第五章 鹵化反應(yīng)

第五章鹵化反應(yīng)5.1概述5.2芳環(huán)上的取代鹵化5.3羰基α-氫的取代鹵化5.4芳環(huán)側(cè)鏈α氫的取代鹵化5.5飽和烴的取代鹵化5.6烯鍵α氫的取代鹵化5.7鹵素對雙鍵的加成鹵化5.8鹵化氫對雙鍵的加成鹵化5.9置換鹵化2鹵化：向有機(jī)C原子上引入鹵素原子的反應(yīng)。包括：氟化、氯化、溴化、碘化。是精細(xì)有機(jī)合成的重要單元過程。

應(yīng)用：（1）有機(jī)單體：氯乙烯、四氟乙烯等，用于生產(chǎn)塑料。（2）有機(jī)溶劑：四氯化碳、二氯乙烷、氯苯等。（5）制冷劑：氟利昂等。（4）精細(xì)有機(jī)化學(xué)品：農(nóng)藥、醫(yī)藥、增塑劑、潤滑劑、阻燃劑、染料、顏料、橡膠防老化劑等。5.1概述5.1.1定義各種鹵化過程的應(yīng)用及重要性：氯化：鹵化中應(yīng)用最廣泛的是氯化。氯堿工業(yè)為有機(jī)氯化物的生產(chǎn)提供了充足的原料。鹵化反應(yīng)類型：取代鹵化、加成鹵化、置換鹵化溴化：在應(yīng)用上僅次于氯化。氟化：主要四氟乙烯、氟利昂，個(gè)別應(yīng)用于醫(yī)藥(5－氟尿嘧啶等)、染料。其它應(yīng)用較少。碘化：僅應(yīng)用于少數(shù)醫(yī)藥、農(nóng)藥及染料。(1)

鹵素:Cl2、Br2、I2。(2)

鹵化氫加氧化劑：HCl＋NaOCl，HCl＋NaClO3、HBr＋NaOBr，HCl＋NaBrO3。(3)

其它鹵化劑：SO2Cl2、HOCl、COCl2、SCl2、ICl。(4)

用于置換的鹵化劑：HF、KF、NaF、SbF5、HCl、HBr、NaBr等。5.1.2鹵化劑鹵化試劑：鹵素、鹵化氫、鹵化亞砜、次鹵酸、酰鹵、五氯化磷、三氯化磷、三氯氧磷等等。SOCl2PCl5POCl3鹵化反應(yīng)應(yīng)用：

增加有機(jī)物分子極性；制備不同生理活性含鹵藥物；為提高反應(yīng)選擇性，鹵原子可作為保護(hù)基、阻斷基。丙氟哌酸，鹽酸環(huán)丙沙星，第三代喹諾酮類抗菌藥物置換鹵化：親核反應(yīng)－置換氟化5.1.3鹵化反應(yīng)的類型5.1.4鹵化熱力學(xué)1、鹵化反應(yīng)熱有機(jī)反應(yīng)的反應(yīng)熱通常是利用生成焓來計(jì)算的，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，反應(yīng)的反應(yīng)熱等于產(chǎn)物的生成焓之和減去反應(yīng)物的生成焓之和。表5.1是有關(guān)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成焓

表5.2某些鹵化反應(yīng)熱

表5.3某些有機(jī)分子中C－C鍵的鍵能

結(jié)合表中數(shù)據(jù)思考：為什么不采用分子態(tài)氟為氟化劑？2、碳-鹵鍵的穩(wěn)定性和反應(yīng)活性表5.4有機(jī)分子中各種C－X鍵的鍵能

從表中數(shù)據(jù)解釋有機(jī)氟化物的穩(wěn)定性和有機(jī)氯化物在有機(jī)合成上應(yīng)用的廣泛性5.2芳環(huán)上的取代鹵化1、反應(yīng)歷程

親電取代反應(yīng)。5.2.1反應(yīng)歷程和催化劑催化劑作用：使氯分子極化，或生成Cl+。常用催化劑是各種金屬氯化物，如FeCl3，AlCl3，SbCl3、TiCl4、Lewis酸等。11無水FeCl3的催化作用可簡單表示如下：12

在無水狀態(tài)下或在濃硫酸作用下，用碘作催化劑，其催化作用如下：

在濃硫酸作用下，硫酸的催化作用如下：Cl2+I22ICl2I++2Cl-13

當(dāng)有機(jī)物容易被氯化時(shí)，可不用催化劑，且反應(yīng)可在水介質(zhì)中進(jìn)行。水介質(zhì)中進(jìn)行的氯化的反應(yīng)歷程如下：硫酰二氯SO2Cl2是溫和的氯化劑。SO2Cl2遇水分解成H2SO4和HCl，因此只能用在無水狀態(tài)下的氯化。142、催化劑的選擇一般情況是：鹵化劑與催化劑所形成的配合物的體積越大，空間位阻越大，生成鄰位異構(gòu)體的比例越少。(1)苯的一氯化制氯苯催化劑：FeCl3

