酰化反应原理及实例解析

..>第四章酰化技术本章教学设计工作任务通过本章的学习及本课程实训，完成以下三个方面的工作任务：1.围绕典型产品的生产过程,完成以羧酸、羧酸酯为酰化剂制备酰胺类产品；2.围绕典型药品生产过程，完成以酸酐、酰氯为酰化剂生产酰胺类产品；3.围绕典型药物的生产过程,完成用羧酸法、酯交换法、酸酐法、酰氯法生产酯类产品。学习目标1.掌握羧酸、羧酸酯、酸酐、酰氯酰化剂的特点、适用范围、使用条件及其N-酰化、酯化中的应用；2.掌握根据不同的被酰化物，正确选择酰化剂、反响条件的方法；3.掌握生产中操作及本卷须知；Friedel-Crafts酰化反响的根本原理、影响因素以及在药物合成中的应用，在生产中的应用及本卷须知；5.理解Hoesch反响、Gattermann反响、Vilsmeier反响的用途、适用条件及在药物合成中的应用；6.掌握活性亚甲基化合物α位C-酰化的原理、使用条件及在药物合成中的应用；7.了解新型酰化剂及其在医药科研、生产中的新技术与应用学时安排课堂教学10学时现场教学6学时实训工程工程一：对氯苯甲酰苯甲酸的制备工程二：扑热息痛的制备工程三：草酸二乙酯的制备学习目标掌握羧酸酰化剂、羧酸酯酰化剂的特点、适用范围、使用条件及其N-酰化中的应用；掌握根据不同的被酰化物，正确选择酰化剂、反响条件的方法。掌握生产中操作及本卷须知了解新型酰化剂及其在医药科研、生产中的新技术与应用第四章酰化技术第一节概述一、酰化反响概念酰化反响是指有机物分子中与氧、氮、碳、硫等原子相连的氢被酰基取代的反响。酰基是指从含氧的有机酸、无机酸或磺酸等分子中脱去羟基后所剩余的基团。反响通式〔式中RCOZ为酰化剂，Z代表*，OCOR，OH，ORˊ,NHR″等；SH为被酰化物，S代表RˊO、R″、Ar等。〕二、常用酰化剂及其活性*1．常用酰化剂：羧酸、羧酸酯、酸酐、酰氯等酰化剂的活性规律：当酰化剂〔RCOZ〕中R基一样时，其酰化能力随Z—的离去能力增大而增加〔即酰化剂的酰化能力随离去基团的稳定性增加而增大〕*常用酰化试剂的酰化能力强弱顺序：酰氯>酸酐>羧酸酯>羧酸>酰胺三、酰化反响在化学制药中的应用永久性酰化制备含有*些官能团的药物保护性酰化第二节N-酰化常用酰化剂：羧酸酰化剂、羧酸酯酰化剂、酸酐酰化剂和酰氯酰化剂一、羧酸酰化剂1.反响过程*2.适用对象羧酸是弱的酰化试剂，一般适用于酰化活性较强的胺类。3.反响条件及催化剂〔1〕反响条件酸过量为了加速反响，并使反响向生成酰胺的方向移动，必须使反响物之一过量，通常是酸过量。脱水可用以下方法脱水高温熔融脱水酰化法适用于稳定铵盐的脱水，例如苯甲酸和苯胺加热到225℃进展脱水，可制得N-反响精馏脱水法主要用于乙酸与芳胺的N-酰化，例如，将乙酸和苯胺加热至沸腾，用蒸馏法先蒸出含水乙酸，然后减压蒸出多余的乙酸，即可得N-乙酰苯胺。溶剂共沸脱水法主要用于甲酸〔沸点℃〕与芳胺的N-酰化反响。〔以上方法大多在较高温度下进展，因此，不适合热敏性酸或胺〕〔2〕催化剂强酸作催化剂适用于活性较强的胺类的酰化缩合剂作催化剂适用于活性弱的胺类、热敏性的酸或胺类常用的此类缩合剂有*DCC〔Dicyclohe*ylcarbodiimide，二环己基碳二亚胺〕DIC〔DiisopropylCarbodiimide,二异丙基碳二亚胺〕等。DCC是一个良好的脱水剂，以DCC作脱水剂用羧酸直接酰化，条件温和，收率高，在复杂构造的酰胺、半合成抗生素及多肽的合成中有较多的应用。