優(yōu)化版4-鹵化反應(yīng)

第四章鹵化反應(yīng)

環(huán)側(cè)芳環(huán)上的鹵化鹵化反應(yīng)的機(jī)理1、具有第二類取代基的芳香族化合物以間位取代為主，合成、生產(chǎn)相對(duì)較簡(jiǎn)單；2、具有第一類取代基的芳香族化合物以鄰、對(duì)位為主，一般情況下，將兩種異構(gòu)體分離后分別使用。定位合成、生產(chǎn)1、精餾2、結(jié)晶異構(gòu)體的分離方法3、鹽析4、其他方法1、根據(jù)鹵化反應(yīng)規(guī)律制定合理的工藝路線；2、提出提高選擇性的方向與措施；鹵化反應(yīng)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)3、選擇合理的分離提純方法，提高產(chǎn)品回收率和產(chǎn)品質(zhì)量鹵化反應(yīng)的分析圖不同反應(yīng)活化能的比較1、Ev2

>Ev1反應(yīng)進(jìn)程EvEv1Ev3Ev2Ev42、Ev3

>Ev13、Ev4

<Ev3Ev1

<Ev2、Ev4<Ev3平行副反應(yīng)的分析1、溫度效應(yīng)低溫對(duì)對(duì)位產(chǎn)物生成有利。2、濃度效應(yīng)對(duì)比選擇性與各組分的濃度無關(guān)。3、二鹵取代物不可避免盡管Ev3>Ev1，連串副反應(yīng)需更高的能量，但鹵素對(duì)芳香族化合物鈍化能力較小，故活化能△Ev較小，遠(yuǎn)小于硝化、磺化反應(yīng)的活化能差△Ev。因此，無論如何控制溫度、濃度條件，連串副反應(yīng)都不可避免，溫度、濃度條件只能在一定程度上抑制多鹵化產(chǎn)物的生成量。4、二鹵取代物生成的主要渠道

