精细有机合成烷化与酰化

第11章烷化与酰化

（AlkylationandAcylation）11.1概述11.2烷化反应类型和常用的烷化剂11.3取代烷化11.4加成烷化11.5缩合-还原烷化11.6酰化剂与酰化反应历程11.7羧酸酰化11.8用酸酐酰化11.9酰氯酰化11.10用其它酰化剂酰化11.11酰基的水解11.1概述定义：基团上的氢被烷基取代的反应称为烷化，若被酰基取代称为酰化。ROHROR`ROCOR`RNHR`RNR`R``RNR`R``R```X+-RNHCOR`烷化和酰化的产物有很多用途，有些产品本身就具有功能性，如胺类烷基化后得到的季铵盐是阳离子表面活性剂和相转移催化剂。-NH2,-OH,-SH,-CONH2烷化剂，酰化剂一般都带有单位正电荷或部分正电荷，向被烷化或酰化物进攻，所以大多都是亲电取代或亲电加成。11.2烷化反应类型和常用的烷化剂烷化反应分为取代型，加成型和缩合还原型三种，不同类型烷化反应所用的烷化剂不同。（1）取代型烷化剂：醇、醚、卤烷及强酸酯类，其中卤烷和强酸酯的反应活性比醇高。加成型所用烷化剂是乙烯衍生物，等。（3）缩合还原型这类用的烷化剂是醛、酮。（2）加成型：11.3取代烷化11.3.1用醇进行烷化醇是常用的烷化剂，从经济角度看比较便宜，但用醇烷化时，反应能力差，要在催化剂存在下进行。可以是液相反应，又可以是气相反应，两者采用的催化剂不同。用醇进行烷化的反应是可逆的，如苯胺与醇作用：K1=那么K2K1=*一烷化，二烷化产物相对生成量与其平衡常数有关，而K1,K2数值大小与醇的性质有关。H2OROHNHRNR2K2=从关系式看K2/K1越大，越容易得到叔胺，而生成仲胺则较难，如用甲醇烷化。反之用乙醇烷化时，比值小，很难得到叔胺，即使乙醇大大过量，仍是以仲醇为主。用醇作烷化剂进行液相烷化时，多用酸催化，硫酸、盐酸、磷酸都可以，此外PCl3、I2等也可以，酸催化的机理是：不同的醇类进行烷化时，这个比值是不同的：当（225˚C）K2K1K2K1=740（245˚C）=0.22R`N:+RHH+[R`-N–R]HH+R`N-R+HH+R`NHR+R+R`NR2R`NR3+（季胺盐）用醇对胺进行烷化时，除有仲、叔胺生成外，还有季铵盐，季铵盐的生成量不会多于加入催化用酸的摩尔数。另外R+除攻击N外，也可攻击醇上的氧，因此在反应温度较高时，容易发生：ROH+R+[R-O-H]+-RROR：+醚的b.p低，一旦有醚生成，系统压力升高。N,N-二甲基苯胺的生产：工业上N,N-二甲基苯胺的生产是在高压釜中进行的。210˚C,3MPa将苯胺、甲醇、硫酸以分子比1：3：0.1混合均匀加到不带搅拌的高压釜中，205~210℃，3MPa下保温6hr。反应中不可避免会生成和少量的甲醚。反应完后首先放出过量的甲醇，副产二甲醚，然后用碳酸钠中和游离酸，静置分层：上面油层是粗品N,N-二甲基苯胺，下面水层有季铵盐和硫酸钠，为回收季铵盐，用碱水处理水层：170˚C1MPa水解物中N,N-二甲基苯胺与水分离后，与上面分出的油层混合在一起，进行精镏处理得产品。上述反应的温度要控制好，若高于230℃，会发生核上烷化副反应。*

