精细有机合成化学和工艺学卤化市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、第3章 卤化10/10/1第1页注意：第二个卤素原子进入第一个卤素原子邻、对位。 10/10/2第2页亲电取代时，X-上苯环；自由基取代时，X-上侧链位。10/10/3第3页1、了解卤化反应定义以及主要性，卤化反应目标，卤化剂、卤化反应类型。2、掌握芳环上取代氯化、溴化、碘化及氟化反应并掌握其异同点。3. 了解苯系环上取代氯化实例；萘系和蒽醌系环上取代氯化实例。4、掌握芳烃侧链氯化反应理论及相关实例，了解氯甲基化反应。5、了解烷烃取代反应。6、了解羰基-氢取代卤化。7、了解烯键-氢取代卤化及卤素对双键加成卤化等。8、了解卤素置换已经有取代基：卤素置换羟基、硝基、磺酸基，掌握卤素置换重氮基及Sa

2、ndmeyer反应。教学重点：芳环上取代氯化。芳烃侧链氯化。氟化反应，卤素置换重氮基及Sandmeyer反应。教学难点：催化剂存在下芳环取代氯化反应历程。氯甲基化反应、Schiemann反应、Sandmeyer反应。 本章教学基本内容和要求10/10/4第4页3.1 概述卤化反应定义卤化反应目标卤化试剂卤化反应分类卤化热力学10/10/5第5页氟化（fluoration）氯化（chloration）溴化（bromation, bromination）碘化（iodation） 向有机化合物分子中碳原子上引入卤原子反应叫做卤化反应。一、卤化反应定义R-H R-XX210/10/6第6页赋予最终产品

3、一些性能(1)色光高氯代铜酞菁（酞菁绿）二、 卤化反应目标10/10/7第7页七氟菊酯（2）杀虫、杀菌性（3）阻燃性2,3,5,6-四氟-4-甲基苄基(Z)-(1RS,3RS)-3-(2-氯-2,3,3-三氟丙-1-烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸酯 10/10/8第8页X(Cl) NH2,OH,F,OR,OAr 亲核置换+ 有机物分子中引入卤素，分子极性增加，可经过卤素转换制备含有其它取代基衍生物，如卤素置换成羟基、氨基、烷氧基等。10/10/9第9页卤素单质：Cl2、Br2、I2卤化氢氧化剂： HCl+NaClO3(NaClO) HBr+NaBrO3(NaClO)卤化氢或盐：HF、NaF、

4、SbF5、HCl、HBr、NaBr其它：SO2Cl2、COCl2、ICl三、 卤化剂10/10/10第10页置换卤化：亲核反应置换氟化四、 卤化反应类型10/10/11第11页五、 卤化热力学（自学）1、卤化反应热 在等压过程中，反应热等于产物生成焓之和减去反应物生成焓之和。在缺乏生成焓数据和燃烧焓数据时，可用各键生成能之和减去各键断裂能之和（负值）来估算反应摩尔焓变。10/10/12第12页2、碳-卤键稳定性和反应活性（1）C-F键非常稳定，不易发生氟被其它基团所置换反应；（2）C-Cl键键能稍弱，有机氯化物普通比较稳定，但在一定条件下，能够发生-Cl被-F、-OH、-OCH3、-NH、-C

5、N等取代基所置换反应；（3）用分子态碘取代是吸热反应，会发生脱碘反应。用ICl取代碘化是放热反应，不会发生脱碘反应。10/10/13第13页 3.2 芳环上取代卤化反应 （重点） 3.2.1 芳环上取代氯化反应 本节主要内容：反应历程反应动力学及氯化深度芳环取代氯化反应影响原因芳环取代氯化反应实例 芳环上取代氯化是在催化剂存在下，芳环上氢原子被氯原子取代过程。1、路易斯酸：如金属卤化物三氯化铁、三氯化铝、二氯化锰、二氯化锌、四氯化锡、四氯化钛等；2、质子酸：浓硫酸或发烟硫酸；3、碘4、二氯硫酰（SO2Cl2）10/10/14第14页慢快一、反应历程和催化剂选择1、反应历程(1) 以FeCl3为

