精细合成单元反应与工艺第9章烷基化反应

1、第九章第九章 烷基化反应烷基化反应9.1概述概述n一、定义一、定义 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、氮、氧在有机化合物分子中的碳、氮、氧等等原子原子上上引入烃基引入烃基的反应。的反应。 1，C烷基化烷基化 CH CR 2，N烷基化烷基化 NH NR 3，O烷基化烷基化 OH OR n二、烷基化种类二、烷基化种类烷基化种类烷基化种类+CH2CHCH3CHCH3CH3NH2N(CH3)2+2CH3OHH2SO4OH

2、OCH3+CH3Cl9.2 C烷基化反应烷基化反应 一、一、C烷化剂烷化剂 n1，卤烷，卤烷 RCl RBr RICH2XR3CXR2CHXRCH2XCH3X烷基相同时，反应活性为烷基相同时，反应活性为卤原子相同时卤原子相同时n2，烯烃，烯烃 CH2=CH2, CH3CH=CH2, R-CH=CH2, CH2=CHCN, CH2=CHCOOCH3, n3，醇类，醇类 CH3OH, C2H5OH, n-C4H9OH, C12H25OH, CH3OCH3, C2H5OC2H5;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u工业上付工业上付- -克芳烃烷基化反应最常用的烷基化试克芳烃烷基

3、化反应最常用的烷基化试剂是烯烃和卤烷，其次剂是烯烃和卤烷，其次是是醇、醛和酮。醇、醛和酮。n4，醛、酮，醛、酮 HCHO, CH3CHO, C3H7CHO, Ph-CHO, CH3COCH3,O二、芳环结构对二、芳环结构对C烷基化的影响烷基化的影响 n1，芳环上有给电子基团，芳环上有给电子基团（1）烷基）烷基，有利于反应有利于反应 （2）NH2、OR、OH等等,与催化剂络合而降低与催化剂络合而降低芳环上的电子云密度而不利于反应。芳环上的电子云密度而不利于反应。n2，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，反应需要较苛刻条件。、羰基、羧基等，反应需要较苛刻条件。（2）硝基

4、（）硝基（NO2），腈基（），腈基（CN），不能进行反不能进行反应。应。u3，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）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进入的位置遵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）不在上述条件下，烷基进入的位置缺乏规律律.三、三、C烷基化反应的催化剂烷基化反应的催化剂 n路易斯酸路易斯酸1 1，路易斯酸，路易斯酸 n质子酸质子酸质子酸质子酸n酸性氧化物酸性氧化物酸性氧化物酸性氧化物n烷基铝烷基铝 （AlR3）烷基铝烷基铝四、烷基化反应历程四、烷基化反应历程 n催化剂的作

5、用下使烷基化剂强烈极化成为活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泼的亲电质点 n亲电质点进攻芳环生成亲电质点进攻芳环生成-络合络合物物 n脱去质子变为最终产物脱去质子变为最终产物 +R CH CH3AlCl4-HCH CH3RAlCl4-+慢快CHCH3R+AlCl3H Cl+-u烯烃做烷基化剂时：烯烃做烷基化剂时：u对对烯烃的加成符合马尔科夫尼科夫规则烯烃的加成符合马尔科夫尼科夫规则 AlCl4-HR AlCl4-+慢+R.+快RAlCl3HCl +u卤烷的烷基化卤烷的烷基化u用醇烷基化时，以质子酸为催化剂时：用醇烷基化时，以质子酸为催化剂时：+ROHH+ROH2+R+H2Ou

6、（1）C烷基化是连串反应烷基化是连串反应 苯分子引入乙基或异丙基后，进一步烷基化的速苯分子引入乙基或异丙基后，进一步烷基化的速度比苯快度比苯快1.53.0倍。倍。u（2）C烷基化反应是可逆反应烷基化反应是可逆反应烷基的转移和歧化烷基的转移和歧化 u（3）烷基可能重排）烷基可能重排 1-氯丙烷与苯反应产物氯丙烷与苯反应产物 五、芳烃烷基化反应的特点五、芳烃烷基化反应的特点六、六、用烯烃的用烯烃的C-烷基化烷基化 u在在C-烷基化烷基化剂中，烯烃是剂中，烯烃是最便宜和活泼最便宜和活泼的烷基的烷基化剂，广泛应用于工业上芳烃、芳胺和酚类的化剂，广泛应用于工业上芳烃、芳胺和酚类的C-烷基化。烷基化。u液