酚类的烷化一般要采用活性强的烷化剂，卤烷或强酸酯类，但某些活泼的酚类也可用醇来烷化，如β-萘乙醚就是将β-萘酚溶在乙醇中（1:4），逐渐加入0.1mol浓硫酸，回流反应制得的。*气相烷化与液相烷化工艺不同，使用的催化剂也不同，最常用的是氧化铝，一般是将催化剂放在固定床上，在300~400℃高温下将醇、胺蒸汽并混入氮气通过床层，完成烷化。由于气相烷化催化剂使用寿命较长，反应在常压下进行，连续生产，工艺较简，后处理不繁，所以早在三十年代工业上就有使用。将苯胺、甲醇蒸汽在220℃通过磷酸、苯磺酸混合物，得92%的N,N-二甲基苯胺，另有约5%的N-甲基苯胺。气相法制N,N－二甲基苯胺：11.3.2用卤烷或酯类进行烷化1.卤烷δ+δ`+δ`+>氯的吸电性较强故卤烷亲电能力强，活性高。卤烷反应活性RI>RBr>RClC-X键中C-I最弱，容易生成R+①

卤烷的b.p比较低δ+78˚C12˚C所以反应在压力下进行。卤烷作烷化剂特点：②反应过程中有HX放出，为使反应顺利进行，须加缚酸剂，如氢氧化钠、碳酸钠、氢氧化钙、氧化镁等碱性物。由于卤烷成本较低，又较活泼，所以在实际生产中用得较多，特别是用于不活泼的芳胺和酚类的烷化：NaOH,125~145˚C当环上带有-NO2、-CN吸电基的胺类进行烷化时，由于胺的碱性太弱，为提高反应活性，可加入KY型沸石来促进反应进行，沸石的加入还有利于提高仲胺的选择性。有时一些活泼的芳胺也采用卤烷进行烷化，如：a.从反应活性看用乙醇可以，那为什么要用氯乙烷?主要考虑产物分离提纯的问题。N-乙基α萘胺（产物）与原料α萘胺是很难分离的，而采用过量的氯乙烷来烷化，使原料尽可能反应完全，得到的产物中有约20%N,N-二乙基α萘胺，而这两者的分离是容易的。b.215~230˚C,5MPa用乙醇烷化很难得到N,N－二取代物，而有利于得到N－一取代物。2.强酸的酯能像硫酸一样容易放出R,是活泼的烷化剂。+常用的酯有卤烷和强酸的酯都是强烷化剂，两者在应用时区别：*卤烷b.p低，常在压力下反应，而强酸酯b.p高，在常压下反应；*酯的价格较贵，特别是硫酸酯毒性较大，使用要谨慎；*在使用对象上有区别:卤烷烷化由低C到高C都可以，而酯的烷化只能是C1,C2，高C的不行。C2H5BrNa2CO3C4H9Br100~105˚C11.4加成烷化两类烷化剂：乙烯衍生物、环氧乙烷。（1）乙烯衍生物：反应历程是亲电加成是乙烯分子上连一吸电基，使双键极化，β-C上部分正电性，可与进行亲电加成。：：-当然N上另一个H也可烷化由于引上一个烷基后反应活性下降，二烷化比一烷化困难，需要加催化剂才可完成，常用催化剂是铜盐，如CuCl2、Cu2Cl2。CH2=CHCN自身能发生聚合，烷化时为防止聚合副反应发生，采取措施：控制好反应温度<130℃，若超过140℃聚合反应加剧。b.加入阻聚剂如：120~125℃HAc1：3~4这一类中间体主要用作分散染料的偶合组份。（2）环氧乙烷属三元杂环，不稳定，很活泼，极性大，易断键发生亲电反应，环氧乙烷亲电加成反应有两种历程：碱催化历程：催化剂作用在官能团上，如醇、酚类：过渡态键可以不断延长b.酸催化历程：催化剂作用在环氧乙烷上。RNH2两种催化历程比较，碱催化更强些，所以要得到长链聚合物，必须用碱催化。醇的烷化活性顺序：伯醇>仲醇>叔醇低碳醇>高碳醇酚的烷化,有供电基的反应容易进行醇、酚与环氧乙烷作用生成的醚键比较稳定，烷化得到的聚醚是重要的非离子表面活性剂，通常采用碱催化：n=20~22实际生产中问题较复杂，产物中n多少适宜？分子量呈窄分布的性能好，如何得到？关键在于催化剂和反应条件的选择。*醇、酚类用环氧乙烷烷化(乳化剂OP)*胺、酰胺用环氧乙烷烷化高碳脂肪胺可在催化剂或无催化剂存在下与环氧乙烷作用氨基烷化有时不要长聚，只引一个－CH2CH2OH，此时要注意条件控制，采用酸催化，温度低一些，胺要过量，如：90~110℃芳胺用环氧乙烷烷化，一般只需要引入，不能用碱催化，可在水存在下反应：K1≈K2要制取一取代物，控制胺过量，温度低一些，60~70℃。要制取二取代物，控制环氧乙烷略大于理论量，温度105~110℃。如：2.4：11：2.02105~110℃0.2MPa酰胺与环氧乙烷作用合成相应的聚醚，做表面活性剂。11.5缩合-还原烷化胺类与醛、酮缩合生成席夫碱，再在还原剂作用下制得仲胺或叔胺：常用的还原剂有：这种烷化是有特色的，应用价值在于制叔胺，工业上很实用，如季铵盐型阳离子表面活性剂中间体的合成：80℃1：5.9~6.4：2.6~2.9将胺溶于乙醇中，35℃下加甲酸，50℃加甲醛，回流反应即可。Zn