6、催化剂 Cl2 FeCl3 Cl+ FeCl4- Cl+FeCl4- Fe10/10/15第15页(2) 以硫酸或碘为催化剂(3) 以二氯硫酰为催化剂(红棕色液体)备注：适应无水状态下或在浓硫酸介质中用氯气氯化。10/10/16第16页(5)盐酸加氧化剂为催化剂 在水介质中进行氯化时，普通用盐酸加氧化剂来产生Cl2或Cl+，并利用控制氧化剂用量来控制Cl2生成量。(4) 不用催化剂情况： 前提：当有机物轻易被氯化且反应能够在水介质中进行。10/10/17第17页2、催化剂选择说明：催化剂不但会影响卤化反应速率，而且还会影响卤原子进入芳环位置。尤其是当苯环上有邻、对位定位基时，影响邻、对位卤化产

7、物百分比。普通概念是：卤化剂与催化剂形成配合物体积越大，空间位阻越大，生成对位异构体百分比就越大。10/10/18第18页2、催化剂选择(1) 苯一氯化制氯苯催化剂 FeCl3 实际操作时向反应器中加入是废铁屑、铁旋丝或废铁管等。(2) 苯二氯化制对二氯苯催化剂 Sb2S3，对/邻比为（3.33.6):1；Sb2S3-I2，对/邻比为7.5:1；经氧氯混合气体处理过硫化铁-硅铝胶,对/邻比为8.0:1；经二氯乙酸钠处理过沸石，对位收率可达97.5%。对二氯苯为第三代新型杀虫、 防霉剂， 同时，对二氯苯又是生产世界上第六大工程塑料聚苯硫醚主要原料。10/10/19第19页江苏扬农化工集团有限企业

8、丁克鸿开发一个新工艺：对硝基氯化苯光催化氯化制备对二氯苯方法。主反应：工艺条件：紫外光强度 150 W，波长 365 nm，反应温度 160 ，反应时间 4 h，氯气流量 4 L/h。 氯化液经精馏、结晶后，得到质量分数为 99.9%以上对二氯苯。10/10/20第20页(3) 甲苯氯化制对氯甲苯催化剂主要用于生产邻氯苯甲醛或邻氯苯甲酸用于生产对氯苯甲醛、对氯三氯甲基苯或对氯苯甲酸等，工业需求量大。催化剂对位选择性（%）FeCl324%-37%AlCl3-KCl40%铁粉+WS248%(AlCl3KC)与多氯化硫氧杂醌等有机复合催化剂50%-60%沸石催化剂加助催化剂90%表 4-5 催化剂对

9、甲苯氯化产物组成影响-NO210/10/21第21页(4) 对氯甲苯氯化制2,4-二氯甲苯催化剂Cl2,60 对氯甲苯转化率为59.7%，生成二氯甲苯中，2,4-二氯甲苯选择性为75.6%，收率45.1%。10/10/22第22页(5) 苯酚氯化催化剂酚类、胺类和多烷基等活泼物质氯化，不需加入催化剂。这时进攻质点是氯分子。收率70%10/10/23第23页(5) 苯酚氯化催化剂收率85%-92%10/10/24第24页二、反应动力学苯环上取代氯化为一连串反应，其反应式为：室温下，k1=10k2，k3k2，k1，所以反应早期，三氯苯量极少，能够忽略不计。xAxCxDxA + xC +xD=1.0

10、0前提:xA0=1.0010/10/25第25页10/10/26第26页 3.2 芳环上取代卤化反应 3.2.1 芳环上取代氯化反应10/10/27第27页假设氯气全部参加反应，没有损失，则可由一氯苯及二氯苯生成量再计算氯气消耗量，如转化率为50%时，氯气消耗量=0.4811+20.0189=0.5189mol转化率（%）一氯苯生成量（mol）二氯苯生成量（mol）氯气消耗量（ mol）10.009900.009950.04990.00010.0501100.09950.00050.1005200.19770.00230.2023500.48110.01890.5189800.72730.07