7、相法：路易斯酸和质子酸为催化剂。液相法：路易斯酸和质子酸为催化剂。u气相法：固体酸催化剂（气相法：固体酸催化剂（如如：磷酸磷酸- -硅藻土，硅藻土，BF3-Al2O3）1.异丙苯异丙苯u航空汽油的添加剂，提高油品的航空汽油的添加剂，提高油品的辛烷值辛烷值。u经过氧化和分解，制备苯酚和丙酮。经过氧化和分解，制备苯酚和丙酮。u工业上苯和丙烯的连续烷基化用液相和气工业上苯和丙烯的连续烷基化用液相和气相两种方法均可生产。相两种方法均可生产。用途：用途：+ CH2=CH-CH3CHCH3CH3AlCl3： 6 67 1 957 1 95100 100 ，0.20.20.30.3MPaH3PO4( (固）

8、固） 170-190 170-190 ，2 24 4MPa2. 异丙基甲苯异丙基甲苯u甲苯与丙烯烷基化，得到邻、间和对位异丙甲苯与丙烯烷基化，得到邻、间和对位异丙基甲苯的混合物。基甲苯的混合物。用途：用途：u氧化和酸解可得到混合氧化和酸解可得到混合甲酚甲酚和丙酮，间甲酚和丙酮，间甲酚是生产彩色电影胶片和高效、低毒农药的原料，是生产彩色电影胶片和高效、低毒农药的原料，并可用于制造树脂、增塑剂和香料。并可用于制造树脂、增塑剂和香料。u工艺条件工艺条件u反应可在釜式串联反应器或塔式反应器中以间反应可在釜式串联反应器或塔式反应器中以间歇或连续方法进行。歇或连续方法进行。u连续生产时：塔的径高比为连续生

9、产时：塔的径高比为1/10,甲苯与丙烯甲苯与丙烯的摩尔比的摩尔比1/0.5,反应温度反应温度100，常压，物料平，常压，物料平均停留时间约均停留时间约60分钟。分钟。CH3+ CH2=CH-CH3AlCl3100oCCH3CHCH3CH3氧化酸解CH3OH氨解CH3NH23. 2-异丙基萘异丙基萘u由萘与丙烯经烷基化制取，再进一步氧化和酸由萘与丙烯经烷基化制取，再进一步氧化和酸解制备解制备2-萘酚萘酚和丙酮。和丙酮。4. 烷烷基酚基酚u由苯酚与不同链长的由苯酚与不同链长的- -烯烃经烷基化制备。烯烃经烷基化制备。u可用于制造润滑油添加剂、增塑剂、润湿剂、可用于制造润滑油添加剂、增塑剂、润湿剂、

10、抗氧剂、洗涤剂及浮选剂。抗氧剂、洗涤剂及浮选剂。OHCH3+CH2CCH3CH32浓H2SO4OHCH3C(CH3)3C(CH3)3抗氧剂抗氧剂2642645. 烷基苯胺烷基苯胺u由苯胺与烯烃经烷基化制取。由苯胺与烯烃经烷基化制取。u是制造农药除草剂拉索的重要中间体，此外是制造农药除草剂拉索的重要中间体，此外还是制备杀虫剂、植物生长调节剂、医药和染还是制备杀虫剂、植物生长调节剂、医药和染料中间体。汽油抗爆剂、橡胶抗臭氧剂。料中间体。汽油抗爆剂、橡胶抗臭氧剂。NH2+H2CCH22Al(NHC6H5)3高温、高压NH2C2H5C2H5七、七、用卤烷作为用卤烷作为C-烷基化烷基化 C12H25+C

11、12H25ClAlCl360 - 70+HClu工业上一般使用的是氯烷。反应常在液相工业上一般使用的是氯烷。反应常在液相中进行。用铝锭或铝球放入烷基化塔内，而中进行。用铝锭或铝球放入烷基化塔内，而不直接使用无水氯化铝。不直接使用无水氯化铝。u苯与氯烷的摩尔比苯与氯烷的摩尔比为为5:1.八八、醇、醛、酮作为、醇、醛、酮作为C-烷基化试剂烷基化试剂n醇类、醛类和酮类是弱烷基化剂醇类、醛类和酮类是弱烷基化剂n烷基化过程是脱水缩合过程烷基化过程是脱水缩合过程n主要用于活泼芳香族衍生物的烷基化（苯、主要用于活泼芳香族衍生物的烷基化（苯、萘、酚、芳胺等）萘、酚、芳胺等） n催化剂一般为：硫酸、磷酸、催化剂

