第11章羟基化技术

1、第第1111章章 羟基化技术羟基化技术11.1 概述 向有机化合物分子中引入羟基的反应称为羟基化反应，羟基化反应的产物是醇类和酚类化合物(ROH或ArOH)。 醇类和酚类化合物广泛应用于精细化工生产中。含411个碳原子的脂肪醇是制备多种增塑剂的重要原料，而十二醇以上的高级脂肪醇则用于制备表面活性剂、化妆品和润滑剂等精细化学品。酚类化合物则广泛用于合成树脂、农药、医药、染料、塑料等精细化学品中。 在化合物分子中引入羟基的方法很多，应用还原、加成、取代、氧化、水鳃、缩合和重排等多种类型的化学反应均可得到含羟基的化合物。本章将主要讨论氯化物的水解羟基化、芳磺酸基被羟基置换，以及烃类氧化法制苯酚和芳环

2、上直接引入羟基等。11.2 氯化物的水解羟基化1121氯化物的水解 卤化物的水解使羟基置换卤基，生成醇和酚。卤化物可以是脂肪族卤化物，也可以是芳香族卤化物。由于氯比溴价廉易得，工业上主要使用氯基水解法，只有在个别情况下才使用溴基水解法。 1脂肪族氯化物的水解 与烷基相连的氯原子通常比与芳基相连的氯原子活泼，当在比较温和的条件下，其与氢氧化钠溶液作用，可得到相应的醇类。2芳香族氯化物的水解 芳香族氯化物的水解主要是芳环上氯基的水解制取苯酚或萘酚及其衍生物，但其水解比氯代烷烃困难得多。向芳环上引入吸电子取代基，可以提高氯原子的活泼性，使水解较易进行。 氯苯水解制苯酚有气相催化水解法和碱性高压水解法

3、两种。气相催化法是以Ca3(P04)2SiOe为催化剂，在400450的高温下氯苯水解生成苯酚和氯化氢。1122氯化物水解过程与反应选择性的控制 烃类氯代衍生物的碱性水解和脱氯化氢分别属于亲核取代和消除反应，多数情况下是SN2双分子反应历程。水解反应的控制阶段是水解试剂向连接氯原子的碳原子发生亲核攻击形成过渡态，生成新的CO键，与此同时，原来的键断开。其反应历程为 、1123应用实例 1丙烯的氯化水解制环氧丙烷 示为环氧丙烷是重要的化工产品，可使用丙烯的氯化水解法来制备。其反应式可简单表示：2由硝基氯苯制硝基苯酚 当苯环上的氯原子的邻位或对位含有硝基时，由于受硝基吸电子作用的影响，苯环上与氯相

4、连的碳原子处的电子云密度显著降低，从而使氯基的水解较易进行。所以，硝基氯苯的水解比氯苯容易，只需要稍微过量的NaOH溶液和比较温和的条件，即可水解生成硝基苯酚。例如邻硝基氯苯水解制邻硝基苯酚。1124芳伯胺的水解 芳伯胺水解可将芳环上的氨基转变成羟基，是在芳环上引入羟基的方法之一。但是，芳伯胺水解制取酚要经历硝化、还原、水解等步骤，合成步骤多，设备腐蚀严重，其应用受到了限制。现主要用于制备1一萘酚及其磺酸衍生物和在特定位置上引入羟基的化合物。芳伯胺水解有三种方法，各有其应用范围。1酸性水解 一般是在稀硫酸中进行，若水解温度较高，可采用磷酸或盐酸，以避免硫酸引起的氧化反应。此法主要用于1一萘胺及

5、其衍生物的水解。2碱性水解 在碱性介质中和较高温度下，萘环上l一位的磺酸基和8一位的氨基可同时被羟基置换。此法仅用于制备变色酸。3用亚硫酸氢钠水解 某些1一萘胺磺酸在亚硫酸氢钠水溶液中，常压沸腾回流(100104。C)，然后用碱处理，即可完成氨基被羟基置换的反应，此反应也称为布赫尔(Bucherer)反应。一般认为它是萘酚转变萘胺的逆反应。工业上应用此法由1，4一和1，5一萘胺磺酸制备1，4一和I，5一萘酚磺酸。1125硝基化合物的水解 芳环上的硝基对于碱的作用相当稳定，当硝基的邻、对位上有强吸电子基时，硝基受其影响而活化。活化后的硝基在碱的作用下，可以转化为羟基。 1一硝基蒽醌或1，5一二硝

6、基蒽醌在1520氢氧化钾水溶液中，于100105反应，生成1一羟基蒽醌或1，5一二羟基蒽醌，收率大于95。 2一硝基一1一萘胺衍生物经重氮化后，硝基在酸性介质中可转化为羟基。1126重氮盐的水解 重氮盐在酸性介质中水解可制得酚。这也是在芳环上引入羟基的一个方法。 ArNH2，ArN2+，ArOH+N2 利用此法可将羟基导人指定的位置，特别是一些因定位关系而不易制取的某种结构的酚。下列酚通常是由重氮盐水解而制得的。11.3 芳磺酸盐的碱熔1131碱熔工艺概述 芳磺酸盐在高温与熔融的苛性碱(或苛性碱溶液)作用下，使磺基被羟基所置换的反应叫做碱熔。 生成的酚钠用无机酸酸化，即转变为游离酚：1132影

