，以避免芳烃的磺化、烷化剂的聚合、酯选择适宜的浓度，以避免芳烃的磺化、烷化剂的聚合、酯化、脱水、氧化等副反应化、脱水、氧化等副反应 异丁烯：用异丁烯：用85-90硫酸，发生烷基化和酯化反应硫酸，发生烷基化和酯化反应 80硫酸，无烷基化，只有聚合和酯化硫酸，无烷基化，只有聚合和酯化 70硫酸，酯化反应，无聚合和烷基化硫酸，酯化反应，无聚合和烷基化烷基化反应，丙稀用烷基化反应，丙稀用90以上的硫酸以上的硫酸 乙烯用乙烯用98硫酸硫酸苯的烷基化反应不宜用硫酸作烷化剂苯的烷基化反应不宜用硫酸作烷化剂 引起苯和烷基苯的磺化引起苯和烷基苯的磺化（B）氢氟酸（）氢氟酸（HF）凝固点凝固点-83，沸点，沸点19.5可用于多种类型的傅克反应可用于多种类型的傅克反应 优点：优点：（1）无水氢氟酸是含）无水氢氟酸是含O、N、S有机物的溶剂，兼有溶剂有机物的溶剂，兼有溶剂和催化剂的性质；（和催化剂的性质；（2）不易引起副反应，当用）不易引起副反应，当用AlCl3和和H2SO4会会引起副反应时，用引起副反应时，用HF较为有利较为有利；（；（3）沸点低：易蒸出回收套）沸点低：易蒸出回收套用，消耗量小用，消耗量小；（；（4）凝固点低，允许在很低的）凝固点低，允许在很低的T下使用下使用。缺点：缺点：（1）遇水后具有强烈的腐蚀性；（）遇水后具有强烈的腐蚀性；（2）价格贵；（）价格贵；（3）常）常需要在压力下操作需要在压力下操作 其他类型其他类型磷酸或多磷酸磷酸或多磷酸阳离子交换树脂阳离子交换树脂酸性氧化物酸性氧化物烷基铝烷基铝7.1.3 烷基化反应历程烷基化反应历程 催化剂的作用下使烷基化剂强烈极化成为活泼的催化剂的作用下使烷基化剂强烈极化成为活泼的亲电质点亲电质点 亲电质点进攻芳环生成亲电质点进攻芳环生成络合物络合物 脱去质子变为最终产物脱去质子变为最终产物 一、卤烷的烷基化反应是亲电取代反应一、卤烷的烷基化反应是亲电取代反应醇在质子酸或者在路易斯酸的条件下形成的活泼质点醇在质子酸或者在路易斯酸的条件下形成的活泼质点二、二、AlCl3与与HCl生成络合物以后，其质子与烯烃的生成络合物以后，其质子与烯烃的加成符合马尔科夫尼科夫规则加成符合马尔科夫尼科夫规则 三、芳烃烷基化反应的特点三、芳烃烷基化反应的特点 C-烷基化是连串反应烷基化是连串反应 由于烷基是供电子基团，引入烷基，芳环的活性增加，容由于烷基是供电子基团，引入烷基，芳环的活性增加，容易形成多烷基化的芳烃；但是引入较多烷基，空间障碍会易形成多烷基化的芳烃；但是引入较多烷基，空间障碍会增大。增大。C-烷基化是可逆反应烷基化是可逆反应 可发生烷基的重排和转移等可发生烷基的重排和转移等一般规律：烷基正离子通过重排总是变成更加稳定的烷基一般规律：烷基正离子通过重排总是变成更加稳定的烷基正离子，伯到仲，伯到叔，或者仲到叔正离子，伯到仲，伯到叔，或者仲到叔烷基可能发生重排烷基可能发生重排1.1.烯烃的烯烃的C-C-烷基化烷基化 烯烃：是最便宜和活泼的烷基化剂，如乙烯，丙烯等，由烯烃：是最便宜和活泼的烷基化剂，如乙烯，丙烯等，由于烯烃在一定条件下会发生聚合，异构化和生成酯等副反于烯烃在一定条件下会发生聚合，异构化和生成酯等副反应，因此要控制好反应条件。应，因此要控制好反应条件。反应包括液相法和气相法反应包括液相法和气相法2（1 1）异丙苯）异丙苯80（2 2）高级高级烷基苯（烷基苯（十二烷基苯十二烷基苯）重要品种介绍重要品种介绍（4 4）酚类的）酚类的C-C-烷化烷化（3 3）异丙基甲苯）异丙基甲苯（5 5）2,6-2,6-二叔丁基甲酚（抗氧剂二叔丁基甲酚（抗氧剂264264，BHT)BHT)（6 6）2,6-2,6-二乙基苯胺二乙基苯胺2.2.