精细合成单元反应与工艺第4章卤化反应

第四章卤化反应4.1概述卤化反应的定义卤化反应的目的卤化试剂卤化反应的分类1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。2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）阻燃性Cl215℃,四氯化1,2－二氯乙烷溶剂CCH3CH3HOOHClClClClCCH3CH3HOOHCCH3CH3HOOHBrBrBrBr－X(－Cl)－NH2,－OH,－F,－OR,－OArOHOCH3NH3NH2OHOCH3Clδ+亲核置换3卤化试剂卤素单质：Cl2,Br2,I2---------资源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,ICl4卤化反应类型置换卤化：亲核反应－置换氟化,羟基的卤代加成卤化:亲电加成：酸催化游离基加成：光照，引发剂取代卤化：亲电取代：芳环游离基取代：脂肪烃及芳环侧链§4.2芳环上的取代氯化反应历程影响因素苯系环上取代氯化萘系和蒽醌系环上取代氯化1.反应历程1）催化剂存在下氯气的氯化Cl2+FeCl3Cl+FeCl4-+Cl+FeCl4-HCl+FeCl4-+慢Cl+HCl+FeCl3快以金属卤化物为催化剂：FeCl3，AlCl3，,ZnCl2硫酸或碘催化下使氯分子转化为氯正离子二氯硫酰也能提供氯正离子2）酸催化的次氯酸的氯化Cl2+H2OHOCl+H++Cl-HOCl+H+快H2O+ClH2O+Cl慢Cl++H2O+H+快慢Cl++ArHArClH+ArCl认为是反应有质子存在，促使生成卤正离子而加速了反应。特点是具有较小空间阻碍。3）芳香氯化物的异构化ClClClCl+HHClCl+HHClClHH+Cl+HClHClCl分子内氯原子的位移反应。氯化氢存在下，三氯化铝是很好的异构化剂。苯环上的取代氯化为一连串反应：三氯苯的生成量极少，可以忽略。C6H6＋Cl2C6H5Cl＋HClC6H5Cl＋Cl2C6H4Cl2＋HClC6H4Cl2＋Cl2C6H4Cl3＋HClＫ１＞Ｋ２＞＞Ｋ３k1k3k24）反应动力学氯苯含量，％173.5k1/k2842约1表氯苯含量对k1/k2的影响反应类型氯化磺化硝化k1/k28.5103～104105～107表苯在氯化、磺化和硝化反应中k1/k2的比较在反应最初阶段，氯苯的浓度逐渐增加，在苯的转化率达20%左右时，氯苯开始与氯气作用生成二氯苯。A苯B氯气C一氯苯D二氯苯每摩尔纯苯所消耗的氯气的量（摩尔）叫做氯化深度。2.反应影响因素氯化深度测定出口处氯化液相对密度来控制氯化深度。氯化液相对密度（15℃）氯化液组成（%,质量）氯苯/二氯苯苯氯苯二氯苯（质量比）0.94170.952969.3663.1630.5136.490.130.3523510表氯化液比重与产物组成的关系反混作用在连续反应时，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，这种现象叫做返混作用。图氯苯的生产工艺当三者氯化深度大致相同时，多级槽式连续氯化生成的氯苯/二氯苯值最小。氯化温度T，℃182530k2/k10.1070.1180.123表苯氯化反应温度与k2/k1的关系催化剂铁等金属氯化物能溶于水，当含水量大时被萃取出来，而停止反应。