7、响因素 1磺酸的结构 碱熔反应是亲核置换反应，因此芳环其他碳原子上有了吸电子基(主要是磺基积羧基)，对磺基的碱熔起活化作用。硝基虽是很强的吸电子基，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。氯代磺酸也不适于碱熔，因为氯原子比磺基更容易被羟基置换。芳环上有了供电子基(主要是羟基和氨基)，对磺基的碱熔起钝化作用。例如间氨基苯磺酸的碱熔，需要用活泼性较强的苛性钾(或苛性钾和昔桦铀的混合物、作碱熔剂。2碱熔剂 最常用的碱熔剂是苛性钠，因为它价廉易得。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

8、碱熔过程。苛性碱中含有水分时，也可使其熔点下降。3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，会使反应物变得黏稠甚至结块，降低了物料的流动性，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含量可以高一些。4碱熔的温度和时间 碱熔的温度主要决定于磺酸的结构，不活泼的磺酸用熔融碱在300 340进行常压碱熔，碱熔速度较快，所需要时间较短，一般在熔融碱中加完

9、磺酸盐后，保持数lOmin即可达到终点。温度过高或时间过长，都会增加副反应；但温度太低则会产生凝锅事故。比较活泼的磺酸可选用7080苛性钠溶液，在180270之间进行常压碱熔。更活泼的萘系多磺酸可在2030稀碱溶液中进行加压碱熔，反应时间较长，需要1020h。5碱熔剂的用量 高温碱熔时一般使用90以上的熔融碱，理论需要量为1：2(物质的量之比)，但实际上必须过量，一般为1：25左右。中温碱熔时，一般使用7080的浓碱液，且碱过量较多，有时可达1：(68)，甚至更多。 1133应用实例一2一萘酚的制备 2一萘酚及其磺酸衍生物主要用于染料和有机颜料的生产，在医药、农药、橡胶助剂、香料等产品中也有广

10、泛的应用。 2一萘酚的生产方法有磺化碱熔法和2一异丙基萘氧化一分解法。磺化碱熔法是国内外广泛采用的方法。该法是以萘为原料经磺化、碱熔制得。磺化碱熔法制2一萘酚的工艺流程如图11一l所示。11.4 烃类氧化法制酚1141异丙苯法合成苯酚 苯磺化碱熔法和氯苯水解法制苯酚都存在很多缺点。利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。此法的优点是以苯和丙烯为原料。在生产苯酚的同时联产丙酮，不需要消耗大量的酸碱，且“三废”少，能连续操作，生产能力大，成本低。此方法已发展成为生产苯酚的主要方法，工业上已有数万吨级装置。 异丙苯法制苯酚包括以下三步反应异丙苯过氧化氢的酸分解是在强酸性催化剂存在下进

11、行的，其反应历程如下。 酸分解是放热反应。如果温度过高，异丙苯过氧化氢会按其他方式分解，产生副产物，甚至会发生爆炸事故。异丙苯过氧化氢分解常用的催化剂有硫酸、磷酸、磺酸型阳离子交换树脂及二氧化硫等。 以阳离子交换树脂为分解催化剂的异丙苯氧化一分解工艺过程如图112所示。新鲜异丙苯和循环异丙苯按一定比例混合后，加热至lOO。C左右进入氧化塔，净化后的空气由氧化塔底部通人，氧化塔为气液相鼓泡式反应器，塔内设有多层蛇管冷却器，氧化温度控制在90100。C，以10的碳酸钠溶液调节氧化液pH，控制在355之间。氧化塔顶尾气经冷凝回收异丙苯后，不凝气体排空。回收的异丙苯经碱洗后重新使用。氧化塔底采出的氧化

12、液含异丙苯过氧化氢为2530，换热后经混合、沉降、水洗除去钠离子和酸性物，然后送去蒸发浓缩。氧化液蒸浓在真空薄膜蒸发器中进行，提浓后的氧化液异丙苯过氧化氢含量达到80，经冷却后去分解。 异丙苯过氧化氢的分解在三台串联操作的反应釜中进行。反应釜内装有阳离子交换树脂并设有冷却夹套、盘管冷却器及搅拌器。利用丙酮的沸腾回流移除反应热。浓缩氧化液和分解液混合稀释后进入串联反应釜，分解在常压下进行，反应温度控制在70左右；当分解液中过氧化氢物的浓度低于02时，分解即告终结。分解液由第三台釜中采出，经沉降器分出树脂，并将分解液pH调整至775后送去精馏。 分解液经中和、水洗、精馏，即可得到丙酮和苯酚，回收的