12、一般为：硫酸、磷酸、HCl、三氯、三氯化铝、氯化锌化铝、氯化锌 A、醇类作为、醇类作为C烷基化试剂烷基化试剂n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烷基化反烷基化反应应n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 NH2NHC4H9+C4H9OH+H2OZnCl2210 , 0. 8MPaNHC4H9ZnCl2240 , 2. 2MPaNH2H9C4u萘与正丁醇和发烟硫酸可同时发生烷基化萘与正丁醇和发烟硫酸可同时发生烷基化和磺化反应，生成二丁基萘磺酸和磺化反应，生成二丁基萘磺酸u在合成橡胶生产中用作乳化剂，在纺织

13、印染在合成橡胶生产中用作乳化剂，在纺织印染工业中大量用作渗透剂。工业中大量用作渗透剂。C4H9SO3NaC4H9C4H9浓H2SO4C4H9OH发烟硫酸 磺化NaOH 中和渗透剂BX(拉开粉)C4H9DDT滴滴涕滴滴涕(1,1,1-三氯三氯-2,2-双双(对氯苯基对氯苯基)乙烷乙烷)Cl3C-C-HO+ 2Cl浓H2SO415-30oCClCClHCCl3三氯乙醛u农药农药B、醛类作为、醛类作为C烷基化烷基化试剂试剂+CH2O2SO3H130H2CHO3SSO3H+H2Ou扩散剂扩散剂N的制备的制备u纺织印染的重要助剂纺织印染的重要助剂+CH2O2100+H2ONH2HClH2NH2CNH2u

14、4,4-二氨基二苯甲烷二氨基二苯甲烷u偶氮染料的重氮组分，又是制造压敏染料的偶氮染料的重氮组分，又是制造压敏染料的中间体。中间体。CH3-C-CH3O+ 2OHCHOOHCH3CH3过量双酚A酸性催化剂 脱水缩合双酚双酚A A（2,2-2,2-双双(4-(4-羟基苯基羟基苯基) )丙烷）丙烷）C、酮类作为、酮类作为C烷基化试剂烷基化试剂9.3 N烷基化反应烷基化反应 氨基上的氢氨基上的氢原子被原子被烷烷基取代基取代，或者通过，或者通过直接加成而在氮原子上引入烷基的反应，直接加成而在氮原子上引入烷基的反应，叫叫做做N- -烷基烷基化化反应。反应。ArNH2 RZ ArNHR HR ArNHR R

15、Z ArNR2 HR烷化试剂烷化试剂：醇、卤代烷、酯、烯烃、醛和酮、：醇、卤代烷、酯、烯烃、醛和酮、 环氧乙烷等。环氧乙烷等。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。一、一、用醇或醚的用醇或醚的N- -烷基化烷基化n反应历程反应历程ROH + H+R+-OH2R+ + H2OAr-NH2 + R+Ar-N+-R伯胺Ar-N-R + H+Ar-N+-R仲胺Ar-N-R + H+Ar-N+-R叔胺季铵盐R+

16、R+HHHHRRRR n特点特点 （1 1）以）以R+为活性质点的亲电取代反应；为活性质点的亲电取代反应； （2 2）使用强酸性催化剂以提供质子；）使用强酸性催化剂以提供质子； （3 3）连串反应；）连串反应； （4 4）可逆反应。）可逆反应。 （5 5）受空间效应的影响，以高碳醇对芳胺进）受空间效应的影响，以高碳醇对芳胺进 行行N-N-烷化时，只得到一烷苯胺烷化时，只得到一烷苯胺Ar-NH2 + ROHK1K2ArNHR + H2OAr-NHR + ROHArNR2 + H2ONH2NHCH3N(CH3)2+ CH3OH200oCCH3OHK1K2NH2NHC2H5N(C2H5)2+ C2H