℃O2NNH2HCl+NaClOO2NNH2Cl0~5,H2O浓H2SO4,90～100℃OOOOClClClClCl2,I2,催化OHCOOHOHCOOHCl2,110℃乙酸或氯苄介质Cl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（1）水份：＜0.04％（2）氢气含量：＜4％原料纯度原料带入水，生成的氯化氢将溶于水生成盐酸苯中水含量达到0.2％时，苯的氯化反应不能进行盐酸还将加快设备的腐蚀和铁环催化剂的消耗苯的干燥剂一般采用粗盐或固体烧碱，而氯气的干燥剂常采用浓硫酸氯气中氢的体积含量4％易引起火灾；7％可引起爆炸。（3）循环使用的苯（苯氯比4:1）中氯苯的影响。（4）噻吩：能与三氯化铁生成不溶于苯的黑色沉淀，使催化剂中毒；噻吩氯化物在精馏过程中放出HCl腐蚀设备.SClClClClClCl-HClSClClClCl3.苯系环上取代氯化1）苯的氯化2）甲苯的氯化3）苯酚类的氯化4）硝基苯胺的氯化氯苯是制取农药、染料及其他有机合成工业产品的重要中间体，亦可作为溶剂早期多采用低温氯化工艺（35-40℃）现代的合成多采用沸腾氯化法（80℃）沸腾氯化法的优点：1，生产能力大，为间歇氯化的100倍2，在相同的氯化深度下，由于减少了返混，而使二氯苯的含量减少1）苯的氯化图沸腾氯化塔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实验证明：提高温度有利于第二个氯原子进入邻位、间位；低温和助催化剂的存在有利于第二个氯原子进入对位。2）甲苯的氯化生产吨位远小于氯苯，多采用间歇法改变催化剂可改变邻、对位异构体的比例催化剂对甲苯氯化产物邻氯甲苯和对氯甲苯的沸点相近，不易用精馏法制得纯净的邻氯甲苯或对氯甲苯过去常常采用甲苯胺为原料经重氮化再与氯化亚铜进行氯化利用分子筛分离邻氯甲苯和对氯甲苯邻氯甲苯用于制邻氯苯甲醛或邻氯苯甲酸；对氯甲苯用于制对氯苯甲醛、对氯三氯甲基苯或对氯苯甲酸等降低反应温度，对于大多数催化剂都有利于提高对位异构体的量3）苯酚类的氯化可以制取邻氯苯酚、对氯苯酚和2,4-二氯苯酚等，都是农药、医药的重要中间体。++HClOHSO2Cl245℃OHCl+OHCl+SO2++HClOHCl240~45℃OHCl+OHCl苯为溶剂49.8%25.5%++HClOHCl260~70℃OHClFeCl+4Cl215℃二氯乙烷HOOHCCH3CH3+4HClHOOHCCH3CH3ClClClCl4）硝基苯胺的氯化++NaOClNH2HCl25~30℃+NaClH2ONO2NH2NO2Cl+H2O胺类的硝基化合物通常可在酸性水溶液中顺利地进行氯化，而不需要预先保护氨基。4.萘系和蒽醌系环上取代氯化Cl2+110~120℃FeCl3+ClCl90%10%工艺:在反应温度下，向熔融的萘中通氯气，控制氯化液相对密度为1.2（20℃），用苛性钠中和后，通过减压精馏，可得到1-氯萘和2-氯萘。OONH2OHONOHCl2Pd(CH3COO)2ONOHClHClOOCl在无催化剂存在时则得β-氯蒽醌Cl2+OO90~100℃I2,100%H2SO4+HClOOClClClCl还原染料的重要中间体-1,4,5,8-四氯蒽醌工艺：蒽醌先溶于浓硫酸中，再加入0.5%~4%的碘催化剂，在100℃通氯直到含氯量为36.5%~37.5%为止，粗品经精制，收率40%.§4.3芳烃的侧链氯化1.反应历程A.游离基的生成——链的引发（1）热裂解法C-C,C-H,H-H：330~418.6KJ/mol(500~650℃)Cl-Cl,Br-Br,I-I,O-O,N-N,C-N=N-C:250KJ/mol(50~100℃)Cl2100℃2Cl·AIBNCOOOCO过氧化苯甲酰60～100℃C·OCO2·BPO偶氮二异丁晴（2）光离解法Cl2，Br2，I2Cl·，Br·，I·400～500nmhν（3）电子转移法E=hυ=hcλFe2++HO-OHFe3++OH-+HO·Co3++(CH3)3COOHCo2++H++(CH3)3COO·RH+X·→R·+HXR·+X2→RX+X·或RH+X·→RX+H·H·+X2→HX+X·2X·X2R·+X·→RXX·+O2→O2X·→O2+X2R·+O2→RO2·→RX+O2器壁或填料X·X·B.