精细化学品合成技术-第2章-常见精细有机合成反应

第二章常见精细有机合成反应§2.1概述§2.3磺化§2.4硝化§2.5酯化§2.2卤化§2.6氧化§2.7加氢§2.1概述1、精细化工和精细化学品•精细化工：即精细化学工业，是生产精细化学品的工业。精细化学品：对基本化学品的初级或次级化学品深加工而制取的具有特定功能、特定应用功能、合成工艺中步骤多、产量小、产品附加值高等系列产品，例如医药、农药、食品添加剂等。通用化学品通用化学品（大宗化学品）：指应用范围广泛、生产中技术要求高、生产批量大的化学品。如三酸、两碱、化肥、乙烯、苯及合成树脂、合成橡胶、合成纤维等。2、精细化工的特点•多品种，小批量•大量采用复配技术•投资小、附加价值高、利润大•技术密集度高、产品更新换代快主体结构精细化学品取代基3、精细有机合成的单元反应1)精细化学品的主要取代基•卤素：-Cl、-Br、-I、-F•含氮基团：-NO2、-NO、-NH2、-NHR、-NR1R2-NHCO-、-NH2OH、-N2+X-、-N=N-、-NHNH2、-CN•含硫基团：-SO3H、-SO2Cl、-SO2NH2、-SO2NHR•含氧基团：-OH、-OR、-OAc、-COH、-COR、-COOH、-COOR、-COCl、-CONH2•烷基、酰基2)精细有机合成的主要单元反应•卤化•磺化•硝化•酯化•加氢•氧化•氨解和胺化•水解•烃化•酰化•缩合•环合•聚合合成工艺路线的选择依据•路线短•总收率最高•易于工业化生产•成本低，经济效益高•原料易得•卤化反应的定义•卤化反应的目的•卤化试剂•卤化反应的类型2.2卤化(Halogenation)卤化反应定义•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的反应叫做卤化反应。卤化反应的目的•赋予最终产品某些性能(1)色光NNNNNNNNCuNNNNNNNNCu[]Cl13～15铜酞菁（酞菁蓝）高氯代铜酞菁（酞菁绿）七氟菊酯（2）杀虫、杀菌性CH3FFFFCH3H3CCOOCH2CCF3CCl（3）引入一个或多个卤原子改进性能-阻燃性Cl215℃,四氯化1,2－二氯乙烷溶剂CCH3CH3HOOHClClClClCCH3CH3HOOHCCH3CH3HOOHBrBrBrBr（4）增加有机物分子的极性，通过卤素转化其他取代基•－X(－Cl)－NH2,－OH,－F,－OR,－OAr亲核置换OHOCH3NH3NH2OHOCH3Clδ+卤化试剂•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,SbF5,HCl,HBr,NaBr•其它：SO2Cl2,COCl2,ICl卤化反应类型加成卤化：亲电加成：酸催化游离基加成：光照，引发剂置换卤化：亲核反应－置换卤化取代卤化：亲电取代：芳环游离基取代：脂肪烃及芳环侧链1.芳环上的取代卤化反应•反应历程和催化剂•反应动力学及卤化深度•芳环取代卤化反应的影响因素•芳环取代卤化反应实例反应历程+Cl2Cl+HClCl+H++Cl+HCl.......+慢快以金属卤化物为催化剂：FeCl3,AlCl3,ZnCl2Cl2＋FeCl3[Cl+•FeCl4-]Cl+＋FeCl4-•以硫酸为催化剂•以碘为催化剂H2SO4H+＋HSO4-H+＋Cl2Cl+＋HClI2＋Cl22IClIClI+＋Cl-I+＋Cl2Cl+＋ICl•以次卤酸为催化剂Cl2＋H2OHOCl＋H+＋Cl-HOCl＋H+H2+OCl慢H2+OClCl+＋H2O快苯环上有吸电子取代基，反应较难进行，需要加入催化剂；苯环上有供电子取代基，反应容易进行，可以不用催化剂。催化剂的选择催化剂的作用：卤化速率、卤原子进入芳环的位置、邻对位卤化产物的比例。