卤烷的卤烷的C-C-烷基化烷基化 烷基化试剂的活性烷基化试剂的活性芳香族化合物的活性芳香族化合物的活性芳环上有给电子基团越有利于反应。芳环上有给电子基团越有利于反应。RIRBr RClRF3.3.醇、醛、酮的醇、醛、酮的C-C-烷基化烷基化 醇类、醛类和酮类弱烷基化剂醇类、醛类和酮类弱烷基化剂烷基化过程是脱水缩合过程烷基化过程是脱水缩合过程主主要要用用于于活活泼泼芳芳香香族族衍衍生生物物的的烷烷基基化化（苯苯、萘萘、酚酚、芳芳胺胺等）等）催化剂一般为：硫酸、磷酸、催化剂一般为：硫酸、磷酸、HCl、三氯化铝、氯化锌、三氯化铝、氯化锌(1)(1)醇类的醇类的C C烷基化烷基化酸性催化剂，温度不太高（酸性催化剂，温度不太高（200-250），先），先N-烷基化反应烷基化反应温度再升高（温度再升高（240-300）烷基转移，生成烷基芳胺）烷基转移，生成烷基芳胺 萘与正丁醇和发烟硫酸可同时发生烷基化和磺化反应，萘与正丁醇和发烟硫酸可同时发生烷基化和磺化反应，生成二丁基萘磺酸生成二丁基萘磺酸 (2)(2)醛类的醛类的C C烷基化烷基化 2-萘磺酸在稀硫酸中用甲醛进行烷基化反应：萘磺酸在稀硫酸中用甲醛进行烷基化反应：(3)(3)酮类的酮类的C C烷基化（如双酚烷基化（如双酚A A）RRRRR 氨基上的氢氨基上的氢原子被烃基取代的反应叫做原子被烃基取代的反应叫做N-烃化烃化反应。反应。用途用途：（：（1 1）引入）引入-CH2CH2OH、-CH2CH2CN极性、极性、非水溶性基团；非水溶性基团；（2 2）制备季铵盐型阳离子化合物；）制备季铵盐型阳离子化合物；（3 3）其它助剂、医药中间体。）其它助剂、医药中间体。7.2 N烷基化反应烷基化反应 NH3 RZ RNH2 HZRNH2 RZ RNHR HZRNHR RZ RNR2 HZArNH2 RZ ArNHR HZArNHR RZ ArNR2 HZ N-N-烷基化反应的特点烷基化反应的特点 亲电取代亲电取代-NH2，取代连接在带有孤对电子的，取代连接在带有孤对电子的N原子上的原子上的H 反应活性与孤对电子的活性成正比反应活性与孤对电子的活性成正比 活性：活性：RNH2 ArNH2 反应活性也与同反应活性也与同-NH2相连的分子有关。与相连的分子有关。与-NH2相连的分子上相连的分子上有供电子基的活性高。有供电子基的活性高。由于烷基是供电基团，引入一个烷基后，第二个由于烷基是供电基团，引入一个烷基后，第二个H尚有反应活尚有反应活性，故性，故N-烷化是串连反应烷化是串连反应7.2.1 N烷化剂烷化剂 醇和醚醇和醚：甲醇、乙醇、甲醚、乙醚、异丙醇、丁醇等：甲醇、乙醇、甲醚、乙醚、异丙醇、丁醇等 卤烷卤烷：氯甲烷、碘甲烷、氯乙烷、溴乙烷、氯苄、氯乙：氯甲烷、碘甲烷、氯乙烷、溴乙烷、氯苄、氯乙酸、氯乙醇等酸、氯乙醇等 酯类酯类：硫酸二甲酯、硫酸二乙酯、磷酸三甲酯、对甲苯：硫酸二甲酯、硫酸二乙酯、磷酸三甲酯、对甲苯磺酸甲酯等磺酸甲酯等 环氧化合物环氧化合物：环氧乙烷、环氧氯丙烷：环氧乙烷、环氧氯丙烷烯烃衍生物烯烃衍生物：丙稀腈、丙烯酸、丙烯酸甲酯：丙稀腈、丙烯酸、丙烯酸甲酯 醛酮醛酮：各种脂肪族和芳香族的醛酮：各种脂肪族和芳香族的醛酮 7.2.2 醇或醚的醇或醚的N-烷基化烷基化历历 程：程：N-N-烷基化反应的规律烷基化反应的规律 