11、630.8763900.77150.12851.028599.9256*0.77430.14831.070999.990.69000.30001.290099.9990.55580.44321.442299.99990.44220.55771.5576 每摩尔纯苯所消耗氯气量（摩尔）叫做氯化深度。10/10/28第28页三、影响原因1、控制氯化深度 可用参加氯化反应原料百分数来表示。方法：不一样氯化液组成有不一样相对密度，可由测出口处氯化液相对密度来控制氯化深度。C6H6C6H5ClC6H4Cl210/10/29第29页表4-2 氯化液比重与产物组成关系1040.3536.4963.160.9

12、5292350.1330.5169.360.9417二氯苯氯苯苯氯苯二氯苯氯化液组成（%，质量）氯化液相对密度（15）(质量比)10/10/30第30页氯化反应经常是在有机物处于液相状态进行，若有机原料在反应温度下已是液体(如苯、甲苯、硝基苯等)，普通不需使用溶剂；若有机原料为固体，则需依据物料性质、反应难易，选择适当溶剂。 (A)水 比如对硝基苯胺氯化。 (B)无机溶剂 惯用无机溶剂是硫酸，比如蒽醌在浓硫酸介质中可直接氯化制1,4,5,8-四氯蒽醌。(C)有机溶剂 一些有机物氯化是在有机溶剂中进行，所选取有机溶剂应是更难氯化物质，比如萘氯化可采取氯苯作溶剂，水杨酸氯化可采取乙酸作溶剂。溶剂极

13、性改变对芳香化合物氯化速度有一定影响，如苯胺在水醋酸系统中氯化时，伴随水含量增加，氯化速度增加。5、选择溶剂 10/10/31第31页四、应用实例苯系环上取代氯化 1、苯一氯化制氯苯苯氯化可制得氯苯和二氯苯等。氯苯为合成染料、农药、药品主要中间体，又常作溶剂使用。原理反应设备工艺条件方法：沸腾氯化法水洗中和精馏氯化产品10/10/32第32页图 氯苯生产工艺流程图1-流量计,2-氯化塔,3-液封器,4,5-冷凝器,6-酸苯分离器,7-冷却器10/10/33第33页（2）氧化氯化法C6H6 HCl O2 C6H5Cl H2O12FeCl3-CuCl2C6H5Cl H2O C6H5OH HClSi

14、O2或磷酸钙10/10/34第34页 2、 2，6-二氯苯酚制备硫酸催化N,N-二甲基苯胺190-2001、2、Cl2，151,2-二氯乙烷10/10/35第35页3、130 3、 2，6-二氯苯胺制备(P70)70%H2SO4,17010/10/36第36页2、萘系和蒽醌环上取代氯化（1）萘系环上取代氯化一氯化时可生成1-氯萘和2-氯萘两种异构体。二氯化时最多可得十种异构体萘深度氯化所取得多氯萘混合物，因为含有高介电常数，可用作电子工业中绝缘材料，也可用作纺织物表面涂层。10/10/37第37页实例一：1-氯萘工艺概述：以锌作催化剂，萘氯比为：1：0.841.17（摩尔比），催化剂用量为萘质

15、量0.4%0.5%，通氯时间36h，反应温度9095，1-氯萘平均产率82%经二次分馏，产品含量96%。反应同时生成2-氯萘，约占2%20%，两种异构体沸点相近，化学性质相同，故难分离。10/10/38第38页（2）蒽醌环上取代氯化10/10/39第39页一、溴化方法1、溴化反应与氯化反应比较相同，环上溴化与环上氯化所用催化剂也基本相同。如苯溴化反应可用MgBr2、ZnBr2等金属溴化物做催化剂，也可用少许碘做催化剂。2、因为溴价格较贵，故要求能够充分利用。一个方法是捕集释放出溴化氢，将其再生成溴继续使用；另一个方法是直接向反应器中加入氧化剂，使生成溴化氢即刻被氧化溴。3.2.2 芳环上取代溴