+HCl

,HCOOH

,H211.6酰化剂与酰化反应历程-NH2、-OH酰化后转变为酰胺或酯类。酰化剂：①酸：②酐：③酰氯：④其它：反应过程：反应历程：酰化与烷化类似，是亲电取代反应：：：δδ＋＋酰氯>酐>酸被酰化物上官能团的供电性越强越易酰化：11.7羧酸酰化羧酸反应活性差，价格便宜，多用在保护性酰化上，多用HCOOH,CH3COOH上述反应是可逆的，要使平衡右移，主要措施：①酸用量多②反应中将水蒸出从反应历程看：酰化反应的难易与酰化剂的亲电性有关，亲电性越强越活泼：由于羧基连在芳环上，且邻位有羟基，故2，3-酸反应活性低，需要加PCl3。因为PCl3遇水分解，所以必需在无水系统中进行。用羧酸进行永久性酰化的例子是色酚AS（冰染染料偶合组份）的合成：~130℃33用不同的芳胺进行反应可得到系列产品。因反应中放出HCl，具有腐蚀性，生产上采用搪瓷设备。11.8用酸酐酰化酸酐比较贵，但反应能力比酸强，而且反应不可逆，故某些难以酰化的化合物要用酸酐来酰化。用酸酐酰化酸酐的用量少，比理论量稍过5~10%即可，乙酐在水中相对稳定，低温下水解较慢，因此可用水作反应介质。羟基的酰化较难，所以要用酸酐，如阿斯匹林的制备：60~70℃无催化稍低温浓11.9酰氯酰化酰氯是反应活性最强的酰化剂，但价格很贵，对于用酸不能酰化的化合物，或引入长碳链酰基时只有用酰氯，因高碳酸酐不易得到，如香料苯乙酸对甲基苯酯的酰化：+90℃+HCl反应控制在无HCl放出即为终点。用酰氯酰化时有HCl放出，须加缚酸剂:无机碱或有机碱(如吡啶)，缚酸剂的碱性不易过强，防止酰基和酰氯在强碱下水解。90℃吡啶不易发生水解的酰氯可以一次性加碱（一般要分批加入）+水溶液80~85℃11.10用其它酰化剂酰化（1）三聚氯氰3ClCN分子中与碳相连的三个氯都有酰化能力，可与-NH2,-OH,-SH等反应，制得活性染料，水溶性荧光增白剂，表面活性剂，农药等。三个氯都可参加反应，但反应活性有所不同，当一个氯被亲核试剂取代后，其余的活性明显下降，一般:第一个Cl0~5℃第二个Cl第三个Cl40~45℃90~95℃控制不同反应条件，得到不同取代产物，荧光增白剂VBL的合成中，三个氯都被取代：中间体DSD酸合成：[O][H]Cl20~3℃pH5~630℃，pH6~7285~105℃析出（2）用光气酰化光气是碳酸的酰氯，由于羰基的作用，两个氯都很活泼，光气毒性很强，使用时要注意安全。用光气酰化可得三类产物：脲素衍生物RNHCONHR`氨基甲酸酯RNHCOOR`异氰酸酯R-N=C=Oa.b.c.a.30~40℃,pH6.7~7.2（猩红酸）b.250~300℃气相，短时间10~15℃（西维因）c.35~135℃+2HCl（TDI）(3)用酯和二乙烯酮酰化用乙酰乙酸乙酯酰化引入乙酰乙酰基，制得黄色冰染染料或