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，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芳香族胺类，环上的给电子基团使芳胺易烷基化，环上的吸，环上的吸电子基团使烷基化变困难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存在烷基的转移 实例实例在强酸存在下，芳胺与醇类的反应要求在高压釜中在强酸存在下，芳胺与醇类的反应要求在高压釜中进行进行 甲醚作烷化剂甲醚作烷化剂 7.2.3 用卤代烷的用卤代烷的N-烷基化烷基化R越长，越长，RX的活性越低的活性越低 分子量小的卤烷的反应活性比分子量大的卤烷强分子量小的卤烷的反应活性比分子量大的卤烷强卤代烃的卤代烃的活性活性与与CX键的键能成反比。键的键能成反比。RI RBr RCl RF 卤素相同时的，卤烷的卤素相同时的，卤烷的反应性能反应性能如下：如下：用卤烷进行的胺类烷基化反应是不可逆的。用卤烷进行的胺类烷基化反应是不可逆的。ArNH2 RX ArNHR HXArNHR RX ArNR2 HXN,N-N,N-二烷基芳胺二烷基芳胺RX的沸点较低，反应宜在压力下进行，如：氯甲的沸点较低，反应宜在压力下进行，如：氯甲烷的沸点：烷的沸点：-23.7，氯乙烷的沸点，氯乙烷的沸点 13 7.2.4 用酯的用酯的N-烷基化烷基化 硫酸酯（硫酸酯（ROSO2OR）、磷酸酯、芳磺酸酯等）、磷酸酯、芳磺酸酯等 沸点高，故可在常压下进行；但价格比醇和卤代烃高沸点高，故可在常压下进行；但价格比醇和卤代烃高：ArNH2 ROSO2OR ArNHR ROSO2OH 需要碱中和生成的酸需要碱中和生成的酸 ArNH2 ROSO2ONa ArNHR NaHSO4 难于进行难于进行 7.2.5 用环氧乙烷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，发生加成反应生成含亚乙氧基的产物构，容易开环，发生加成反应生成含亚乙氧基的产物特点特点 （1 1）反应活性高，在）反应活性高，在N上引入上引入CH2CH2OH；（2 2）连串反应；）连串反应；K K1 1与与K K2 2相差不大相差不大（3 3）酸催化反应。）酸催化反应。氨或脂肪胺与环氧乙烷的反应，用于制备乙醇胺类化合物氨或脂肪胺与环氧乙烷的反应，用于制备乙醇胺类化合物氨：环氧乙烷（摩尔比）烷基化产物组成（%）一乙醇胺二乙醇胺三乙醇胺10：12：11：16175253141221273852202641223266569氨与环氧乙烷反应条件和产物组成（氨与环氧乙烷反应条件和产物组成（T=-3040，p=0.2MPa）7.2.6 用烯烃的用烯烃的N-烷基化烷基化含吸电子基团的丙烯腈，由于含吸电子基团的丙烯腈，由于CN的吸电子作用的吸电子作用+-+-+酸酸:CH3COOH、H2SO4、HCl、FeCl3碱碱:三甲胺，三乙胺三甲胺，三乙胺催化剂催化剂伯胺一般可以引入两个烷基，但在引入第一个烷基衍生物后，伯胺一般可以引入两个烷基，但在引入第一个烷基衍生物后，反应活性下降反应活性下降；二烷基化时要加入铜盐作二烷基化时要加入铜盐作Cat，如氯化铜、氯，如氯化铜、氯化亚铜、醋酸铜化亚铜、醋酸铜 或者极性或者极性Cat：如乙酸、三乙胺、吡啶等：如乙酸、三乙胺、吡啶等 烯烃衍生物易聚合，烯烃衍生物易聚合，T140,主要聚合主要聚合 T130烯烃的反应烯烃的反应烯烃衍生物的烷基化能力较弱，常需要加入酸、碱为催化剂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、三氯化铁酸：醋酸、盐酸、硫酸、对甲苯磺酸、三氯化铁 