Ev4<Ev3，有的甚至Ev4<Ev2，表明鄰位異構(gòu)體更易進(jìn)行二鹵化（二鹵化物生成的主要渠道是通過鄰位異構(gòu)體產(chǎn)生的）。

（換句話說，鄰位的鹵素對(duì)另一鄰位的鈍化程度較大，而鄰位的鹵素對(duì)于對(duì)位的鈍化程度較??；對(duì)位的鹵素對(duì)鄰位的鈍化程度較大。這是芳香環(huán)上的親電取代反應(yīng)的普遍規(guī)律。）只要抑制了鄰位異構(gòu)體的生成，也就抑制了二鹵取代物的生成，鄰位異構(gòu)的抑制是優(yōu)化工藝的最主要的目標(biāo)。1、以對(duì)位鹵化為目標(biāo)產(chǎn)物的工藝路線的選擇工藝路線的優(yōu)化選擇鹵化工藝路線的優(yōu)化要點(diǎn)1、鹵化劑2、反應(yīng)溫度3、加料方式4、溶劑5、分離、提純⑴高電子云密度的芳烴采用鹵負(fù)離子氧化法鹵化1、鹵化劑僅以鹵素或鹵正離子為鹵化劑作為研究范圍。⑵低電子云密度的芳烴采用路易斯酸催化鹵素鹵化3、加料方式芳香族化合物的一次性加入，鹵素的緩慢加入有利于一取代產(chǎn)物的選擇性，可抑制多鹵代副產(chǎn)物。鹽酸和氧化劑代替氯氣的方法，可提高一取代產(chǎn)物的選擇性。先加氧化劑，后加鹽酸的方法，其選擇性更好。4、溶劑⑴溶劑的稀釋作用①溶劑對(duì)鹵素、芳香烴的稀釋，減緩了反應(yīng)速度，有利于提高選擇性②溶劑的熱容可吸收反應(yīng)熱，可避免局部過熱，有利于提高選擇性⑵溶劑的極化作用①路易斯酸②酸性溶劑③非極性溶劑④堿性溶劑例，1-氯萘工藝過程：以鋅為催化劑，n萘:n氯=1:0.84~1.17，催化劑用量為萘質(zhì)量的0.4%~0.5%，通氯時(shí)間為3~6h，反應(yīng)溫度90~95℃，1-氯萘平均產(chǎn)率81.7%。經(jīng)二次分餾，產(chǎn)品含量96%。反應(yīng)同時(shí)生成2-氯萘，約占2%~20%。例，溴苯工藝過程：在500mL圓底燒瓶中，先加入33g苯和3g鐵屑，再加入2mL溴，溫?zé)釤恐罤Br揮發(fā)出，其余的溴在1h內(nèi)加入。加熱至放出紅色蒸氣，產(chǎn)品用水洗滌。用水蒸氣蒸餾，收集首批餾出液，冷凝、結(jié)晶。換接收瓶第二批餾出液。第一批蒸餾物干燥后，在常壓下蒸餾，收集沸點(diǎn)140~170℃餾分，然后重蒸餾，得30g溴苯（收率50%）。第二批餾出液蒸得全部二溴苯和蒸餾殘余物，經(jīng)脫色，用乙醇重結(jié)晶，得5~10g對(duì)二溴苯。水解：將上述全部經(jīng)離心分離并水洗過的產(chǎn)品及4kg30%的NaOH在攪拌下回流8h。稍冷后倒出，冷卻后倒去上面水層，用水洗滌固體，得2.9kg粗品。粗品減壓蒸餾，收集120~128℃（1.3kPa）餾分，得2.3kg目標(biāo)產(chǎn)物，收率66%。例，2,6-二溴苯酚工藝過程：將98%硫酸于44~50℃滴加到苯酚中，升溫至100℃，保溫3h，加冰水溶解固體，再在20℃滴加溴素，并通入氯氣。加入NaHSO3反應(yīng)30min，過濾，濾餅為三溴物，濾液通入過熱蒸氣蒸餾，棄去初餾物（一溴物）至內(nèi)溫達(dá)155℃以上，收集餾出液，冷卻即析出結(jié)晶得成品，收率80%。作業(yè)：4-溴氟苯工藝過程：在裝有回流冷凝管及滴流漏斗的200mL兩口燒瓶中，加入72g（0.75mol）氟代苯和0.5g吡啶，在水浴上加熱至沸騰。從滴液漏斗滴加80g（0.5mol）干燥過的溴，約需1.5h（反應(yīng)中產(chǎn)生的HBr用水吸收）。然后在水浴上加熱2h。冷卻，加入100mL10%NaOH溶液，用200mL乙醚萃取。萃取液加入無水碳酸鉀干燥。分餾，收集75~90℃餾分為未反應(yīng)的氟代苯（約20g），148~151℃餾分為對(duì)溴氟苯（59~64g），產(chǎn)率49%芳烴側(cè)鏈的鹵化芳烴側(cè)鏈鹵化反應(yīng)的機(jī)理和特點(diǎn)芳烴的側(cè)鏈鹵化機(jī)理：自由基（游離基）反應(yīng)(1)鏈引發(fā)；(2)鏈傳遞；(3)鏈終止(1)

鏈引發(fā)（熱解法△

；光解法hυ；引發(fā)劑引發(fā)In·）光照、高溫、引發(fā)劑引發(fā)(2)鏈傳遞(3)鏈終止芳烴側(cè)鏈鹵化的主副反應(yīng)R：芳環(huán)上原有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的取代基S：從A、P1、P2、P3都可以生成In·(C)：為所有導(dǎo)致自由基引發(fā)的因素（光、熱、引發(fā)劑等）L(D)：所有催化環(huán)上鹵代的因素（路易斯酸、質(zhì)子酸、極性等）芳烴的側(cè)鏈鹵化特征：1、對(duì)稱結(jié)構(gòu)（極性?。┕恹u化選擇性一般好于不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。2、極性基團(tuán)（羧酸、酚、苯胺）易抑制自由基，并極化Cl2誘導(dǎo)芳環(huán)上的鹵化。一般應(yīng)將極性基團(tuán)衍生化后再進(jìn)行光氯化。3、芳烴上的強(qiáng)吸電基團(tuán)與甲基的超共軛效應(yīng)使光氯化難以進(jìn)行。4、均裂的鍵能：Cl2=242.4kJ/mol，Br2=193.5kJ/mol，故溴比氯更易于發(fā)生側(cè)鏈一取代。5、與氯相比，溴不僅在抑制芳環(huán)鹵代上占優(yōu)勢(shì)，而在抑制側(cè)鏈多鹵取代上也占優(yōu)勢(shì)。因?yàn)殇宓亩嗳〈枰叩哪芰?。?cè)鏈鹵化與芳環(huán)鹵化的分析1、溫度效應(yīng)化學(xué)反應(yīng)Ev