16、化反应10/10/40第40页二、实例1、十溴二苯醚制备熔点高达306-310大过量溴为溶剂AlCl310/10/41第41页2、四溴双酚A制备3、四溴苯酐制备反应条件：以甲醇、乙醇或氯苯为介质，常温用溴素进行溴化。溴化后期加入双氧水将生成HBr氧化为溴。溴化完成，滤出产品即可。发烟硫酸，碘催化，溴素75120-20010/10/42第42页4、4-溴-1-氨基蒽醌-2-磺酸(溴氨酸)制备用途：是制备深色蒽醌系染料主要中间体，原料：以1-氨基蒽醌为原料经磺化和溴化两步反应制成：10/10/43第43页用途：是合成蓝色偶氮分散架料重氮组分。原料：2,4-二硝基苯胺5、6-溴-2,4-二硝基苯胺制

17、备10/10/44第44页一、 碘化反应在制备芳香取代碘化物时，必须防止可逆反应发生，所以可设法不停除去反应中生成碘化氢，并使用亲电性较强碘化剂。去除碘化氢方法为加入氧化剂，使碘化氢氧化成元素碘而重复参加反应，惯用氧化剂有硝酸、碘酸、过氧化氢、三氧化硫等3.2.3 芳环上取代碘化反应10/10/45第45页二、 应用1、 2,6-二碘-4-氰基苯酚甲醇溶剂2025触杀性除草剂10/10/46第46页如苯用碘和硝酸反应可得86收率碘苯：再比如：苯甲醚在醋酸介质中用ICl反应，可得对碘苯甲醚10/10/47第47页一、向有机物分子中引入氟有两个主要作用：（1）提升化合物化学稳定性；（2）因为强诱导

18、效应，可使分子中其它官能团活泼性显著增大。二、氟化物制备方法（1）直接方法（2）卤素亲核置换反应（3）伯胺基置换3.2.4 氟化反应10/10/48第48页(1)直接氟化表4-8 不一样键卤化反应反应热（kJmol-1）反应类型反应热（kJmol-1）氟氯溴碘取代苯一个氢卤素分子对脂肪族双键加成437.9419.9104.3146.935.691.3-25.561.9表4-9 卤素均裂和异裂所需能量反应类型键能（kJmol-1）氟氯溴碘均裂异裂153.21404.3242.81134.7193.0999.4151.1848.3方法：采取惰性气体稀释氟，或使反应在惰性溶剂中进行，就能缓解直接氟化

19、。10/10/49第49页反应特点：1、需要细度较高（表面积大）KF；2、普通在较高温度下反应；3、极性非质子溶剂（如：二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等）；4、适当相转移催化剂（如：PEG200-600 、季胺盐 ）；5、系统进行脱水处理。(2)卤素亲核置换(卤素交换反应)有机卤化物(氯代烃)与无机卤化物(HF、KF、NaF、SbF5等）之间进行卤素交换反应称芬克尔斯坦(Finkelstein)卤素交换反应。10/10/50第50页生产实例：3-氯-4-氟硝基苯工艺概述：在一装有温度计、搅拌器及回流管250ml三口烧瓶中，加入合成3，4-二氯硝基苯及KF和二甲亚砜，在油浴上回流反应，水蒸气蒸馏得淡黄

