第9章酰化技术

1、第9章 酰化技术 在有机化合物分子中的碳、氮、氧、硫等原子上引入脂肪族或芳香族酰基的反应称为酰化反应。酰基是指从含氧的无机酸、有机羧酸或磺酸等分子中除去羟基后所剩的基团。本章介绍将酰基引入氮原子上合成酰胺类化合物的N-酰化反应，将酰基引入碳原子上合成芳酮或芳醛的C-酰化反应。 酰化反应可用下列通式表示9.1 概述 式中为 酰化剂，Z可以是X，OCOR，OH，OR 7，NHR7等；G-H为被酰化物，G代表RO，RNH，ArNH，Ar等。 最常用的酰化剂主要有： 1)羧酸，例如甲酸、乙酸、草酸等。 2)酸酐，例如乙酐、顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐、1，8一萘二甲酸酐以及二氧化碳(碳酸酐)和一氧化碳(

2、甲酸酐)等。 3)酰氯，例如光气(碳酸二酰氯)、乙酰氯、苯甲酰氯、苯磺酰氯、三聚氰酰氯、三氯化磷、三氯氧磷等，某些酰氯不易制成工业品，这时可用羧酸和三氯化磷或亚硫酰氯在无水介质中作酰化剂。 4)羧酸酯，例如氯乙酸乙酯、乙酰乙酸乙酯等。 5)酰胺，例如尿素、N，N，-二甲基甲酰胺等。 6)其他，例如双乙烯酮、二硫化碳等。 在这些酰化剂中最常用的是羧酸、酸酐和酰氯，由于酰化是亲电取代反应，所以在引入碳酰基时，酰基碳原子上的部分正电荷越大，酰化能力越强。酰氯、酸酐和羧酸的活泼件次序为 因为在酰氯分子中酰基碳原子与电负性相当高的氯原子相连，所以活性最大。酸酐与羧酸相比，前者的酰基碳原子所连接的氧原子上

3、又连接了个吸电的碳酰基+。 在脂肪族酰化剂中，其反应活性随烷基碳链的增长而减弱。因此，只有在向氨基氮原子或羟基氧原子上引入低碳酰基时才能用羧酸作酰化剂，例如，甲酸、乙酸、草酸(乙二酸)等。在引入长碳链的酰基时，需要使用活泼的羧酰氯作酰化剂。 当R为芳环时，由于芳环的共轭效应，使酰基碳原子上的部分正电荷降低，从而使酰化剂的活性降低。因此，在引入芳羧酰时也要用活泼的芳羧酰氯作酰化剂。 当脂肪链或芳环上有吸电基时酰化剂的活性增强，而有供电基时则活性减弱。 由弱酸构成的酯也可以作为酰化剂，但是他们的活性比羧酸还弱。羧酰胺(例如尿素)则是更弱的酰化剂，一般很少使用。 胺类化合物与酰化剂反应，在氨基的氮原

4、子上引入酰基的反应为N-酰化反应。忖酰化是制备酰胺的重要方法。被酰化的可以是脂肪胺，也可以是芳胺，可以是伯胺，也可以是仲胺。921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可简单表示为9.2 N-酰化 首先是酰化剂的碳酰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做亲电进攻，形成过渡配合物，然后脱去HZ而形成羧酰胺。 酰基是吸电基，它使酰胺分子中氨基氮原子上的电子云密度降低，不容易再与亲电性的酰化剂质点相作用，即不容易生成N，*二酰化物。所以，在一般情况下容易制得较纯的酰胺，这和N一烷化反应是不一样的。 在N-酰化中，芳胺氮原子上的电子云

5、密度愈高愈易被酰化；而对酰化剂来说，酰基碳原子上所带正电荷愈多愈易起酰化反应。对于活泼的胺，可以采用弱酰化剂，对于不活泼的胺，必须使用强的酰化剂。 胺类被酰化的相对反应活性为 伯胺仲胺，无位阻胺有位阻胺，脂肪胺芳胺9.2.2 用羧酸的N-酰化 羧酸与酸酐和羧酰氯相比，价廉易得，但反应活性弱，一般只有在引入甲酰基、乙酰基、羧甲酰基时才使用甲酸、乙酸和草酸作酰化剂，在个别情况下也可用苯甲酸作酰化剂。另外，羧酸酰化剂一般只用于碱性较强的胺或氨的N一酰化。 用羧酸的N一酰化是一个可逆过程，首先生成铵盐，然后脱水生成酰胺。 为了使酰化反应尽可能完全并使用量太多的羧酸，必须除去反应生成的水。脱水的方法主要