圖芳烴側(cè)鏈鹵化與芳環(huán)鹵化的活化能比較Evp1Evs結(jié)論：升高溫度利于側(cè)鏈鹵化環(huán)上鹵化側(cè)鏈鹵化2、濃度效應(yīng)⑴芳烴與鹵素之間無論加料方式如何變化，對(duì)選擇性均無影響。對(duì)比選擇性不隨芳烴和鹵素的濃度而改變。⑵增加自由基引發(fā)因素對(duì)側(cè)鏈鹵化有利。⑶除去路易斯酸、質(zhì)子酸和溶劑的極化因素對(duì)側(cè)鏈鹵化有利。側(cè)鏈鹵化不同階段的分析一般在側(cè)鏈三取代都容易進(jìn)行的情況下，連串進(jìn)行的三步甲基反應(yīng)規(guī)律性較強(qiáng)。簡(jiǎn)單起見，僅將一、二取代側(cè)鏈氯化進(jìn)行比較，而二、三取代反應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)與之類似。1、溫度效應(yīng)已證明：在進(jìn)行甲苯側(cè)鏈氯化，溫度一定時(shí)，氯化各階段的速度常數(shù)比不隨其他因素變化。實(shí)驗(yàn)表明：一般情況下，Evp1<Evp2<Evp3（硝基甲苯例外）。反應(yīng)進(jìn)程Ev

圖側(cè)鏈鹵化不同階段的活化能比較BrEvp1Evp2Evp3Cl⑴溫度不變時(shí)，速度常數(shù)比（k1/k2）或（k2/k3）總是大于1；⑵不同階段的鹵化應(yīng)在不同溫度下進(jìn)行，高溫對(duì)多鹵取代有利；⑶溫度一定時(shí)，溴代反應(yīng)的速度常數(shù)比（k1/k2）或（k2/k3）總是高于氯代反應(yīng)的速度常數(shù)比；⑷在側(cè)鏈鹵化反應(yīng)的一取代階段，溴代反應(yīng)活化能一般低于氯代反應(yīng)活化能；⑸在側(cè)鏈三鹵代時(shí)，溴代反應(yīng)活化能較高，反應(yīng)難以進(jìn)行，而氯代反應(yīng)相對(duì)容易?；衔锛妆介g硝基甲苯對(duì)硝基甲苯制備氯芐溫度/℃120~130130~140185~190制備溴芐溫度/℃50~77125~130125~1302、濃度效應(yīng)溫度一定時(shí)，對(duì)比選擇性僅與各組分濃度有關(guān)：⑴甲苯高濃度有利于一取代；⑵鹵素的濃度與鹵化深度無關(guān)（與對(duì)比選擇性無關(guān)）；⑶引發(fā)劑的濃度與鹵化深度無關(guān)（與對(duì)比選擇性無關(guān)）；⑷轉(zhuǎn)化率的增加有利于深度鹵化（對(duì)比選擇性降低）。以一鹵芐為目標(biāo)化合物的分析1、溫度效應(yīng)TS圖一鹵芐反應(yīng)溫度對(duì)選擇性的影響T0由S1決定由S2決定⑴對(duì)S1，高溫有利于抑制苯環(huán)鹵代；⑵對(duì)S2，低溫有利于抑制側(cè)鏈多鹵代；⑶綜合考慮，溫度控制有一最佳值T0。S1：側(cè)鏈鹵代與環(huán)上鹵代的（對(duì)比）選擇性；S2：側(cè)鏈一鹵代與側(cè)鏈多鹵代的（對(duì)比）選擇性；2、濃度效應(yīng)綜合S1和S2