碱：三甲胺、三乙胺等碱：三甲胺、三乙胺等 以丙烯腈为例的反应以丙烯腈为例的反应 亚胺亚胺亚胺亚胺伯胺伯胺伯胺伯胺还原剂还原剂还原剂还原剂7.2.7 醛或酮的醛或酮的N-烷基化烷基化胺与醛酮缩合生成席夫碱，在还原剂的作用下加氢得到仲、胺与醛酮缩合生成席夫碱，在还原剂的作用下加氢得到仲、叔胺叔胺 还原利用还原利用 Zn HCl/HCOOH/H2+Cat Ni/Co+RhCl3 等等 亚胺亚胺还原剂还原剂7.2.8 N-烷基胺类混合物的分离烷基胺类混合物的分离物理法：主要利用伯胺，仲胺和叔胺的沸点的差异进行分物理法：主要利用伯胺，仲胺和叔胺的沸点的差异进行分离，采用的方法有精馏和特殊精馏法。离，采用的方法有精馏和特殊精馏法。化学法化学法:主要是对物理法不能分开的物质，采用加入别的主要是对物理法不能分开的物质，采用加入别的化学试剂进行分离的方法。如芳胺的混合物，化学试剂进行分离的方法。如芳胺的混合物，P247 醇羟基醇羟基（R-OH）或）或酚羟基酚羟基（Ar-OH）上）上的氢原子被烷基取代，生成二烷基醚、烷基的氢原子被烷基取代，生成二烷基醚、烷基芳基醚或二芳基醚的反应叫做芳基醚或二芳基醚的反应叫做O-烷基化烷基化反应。反应。烷基化试剂烷基化试剂：醇（：醇（R-OH）、卤化烷（）、卤化烷（R-X）、环氧烷类等。环氧烷类等。O-烷基化：烷氧基化烷基化：烷氧基化O-芳基化：芳氧基化芳基化：芳氧基化产物产物：7.3 O-烷基化反应烷基化反应许多芳醚的合成不适合采用烷氧基化的路线，采用酚羟基许多芳醚的合成不适合采用烷氧基化的路线，采用酚羟基的烷基化的合成路线。的烷基化的合成路线。O-烷基化剂的类型主要有烷基化剂的类型主要有卤代烃卤代烃酯（硫酸酯、磺酸酯）酯（硫酸酯、磺酸酯）环氧乙烷环氧乙烷醇或酚（直接脱水成醚）醇或酚（直接脱水成醚）7.3.1 用卤烷的用卤烷的O-烷基化烷基化35水介质水介质70120，1.5 MPaNaOH7.3.2 用酯的用酯的O-烷基化烷基化硫酸酯和磺酸酯均是较好的烷基化剂硫酸酯和磺酸酯均是较好的烷基化剂.7.3.3 用醇或酚的用醇或酚的O-烷基化烷基化醇或酚的脱水是合成对称醚的通法，用酸性催化醇或酚的脱水是合成对称醚的通法，用酸性催化剂，如浓硫酸，浓盐酸，磷酸，对苯磺酸等。剂，如浓硫酸，浓盐酸，磷酸，对苯磺酸等。7.3.4 用环氧乙烷的用环氧乙烷的O-烷基化烷基化环氧化合物易与醇发生开环反应，生成羟基醚，环氧化合物易与醇发生开环反应，生成羟基醚，可用酸或者碱催化，但产品不同。可用酸或者碱催化，但产品不同。本章掌握知识重点：本章掌握知识重点：C-烷基化反应的烷基化试剂及催化剂。Hofmann降解反应历程。本章总结本章总结1.解释解释 反应的实验现象。反应的实验现象。2.影响卤素氨解反应的因素。影响卤素氨解反应的因素。3.简述简述Hofmann降解反应的条件及历程。降解反应的条件及历程。4.简述芳烃简述芳烃C-烷基化反应的历程及特点。烷基化反应的历程及特点。5.比较路易斯酸和质子酸催化烷基化反应的优缺点。比较路易斯酸和质子酸催化烷基化反应的优缺点。6.例举碳烷基化反应所用的催化剂及烷基化试剂例举碳烷基化反应所用的催化剂及烷基化试剂作作 业业考试安排及说明考试安排及说明一、填空题：1*20=20分二、完成反应：2*10=20分三、机理题：5*2=10分四、简答题：6*5=30分五、合成题：5*4=20分最终成绩最终成绩=平时成绩（平时成绩（40%）+考试成绩（考试成绩（60%）平时成绩（平时成绩（40%）=实验（实验（20%）+作业（作业（10%）+10%考勤考勤考试成绩（考试成绩（60%）