苯的一氯化制氯苯FeCl3苯的二氯化制二氯苯Sb2S3,SbCl3,（三氯化锑）甲苯的氯化制对氯甲苯复合催化剂对氯甲苯氯化制2,4-二氯甲苯SbCl3、NaKL沸石苯酚氯化催化制邻氯苯酚胺类碱性催化剂（收率93.5%）对氯苯酚AlCl3（二苯硫醚介质）2,4-二氯苯酚Fe,ZMF-1反应动力学及氯化深度C6H6＋Cl2C6H5Cl＋HClC6H5Cl＋Cl2C6H4Cl2＋HClC6H4Cl2＋Cl2C6H4Cl3＋HClk1k3k2每摩尔纯苯所消耗的氯气的量（摩尔）叫做氯化深度。氯化深度芳环取代氯化反应的影响因素•原料纯度（1）水份：＜0.04％（2）氢气含量：＜4％（3）噻吩：使催化剂中毒；腐蚀设备（4）循环使用的苯（苯氯比4:1）中氯苯的影响•混合作用在连续反应时，由于反应器型式选择不当、传质不均匀，使反应生成的产物未能及时离开，又返回反应区域促进连串反应的进行，这种现象叫返混作用。图氯苯的生产工艺•反应介质液态：无需溶剂固态：水浓硫酸、发烟硫酸、氯磺酸等有机溶剂℃O2NNH2HCl+NaClOO2NNH2Cl0~5,H2O浓H2SO4,90～100℃OOOOClClClClCl2,I2,催化OHCOOHOHCOOHCl2,110℃乙酸或氯苄介质Cl芳环取代氯化反应实例•氯苯的生产（1）直接氯化法Cl2FeCl3Cl图沸腾氯化塔1-酸水排放口2-苯及氯气入口3-炉条4-填料铁圈或废铁管5-钢壳衬耐酸砖6-氯化液出口7-挡板8-气体出口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-冷却器氯化重要实例（2,6-二氯苯酚）•a双酚A的氯化脱烃基合成路线：HOHOCCH3CH3OHCOH3CCH3缩合氯化，Cl2,15℃1,2-二氯乙烷溶剂HOCHCH3CH3OHClClClCl四氯双酚A，阻燃剂COH3CCH3脱烃基HOClCl收率71.4%～73%,成本低2双酚A•b环已酮氯化，热解脱氯化氢•环已酮的氯化是羰基的α氢的完全氯化，氯化收率可达99.5%，总收率可达95.8%；O氯化,Cl2,60℃以下氯苯溶剂，二甲基乙酰胺催化OClCl热解，-2HCl吡啶缚酸，回流OHClCl2,6-二氯苯酚氯化重要实例（2,6-二氯苯酚）•C对叔丁基苯酚的氯化，脱叔丁基法此法原料易得，氯化收率98%，脱叔丁基收率91.5%，成本低。OHC(CH3)3OHClClOHClClC(CH3)3脱叔丁基C6H5Cl,AlCl3130℃氯化,Cl2CCl4,AlCl3氯化重要实例（2,6-二氯苯酚）氯化重要实例•2,6-二氯苯胺•其是重要的医药中间体，纯度要求99.5%以上，因此不能用苯胺的直接氯化法来制备；其合成路线较多，现已改用二苯脲的磺化•优点：原料低廉，收率高，生产成本低。•缺点：水蒸汽消耗量大，硫酸废液多。氯化重要实例2,6-二氯苯胺NH2HNNHCO盐酸介质H2NNH2COH2SO4磺化浓H2SO4HNNHCOSO3HSO3H氯化，Cl2水介质HNNHCOSO3HSO3HClClClCl水解，-CO2稀H2SO470～120℃NH2SO3HClClNH2ClCl水解，-SO3H50%～70%H2SO4140～170℃二苯脲氯化重要实例•较有前途的是环已酮的氯化、胺化、热解脱氯化氢法：总收率71%、此法不产生H2SO4废液。•例如：OOCl2Cl299.5%NHCl2Cl282%NHClCl87%氯化，Cl2氨解，NH3甲苯，TiCl4Cat5～20℃热解，-HCl氯苯，100℃,5h产量最大的实例是芳香族溴系阻燃剂，都是高熔点固体。•（1）十溴二苯醚的制备•纯品含溴83.3%（质量分数），熔点最高可达306℃～310℃在大多数溶剂中溶解度很小。O二苯醚十溴化OBrBrBrBrBrBrBrBrBrBr•其生产工艺有两种：•一种是在惰性有机溶剂（例如二氯乙烷、四氯化碳或四氯乙烷等）中溴化，此法工业上较少采用。•另一种是：以大量的溴为反应介质的溴化法。