精细有机合成单元反应与合成设计第四章详解.ppt

石河子大学化学化工学院 第四章 烷基化反应 石河子大学化学化工学院 第四章 烷基化反应 烷基化反应是指在有机化合物分子中 的碳、氧、氮等原子上引入烷基的反应， 包括引入烷基、烯基、炔基、芳基等 烷基化还包括在有机化合物分子中的 碳、氮、氧原子上引入羧甲基、羟甲基 、氯甲基、氰乙基等基团的反应 石河子大学化学化工学院 通过烷基化合成的醚类、烷基胺类是重要的 有机合成中间体，尤其重要的是芳环上引入烃基 生成的苯乙烯、乙苯、异丙苯、十二烷基苯等烃 基苯，是塑料、医药、溶剂、合成洗涤剂等的重 要原料 石河子大学化学化工学院 4.1 C-烷基化反应 F-C （傅-克）反应 Friedel and Crafts1877年发现 有机芳环化合物在催化剂作用下，用卤烷 、烯烃等烷基化剂可以直接将烷基接到芳环上 ，称为C-烷基化反应 石河子大学化学化工学院 4.1.1 C-烷基化剂 常用的烷基化剂有卤烷、烯烃和醇类等 RI RBr RCl PhCH2X R3CX R2CHX RCH2X CH3X 烯烃也是常用的烷基化剂，如乙烯、丙稀、异 丁烯等，一般可用三氯化铝做催化剂，也有用三氟 化硼、氟化氢等 醇类也可做烷基化剂，但催化剂选用硫酸、氯 化锌等。

石河子大学化学化工学院 芳香族化合物与芳杂环化合物都能进行C-烷基化 反应 芳香族化合物中的并环与稠环体系，如萘、蒽、 芘等，更容易进行烷基化反应 杂环中的呋喃环系、吡咯系在一定条件下，也能 进行烷基化反应 石河子大学化学化工学院 芳环上的取代基对C-烷基化反应影响较大 ： ü 当环上有烷基等给电子基团时，烷基化反应 容易进行； ü 但当环上有-NH2、-OR、-OH等给电子基团 时，因为可以与催化剂络合，而降低了芳环上 的电子云密度，不利于烷基化反应的进行； 石河子大学化学化工学院 ü 当芳环上连有硝基时，烷基化反应不能进行 ，但硝基苯可做反应溶剂，因为它能很好溶 解芳烃和三氯化铝 ü 当环上卤原子、羰基、羧基等吸电子基团时 ，则不容易进行烷基化反应，此时必须选用 包括多量的强催化剂和提高反应温度，才能 进行烷基化反应 石河子大学化学化工学院 烷基进入芳环的位置，应注意在低温、 低浓度、弱催化剂、反应时间又较短的条件下 ，烷基进入的位置遵循亲电取代反应规律但 如不在上述反应条件下，烷基进入的位置往往 就缺乏规律 石河子大学化学化工学院 4.1.2 催化剂 路易斯酸：AlCl3 FeCl3 SbCl5 SnCl4 BF3 TiCl4 ZnCl2 质子酸：HF H2SO4 P2O5 H3PO4 阳离子交换树脂 酸性氧化物：SiO2-Al2O3、分子筛、M（Al2O3·SiO2） 烷基铝： 石河子大学化学化工学院 （1）路易斯酸 最常用的是三氯化铝、氯化锌和三氟化硼。

共同特点是都有一个缺电子的中心原子 例如铝原子只有三个外层电子，在三氯化铝 分子中的铝原子只有六个外层电子，它能接受电 子形成带负电荷的质点，同时使烷化剂转变成活 泼的亲电质点 石河子大学化学化工学院 A 无水三氯化铝 它是各种付氏反应最广泛使用的催化剂，其熔点 为192℃，180℃开始升华 新制备的升华无水三氯化铝几乎不溶于烃类中， 并且对于用烯烃的C-烷化反应没有催化活性 空气中的水汽会使少量AlCl3水解，所以普通的 无水三氯化铝中总是含有少量的气态氯化氢在液态 烃中HCl能与AlCl3形成络合物，这个络合物能与烯烃 形成烷基阳离子，它是活泼的烷化质点 石河子大学化学化工学院 石河子大学化学化工学院 无水三氯化铝能溶于许多给电子型溶剂中形成 络合物 这类有机溶剂有硝基苯、二氯乙烷等许多可 溶性的AlCl3-溶剂络合物可用作付氏反应的催化剂 无水三氯化铝易溶于醇、醛和酮，但所形成的 络合物对C-烷化反应没有催化作用或很弱 这类无机溶剂有：SO2、COCl2、CS2、HCN等 石河子大学化学化工学院 无水三氯化铝与烷化剂或芳烃形成的络 合物(红油)是连续烷化的良好催化剂，红油 不溶于烷化产物，很容易从烷化产物中分离 出来循环使用。