⑴甲苯高濃度有利于側(cè)鏈一鹵代；⑵引發(fā)劑高濃度有利于側(cè)鏈一鹵代；⑶利于環(huán)上鹵代物質(zhì)的高濃度不利于側(cè)鏈一鹵代；⑷轉(zhuǎn)化率的增加不利于側(cè)鏈一鹵代。以一鹵芐為目標(biāo)化合物的分析綜合S1和S2

1、溫度效應(yīng)2、濃度效應(yīng)除極化鹵素誘導(dǎo)芳環(huán)鹵代的因素外，所有的高濃度均有利。以三鹵芐為目標(biāo)化合物的分析高溫既有利于抑制芳環(huán)鹵代，又有利實(shí)現(xiàn)三鹵代的轉(zhuǎn)化率。芳烴側(cè)鏈鹵化的工藝條件對(duì)于芳烴側(cè)鏈鹵化反應(yīng)：有利于鹵素均裂以產(chǎn)生自由基的因素都是有利的，有利于鹵素極化的因素都是不利的。1、溶劑的選擇2、鹵素的選擇3、引發(fā)劑的選擇4、紫外光與添加劑5、反應(yīng)溫度的選擇6、雜質(zhì)的影響7、加料方式1、溶劑的選擇溶劑的作用：溶解作用、稀釋作用、極化作用非極性溶劑未提供電場(chǎng)，不但有利于鹵素均裂生成自由基，同時(shí)由于其稀釋作用降低了芳烴本身及鹵化產(chǎn)物的極性而抑制了芳環(huán)上的鹵化，對(duì)提高芳烴的側(cè)鏈鹵化選擇性有利。溶劑條件：①極性較?。虎陔娮釉泼芏容^低；③沸點(diǎn)較高，以適用于不同的反應(yīng)溫度；④便于回收；⑤價(jià)格較低。目前推薦使用含鹵素和三氟甲基的各種對(duì)稱性芳烴。2、鹵素的選擇反應(yīng)進(jìn)程EvClBr⑴一般而言，側(cè)鏈鹵化產(chǎn)物是中間體而非最終產(chǎn)物。因而鹵素是可選擇的，以利于整個(gè)過程的經(jīng)濟(jì)性。⑵溴與氯比較，更有利于側(cè)鏈而不利于芳環(huán)鹵化；同時(shí)溴在多鹵化時(shí)需更高的能量。因而當(dāng)以溴進(jìn)行一鹵化時(shí)選擇性較高。故在制備一鹵芐時(shí)一般應(yīng)以溴芐為主。⑶在制備三鹵芐時(shí)，因?yàn)槿迤S一般不易生成，需要高的能量，因此應(yīng)制取三氯芐。3、引發(fā)劑的選擇對(duì)于低溫下（＜100℃）的芳烴側(cè)鏈鹵化，引發(fā)劑的加入往往是芳烴側(cè)鏈鹵化所必須的。在反應(yīng)過程中，引發(fā)劑的量會(huì)因在反應(yīng)過程中逐漸分解而減少，因此適時(shí)地補(bǔ)加引發(fā)劑非常重要。在較高的反應(yīng)溫度下，因引發(fā)劑的不穩(wěn)定而一般不采用。4、紫外光與添加劑用光照引發(fā)自由基時(shí)，以300~478.5nm的紫外光照最為有利，因?yàn)樵谶@個(gè)波長(zhǎng)范圍光量子能量較強(qiáng)，且能透過玻璃。加入微量（0.01%~5%）添加劑DMF或DMA，往往使反應(yīng)大大加速。5、反應(yīng)溫度的選擇以三鹵芐為目標(biāo)的側(cè)鏈鹵化反應(yīng)，溫度高些對(duì)反應(yīng)有利，除了因主反應(yīng)活化能較高外，高溫也是引發(fā)自由基的有利條件。因此反應(yīng)溫度宜高不宜低，當(dāng)然還應(yīng)綜合平衡成本因素。以一鹵芐為目標(biāo)的側(cè)鏈鹵化反應(yīng)，溫度有其最佳值，高了容易發(fā)生多鹵代，低了容易發(fā)生環(huán)上鹵化，因此具體的溫度范圍必須由實(shí)驗(yàn)確定。