烷基化反應(yīng)的簡介

1、 第七章 烷基化第一節(jié) 概述一、烷基化反應(yīng)的簡介 二、烷基化反應(yīng)的類型 一、烷基化反應(yīng)的簡介1研究作用： 可以合成塑料、醫(yī)藥、溶劑、合成洗滌劑、藥物、染料、香料、催化劑、表面活性劑等功能性產(chǎn)品。如通過C烷基化反應(yīng)可制得陰離子表面活性劑；通過O烷基化可制得聚乙二醇型非離子表面活性劑；通過N烷基化合成的季銨鹽是重要的陽離子表面活性劑、相轉(zhuǎn)移催化劑、殺菌劑等。3可發(fā)生烷基化反應(yīng)的有機(jī)物： 芳烴、活潑亞甲基化合物、胺類等。 4烷基化試劑種類： 醇、烯烴、硫酸二甲酯、鹵代烷、環(huán)氧化物、醛、酮等。2定義： 烷基化反應(yīng)是指向有機(jī)化合物分子中的碳、氮，氧等原子上引入烴基增長碳鏈（包括烷基、烯基、炔基、芳基等）

2、的反應(yīng)，其中以引入烷基最為重要。 二、烷基化反應(yīng)的類型 1C烷基化反應(yīng)： 如烷基苯的制備反應(yīng)：+ RClAlCl3R+HCl2O烷基化反應(yīng)： 如非離子表活劑壬基酚聚氧乙烯醚的制備反應(yīng)： NH2+CH3OH2H2SO4210/3MPaN(CH3)2+2OH23N烷基化反應(yīng)： 如染料中間體N,N二甲基苯胺的制備反應(yīng)： OHC9H19+OCH2CH2NaOHOCH2CH2OHC9H19OCH2CH2nO(CH2CH2)C9H19nCH2CH2OH生成醚類化合物中的氧原子上引入烷基烷基化反應(yīng)：向醇、酚鹽生成伯、仲、叔、季銨中的氮原子上引入烷基烷基化反應(yīng)：向氨或胺烷基生成烷基苯作用下向芳環(huán)碳上引入烷基化

3、反應(yīng)：在催化劑ONC 第二節(jié) 烷基化反應(yīng)的基本原理 一、芳環(huán)上的C烷基化反應(yīng) 二、O 烷基化反應(yīng) 三、N烷基化反應(yīng)一、芳環(huán)上的C烷基化反應(yīng) 芳環(huán)上的C烷基化是在催化劑作用下直接向芳環(huán)碳原子上引入烷基的反應(yīng)，也稱為FriedelCartfts反應(yīng)，簡稱付氏烷基化反應(yīng)。利用這類烷基化反應(yīng)可以增長碳鏈，合成一系列烷基取代芳烴如十二烷基苯等塑料、醫(yī)藥及合成洗滌劑的原料。 1 C烷基化反應(yīng)歷程 2烷基化試劑 3催化劑 4. 芳環(huán)上C烷化反應(yīng)特點(diǎn) 5C烷基化方法 1C烷基化反應(yīng)歷程 催化劑路易大多是斯酸、質(zhì)子酸或酸性氧化物，催化劑的作用是使烷基化劑轉(zhuǎn)變成活潑的親電質(zhì)點(diǎn) 碳正離子。烷基正離子進(jìn)攻芳環(huán)發(fā)生親電

4、取代反應(yīng)。 用醇烷基化時(shí)，當(dāng)以質(zhì)子酸作催化劑，醇和氫質(zhì)子首先結(jié)合成質(zhì)子化醇，然后再離解成烷基正離子和水。 CH3CH2OHHHOHCH3CH2OH2CH3CH2+ 用鹵代烷烷基化反應(yīng)時(shí)，Lewis催化劑使鹵烷極化，形成碳正離子（有可能發(fā)生重排）。CH3CH2CH2ClH+重 排HCH3CH2Cl+CH3CH2H-Cl+伯碳正 離 子CH3CH2+慢HCH2CH3CH2CH3H+快+仲 碳正 離 子CH3CHCH3H-Cl+用烯烴烷基化反應(yīng)時(shí)，催化劑使烯烴分子生成活潑親電質(zhì)點(diǎn)碳正離子。RCHCH2HRCHCH3+ 1C烷基化反應(yīng)歷程 復(fù)習(xí)有機(jī)化學(xué)相關(guān)內(nèi)容。1. 將下列碳正離子的穩(wěn)定性進(jìn)行排序：仲