链的传递C.链的终止原料（1）无铁（2）无氧（3）无水引发条件及温度（1）热引发：E热=238.6KJ/mol,100～150℃（2）光引发：E光=250KJ/mol,λ＜478nm2.影响反应的因素氯化深度随着氯化深度的增加，侧链多氯取代物的生成量也增加，通常以控制氯化液相对密度来控制氯化深度。3.氯化苄的生产CH3CH2ClCHCl2CHOCCl3COOHCl2,100℃Cl2,100℃,hvCl2,100℃,hvCH2OH工艺：在光或BPO引发下，采用沸腾氯化法。4.氯甲基化+CH2OHCl+无水ZnCl2H2OCH2Cl+苯和甲醛的混合液在无水氯化锌存在下，通入氯化氢气体，生成增加一个碳原子的α-卤代烷基芳烃。+CH2OHCl+H2OCH2Cl+85℃萘与聚甲醛、浓盐酸在醋酸和85%磷酸存在下加热，同样发生氯甲基化反应。+2CH2O2HCl+2H2OH3CCH3+75~95℃乳化剂H3CCH3ClH2CCH2Cl为亲电取代反应历程氯甲基化试剂：甲醛或多聚甲醛及氯化氢。催化剂：质子酸（盐酸、硫酸、磷酸等）及路易斯酸（氯化锌）等。§4.4氟化、溴化、碘化1.氟化A)直接氟化氟与所有的有机化合物能猛烈地发生作用，直接反应中常以自由基形式发生。缺点：放热量大，造成明显的C－C键的断裂，并发生聚合副反应克服这一缺陷，常采用氮气稀释氟的方法，并采用导热好的反应装置电负性最强F-FFδ+-Fδ-B)卤素的亲核置换属SN2反应。利用有机卤化物与NaF、HF、KF卤素交换容易被置换的顺序为IBrCl由于HF的毒性较大，而且在工业生产中需要在高压釜中进行反应，所以尽可能的用金属氟化剂，最常用的是氟化钾。Cl200℃FNO2KFNO2NO2NO2Cl100℃,14hFClKF/DMFNO2ClNO2ClClNNCl180~220℃NNClF环丁砜FClClClF+3NaF+3NaClCCl3190℃CF3SbF3+3HFCCl3100~110℃CF32.5MPaClCl+3HFCCl380~104℃CF31.7~1.8MPaRXKFKFKFKFKFKFRFRSO2ClRSO2FCHCH2COOCH3ClClCHCH2COOCH3FFCHCH2OHClClCHCH2OHFFCCl3CF3RCOClRCOFKFSO2OCH2CH2ClH3CFCH2CH2ClC)伯胺基的置换由芳伯胺重氮化制成的重氮氟硼酸盐经加热可制得相应的芳香氟化物。NH210℃NaNO2/HBF4OCH3N2BF4-OCH3△FOCH3SN1历程2.溴化2HBr+NaOCl→Br2+NaCl+H2O6HBr+NaClO3→3Br2+NaCl+3H2OHBr+SO3→Br2+H2SO3常用的溴化剂：溴、溴化物、溴酸盐、次溴酸的碱金属盐等。Br+BrClBr2BrOH溴化剂活性顺序：1.反应的活性比Cl低，放热量小→缓和，选择性好2.Br空间位阻稍大,Br－作为离去基团比Cl－更容易一些3.环上溴化与环上氯化相似，采用MgBr2、ZnBr2等金属溴化物为催化剂溴化反应的特点4，溴的水溶液与不饱和化合物迅速发生加成反应，常用于定性或定量检测不饱和度5,价格贵，要充分利用。3ArH+3HBr+NaOCl3→3ArBr+NaCl+3H2O一般在反应锅中直接加入氧化剂，如氯、次氯酸钠、氯酸钠等，使溴化氢直接得到利用。实例OONH2SO3H+Br2+NaClOOONH2SO3H+NaCl+H2OBr稀硫酸O+Br2+NaClOOBr+NaCl+H2O稀硫