其优点是比用三氯化铝副反应少，只要 不断补充很少量的三氯化铝就可以保持稳定 的催化活性 石河子大学化学化工学院 无水三氯化铝的优点是价廉易得、催化活性 好、技术成熟，是付氏反应使用最广泛的催化剂 其缺点是有铝盐废液，有时不适用于活泼芳 族化合物(例如酚类和芳胺)的C-烷化因为容易 发生副反应 石河子大学化学化工学院 某些含硫化合物会使无水三氯化铝活性下降 因此，有机原料(例如苯和丙烯等)应预先脱硫 无水三氯化铝有很强的吸水性，遇水分解会产 生氯化氢并放出大量的热，严重时甚至会引起爆炸 无水三氯化铝与空气接触也会吸潮水解，并逐 渐结块使用部分吸潮的无水三氯化铝，即使提高 反应温度也很难使反应顺利进行 石河子大学化学化工学院 工业上，当用氯烷作烷基化试剂时，也可 以直接用金属铝作催化剂，而不必用无水三氯 化铝，因为烷基化反应中生成的氯化氢，能与 金属铝作用生成三氯化铝络合物在分批操作 时常用铝丝，连续操作时可用铝锭或铝球 石河子大学化学化工学院 B 三氟化硼 ü 其优点是：可以同醇、醚和酚等形成具有催化活 性的络合物，副反应少，可用于酚类的C-烷化另 外，三氟化硼是低沸点(-101℃)的气体，容易从反应 物中蒸出，循环利用。

ü 缺点是价格较贵，限制了它的应用 它也是活泼的催化剂 石河子大学化学化工学院 三氟化硼不易水解在水中仅部分地水解为羟基 硼氟酸(HBF3+ OH-或BF3·H2O)，后者也是C-烷化和脱 烷基的有效催化剂 三氯化硼也是活泼催化剂，但很易水解为硼酸和 盐酸，所以使用不便用烯烃或醇类作C-烷化剂时， 也可以用三氟化硼作为硫酸、磷酸和氢氟酸等催化剂 的促进剂 石河子大学化学化工学院 C 其它路易斯酸 催化剂温和，尤其氯化锌广泛用于氯甲基 化反应 ZnCl2、FeCl2和CuCl等酸性卤化物都是温和 的催化剂当反应物比较活泼，用无水AlCl3会引 起副反应时，要用这类催化剂ZnCl2广泛用于芳 环的氯甲基化反应 石河子大学化学化工学院 （2）质子酸 强质子酸，例如硫酸、氯磺酸、磷酸、多磷酸 、氢氟酸、盐酸、烷基磺酸、芳磺酸、氯乙酸、阳 离于交换树脂等都是C-烷化的催化剂 它们的催化作用是使烯烃、醇、醛和酮等C-烷 化剂质子化，转变成亲电质点质子酸的催化活性 次序是：HF＞H2SO4 ＞H3PO4 石河子大学化学化工学院 A 硫酸 硫酸广泛用于以烯烃、醇、醛和酮为烷化剂的烷 化反应其优点是价廉易得、容易掌握。

但为了避免芳烃的磺化、烷基化剂的聚合、酯化 、脱水、和氧化等反应，必须选用适宜的硫酸浓度 石河子大学化学化工学院 例如，对于异丁烯要用85~90%硫酸这时除了C -烷化反应以外，还有一些酯化反应； 如果用80%硫酸则主要是聚合反应，也有一些酯 化反应，但不发生烷化反应； 如果用70%硫酸则主要是酯化反应，不发生烷化 和聚合反应 对于丙烯要用96%以上的硫酸 对于乙烯要用接近98%的硫酸，但这足以引起苯 和乙苯的磺化因此，在苯的乙基化时，不宜用硫酸 作催比剂 石河子大学化学化工学院 B 氢氟酸 无水氢氟酸沸点19.5℃，凝固点-83.5℃，可用作 多种付氏反应的催化剂其主要优点是： (1)液态HF对于含氮、含氧和含硫的有机物有较高 的溶解度，对烃类也有一定的溶解度另外，HF在这 些液态有机物中也有一定溶解度因此，它既是催化 剂，又是溶剂 (2)不易引起副反应 当用AlCl3或硫酸作催化剂会 引起副反应时，改用HF是有利的例如，HF可用作酚 类和氨基酚等的C-烷化的催化剂 石河子大学化学化工学院 (3)沸点低 当将烃类与HF分层后，残留在烃层 中的HF容易蒸出回收利用HF的消耗量少 (4)凝固点低 可在-30℃或更低的温度下使用。