5、 碳正 離 子叔 碳正 離 子伯碳正 離 子CH3CCH3CH3CH3CHCH3CH3CH2+CH3CHCH3+CH3CCH3CH3+CH3CH2+2. 完成下列反應(yīng)方程式：CH3CH3ClAlCl3CH3CH2CH2OHH2SO4CH3CH3CH3CHCH2H3PO4(1) +(2)+(3)+H-ClCH3CH3+CHCH3CH3H-OH+CH3CH3CHCH3CH3 1C烷基化反應(yīng)歷程3. 判斷下列A、B、C、D反應(yīng)速度的快慢:CH3ClAlCl3CH3- H-ClAlCl3CH3Cl, - H-ClCH3CH3AlCl3CH3Cl, - H-ClCH3CH3CH3NO2CH3ClAlCl

6、3- H-ClCH3NO2+ABC+D結(jié)論：C B A D 2烷基化試劑主要有鹵烷、烯烴和醇類，以及醛、酮類。 （1）鹵烷： 鹵烷（RX）是常用的活性較強(qiáng)的烷化劑。 CH3ClAlCl3CH3H-Cl+ 不能用鹵代芳烴（氯苯或溴苯）來代替鹵烷作烷基化試劑實(shí)驗(yàn)。 原因： 連在芳環(huán)上的鹵素受到共軛效應(yīng)的穩(wěn)定作用，其反應(yīng)活性較低，不能進(jìn)行烷基化反應(yīng)。（2）烯烴 ： 烯烴是另一類常用的活性較強(qiáng)的烷基化劑。 H2SO4CH3CHCH3CH3CHCH2CH3CH3+（3）醇、醛和酮 ： 它們都是較弱的烷化劑。醛、酮用于合成二芳基或三芳基甲烷衍生物。 醇類和鹵烷烷化劑除活性上有差別外，均特別適合于小噸位的精

7、細(xì)化學(xué)品，在引入較復(fù)雜的烷基時(shí)使用。 3催化劑（1）路易斯酸 主要是金屬鹵化物，其中常用的是AlCl3。催化活性如下： AlCl3 FeCl3SbCl5 SnCl4 BF3 TiCl4 ZnCl2 采用無水三氯化鋁作催化劑的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉易得，催化活性好。缺點(diǎn)是有大量鋁鹽廢液生成，有時(shí)由于副反應(yīng)而不適于活潑芳烴（如：酚、胺類）的烷基化反應(yīng)。 （2）質(zhì)子酸 其中主要是氫氟酸、硫酸和磷酸，催化活性次序如下： HF H2SO4 P2O5 H3PO4 、陽離子交換樹脂 以烯烴、醇、醛、和酮為烷化劑時(shí)，廣泛應(yīng)用硫酸作催化劑。 4. 芳環(huán)上C烷化反應(yīng)特點(diǎn)（1）C烷基化屬連串反應(yīng) 由于烷基是供電子基團(tuán)，芳環(huán)上引

8、入烷基后因電子云密度增加而比原先芳烴反應(yīng)物更加活潑，有利于進(jìn)一步與烷化劑反應(yīng)生成二取代烷基芳烴，甚至生成多烷基芳烴。 但隨著烷基數(shù)目增多，空間效應(yīng)會(huì)阻止進(jìn)一步引入烷基，使反應(yīng)速度減慢。因此烷基苯的繼續(xù)烷基化反應(yīng)速度的改變需視兩種效應(yīng)的強(qiáng)弱而定，且與所用催化劑有關(guān)。 （2）C烷基化屬可逆反應(yīng) 烷基苯在強(qiáng)酸催化劑存在下能發(fā)生烷基的歧化和轉(zhuǎn)移，即苯環(huán)上的烷基可以從一個(gè)苯環(huán)上轉(zhuǎn)移到另一個(gè)苯環(huán)上，或從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置上，如： +RR2R 因此在制備單烷基苯時(shí)，可利用這一特性使副產(chǎn)物多烷基減少，并增加單烷苯總收率。 4. 芳環(huán)上C烷化反應(yīng)特點(diǎn)（3）烷基正離子能發(fā)生重排 這與反應(yīng)機(jī)理密切相關(guān)。 C烷