13、异丙苯可循环使用。由异丙苯合成苯酚的产率以异丙苯计，可达理论量的92931142甲酚的生产 甲黔有三种异构体，其中间甲酚是制取高效低毒农药杀螟松和速灭威的重要中间体。对甲酚是制备抗氧化剂2，6一二叔丁基对甲酚的重要中间体。由于番用量大，促进了对甲酚合成路线的研究。其中最重要的合成路线与异丙苯法制苯酚相似。11.5芳环上直接羟基化 随着绿色化学观念的普及，人们从提高反应的原子经济性和绿色性方面着手，开始研究如何利用苯直接羟基化制备苯酚。从理论上分析，要实现这一目的并不容易。因为苯分子中由六个丌电子构成的共轭分子轨道使苯分子在热力学上具有相当特殊的稳定性，难以发生加成和氧化，由于苯环中的碳原子受共

14、轭兀电子屏蔽的作用，即使在取代反应中，也只有利于亲电的取代反应，而在羟基化反应中的进攻基团OH一或02恰好相反，都是亲核的；反应产物酚的化学活性比苯高，生成的酚将进一步反应，生成多元酚或其他产物。 所以在温和条件下由苯直接羟基化合成酚是一个难题。苯的单程转化率不高，因此苯的损失大，回收费用也大。目前的研究主要集中在氧化剂及相应的催化剂的选择上，并取得了一定的研究成果，有些成果已经显示出了工业化的前景。 苯直接羟基化制苯酚的几种催化反应，包括阳极氧化法、NzO氧化法、H。o。氧化法、02直接氧化法等，其中02直接氧化法由于收率太低，应用受到限制。1阳极氧化法 在隔离式电解池内用阳极氧化苯直接制苯

15、酚，收率可达67。反应中以三氟乙酸(TFA)、二氯甲烷、三乙胺(C2Hs)。N)的混合液为工作液，铂片为阳极，碳棒为阴极，阴阳极溶液区用陶瓷圆筒做隔膜分开，原料苯加入阳极区电解液中，在室温下通以电流密度63mAcm2的直流电，反应后将阳极的电解液(主要产物为苯酚钠)倒人水中水解即可得到苯酚。该过程对于苯环的单羟基化很有效，目的产物的选择性和收率都较高。2N20氧化法 在高温(约823K)T，以V20ssioz为催化剂N2O能把苯直接氧化为苯酚，唯一的副产物是N2。此法具有高度绿色性和直接性。 反应的活性中心是催化剂表面上的Lewis酸中心。如果催化剂中含有少量铁杂质，不仅催化剂活性大大提高，而

16、且反应可以在较低的温度下进行。调整苯与N20的比例，并以氦气或氮气为稀释气体可以降低反应器的出口温度，能够解决实际生产中苯和N20的混合气的易燃问题。3H202氧化法 过氧化氢催化氧化苯制苯酚，唯一的副产物是水，原子经济性高，具有良好的环境效益，因此一直被认为是最有希望取代目前异丙苯法的一种方法。依据采用的活性中心的不同，目前使用的催化剂主要分为含钛催化剂系列、含铁催化剂系列和含铜催化剂系列、含钒催化剂系列和其它杂原子催化剂。 其代表性的反应可以由Hz 02与FeS04配制成混合溶液与苯环的作用来说明。反应历程的要点是在Fe2+的作用下，使过氧化氢分解放出自由基0H。 第一步是反应速度的控制阶

17、段。与其他自由基反应一样，oH自由基的寿命及其进攻芳环的概率是发生羟基化反应的决定性因素。，例如，以Naz S208+Fe2+Cu2+为反应剂，与苯在30。C反应，苯酚的收率为64。 另外，在芳环上直接引入羟基的方法，也适用于从对苯二酚制备2，4一二羟基苯酚。11.6 酚类的变色原因及其预防措施 酚类化合物在贮存过程中往往会颜色变深，使产品质量下降，因此了解变色原因和寻找简易的防止方法，一直受到人们的重视。 以产量最大的苯酚为例，优质的苯酚其外观为无色或白色结晶，颜色变深后，应用于合成树脂、医药、高分子材料稳定剂以及表面活性剂等方面，将影响到产品质量。因此世界各国都对如何储存苯酚或使已变色的苯酚颜色变浅的研究课题十分重视。 苯酚变色的直接原因是氧化。其变色历程是，在空气中苯酚的羟基失去氢原子，游离出的苯氧自由基呈粉红色，其至深褐色。 反应中的HO来自大气或产品中的微量水，当受到光的辐射时产生解离，酸、碱和 Fe3+的存在起催化剂的作用，加速苯酚的氧化。由于苯氧基的活泼性，将导致产生一系 列杂质。 目前已提出的防止苯酚变色的方法有向储罐的上部空间充氮，严禁成品与铁器接触等，而最广泛又有效的办法是向苯酚中添加微量稳定剂，加入