二、羧酸酯酰化剂反响过程1．反响物活性〔1〕对于羧酸酯〔RCOORˊ〕位阻假设酰基中R空间位阻大，则活性小电性有吸电子取代基则活性高，易酰化。离去基团的稳定性离去基团越稳定，则活性越高〔2〕对于胺类胺的碱性碱性越强，活性越高，空间位阻空间位阻越小，活性越高〔3〕羧酸二酯与二胺类化合物，如果反响后能得到稳定的六元环，则反响易发生。如哌拉西林等青霉素药物中间体乙基-2，3-哌嗪二酮〔6〕催眠药苯巴比妥〔Phenobarbital,7〕等的合成。2．催化剂〔1〕强碱作催化剂由于酯的活性较弱因此在反响中常用碱作为催化剂脱掉质子，以增加胺的亲核性。用的碱性催化剂有醇钠或更强的碱，如NaNH2、n-BuLi、LiAlH4、Na等〔2〕反响物胺作催化剂过量的反响物胺也可起催化作用。〔3〕催化剂的选择与反响物的活性有关反响物活性越高，则可选用较弱的碱催化；反之，则需用较强的碱催化。〔4〕在此类酰化反响中还可参加BBr3来提高酰化的收率。3．活性酯制备活性酯时主要考虑增加酯分子中离去基团的稳定性，以促使其离去*4.生产实例〔头孢噻肟酸的合成〕将７—ACA、水、丙酮参加反响体系中，降温，参加三乙胺、活性酯，反响至７－ACA根本消失后，加有机酸酸，有头孢噻肟酸沉淀生成。操作本卷须知(1)水和丙酮的配比(2)三乙胺用量及滴加速度(3)活性酯质量(4)终点检测(5)有机酸的种类及用量(6)温度控制流程框图降温降温酯化终点检测结晶过滤产品〔头孢噻肟酸〕7－ACA水丙酮三乙胺活性酯有机酸注：TLC检测终点学习目标掌握酸酐酰化剂、酰氯酰化剂的特点、适用范围、使用条件及其N-酰化中的应用；掌握根据不同的被酰化物，正确选择酰化剂、反响条件的方法。掌握生产中操作及本卷须知了解新型酰化剂及其在医药科研、生产中的新技术与应用第二节N-酰化三、酸酐酰化剂1.反响过程*2.反响条件与催化剂酸酐用量一般略高于理论量的5~10%〔不可逆〕，最常用的酸酐是乙酸酐，通常在20~90℃溶剂不另加溶剂被酰化的胺和酰化产物熔点不太高时非水惰性有机溶剂被酰化的胺和酰化产物熔点较高时水被酰化的胺和酰化产物易溶于水〔乙酰化速度比乙酸酐的水解速度快〕*3.应用脂肪族酸酐主要用于较难酰化的胺类〔酸酐酰化能力强〕环状的酸酐为酰化剂时，制得二酰亚胺类化合物(高温)4.混合酸酐*特点反响活性更强应用范围更广位阻大或离去基团离去能力强制备混合酸酐由*些位阻大的羧酸与一些试剂作用制得*5.生产实例〔１〕头孢拉定的生产头孢拉定的合成是以双氢苯甘氨酸(DHPC〕为原料，成盐后经两次缩合制成混酐，再与7-ADCA进展酰化反响，而后经水解、中和、结晶和精制等过程制得的。反响过程(２〕对硝基―α―乙酰氨基苯乙酮〔氯霉素中间体〕的制备反响过程操作过程向乙酰化反响罐中参加母液参加乙酸酐，搅拌均匀后，先慢后快地参加38%～40%的乙酸钠溶液。反响，测定反响终点终点到达后，冷却析出晶体，过滤、洗涤甩干称重交缩合岗位滤液回收乙酸钠终点测定取少量反响液，过滤，往滤液中参加碳酸氢钠溶液中和至碱性，在40℃左右加热后放置15min，滤液澄清不显红色示终点到达，假设滤液显红色或混浊，应适当补加乙酸酐和乙酸钠溶液，继续反响。*反响条件及影响因素PH值PH过低，在酸的影响下反响物会进一步环合，PH过高，不仅游离的氨基酮会发生双分子缩合，而且乙酰化物也会发生双分子缩合。