6、有下述几种。1高温熔融脱水法 此法可用于稳定铵盐的脱水。例如，向冰乙酸中通入氨气生成乙酸铵，然后逐渐加热到180220进行脱水，即得到乙酰胺。用同样方法可制得丙酰胺。另外，此法也可用于高沸点羧酸和胺类的N一酰化。例如苯甲酸和苯胺逐渐加热到220进行脱水制得N一苯甲酰苯胺。 2反应精馏脱水法 此法主要用于乙酰化。由于反应可逆，一般要加入过量的乙酸，当反应达到平衡后，逐渐蒸出过量的乙酸，并将水分带出。如合成乙酰苯胺时是将苯胺与过量1050的乙酸混合，在120以下回流一段时间，使反应达到平衡，然后蒸出过量的乙酸和水，即可使反应趋于完全。用类似的方法可制得邻甲基乙酰苯胺、对甲基乙酰苯胺、对甲氧基乙酰苯

7、胺等中间体。 3溶剂共沸蒸馏脱水法 此法主要用于甲酸(沸点1008。C)与芳胺的N一酰化反应。因为甲酸和水的沸点非常接近，不能用一般精馏法分离，所以必须加入甲苯、二甲苯等惰性溶剂，并用共沸蒸馏法蒸出反应生成的水。用此法可制得N-甲酰苯胺、N-甲基-N一甲酰苯胺等中间体。 为了加速N_酰化反应，有时需加入少量强酸作催化剂。923用羧酐的N_酰化 用酸酐对胺类进行酰化反应的通式为 (RCO)2 O+R7NH2，R 7NHCOR+RCooH 反应时没有水生成，因此是不可逆的。酸酐的酰化活性较羧酸为强，除了能用于酰化脂肪族或芳香族伯胺外，还能用于较难酰化的胺类，如仲胺以及芳环上含有吸电子基团的芳胺类。

8、最常用的酸酐是乙酐，由于其酰化活性较高，在2090。C时反应即能顺利完成。酸酐的用量一般过量510。例如邻氨基苯甲酸，因受环上羧基的影响，碱性较弱；同时氨基又能与羧基形成内盐，更增加了酰化的困难，但是用乙酐作酰化剂，仍可得到收率较好的酰化产品。 胺类用酸酐酰化时，一般可以不加催化剂，如果是多取代芳香胺或者带有较多吸电子取代基的，以及空间位阻较大的芳香胺类，如2，4，6一三溴苯胺、2，4一二硝基苯胺、二苯胺、N-甲基邻硝基苯胺等，与酐的反应很慢，这时需加人少量酸作催化剂以加速反应。924用酰氯的N-酰化 用酰氯对胺类进行忖酰化反应的通式为 RNH2+RCoCl一RNHCoR 7+HCl 酰氯是比

9、相应的酸酐更活泼的酰化剂，容易与脂肪胺或芳香胺发生N一酰化反应，这类反应是不可逆的。常用的酰氯有长碳链脂肪酸的酰氯、芳羧酰氯、芳磺酰氯、光气和三聚氰酰氯等。 酰氯都是相当活泼的酰化剂，其用量一般只需要稍稍超过理论量即可，反应过程中常伴有热量产生，有时甚为剧烈。因此，酰化的温度也不需要太高，有时甚至要在O。C或更低的温度下反应。 由于酰化产物常常是固态的，用酰氯的N一酰化必须在适当的介质中进行。如果酰氯的N酰化速率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，就需要使用惰性有机溶剂，例如苯、甲苯、氯苯、乙酸、氯仿、二氯乙烷等。 酰化时生成的氯化氢能与游离胺结合成盐，从而降低N-

10、酰化反应速率，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。常用的缚酸剂有：氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、乙酸钠以及吡啶和三乙胺等有机叔胺。1羧酰氯N一酰化 羧酰氯一般是由相应的羧酸与亚硫酰氯、三氯化磷、三氯化磷加氯气或光气相作用而制得的。 高碳脂羧酰氯亲水性差、容易水解，其N一酰化反应要在无水有机溶剂中和较高温度F进行(95160)，而且要用吡啶或其他叔胺作缚酸剂。如将3，4-氯苯胺溶于含吡啶的二氯乙烷溶剂中，加入壬酰氯，可得壬酰化产品。2芳羧酰氯及芳磺酰氯的N一酰化 常用的这类酰氯有 与低级脂肪羧酰氯相比，