•优点：操作简单，产品含溴量高，热稳定性好，所用溴催化剂是无水AlCl3，为了保证其活性，要求二苯醚含水量在3×10-5（质量分数）以下，溴的纯度在99.5%以上，含水量在1.5×10-5（质量分数）以下。•副产物的溴化氢气体用水吸收，通Cl2再氧化成溴，循环利用。•四溴双酚A的制备HOHOCCH3CH3OHCOH3CCH3缩合HOCHCH3CH3OHBrBrBrBr四溴化含水甲醇（乙醇），氯苯双酚A2此溴化反应是在含水甲醇、乙醇或氯苯介质中，在常温用溴素进行的，溴化后可加入H2O2使副产的HBr氧化成溴，其溶剂可回收。•（3）四溴苯酐的制备。•纯品溴（质量分数）68.9％，熔点279℃-280℃，不溶于水和脂烃，微溶烃类溶剂。•邻苯二甲酸酐在发烟H2SO4中用溴溴化，用碘催化，副产的HBr被发烟H2SO4氧化成溴，循环利用。CCOOOCCOOO四溴化碘CatBrBrBrBr邻苯二甲酸酐碘化重要实例•（1）2,6-二碘-4-氰基苯酚的制备OHCN+I2+Cl2甲醇溶剂20～25℃OHCNII+2HCl对氰基苯酚2,6-二碘-4-氰基苯酚•（2）2-碘苯氧乙酸OCH2COOH+I2+H2O2甲醇溶剂20～25℃OCH2COOHI+2H2O苯氧乙酸植物生长调节剂22在乙酸和CCl4溶剂中，在少量H2SO4中存在下用碘和H2O2碘化而得碘化重要实例•（3）3-乙酰氨基-2,4,6-三碘苯甲酸钠（人体X-射线造影用药剂）药名“乌洛康钠”NH2·HClNH2·HClI间氨基苯甲酸盐酸盐COOHIICOOHNHCOCH3IIICOONa3ICl;碘化25℃,稀HCl水aq乙酰化钠盐羰基α-氢的取代卤化•反应历程•酸催化：•羰基α-氢的取代卤化是酸催化或碱催化的亲电取代反应，卤化剂主要是Cl2和Br2，卤素总是取代羰基的α位的氢。CCHH+快OCCHOH+B:慢CC:OH-BHX-XX2-HX快CCXO反应历程•酸催化：碱催化：COCHCOHCCOHCX+H+或Lewis酸催化烯醇化+X+卤化-H+脱质子COCXCOCHCO-CCOCX-H+脱质子+X+卤化反应历程•在这里卤素总是取代羰基α位的氢COCXCOCH+X2+HXCCHOCOCCOXX2-X快CCXOOH-H2O慢C－XOH羰基α-氢的取代卤化的催化剂•（1）酸催化剂；质子酸（H2SO4、HCl）、Lewis酸，用Lewis酸催化剂时常常有一个诱导期，这是因为如果卤化开始时没有H＋，烯醇化的速度很慢，当反应中不断产生卤化氢后，烯醇化速度变快，使卤化速度也变快。缩短诱导期的方法是在反应开始时加入少量卤化氢。•（2）碱催化剂：无机碱（NaOH、CaO等），有机碱（脂肪胺、吡啶、三苯基膦、酰胺、乙酸钠等）。用无机碱催化时，其用量要足够完全中和卤化时生成的卤化氢。•用有机碱催化时，催化剂量的有机碱卤氢酸盐仍具有催化作用，但必须使卤化时生成的卤化氢完全逸出体系，以免转变成酸催化，为此要用不能溶解卤化氢的非质子传递有机溶剂，例如：卤代烷等。被卤化物结构的影响•（1）羰基的α-碳原子上连有供电基时，有利于酸催化，它有利于酸催化下的烯醇化和烯醇的稳定，卤原子主要取代这个α碳原子上的氢。•（2）当羰基α-碳原子上连有卤基等吸电子基时，酸催化受到抑制，这时在同一个α碳原子上引入第二个卤原子就比较困难。但在碱催化时，则羰基α碳原子上各种取代基的影响相反，这时容易生成同碳α多卤化物。三氯乙醛的制备•其制备有乙醛氯化和乙醇氯化两种方法。•（1）乙醛的氯化法为了保护醛基，避免缩合反应，需加入适量水，生成水合乙醛，然后在10℃-70℃通入Cl2进行氯化，生成水合三氯乙醛。CH3CHO+H2OHCl催化H3CCOHHOH+3Cl3氯化Cl3CCOHHOH+3HClCl3CCOHHOH+H2SO4脱水CCl3CHO+H2SO4·H2O•（2）乙醇氯化法•乙醇与氯反应时先生成缩醛，然后再氯化生成三氯乙醛。CH3CH2OH+2Cl2CH3CHOCl+HClCH3CHOCl+CH3CH2OHH3CCOHHOCH2CH3+HClH3CCOHHOCH