20、色结晶。10/10/51第51页采取SbF3或HF为氟化剂，并以SbCl5为催化剂，能使三氯甲基转变成三氟甲基从而取得-三氟衍生物：或用类似方法还可制得：10/10/52第52页由芳伯胺重氮化制成重氮氟硼酸盐经加热可制得对应芳香氟化物，此反应属于重氮基转化，称席曼(schiemann)反应：(3)伯胺基置换（氟硼酸重氮盐热解）（属SN1反应）工艺关键点：1、芳胺盐酸盐制备；2、芳胺盐酸盐重氮化；3、芳胺氟硼酸盐制备；4、芳胺氟硼酸盐热解。10/10/53第53页比如：10/10/54第54页(4)电解氟化：有机化合物在无水氟化氢中进行电解，可制得有机氟化物，为提升电导率，适当加入LiF等。将C

21、7C8脂肪酸酰氯溶于无水HF中，经电解可制得全氟化合物：10/10/55第55页芳环上卤化反应基本特征1、卤素不一样，亲电活性不一样，卤化反应活性也不一样；反应活性依F、Cl、Br、I次序依次减弱。2、卤素不一样，反应选择性不一样，反应选择性依F、Cl、Br、I次序依次增强。3、卤素不一样，卤化产物稳定性不一样，反应活性越低，产物越不稳定。产物稳定性依F、Cl、Br、I次序依次减弱。4、卤素不一样，对产物钝化程度不一样，钝化程度依F、Cl、Br、I次序依次增强。这是因为较小原子未共用电子对与苯环共轭效应比较大缘故。5、芳环上电子云密度不一样，反应活性不一样。电子云密度越大，卤化反应越轻易发生。

22、有些电子云密度较大芳烃卤化能够在非催化下进行。但普通情况下，芳香族化合物需在路易斯酸催化作用下与卤素进行亲电取代卤化反应。6、芳环上原有取代基对卤化反应定位起主要作用。带有第二类取代基芳香族化合物以间位为主，相对比较简单；带有第一类取代基芳香族化合物以邻对位为主，普通情况下，将两种异构体分离后分别使用，惯用分离方法（1）精馏；（2）结晶；（3）盐析。10/10/56第56页例 如10/10/57第57页例 如10/10/58第58页3.3 芳烃侧链-H取代氯化10/10/59第59页一、反应理论芳烃侧链氯化为经典自由基反应，其历程包含了链引发、链增加、链终止三个阶段。1、反应历程(A)链引发

23、在光照、高温或引发剂作用下，氯分子均裂为自由基过程。惯用引发剂为过氧化苯甲酰或偶氮二异丁腈，其引发作用可用下式表示：生产上普通采取光源为日光灯(波长为400一700nm)。10/10/60第60页(B)链增加或其中一部分自由基或是因为器壁效应，使自由基将能量传递给器壁，相互碰撞而自相结合，或是与杂质结合，从而造成链反应终止。比如：(c)链终止注意：当芳环上有极性基团（如羧基、羟基、氨基等）轻易抑制自由基，并极化氯分子诱导芳环上取代反应。故普通地应将极性基团衍生化后再进行光氯化。如将氨基衍生化成异氰酸酯，将羧基衍生化成酰氯等。10/10/61第61页 甲苯光引发氯化由两个同时发生反应体系组成：(

24、A)作为主反应体系侧链氯化，由三连串反应组成：2、反应动力学蓝光比紫光 含有更高氯化深度可解释为：蓝光比紫光向含氯溶液中渗进深度要大。10/10/62第62页(B)伴伴随侧链氯化反应进行，环上取代及加成氯化是同时进行副反应体系，所以要注意反应路径控制。侧链取代过程是要在完全没有能产生环上取代催化剂条件下进行，所以，通入反应器氯气需经过过滤器，以除去可能携带铁锈，氯化过程是在玻璃制成或衬玻璃、衬搪瓷、衬铅反应器中进行。水存在有利于环上取代氯化过程，所以生产中常加入一些PCl3，便与原料中带入少许水分结合，以利于侧链取代氯化过程。温度对反应路径也有很大影响。10/10/63第63页推荐芳烃侧链氯化