9、基化中的親電質(zhì)點(diǎn)烷基碳正離子會(huì)重排成較穩(wěn)定的碳正離子。如用正丙基氯在無水三氯化鋁作催化劑與苯反應(yīng)時(shí)，得到的正丙苯只有30%，而異丙苯卻高達(dá)70%。 原因：反應(yīng)過程中生成的 CH3CH2CH2+會(huì)發(fā)生重排形成更加穩(wěn)定的 CH3CHCH3+CH3CH2CH2ClAlCl3+ 當(dāng)用碳鏈更長的鹵烷或烯烴與苯進(jìn)行烷基化時(shí)，則烷基正離子的重排現(xiàn)象更加突出，產(chǎn)物中支鏈烷基苯占優(yōu)勢(shì)。 CHCH3CH3H-Cl+由該仲碳正離子進(jìn)攻苯環(huán)的大電子云發(fā)生反應(yīng)。所以，利用付氏烷基化反應(yīng)不能得到長、直碳鏈的烷基苯。5C烷基化方法（1）烯烴烷化法 （2）鹵烷烷化法 因反應(yīng)系統(tǒng)中有氯化氫和微量水存在，其腐蝕性極強(qiáng)，所流經(jīng)的管

10、道和設(shè)備均應(yīng)作防腐處理，一般采用搪瓷、搪玻璃或其他耐腐材料襯里。為防止氯化氫氣體外逸，相關(guān)設(shè)備可在微負(fù)壓條件下進(jìn)行操作。 （3）醇、醛和酮烷化法 它們均是反應(yīng)能力相對(duì)較弱的烷化劑，僅適用于活潑芳烴的C烷基化，如苯、萘、酚和芳胺等。 OHHCHOOHCH2OHCat+二、O-烷基化反應(yīng) 醇羥基或酚羥基中的氫被烷基所取代生成醚類化合物的反應(yīng)，稱為O烷基化反應(yīng)。 常用的O烷基化劑： 鹵烷、酯及環(huán)氧乙烷等 被烷基化物：醇、酚 反應(yīng)機(jī)理： 屬親電取代反應(yīng) O烷基化反應(yīng)分類：烷基化反應(yīng)用環(huán)氧乙烷發(fā)生烷基化反應(yīng)用硫酸二甲酯發(fā)生烷基化反應(yīng)用鹵代烷發(fā)生OOO1用鹵烷的O烷基化 此類反應(yīng)容易進(jìn)行，一般只要將酚先溶

11、解于稍過量的苛性鈉水溶液中，使它形成酚鈉鹽，然后在適中的溫度下加入適量鹵烷，即可得良好收率的產(chǎn)物。如： OHOHNaOHOH22-2ONaONaOCH3OCH3CH3ClNaCl222用酯的O烷基化 硫酸酯及磺酸酯均是活性較高的良好烷化劑。它們的共同優(yōu)點(diǎn)是高沸點(diǎn)，因而可在高溫、常壓下進(jìn)行反應(yīng)，缺點(diǎn)是價(jià)格較高且毒性較大。但對(duì)于產(chǎn)量小、價(jià)值高的產(chǎn)品，常采用此類烷基化劑。特別是硫酸二甲酯應(yīng)用最為廣泛。 CH2CH2OCH3CH3OSO3Na+CH2CH2OHCH3SO4C4H9N+INaOH+ （）2(n-)43用環(huán)氧乙烷O烷基化 醇或酚用環(huán)氧乙烷的O烷基化是在醇羥基或酚羥基的氧原子上引入羥乙基。

12、高級(jí)脂肪醇或烷基酚與環(huán)氧乙烷加成可生聚醚類產(chǎn)物，它們均是重要的非離子表面活性劑，反應(yīng)一般用堿催化。 用十二醇為原料，通過控制環(huán)氧乙烷的用量以控制聚合度為2022的聚醚生成。產(chǎn)品是一種優(yōu)良的非離子表面活性劑，商品名為乳化劑O或勻染劑O。 C12H25OHCH2CH2ONaOH+ nC12H25O(CH2CH2O) Hnn=2022 將辛基酚與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的氫氧化鈉水溶液混合，真空脫水，氮?dú)庵脫Q，于160180通入環(huán)氧乙烷，經(jīng)中和漂白，得到聚醚產(chǎn)品，其商品名為OP型乳化劑。 OHC8H17CH2CH2ONaOH+ nO(CH2CH2O)C8H17Hn小結(jié)1. 烷基化反應(yīng)按照引入位置分：3. C