17、5OH200oCC2H5OHK1K2K2/K1=1000K2/K1=1/4u目的是制备一烷基化仲胺，则醇用量仅稍大于理论量；若目的是制备一烷基化仲胺，则醇用量仅稍大于理论量；若是制备二烷基化叔胺，则醇用量约为理论量的是制备二烷基化叔胺，则醇用量约为理论量的140160%.u醚醚NH2+(CH3)2OAl2O3230NHCH3+ CH3OHNHCH3+(CH3)2ONH(CH3)2+ CH3OH（1）N,N-二甲基苯胺二甲基苯胺NH2N(CH3)2NHCH3+ 2CH3OH( + )高压液相烷化法 H2SO4摩尔比 ： 1 3.2 0.11 96% （含量0.5%） 温度：205-215oC 压

18、力：3.0-3.2MPa 时间：5h n重要品种重要品种u用来制备染料、橡胶硫化促进剂、炸药和医药中间体。用来制备染料、橡胶硫化促进剂、炸药和医药中间体。NH3+ CH3OHCH3NH2+ H2OAl2O3SiO2350500.u500反应时，反应时，NH3:CH3OH为为2.4:1时，产物比例：时，产物比例： 一甲胺一甲胺54%，二甲胺，二甲胺26%，三甲胺，三甲胺20%.二、二、用卤烷作烷化剂的用卤烷作烷化剂的N- -烷化反应烷化反应u卤烷是卤烷是N-烷基化常用的烷基化剂，其反应活烷基化常用的烷基化剂，其反应活性较醇强。当需要引入长碳链的烷基时，由于性较醇强。当需要引入长碳链的烷基时，由于

19、醇类的反应活性随碳链的增长而减弱，此时就醇类的反应活性随碳链的增长而减弱，此时就要用卤烷作烷基化剂。要用卤烷作烷基化剂。（1）烷化剂活泼性）烷化剂活泼性 nR越长，越长，RX的活性越低的活性越低 n卤代烃的活性与卤代烃的活性与CX键的键能成反比。键的键能成反比。 RI RBr RCl RF R3CX R2CHX RCH2XCH3Xn 卤素相同时卤素相同时u特点特点：（2）反应不可逆，为连串反应）反应不可逆，为连串反应nArNH2 RX ArNHR HXnArNHR RX ArNR2 HXNH2CH2Cl+NHCH2+HCl（3）反应中有）反应中有HX产生，易与芳胺成盐产生，易与芳胺成盐 n常用

20、缚酸剂如：常用缚酸剂如：NaOH、Na2CO3、MgO、Ca(OH)2等 NH2HCl（4）RX的沸点较低，反应宜在压力下进行的沸点较低，反应宜在压力下进行 u如：氯甲烷的沸点：如：氯甲烷的沸点：-23.7，氯乙烷的沸点，氯乙烷的沸点 13n主要产品：主要产品：N- -乙基乙基- -N- -苄基苯胺苄基苯胺NHC2H5ClCH2NC2H5CH2+ AlCl3 FeCl3 SbCl5 SnCl4 BF3TiCl4ZnCl2u活泼顺序活泼顺序u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u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

21、成带负电荷的碱性试剂，同时形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成活泼的亲电质点 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 n液态烃溶剂中液态烃溶剂中 AlCl3能与能与HCl作用生成络合物，这种作用生成络合物，这种络合物又能与烯烃反应，形成活泼的亲电质点。络合物又能与烯烃反应，形成活泼的亲电质点。R+ClAlCl3RCl AlCl3:+-分子络合物R+AlCl4-离子对或离子络合物+HClAlCl3HCl AlCl3+-(气)(固)(溶液)R+CHAlCl4-HCl AlCl3+-CH2RHCCH3AlCl3n最广泛使用的傅克反

22、应的催化剂最广泛使用的傅克反应的催化剂，由金属铝由金属铝或氧化铝和焦炭在高温下与氯气作用而制得，或氧化铝和焦炭在高温下与氯气作用而制得，一般为粉状或小颗粒状。一般为粉状或小颗粒状。n熔点熔点192.0，180升华升华 n440以下以二聚体形式存在以下以二聚体形式存在n二聚体没有催化活性二聚体没有催化活性n二聚体能离解为单体三氯化铝，并与反应试剂或二聚体能离解为单体三氯化铝，并与反应试剂或溶剂形成络合物，显示催化活性溶剂形成络合物，显示催化活性n新鲜升华无水三氯化铝对用烯烃的新鲜升华无水三氯化铝对用烯烃的C烷基化反烷基化反应没有催化活性；少量的水或应没有催化活性；少量的水或HCl存在，能显示存在