25、工艺：液氯汽化吸附氯化脱卤素蒸馏精馏/结晶目标产品活性炭芳烃溶剂引发剂HCl去吸收N2N2+Cl2溶剂目标工艺关键点汽化 用液氯普通水分较少除杂质 用活性炭可吸附杂质高收率 用非金属设备时先洗涤洁净芳烃、溶剂、引发剂应先除杂质（金属）300-480nm强紫外光照射引发剂必要时适时补加选择非极性溶剂良好混合提纯产品 方法取决于产物物性10/10/64第64页采取无光照热氯化法，采取沸腾氯化法进行。反应在塔式氯化器中进行，生产流程与氯苯生产相近，反应中应防止金属存在，以预防环上取代氢化反应发生。氯化反应完成后可通入少许空气吹定HCl体，而后进行分馏操作。分馏前进行洗涤或碱液中和是不宜，因为甲苯侧链

26、氯化衍生物非常轻易水解。精馏设备应是搪瓷或搪玻璃，因设备中存在铁质会引发产品缩合而生成树脂状物。二、甲苯侧链一氯化制苄氯乙苯、异丙苯和更高级烷基苯类，在高温下也可发生侧链氯化，取代反应优先发生在碳原子上。10/10/65第65页实例一：对氯甲苯对氯三氯甲苯光照工艺概述：将对氯甲苯投入光氯化反应器中，加热至120150，在日光照射下通氯反应。每隔1015min取微量反应液进行气相色谱分析。当对氯三氯苯含量大于90%后停顿反应。产物减压蒸馏得对氯三氯苯。收率90%95%。10/10/66第66页3.4 饱和烃（或烷烃）取代卤化 烷烃用卤素直接取代卤化为自由基反应，卤素反应活性次序为：F2Cl2Br

27、2I2。因为氟反应活性过于猛烈，而且难以控制，所以往往会使有机物裂解成为碳和氟化氢。碘反应活性太差，与烷烃通常不会发生取代反应。所以有实际意义只是氯和溴与烷烃取代反应。烷烃分子中不一样C-H键反应活性次序为：叔C-H 仲C-H 伯C-H10/10/67第67页一、烷烃氯化反应历程烷烃氯化是自由基反应，包含链引发、链增加、链终止三步：链引发链增加链终止特征：1、烷烃氯化为一连串反应；2、烷烃氯化生成一氯代烷在高温、长时间条件下，将发生脱氯化氢反应而生成烯烃。3、含有支链烷烃氯化反应速度比直链烷烃为快，但伴随反应温度上升，这种差异又逐步减小，并趋向一致。10/10/68第68页举例：氯化石蜡制备

28、氯化石蜡是碳数为C10C30不一样碳数烷烃氯化制得氯含量为13-74%一类氯化衍生物通称。氯化石蜡系列产品作为PVC辅助增塑剂、润滑油抗挤压抗磨添加剂和添加型阻燃剂广泛应用于化工、炼油、采矿、纺织、交通运输、建筑和机械等行业中。氯化石蜡按其含氯量多少能够分为氯化石蜡-13、氯化石蜡-30、氯化石蜡-42、氯化石蜡-52、氯化石蜡-60、氯化石蜡-70等各种产品。工业生产上惯用烷烃含氯量或转化率来表示氯化深度：10/10/69第69页3.5 加成卤化由烯烃、炔烃、芳环加成卤化生成卤代烷、卤代烯烃、卤代环烷烃卤化试剂：卤素、卤化氢、卤化物10/10/70第70页亲电加成 （1）卤素对双键亲电加成（2）卤化氢对双键亲电加成（3）卤化物亲电加成：次卤酸、N-卤代酰胺、卤代烷等。一、 反应历程+-+-10/10/71第71页游离基加成 （1）卤素游离基加成 X2 2X （2）卤化氢游离基加成：CH3CH=CH2 + HBr CH3CH2CH2Br （3）卤代烷游离基加成h,加热,引发剂h,引发剂10/10/72第72页二、 主要实例氯乙烯和氯乙烷国内方法：CH3CH2OH + HCl CH3CH2Cl + H2O四溴乙烷四氯乙