6、雜質(zhì)的影響微量的雜質(zhì)（鐵，氧，水）對(duì)自由基反應(yīng)產(chǎn)生不利影響。7、加料方式芳烴、溶劑、引發(fā)劑的一次性加入對(duì)間歇側(cè)鏈氯化無害，有時(shí)更有利。氯氣的通入速度對(duì)芳烴側(cè)鏈氯化無影響，在溫度可控情況下，為提高生產(chǎn)能力，一般選擇快速通入。側(cè)鏈氯化與芳環(huán)氯化的條件比較有利因素溶劑溫度添加劑其他側(cè)鏈氯化非極性高自由基引發(fā)紫外光照芳環(huán)氯化極性、酸性低路易斯酸芳烴側(cè)鏈鹵化的常見問題1、溶劑的選擇不當(dāng)2、自由基的引發(fā)不利3、鹵化劑的選擇不利常使用CCl4，應(yīng)找其替代品（低極性、低電子云密度）。制備一鹵芐單純考慮氯比溴便宜是不夠的。還要看到溴化比氯化收率更高；此外將溴芐用于后續(xù)親核取代較氯芐更好。對(duì)高溫、強(qiáng)紫外線、引發(fā)劑三種自由基引發(fā)因素的認(rèn)識(shí)有待深化，特別是對(duì)引發(fā)劑的消耗因素認(rèn)識(shí)不足，適時(shí)補(bǔ)加引發(fā)劑十分重要。例，對(duì)氯三氯甲苯將對(duì)氯甲苯投入光氯化反應(yīng)器中，加熱至120~150℃，在日光燈照射下通氯反應(yīng)。每隔10~15min取微量反應(yīng)液進(jìn)行色譜分析。當(dāng)對(duì)氯三氯甲苯含量>90%后停止反應(yīng)。減壓蒸餾得目標(biāo)產(chǎn)物。收率90%~95%。例，鄰氯三氯甲苯將鄰氯甲苯加入反應(yīng)鍋中，再加入3%的PCl3，于90℃通入干燥的氯氣，光照更下通氯反應(yīng)16h，吸氯增重85%~90%，反應(yīng)升溫達(dá)210~220℃，反應(yīng)液相對(duì)密度達(dá)1.53時(shí)為反應(yīng)終點(diǎn)。收集135~137℃餾分，得目標(biāo)產(chǎn)物。收率74%。例，鄰氯三氯甲苯在裝有回流冷凝管、溫度計(jì)和一插至瓶底的氯氣導(dǎo)入管的250mL三口燒瓶中加入42.0g鄰氯甲苯（不含鐵）和0.4gPCl3，并稱其重量。將燒瓶置于水銀燈照射下，冷凝管頂端裝上CaCl2干燥管。燒瓶加熱至130℃，通入快速的干燥氯氣流，直至反應(yīng)物增重22.5~23.0g為止。停止通氯氣，將反應(yīng)物煮沸幾分鐘以除去溶解的氯化氫。冷卻后進(jìn)行減壓蒸餾，收集101~112℃的餾分，得目標(biāo)產(chǎn)物51.7g，收率79.6%。例，對(duì)氰基氯芐2L三口燒瓶中加入1.17kg（10mol）對(duì)甲基苯腈，加熱至120℃，維持132~137℃、以20mL/s的速度通入氯氣至增重280g，冷卻至10~15℃，放置過夜，次日傾去未結(jié)晶的部分（至少20h）得粗品，提純后目標(biāo)產(chǎn)物收率59%。例，對(duì)氰基溴芐2L三口燒瓶配置機(jī)械攪拌、溫度計(jì)及分液漏斗；回流冷凝器上口接吸收裝置；用電熱套加熱燒瓶。燒瓶中加入585g（5mol）對(duì)氰基甲苯及3mLPCl3，攪拌著將反應(yīng)物加熱至135℃，維持132~137℃，慢慢滴入790g（4.93mol）無水溴素，加完后再攪拌0.5h，放置過夜，次日傾去未結(jié)晶的部分，得灰色粗品，重結(jié)晶得目標(biāo)產(chǎn)物，收率83%。例，對(duì)氰基氯芐250mL三口燒瓶加入100mLCC