加料次序和加乙酸钠的速度四、酰氯酰化剂酰氯性质活泼，很容易与胺反响生成酰胺反响为不可逆〕反响过程反响条件〔1〕参加碱性试剂以中和生成的氯化氢〔防止氯化氢与胺反响成铵盐〕中和生成的氯化氢可采用三种形式使用过量的胺反响参加有机碱〔同时起到催化作用〕参加无机碱〔2〕反响采用的溶剂常常根据所用的酰化试剂而定对于高级的脂肪酰氯由于其亲水性差，而且容易分解，应在无水有机溶剂如氯仿、乙酸、苯、甲苯、乙醚、二氯乙烷以及吡啶等中进展。吡啶既可做溶剂，又可中和氯化氢，还能促进反响，但由于其毒性大，在工业上应尽量防止使用。对于乙酰氯等低级的脂肪酰氯由于其反响速度快，反响可以在水中进展。为了减少酰氯水解的副反响，常在滴加酰氯的同时，不断滴加氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液或固体碳酸钠，始终控制反响体系的pH值在7～8左右对于芳酰氯芳酰氯的活性比低级的脂肪酰氯稍差，反响温度需要高一些，但一般不易水解，可以在强碱性水介质中进展反响。*2．应用活性低的氨基的酰化位阻大的胺以及热敏性物质的酰化3．生产实例在枯燥的反响器中参加DMA、羟基－EPCP，溶解后冷却，向其中参加7－ATCA的DMA溶液，反响得头孢哌酮酸。向上述反响液中参加碳酸氢钠，缓慢升温反响。加盐酸调PH值，结晶得头孢哌酮钠。*4．生产操作控制方案进料流量控制方案反响温度与夹套温度串接控制方案反响温度与冷却剂流量串接控制方案改变冷却剂控制温度方案学习目标掌握Friedel-Crafts酰化反响的根本原理、影响因素以及在药物合成中的应用；理解Hoesch反响、Gattermann反响、Vilsmeier反响的用途、适用条件及在药物合成中的应用；掌握活性亚甲基化合物α位C-酰化的原理、使用条件及在药物合成中的应用。掌握主要反响在生产中的应用及本卷须知一、芳烃的碳酰化酰化反响〔１〕根本原理*Friedel-Crafts酰化反响在三氯化铝或其他Lewis酸〔或质子酸〕催化下，酰化剂与芳烃发生芳环上的亲电取代，生成芳酮的反响。*本卷须知①反响生成的酮和AlCl3以络合物的形式存在，AlCl3必须过量。酸酐酰化剂常用反响物摩尔数2倍以上的AlCl3催化；酰氯酰化剂常用反响物摩尔数1倍以上的AlCl3催化。②反响完毕后，产物需经稀酸处理溶解铝盐，才能得到游离的酮。*〔２〕主要影响因素催化剂常用的催化剂为AlCl3、BF3、SnCl4、ZnCl2等Lewis酸以及液体HF、多聚磷酸、H2SO4、H3BO3等质子酸。被酰化物构造当芳环上含有给电子基时，反响容易进展。因酰基的立体位阻比较大，所以酰基主要进入给电子基的对位，对位被占，才进入邻位。溶剂选择溶剂时，要注意溶剂对催化剂活性及酰基引入的位置也有影响：用过量的低沸点芳烃作溶剂〔回收〕用过量的酰化剂作溶剂另外参加适当的溶剂〔反响组分均不是液体时〕〔3〕酰化剂及其应用①酸酐酰化剂常用的酸酐多数为二元酸酐，如丁二酸酐、顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐及它们的衍生物。如苯与丁二酸酐反响最后可制得奈满酮。②酰卤酰化剂酰卤中最常用的是酰氯③羧酸酰化剂羧酸可以直接作酰化剂，且当羧酸的烃基中有芳基取代时，可以进展分子内酰化得芳酮衍生物。其反响难易与形成环的大小有关，一般由易到难的顺序是：六元环>五元环>七元环。2．