13、和O烷基化反應(yīng)機(jī)理分：2. 烷基化試劑的種類：4. 付氏烷基化反應(yīng)的特點(diǎn)：5. 付氏烷基化反應(yīng)催化劑的種類：C、N和O烷基化反應(yīng)鹵代烷、烯烴、醇、硫酸二甲酯、環(huán)氧乙烷、醛以及酮等親電取代以及親電加成型連串反應(yīng)、可逆反應(yīng)以及生成帶支鏈的烷基產(chǎn)物（1）路易斯酸 （2）質(zhì)子酸 第二節(jié) 烷基化反應(yīng)的基本原理 一、芳環(huán)上的C烷基化反應(yīng) 二、O 烷基化反應(yīng) 三、N烷基化反應(yīng)三、N烷基化反應(yīng)（簡介） 氨、脂肪胺或芳胺中氨基上的氫原子被烷基取代，或通過直接加成而在上述化合物分子中的N原子上引入烷基的反應(yīng)均稱為N烷基化反應(yīng)。 是制備各種脂肪族和芳香族伯、仲、叔胺的主要方法。反應(yīng)通式如下： NH3RzRNH2HZ

14、+RNH2+RzRNHR+ HZRz+ HZRNHR+R2NRRzR2NR +R3NR +z+- N烷基化產(chǎn)物是制造醫(yī)藥、表面活性劑及紡織印染助劑時(shí)的重要中間體。氨基是合成染料分子中重要的助色基團(tuán)，烷基的引入可加深染料顏色，故N烷基化反應(yīng)在染料工業(yè)有著極為重要的意義。 三、N烷基化反應(yīng) 1N烷化劑 2N烷化反應(yīng)類型 3N烷基化方法 1N烷化劑按活性依次排序 等醛和酮類：乙醛、丙酮、異丙醇、乙醚等醇和醚類：甲醇、乙醇、丙烯酸甲酯等烯烴衍生物類：丙烯腈氧氯丙烷等環(huán)氧類：環(huán)氧乙烷、環(huán)氯、氯乙醇等鹵代烷類：氯甲烷、芐酸二乙酯等酯類：硫酸二甲酯、硫 2N烷化反應(yīng)類型依據(jù)所使用的烷化劑種類不同，可分為如下

15、三種類型： （1）親電取代型： 所用N烷化劑為醇、醚、鹵烷、酯類。 CH3NC2H5C2H5C2H5OH+季 銨 堿 ，抗靜電劑CH3NH2C2H5OHH+CH3NHC2H5HC2H5OH+CH3NC2H5C2H5HC2H5OH+（2）親電加成型：RNH2ORNHCH2CH2OHORNCH2CH2OHCH2CH2OHO2nRN(CH2CH2O)nH(CH2CH2O)nHNH2CH2=CH-CNNHCH2CH2CNCH2=CH-CNCH2CH2CNNCH2CH2CN 聚氧乙烯醚型非離子表面活性劑 2N烷化反應(yīng)類型（3）縮合還原型： 所用N烷化劑為醛和酮類。 RCOHHNH2RCHOHNH2H-O

16、HRCHNHRCH2NH2RCORHNH2RCHOHRNH2H-OHRCRCHRRNHNH2+ H+ H例如：防老劑4010NA的合成 其反應(yīng)可看作是胺對(duì)烷化劑的親核加成、再消除、最后還原。 NHNH2CH3OCCH3NHNHCHCH3CH3+3N烷基化方法（1）用醇和醚作烷化劑的N烷基化法 用醇和醚作烷化劑時(shí)，其烷化能力較弱，所以反應(yīng)需在較強(qiáng)烈的條件下才能進(jìn)行 。（2）用鹵烷作烷化劑的N烷基化法 鹵烷作N烷化劑時(shí)，反應(yīng)活性較醇要強(qiáng)。 當(dāng)需要引入長碳鏈的烷基時(shí)，由于醇類的反應(yīng)活性隨碳鏈的增長而減弱，此時(shí)則需使用鹵烷作為烷化劑。 （3）用酯作烷化劑的N烷基化法 硫酸中性酯易給出其所含的第一個(gè)烷基