(2)苯的二氯化制對二氯苯催化劑：FeCl3、Sb2S3、Sb2S3-I2、硫化鐵-硅鋁膠、經(jīng)二氯乙酸鈉等羧酸鹽處理過的沸石。(3)甲苯的氯化制對氯甲苯催化劑：Lewis酸催化劑、AlCl3和其他氯化物的復(fù)合催化劑。3.2.2反應(yīng)動力學(xué)

芳環(huán)上的氯化反應(yīng)屬于親電取代反應(yīng)，同時(shí)也是連串反應(yīng)。

氯取代了芳環(huán)上的氫原子以后使得芳環(huán)鈍化，但氯基同時(shí)又有向芳環(huán)供給電子的能力。因此，氯基的鈍化能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硝基和磺酸基。所以，在芳環(huán)一鹵化后由于產(chǎn)物對親電取代反應(yīng)仍具有相當(dāng)?shù)幕顫娦?，使二鹵化反應(yīng)比較容易進(jìn)行。氯苯含量，％173.5k1/k2842約1表氯苯含量對k1/k2的影響反應(yīng)類型氯化磺化硝化k1/k28.5103～104105～107表苯在氯化、磺化和硝化反應(yīng)中k1/k2的比較若用CA,0表示原料苯的摩爾濃度（CA,0＝1）CA為氯化液中苯的摩爾濃度CB為氯化液中氯苯的摩爾濃度CC為氯化液中二氯苯的濃度并且假設(shè)當(dāng)氯化深度不太高時(shí)，三氯苯的濃度可忽略不計(jì)則：CA+CB+CC=CA，0=1CACBCC氯化液中氯苯濃度與反應(yīng)液中苯濃度的關(guān)系式：CB＝

CAK－CA

1－K

氯化液中氯苯濃度的極大值：此時(shí)氯化液中苯的濃度：CB,max＝

K1－K

KCA＝K1－K

1K與反應(yīng)溫度、攪拌效果有關(guān)由反應(yīng)速率方程推導(dǎo)知

每摩爾純苯所消耗的氯氣的量（摩爾）叫做氯化深度。圖苯在間歇氯化時(shí)的產(chǎn)物組成變化5.2.3芳環(huán)取代氯化反應(yīng)影響因素及反應(yīng)條件的選擇芳環(huán)：環(huán)上含給電子基，易形成σ-配合物，生成鄰對位體。如苯酚，幾乎定量。反之，含吸電子基，難形成σ-配合物，需較高反應(yīng)溫度并加入催化劑。如C6H5NO2,Fe粉催化，135~140℃，生成間氯硝基苯。1、被鹵化芳烴的結(jié)構(gòu)2、鹵化劑影響反應(yīng)速率，鹵原子取代位置、數(shù)目、異構(gòu)體比例等。如：NBS（N-溴代丁二酰亞胺）與液溴對苯胺的溴化。再如，P673、氯化深度從圖3－1分析，X↑氯苯↑二氯苯↑（多氯苯產(chǎn)率增多）

根據(jù)目的產(chǎn)物定苯氯比。目的產(chǎn)物為氯苯，降低氯化深度，提高苯的比例(4:1)；目的產(chǎn)物為二氯苯，提高氯化深度，提高氯的比例，或采用高效催化劑。

生產(chǎn)控制：測出口液密度。含氯越高，密度越大。化合物苯氯苯二氯苯(對鄰)三氯苯密度(20℃)0.8733(-3.77℃)1.1058

1.2475-1.30221.46三氯苯的結(jié)晶點(diǎn)：10－52℃。不同氯化深度產(chǎn)物的用途

氯苯：溶劑、硝基氯苯(染料、農(nóng)藥中間體)。過去，大量用于生產(chǎn)DDT(氯苯乙烷)殺蟲劑，因生態(tài)問題已受嚴(yán)格限制。用于生產(chǎn)苯胺、苯酚的工藝已淘汰。目前主要作溶劑。二氯苯：有機(jī)溶劑、有機(jī)載熱體、殺蟲劑、染料、中間體。（對二氯苯曾廣泛用作殺蟲劑、除臭劑，但近年已禁用）三氯苯：油浴、溶劑(染料、脫油脂)、潤滑油添加劑。四、五、六氯苯都有工業(yè)用途。其它多氯苯?jīng)]有工業(yè)用途。

4、原料純度和雜質(zhì)在苯的氯化反應(yīng)中，一般不希望原料中含有其他雜質(zhì)，特別是噻吩。例如苯的一氯化制氯苯時(shí)，應(yīng)該用低硫石油苯。回收苯中水的質(zhì)量含量應(yīng)低于2×10-3。所用氯氣中H2的體積含量應(yīng)低于4%。原因分析：