Hoesch反响*〔1〕概念：腈类化合物与氯化氢在Lewis酸ZnCl2催化下，与含羟基或烷氧基的芳烃进展反响，可生成相应的酮亚胺，再经水解得含羟基或烷氧基的芳香酮——是合成酚或酚醚类芳酮的一个重要方法。〔2〕反响过程*〔3〕应用：适用于由间苯二酚、间苯三酚、酚醚以及*些杂环。腈化物中的R可以是芳基、烷基、卤代烃基，其中以卤代烃基腈活性最强，可用于烷基苯、卤苯等活性低的芳环的酰化。催化剂一般用无水氯化锌，有时也用三氯化铝、三氯化铁等。溶剂以无水乙醚最好，冰醋酸、氯仿-乙醚、丙酮、氯苯等也可使用。反响在低温下进展。3．Gattermann及Gattermann-Koch反响(了解)(1)Gattermann反响改用无水Zn(CN)2和HCl来代替氰化氢和氯化氢，可用于烷基苯、酚、酚醚及*些杂环如吡咯、吲哚等的甲酰化。(2)Gattermann-Koch反响用AlCl3和氯化亚酮为催化剂，在芳烃中通入一氧化碳和氯化氢，使芳烃上引入甲酰基。该反响主要用于烷基苯、烷基联苯等具有推电子烷基的芳醛的合成〔工业制法〕。4．Vilsmeier反响取代的甲酰胺在三氯氧磷作用下，在芳环上引入甲酰基的反响〔1〕应用：用于活泼的芳环及*些多π电子的芳杂环〔2〕催化剂POCl3及COCl2、ZnCl2、SOCl2、Ac2O、(COCl)2等。氮取代甲酰胺可以是单取代或双取代烷基、芳烃基衍生物、N-甲基甲酰基苯胺、N-甲酰基哌啶等。〔3〕改进的Vilsmeier反响可制备*些芳酮和杂环芳酮类。二、活性亚甲基化合物α-位C-酰化〔1〕反响条件常用强碱〔如NaOR、NaH、NaNH2等〕作催化剂，可用镁在乙醇中〔加少量的CCl4为活化剂〕与活性亚甲基化合物反响，生成乙氧基镁盐[EtOMg+C—H(COOEt)2]，再与酰化剂反响。常用酰氯与酸酐为酰化试剂，羧酸、酰基咪唑等也有应用。〔2〕应用制备β-二酮、β-酮酸酯、构造特殊的酮等类化合物*三、应用实例对氯苯甲酰苯甲酸的制备反响过程操作过程付—克酰化反响〔1〕向反响器中迅速参加氯苯和无水三氯化铝，〔2〕开动搅拌，油浴加热至70oC，再缓慢参加邻苯二甲酸酐③，加料温度控制在75~80oC之间④，〔3〕加完后，继续在此温度下反响2.5小时，得透明红棕色粘稠液体，停顿反响，自然冷却。提取与精制〔1〕酸化〔2〕碱化〔3〕酸化结晶*本卷须知①反响中有氯化氢气体逸出，需在球形冷凝器顶端连接气体吸收装置②邻苯二甲酸酐质量对收率影响较大，应采用熔点为130.5~131.5oC的原料。③邻苯二甲酸酐参加速度应控制，过快反响剧烈，温度不易控制，大量氯化氢气体逸出，有冲料危险。④反响应控制在75~80oC之间，过低反响不完全，太高反响物容易分解，影响产品质量和收率。⑤酸化时酸度应控制在pH3以下，否则可能有氢氧化铝一起析出。学习目标掌握羧酸、羧酸酯、酸酐、酰氯酰化剂的特点、适用范围、使用条件及其在酯化、中的应用掌握生产中操作及本卷须知了解新型酰化剂及其在医药科研、生产中的新技术与应用第四节酯化反响一、羧酸法1．根本原理可逆平衡反响，反响式如下：①提高反响物活性，设法提高平衡常数；②打破平衡。*2．影响因素〔1〕醇和羧酸构造电性因素、位阻因素。醇：伯醇〉仲醇〉叔醇〉苄醇、烯丙醇〉酚羧酸：脂肪族羧酸〉芳酸。脂肪酸：甲酸活性高，侧链越多，反响越困难。芳酸：羧基的邻位连有给电子基活性降低；羧基的对位有吸电子基时反响活性相对增大。〔2〕配料比及操作特点增大反响物〔醇或酸〕的配比，同时不断将反响生成的水或酯从反响系统中除去。