11、这类酰化剂的活性要低些，一般不易水解，所以能在强碱性介质中直接滴加酰氯进行反应，如2，5一二乙氧基苯胺用苯甲酰氯酰化。3用光气的N一酰化 光气是碳酸的二酰氯，是非常活泼的酰化剂。用光气N一酰化制得的产品有三种类型，一是脲衍生物，二是氨基甲酸衍生物，三是异氰酸酯类。 (1)脲类衍生物的制备 将芳胺在水介质或水一有机溶剂中，在碳酸钠缚酸剂存在下，于20-70C1右=右与光气反应，得到的产品将是对称二芳基脲。(2)氨基甲酰氯衍生物的制备 猩红酸(染料中间体)这是光气分子中的一个氯与胺反应而生成的产物，即 R-NH2+CoCl2，R-NHCOCl+HCl 这类产品的制法有两种。第一种方法是先将光气在O

12、。C左右溶解于甲苯或氯苯中，然后再加入等物质的量的胺。第二种方法是将干燥的甲胺气体与稍过量的光气在280300下气相反应，得气态甲氨基甲酰氯，然后冷却至3540，得液态产品，或者将气态产品用四氯化碳或氯苯在0-20吸收得溶液。 用上述方法制得的氨基甲酰氯衍生物溶液一般用于与醇或酚进一步反应制备氨基甲酸酯衍生物。 如果目的在于进一步制备异氰酸酯，还可以采用以下制洪(3)异氰酸酯的制备将上述方法制得的氨基甲酰氯衍生物溶液加热到100160，放出氯化氢气体而生成异氰酸酯(R-N=C=O)。 为了避免低温操作，也可以先将胺溶解于甲苯、氯苯或邻二氯苯中，通人干燥的氯化氢或二氧化碳气体生成铵盐，然后在40

13、160通人光气就可以直接制得异氰酸酯。许多异氰酸酯用于制备泡沫塑料、农药、医药和纺织助剂。其中产量最大的是甲苯二异氰酸酯(TDI)和4，4 7一二苯基甲烷二异氰酸酯(DMI)925用其他酰化剂的N-酰化 1用双乙烯酮的N一酰化双乙烯酮是将乙酸热解得乙烯酮，然后低N-聚而制得的。 双乙烯酮法的优点是成本低、反应活性高、可在低温水介质中使用、酰化时间短、后处理简单、酰化收率高、产品质量好。因此，尽管双乙烯酮的生产工艺复杂、设备投资高，仍然取代了乙酰乙酸乙酯，成为制乙酰乙酰胺和乙酰乙酰芳胺的重要酰化剂 例如，苯胺在水介质中于o15与双乙烯酮反应，即得到N-乙酰乙酰苯胺。 用类似的方法制得的重要酰化产

14、物可有 它们都是重要的染料中问体。 应该指出，双乙烯酮必须在05。C的低温贮运。如果温度升高，会发生自聚合反应，因此，双乙烯酮主要在生产厂内自用。另外，双乙烯酮具有很强的刺激性、催泪性和毒性，使用时必须注意安全。2用三聚氰酰氯的N一酰化 三聚氰酰氯可看作是三聚氰酸的酰氯，也可以看作是芳香杂环的氯化物。奠分子结构为 三聚氰酰氯本身相当活泼，分子中有三个可取代的活泼氯原子，在三聚氰酰氯分子上三个与氯原子相连的碳原子都可以参与反应，但它们的反应活性不同。，一酰化要在O。C左右进行，在第一个氯原子被亲核试剂取代后，其余两个氯原子的反应活性将明显下降。926 N酰化反应的终点控制 由于芳胺可重氮化而酰化

15、物则不能，重氮盐能与R盐或问苯二酚偶合生成染料，利用这一特点在滤纸上做渗圈试验，可定性检查酰化终点。利用重氮化分析法也可进行定量测定。以标准亚硝酸钠溶液滴定，控制未反应芳胺在O5以下。927酰基的水解 酰胺在一定条件下水解生成相应的羧酸和胺。 水解反应生成的胺就是原来的胺。因此，将氨基化物酰化成为酰胺是保护氨基的最好方法，已得到普遍应用，它能防止氧化和烃化等反应。 最常使用的保护性酰化是乙酰化，通常用乙酸或乙酐。也可将胺与尿素或光气反应生成脲，再水解。但有时为了定位需要，也引入其他酰基。 酰化物既可在稀酸中水解，也可在稀碱中水解，它们各有优缺点。碱性水解对设备腐蚀性小，但生成的胺类在碱性介质中