17、，而給出第二烷基則較困難。常用的是硫酸二甲酯，但其毒性極大，使用時(shí)應(yīng)格外小心。 NaOH(CH3)2SO4NH2CH3NHCH3CH320%3N烷基化方法（4）用環(huán)氧乙烷作烷化劑的N烷基化法 環(huán)氧乙烷是一種活性很強(qiáng)的烷基化劑，與胺類發(fā)生加成反應(yīng)得到含羥乙基的產(chǎn)物，可以用于非離子表面活性劑的合成。 ArNH2+ CH2CH2OArNHCH2CH2OHCH2CH2OArN(CH2CH2OH)2 環(huán)氧乙烷沸點(diǎn)較低（10.7），其蒸氣與空氣的爆炸極限很寬（空氣398%），所以在通環(huán)氧乙烷前，務(wù)必用惰性氣體置換反應(yīng)器內(nèi)的空氣，以確保生產(chǎn)安全。 （5）用烯烴衍生物作烷化劑的N烷基化法 常用的烯烴衍生物為丙

18、烯腈和丙烯酸酯， 其產(chǎn)物均為生產(chǎn)染料、表面活性劑和醫(yī)藥的重要中間體。 （6）用醛或酮作烷化劑的N烷基化法 在縮合還原型N烷基化中應(yīng)用最多的是甲醛水溶液，此法合成的含有長碳鏈的脂肪族叔胺是表面活性劑、紡織助劑等的重要中間體。小結(jié)1. N-烷基化反應(yīng)的烷基化試劑為：2. N-烷基化反應(yīng)的機(jī)理為：親電取代、親電加成以及縮合還原型鹵代烷、烯烴、醇、硫酸二甲酯、環(huán)氧乙烷、醛以及酮等3. 能發(fā)生親電取代反應(yīng)的烷基化試劑為： 鹵代烷、醇以及硫酸二甲酯4. 能發(fā)生親電加成反應(yīng)的烷基化試劑為： 烯烴和環(huán)氧乙烷5. 能發(fā)生縮合還原反應(yīng)的烷基化試劑為：醛和酮6. 能同時(shí)發(fā)生C、N、O-烷基化反應(yīng)時(shí)，優(yōu)先發(fā)生N、O-

19、烷基化，再發(fā)生C- 烷基化反應(yīng)。第三節(jié) 相轉(zhuǎn)移烷基化反應(yīng) 相轉(zhuǎn)移催化烷基化技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)： 既可克服溶劑化反應(yīng)，不需要無水操作，又可取得如同采用非質(zhì)子極性溶劑的效果；通常后處理較為簡便、容易；可用金屬氫氧化物水溶液代替醇鈉、氨基鈉、氫化鈉或金屬鈉，這在工業(yè)生產(chǎn)上是非常有利的；可降低反應(yīng)溫度，改變反應(yīng)選擇性，通過抑制劑反應(yīng)來提高收率。一、相轉(zhuǎn)移催化C烷基化 二、相轉(zhuǎn)移催化O烷基化 三、相轉(zhuǎn)移催化N烷基化 相轉(zhuǎn)移催化劑一般為翁鹽類、冠醚類和聚乙二醇類化合物。如：四丁基溴化銨、十八冠醚-六以及聚乙二醇。 相轉(zhuǎn)移催化劑是利用催化劑將反應(yīng)物從一相轉(zhuǎn)移到另一相中，然后發(fā)生反應(yīng)。一、相轉(zhuǎn)移催化C烷基化 碳負(fù)

20、離子的烷基化，由于其在合成中的重要性，是相轉(zhuǎn)移催化反應(yīng)中研究最早和最多的反應(yīng)之一。例如，乙腈在季銨鹽催化下進(jìn)行烷基化反應(yīng)： PhCH2CNEtBr/ 濃NaOH/TEBAC(1mol%)2835，35hPhCHCNEt(7884%)二、相轉(zhuǎn)移催化O烷基化 在堿性溶液中正丁醇用氯化芐O烷基化，相轉(zhuǎn)移催化劑的使用與否，反應(yīng)收率相差很大。 PhCH2Cl/50%NaOH45，6hn-BuOCH2Ph(4%)n-BuOH(92%)/TBAHS/C6H6PhCH2Cl/50%NaOH35，1.5hn-BuOCH2Phn-BuOH三、相轉(zhuǎn)移催化N烷基化 吲哚和溴芐在季銨鹽的催化下，可高收率得到N芐基化產(chǎn)物。此反應(yīng)在無相轉(zhuǎn)移催化劑時(shí)將無法進(jìn)行。 NHPhCH2Br/50%NaOH/TBAHS/C6H63318hNCH2Ph(93%)，第四節(jié) 應(yīng)用實(shí)例 異丙苯的生產(chǎn)： 1AlCl3法 2固體磷酸法 AlCl3法生產(chǎn)異丙苯1. 生產(chǎn)原理：苯和丙烯的烷基