噻吩：可與FeCl3作用，生成黑色沉淀，包裹催化劑，使之失效。與Cl2作用，生成氯代產(chǎn)物，放出氯化氫，腐蝕設(shè)備。

水：遇氯化氫生成鹽酸，腐蝕設(shè)備；轉(zhuǎn)移FeCl3，降低反應(yīng)速率。當(dāng)苯中含水0.2%時(shí)，v=0氫氣：超4%可引起火災(zāi)甚至爆炸。5、反應(yīng)溫度溫度升高，反應(yīng)速率增加；溫度決定定位及取代基的數(shù)目；如萘的溴化。

溫度決定生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量。如氯苯生產(chǎn)：早期采用35~40℃，因反應(yīng)強(qiáng)放熱，需要很好的冷卻效率，限制了生產(chǎn)能力。近代采用78~80℃，塔式沸騰床氯化法。過量苯的汽化可帶走反應(yīng)熱，利于控制反應(yīng)溫度。根據(jù)被鹵化物的性質(zhì)選取反應(yīng)介質(zhì)。反應(yīng)溫度下為液態(tài)的芳烴，可不用介質(zhì)，或認(rèn)為反應(yīng)物本身即為介質(zhì)，如苯、甲苯、硝基苯；反應(yīng)溫度下為固態(tài)的，且性質(zhì)較活潑的，可懸浮在水中，在鹽酸或硫酸存在下進(jìn)行鹵化，如對硝基苯胺；反應(yīng)溫度下為固態(tài)的，且較難鹵化，則往往需要溶解在濃硫酸、發(fā)煙硫酸或氯磺酸介質(zhì)中進(jìn)行鹵化，或用更難鹵化的有機(jī)溶劑作介質(zhì)，有時(shí)用碘作催化劑；如水楊酸在氯苯或醋酸中的氯化。6、溶劑液態(tài)：無需溶劑，如苯、甲苯、硝基苯等。

固態(tài)：水，如酚、胺、多烷基苯等活潑易鹵化烴。

濃硫酸、發(fā)煙硫酸、氯磺酸等

有機(jī)溶劑7、催化劑芳烴催化劑芳環(huán)上帶有較強(qiáng)的供電子基團(tuán)（羥基、氨基）不需要催化劑活潑性較低的芳烴（苯、甲苯、氯苯）金屬鹵化物不活潑芳烴（蒽醌）濃硫酸、碘、氯化碘8、混合作用在連續(xù)反應(yīng)時(shí)，由于反應(yīng)器型式選擇不當(dāng)、傳質(zhì)不均勻，使反應(yīng)生成的產(chǎn)物未能及時(shí)離開，又返回反應(yīng)區(qū)域促進(jìn)連串反應(yīng)的進(jìn)行，這種現(xiàn)象叫做反混作用。連續(xù)氯化時(shí)，為了減少多鹵化副反應(yīng)，要采用多鍋串聯(lián)操作或塔式反應(yīng)器，以減少反混作用的影響。圖氯苯的生產(chǎn)工藝1、氯苯的制備路線一：氧化氯化法（已淘汰，主要目的生產(chǎn)苯酚）路線二：塔式沸騰連續(xù)氯化法

其生產(chǎn)流程如下：C6H6＋HCl＋O2C6H5Cl＋H2O12FeCl3-CuCl2C6H5Cl＋H2OC6H5OH＋HClSiO2或磷酸鈣5.2.3重要實(shí)例圖苯的沸騰氯化工藝流程圖圖沸騰氯化塔1-酸水排放口2-苯及氯氣入口3-爐條4-填料鐵圈或廢鐵管5-鋼殼襯耐酸磚6-氯化液出口7-擋板8-氣體出口2、2,6-二氯苯酚的制備

（參見課本關(guān)于苯酚的氯化P69）1）

2）4)

3)

產(chǎn)量最大的溴化實(shí)例是芳香族溴系阻燃劑。它們都是高熔點(diǎn)的固體。3、十溴二苯醚（聯(lián)苯醚）的制備（白色或淡黃色粉末，用作PEPPABS阻燃劑）4、四溴雙酚A的制備5.3羰基α-氫的取代鹵化5.3.1反應(yīng)歷程酸催化或堿催化的親電取代反應(yīng)。所用鹵化劑主要是氯氣和溴素，另外也可以用硫酰二氯或N-鹵代酰胺等。