除去水的方法：①加脱水剂，如浓硫酸、无水氯化钙、无水硫酸酮、无水硫酸铝。②蒸馏除水，如直接加热、导入热的惰性气体、减压蒸馏等。③共沸脱水对溶剂的要求：a共沸点应低于100℃；b共沸物中含水量尽可能高；c溶剂和水的溶解度应尽可能小。常用的有机溶剂有苯、甲苯、二甲苯等。优点：产品纯度好、收率高，不用回收催化剂。〔3〕温度与催化剂①质子酸如浓硫酸、四氟硼酸、氯化氢气体、磷酸等无机酸及苯磺酸、对甲苯磺酸等有机酸。②强酸型离子交换树脂优点：反响速度快，反响条件温和，选择性好，收率高；产物后处理简单，无需中和及水洗；树脂可循环使用，并可连续化生产；对设备无腐蚀，废水排放少等。③脱水剂如DCC，多用于酸、醇的价格较高，或具有敏感官能团的*些构造复杂的酯及酰胺等化合物的合成。*3．选择性酰化两种方法：一是采用基团保护；二是通过选择适当的酰化剂、催化剂、适宜的反响条件。二、酯交换法1．根本原理2．影响因素〔1〕反响物①亲核性：烷氧基〔RˊˊO—〕RˊO—②沸点：RˊOH〉RˊˊOH〔2〕催化剂酸或碱酸催化剂：硫酸、对甲苯磺酸、等质子酸，或Lewis酸碱催化剂：醇钠或其他的醇盐，或胺类。取决于醇的性质注意：①无水条件；②其他醇生成的酯类产品不宜在乙醇中进展重结晶，其他酸生成的酯类产品不宜在乙酸中进展重结晶。3．应用反响条件温和，适合于热敏性或反响活性较小的羧酸，以及溶解度较小或构造复杂的醇等化合物。三、酸酐法*1．影响因素〔1〕催化剂可用酸或碱催化以加速反响酸：硫酸、氯化锌、三氟化硼、对甲苯磺酸等碱：吡啶、三乙胺、喹啉、等胺类、无水乙酸钠。选用哪种催化剂，要根据羟基的亲核性、位阻的大小及反响条件。〔2〕溶剂反响比较平稳，可不用溶剂，或用与酸酐对应的羧酸为溶剂；假设反响剧烈，不易控制，可参加惰性溶剂。常用苯、甲苯、硝基苯、石油醚等。严格控制反响体系中的水分2．应用用于反响困难位阻大的醇以及酚羟基的酰化。混合酸酐的开发与利用：*四、生产实例阿司匹林的生产反响过程操作过程在枯燥的反响器中，依次参加水杨、醋酐，开动搅拌，加浓硫酸翻开冷却水，逐渐加热到70℃，在70－75℃反响半小时取样测定反响完成后，将反响液倾入冷水中继续缓缓搅拌，直至乙酰水杨酸全部析出抽滤，用水洗涤、压干，即得粗品*反响条件及影响因素酰化反响严格无水温度控制醋酐用量*工艺流程框图*工艺流程图学习目标通过对典型药物的生产过程的分析，熟悉药品生产的一般过程。掌握分析、解决问题的思路与方法。熟悉酰化技术在药物合成中的地位。酰化技术典型案例分析案例一阿司匹林的生产反响过程工艺流程框图工艺流程图*分析：1．阿司匹林的生产应用的是哪种酰化技术？反响时能否用其他的酰化剂？为什么？2．阿司匹林制备反响会发生哪些副反响？产生哪些副产物？3．阿司匹林制备反响可采用什么方法检测反响终点？4．本实验所用的仪器、量具为何枯燥无水？5．根据工艺流程简要描述阿司匹林的生产过程。6．比较结晶釜和酰化釜的异同。7．母液循环有何意义？8．结晶釜上的"接真空〞有何作用？9．冷冻盐水和冷却水有何区别？假设所需温度更低，可选哪种冷却介质？10．通过旋风别离器的产品为何要过筛？11.结晶釜和酰化釜分别可选择什么样的搅拌器？案例二头孢氨苄的生产反响过程操作过程〔1〕酯化、氧化将丙酮、吡啶、三氯乙醇吸入反响罐，参加青霉素G钾盐，搅拌，控制内温10℃，滴加三氯氧磷，加毕后反响1h反响液转入氧化罐，冷却至内温0℃，滴加过氧乙酸与双氧水混合液，反响温度应不超过20℃，加毕反响2h