23、，能显示出催化活性出催化活性. AlCl3+H2OAlCl2OH+HCl三氯化铝优缺点三氯化铝优缺点 n优点：价廉易得，催化活性好优点：价廉易得，催化活性好 n缺点：生成铝盐废液；由于副反应不适于活泼芳缺点：生成铝盐废液；由于副反应不适于活泼芳香族物（酚、芳胺等）香族物（酚、芳胺等） n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BF3 n活泼的催化剂活泼的催化剂n沸点低（沸点低（101），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 n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

24、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，BF3还可以作硫酸、还可以作硫酸、磷酸和磷酸和HF的促进剂的促进剂 n缺点：价格贵，使用受到限制缺点：价格贵，使用受到限制 其他其他 nZnCl2、FeCl3、TiCl4等温和催化剂等温和催化剂nZnCl2还广泛用于氯甲基化反应还广泛用于氯甲基化反应 2，质子酸，质子酸 n硫酸、氢氟酸、磷酸、多磷酸、硫酸、氢氟酸、磷酸、多磷酸、HCl等等 n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 n价廉易得价廉易得 n选择适宜的浓度，以避免芳烃的磺化、烷化剂的聚选择适宜的

25、浓度，以避免芳烃的磺化、烷化剂的聚合、酯化、脱水、氧化等副反应合、酯化、脱水、氧化等副反应 n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n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n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） n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

26、可用于多种类型的傅克反应 n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，兼有机物的溶剂，兼有溶剂和催化剂的性质有溶剂和催化剂的性质 （2）不易引起副反应，当用）不易引起副反应，当用AlCl3和和H2SO4会引起会引起副反应时，用副反应时，用HF较为有利较为有利 （3）沸点低：易蒸出回收套用，消耗量小）沸点低：易蒸出回收套用，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 n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）常需要在压力下操作）常需要在压力下操作（C）磷酸或多磷酸）磷酸或多磷酸u

27、是烯烃烷基化的良好催化剂，又是烯烃聚合是烯烃烷基化的良好催化剂，又是烯烃聚合和闭环的催化剂。和闭环的催化剂。u优点：烷基化时没有氧化副反应，也不会发优点：烷基化时没有氧化副反应，也不会发生芳环上类似磺化的取代反应。生芳环上类似磺化的取代反应。u缺点：价格比三氯化铝、硫酸贵得多。缺点：价格比三氯化铝、硫酸贵得多。（D）阳离子交换树脂）阳离子交换树脂u最重要的是苯乙烯最重要的是苯乙烯- -二乙烯苯共聚物的磺化物。二乙烯苯共聚物的磺化物。u优点：副反应少；易分离回收循环使用。优点：副反应少；易分离回收循环使用。u缺点：温度不能过高；易发生溶胀；失效后缺点：温度不能过高；易发生溶胀；失效后不易再生。不

28、易再生。3. 酸性氧化物酸性氧化物u这类催化剂往往用于气相催化烷基化反应。这类催化剂往往用于气相催化烷基化反应。u近年来研究开发较多的是分子筛催化剂，近年来研究开发较多的是分子筛催化剂，又称为泡沸石，为结晶型的硅铝酸盐。又称为泡沸石，为结晶型的硅铝酸盐。u工业硅铝催化剂工业硅铝催化剂通常含有三氧化二铝通常含有三氧化二铝10%15% 及二氧化硅及二氧化硅 85%90%.4. 烷基铝烷基铝u是烯烃作烷基化剂时的一种催化剂。是烯烃作烷基化剂时的一种催化剂。u特点：能使烷基有选择地进入芳环上氨基或羟特点：能使烷基有选择地进入芳环上氨基或羟基的邻位；本身的烷基必须和要引入的烷基相同。基的邻位；本身的烷基必须和要引入的烷基相同。烷基的转移和歧化烷基的转移和歧化uC-C-烷基化为可逆反应，烷基苯在强酸催化剂存在下能烷基化为可逆反应，烷基苯在强酸催化剂存在下能发生烷基的转移和歧化。当苯不足量时，有利于二烷基发生烷基的转移和歧化。当苯不足量时，有利于二烷基苯或多烷基苯的生成，苯过量时，则