16、高温下易氧化，不如在酸中稳定。但稀酸对设备腐蚀较严重。 在碱性介质中不同酰化物的水解活性是在碱性条件下酰胺不易水解，因此，可利用这一点进行选择性水解。 C-酰化是指在芳环上引入酰基，制备芳酮或芳醛的反应过程。它是以酰卤或酸酐为酰化剂，对芳环进行亲电取代(或加成)的反应，属于FriedelCrafts反应中的重要一类。反应时必须加入路易斯酸或质子酸等催化剂以增强酰化剂的亲电能力，使反应得以顺利进行。9.3 C-酰化931 C-酰化反应历程 这类反应属于FriedelCrafts反应，它是一个亲电取代反应。最常用的酰化剂是酰卤或酸酐，其次是羧酸和烯酮。由于酰基是吸电基，芳环上引入酰基后，使电子云密

17、度降低，因此不易发生多酰化、脱酰基或分子重排等副反应，酰化反应的收率都较高。C-酰化不能用于甲酰化，因为甲酰氯或甲酐在室温下是不稳定的。 C-酰化反应的历程通常被认为是酰卤和路易斯酸催化剂生成各种碳正离子活性中间体，如用酰氯作酰化剂，以无水三氯化铝为催化剂时，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碳正离子活性中间体A、B和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。该络合物经水解即得到芳酮，但三氯化铝不能重复使用932影响C-酰化反应的因素 1被酰化物结构 酰化反应是亲电取代反应。因此，芳环上有供电基(CH。、

18、一oH、-OR、一NR2、一NHCoR)时反应容易进行。由于酰基的立体位阻比较大，所以酰基主要进入芳环上已有取代基的对位，当对位被占据时，才进入邻位。氨基虽然也是活化基，但是它容易同时发生N_酰化，因此在C-酰化以前应先对氨基进行保护。2催化剂 催化剂的作用是增强酰基上碳原子的正电荷，从而增强进攻质点的亲核能力。路易斯酸的催化活性大小次序为质子酸的催化活性顺序为3溶剂 在C-酰化反应中生成的芳酮一舢Cl。络合物大都是固体或黏稠的液体，因此为了使酰化产物具有良好的流动性，常常需要使用过量的某一种液态组分作溶剂。例如在由邻苯二甲酸酐与苯制邻苯甲酰基苯甲酸时，可用过量67倍的苯作溶剂，因为苯易于回收

19、套用。 如果反应组分都不是液态的，则要选用溶剂，常用的有硝基苯、二硫化碳、二氯乙烷、四氯乙烷、四氯化碳、石油醚及氯代烃等。其中硝基苯的极性较大，不仅能溶解三氯化铝和酰氯或芳酮形成的络合物，此种酰化反应基本上属于均相反应。而二硫化碳、氯代烷、石油醚等溶剂对于三氯化铝或其络合物的溶解度较小，此种酰化反应基本上属于非均相反应。 选择酰化反应溶剂时，应注意溶剂对催化剂活性的影响，如硝基苯可与三氯化铝形成的络合物，使催化剂活性有所下降，所以只适用于较易酰化的反应。二氯乙烷等某些氯代烃，在三氯化铝作用下，温度较高时，有可能参与芳环上的取代反应。 应该指出，溶剂还会影响酰基进入芳环的位置。例如，从萘和乙酐制

20、口一萘乙酮要用非极性溶剂二氯乙烷，而由萘和乙酰氯制p萘乙酮则需要用强极性溶剂硝基苯。上述反应如果用二硫化碳或石油醚作溶剂，则得到口一萘乙酮和口一萘乙酮的混合933 C-酰化制芳酮 用酸酐或酰氯作酰化剂使酰基取代芳环上的氢，可制得芳酮。 1)邻苯甲酰基苯甲酸及其衍生物是合成蒽醌衍生物的中间体，它们是由邻苯二甲酸酐与苯或甲苯或氯苯反应得到的。 将苯酐和三氯化铝逐步加到过量的芳烃中，苯酐、三氯化铝、苯的物质的量之比是1：22：(67)，6070反应，直至不再放出氯化氢为止。然后将反应物慢慢加到稀酸溶液中进行水解。再用水蒸气蒸出过量的苯。冷却后过滤、干燥，然后在硫酸中130140。C脱水闭环即得到蒽醌。2)2，6一二甲基一4一叔丁基苯乙酮是香料酮麝香的中间体，将乙酐在3040。C滴加到1，3-甲基一5一叔丁基苯及三氯化铝的混合物中，60。C反应4h，再在7080。C反应至不再放出氯化氢为止。934 C-酰化制芳醛 可以设想，如果用甲酰氯HCOCl或4t酉1：(HCO)。O作C_酰化剂，将会在芳环上直接引入醛基。但是甲酰氯很不稳定，即使在室温也要分解为CO和HCl。而一氧化碳很不活泼，用CO的羟基合成反应一般要用均相配位催化剂并在高压下操作，而且反应产物很复杂。在工业上有实际意义的G甲酰化法主要是Vi