HF和BF3的络合物也是良好的催化剂 HF虽然有很多优点，但价格贵、腐蚀性强，并 且常常要在压力下操作，因此，HF目前主要用作十 二烯与苯制十二烷基苯的催化剂 石河子大学化学化工学院 C 磷酸和多聚磷酸 它们是烯烃C-烷化的良好催化剂，也是烯烃聚合和 环合的催化剂100%的磷酸(H3PO4)凝固点42.4℃，在 室温时为固体，因此常使用85~89%的含水磷酸或多磷 酸多磷酸是各种磷酸多聚物的混合物 多磷酸是液体，对于许多类型的有机物还是良好的溶剂 石河子大学化学化工学院 磷酸和多磷酸的优点是它没有氧化性，不会发生 芳环上的取代反应当芳烃分子中含有敏感性基团(例 如羟基等)时，比用三氯化铝或硫酸效果好 但是，由于磷酸和多磷酸的价格比三氯化铝的价 格贵得多，因此限制了它们的广泛使用H3PO4-BF3 是效果更好的催化剂，它用于丙烯与萘制2-异丙萘 石河子大学化学化工学院 将磷酸负载在载体上制成固体磷酸催化剂，可用于 烯烃的气固相接触催化烷化例如丙烯和苯制异丙苯， 所用的载体可以是硅藻土、硅胶或 γ-三氧化二铝等 固体磷酸催化剂中的活性组分是焦磷酸(H4P2O7)， 磷酸也有一些催化活性，而偏磷酸(HPO3)则没有催化活 性。

在200℃时，磷酸大部分脱水为焦磷酸，在300℃ 大部分脱水为偏磷酸 石河子大学化学化工学院 D 阳离子交换树脂 其中最重要的是苯乙烯-二乙烯苯共聚物的磺化 物它们是用烯烃、醇、醛和酮使苯酚C-烷化时特别 有效的催化剂 其优点是副反应少，通常不与任何反应物或产物 形成络合物，因此可以用简单的过滤法将其从反应物 中回收套用但是它们的应用受到耐热温度的限制， 而且失效后不能再生 石河子大学化学化工学院 （3）酸性氧化物 某些酸性氧化物是许多气固相接触催化反应的催化剂 SiO2单独使用时，对付氏反应没有或只有很小 的催化活性Al2O3单独使用时虽然比SiO2好一些， 但仍不是好的催化剂SiO2-Al2O3以适当的比例配合 ，则是付氏反应的良好使化剂 它可以用于烯烃与芳烃的C-烷化、脱烷基、转移 烷化、二烷化物的异构化，以及酮的合成和脱水环合 等反应 石河子大学化学化工学院 硅铝催化剂可以是天然的，例如沸石、硅藻土、 膨润土和铝矾土等另外，也可以是合成的工业硅 铝催化剂通常含右85~90%SiO2和15%Al2O3 硅铝催化剂中也可以添加Cr2O3、MgO、Mo2O3、 ThO3、WO3、ZrO等金属氧化物，以调整其催化活性 和选择性。

近年来开发研究较多的是分子筛催化剂 石河子大学化学化工学院 一般认为认为 硅铝铝催化剂剂的活性组组分是HAlSiO4，它负负 载载在非活性的SiO2上，只有在表面上的H+才是有效的 当催化剂剂的表面积积增加时时，表面上的H+的浓浓度增加， 即活性增加 硅铝铝催化剂剂的优优点是容易再生、可重复使用，基 本上不产产生废废液大量用于石油化学工业业 石河子大学化学化工学院 （4）烷基铝 酚铝（Al（OC6H5）3） 苯胺铝（Al（NHC6H5）3） 这是用烯烃作C-催化剂时的一种特殊催化剂其 特点是能使烷基有选择地进入芳环上氨基或羟基的邻 位烷基铝与三氯化铝相似，其中铝原子也是缺电子 的，烷基铝的催化作用还不十分清楚 石河子大学化学化工学院 酚铝(C5H5O)3Al是苯酚邻位C-烷化的催化剂， 它是由铝屑在大量苯酚中加热而制得的 苯胺铝(C5H5NH)3Al是苯胺邻位C-烷化的催化剂 ，它是由铝屑在大量苯胺中加热而制得的 石河子大学化学化工学院 4.1.3 C-烷基化反应历程 催化剂的作用是使烷基化剂强烈极化为活泼的 亲电质点，这种亲电质点进攻芳环生成s络合物，再 脱去质子而变为最终产物 工业上傅-克烷基化反应最常用的烷基化剂是烯 烃和卤烷，其次是醇、醛和酮。

石河子大学化学化工学院 三氯化铝与氯化氢形成络合物后，其质子与烯 烃的加成遵循马氏规则 石河子大学化学化工学院 因此，在用烯烃作C-烷化剂时，总是引入带。