酸催化：堿催化：

1、酸催化劑

可以是質(zhì)子酸，例如硫酸和鹵化氫。也可以是Lewis酸，主要是硫酸、磷、碘和金屬鹵化物等。2、堿催化劑

可以是無機(jī)堿，例如NaOH和CaO等。也可以是有機(jī)堿，例如脂肪胺、吡啶、三苯基磷、酰胺和乙酸鈉等。5.3.2催化劑1、羰基的α-碳原子上連有供電子基(例如各種烷基)時(shí)，它有利于酸催化下的烯醇化和烯醇式的穩(wěn)定，鹵原子主要取代這個(gè)α-碳原子上的氫。2、羰基的α-碳原子上連有吸電子基（如鹵原子）時(shí)，酸催化受到抑制，這時(shí)在同一個(gè)α-碳原子上引入第二個(gè)鹵原子就比較困難。但是在堿催化時(shí)，則羰基α-碳原子上各種取代基的影響相反，這時(shí)就容易生成α-多鹵化物。5.3.3被鹵化物結(jié)構(gòu)的影響5.4芳環(huán)側(cè)鏈α氫的取代鹵化自由基鏈鎖反應(yīng)。除碘化外均為放熱反應(yīng)。包括鏈引發(fā)、鏈增長和鏈終止：(以甲苯氯化為例)鏈引發(fā)：鏈增長：鏈終止：5.4.1反應(yīng)歷程ClOO·不是活潑的自由基。

1、被鹵化物性質(zhì)

被鹵化物氫原子的活性順序?yàn)?這與反應(yīng)中形成的碳游離基的穩(wěn)定性規(guī)律相同。若在芐位或鄰位對位帶有吸電子基團(tuán)，芐位的鹵化更易，反之，則難進(jìn)行。烯丙位鹵化反應(yīng)的難易與其結(jié)構(gòu)有關(guān)，如果分子中存在不同的烯丙基C-H鍵，它們的穩(wěn)定性取決于相對應(yīng)的碳游離基的穩(wěn)定性，即叔C-H>仲C-H>伯C-H。

5.4.2主要影響因素芳環(huán)側(cè)鏈α氫的取代鹵化反應(yīng)發(fā)生的快慢主要取決于引發(fā)游離基的條件。2、鹵化劑

最常用的是鹵素。但由于其可以與雙鍵發(fā)生加成，所以烯丙位鹵化不宜采用鹵素。芐位可以。而NBS可用于芐位或烯丙位氫的鹵代。當(dāng)分子中存在多種可被鹵代的活潑氫時(shí)，用NBS鹵化的主產(chǎn)物為芐位或烯丙位溴代物。3、光源

氯分子的熱離解能是238.6kJ/mol，光離解能是250kJ/mol，它需要波長小于478.5nm的光才能引發(fā)，但小于300nm時(shí)光透不過玻璃，所以400~700nm最合適。一般可用富有紫外線的日光燈?，F(xiàn)在趨向于選用高效引發(fā)劑。4、溫度

為了使氯分子或引發(fā)劑熱離解生成自由基，需要較高的反應(yīng)溫度，但溫度太高容易引起副反應(yīng)。中溫：100-150℃，高溫：>250℃。5、引發(fā)劑最常用的自由基引發(fā)劑是有機(jī)過氧化物（在受熱時(shí)分解產(chǎn)生自由基)：

a.金屬雜質(zhì)：鹵化反應(yīng)時(shí)，不能接觸金屬內(nèi)壁或金屬雜質(zhì)。原因：易產(chǎn)生金屬鹵化物，不僅抑制自由基反應(yīng)，還催化烯烴和芳烴的加成鹵化或環(huán)上的親電取代鹵化。故雜質(zhì)中不能含鐵，設(shè)備不能用普通鋼，需襯玻璃或搪瓷或石墨反應(yīng)器。

b.氧氣（雜質(zhì)阻化劑）：抑制反應(yīng)，使鏈反應(yīng)終止。從反應(yīng)速度方程可看出：v=k[Cl2]2[O2]－1

c.固體雜質(zhì)或粗糙的器壁：容易使鏈終止。6、雜質(zhì)自由基取代是一連串反應(yīng)。產(chǎn)物組成隨氯化深度而變化。氯化深度越大，多氯化物產(chǎn)率越高。若目的產(chǎn)物為一氯化物，則應(yīng)嚴(yán)格控制反應(yīng)的氯化深度或原料比例。7、氯化深度

氯化芐的生產(chǎn)甲苯的側(cè)鏈氯化可制取一氯芐、二氯芐、三氯芐。反應(yīng)器：搪瓷釜或搪玻璃塔式反應(yīng)器。工藝條件：

一氯芐：加熱，100℃；二氯芐：光照、100℃

三氯芐：光照、0.01~0.1%的引發(fā)劑，>110℃。氯化深度控制：測反應(yīng)液的相對密度。

表3－6氯化芐的有關(guān)數(shù)據(jù)。5.4.3重要實(shí)例ArCH3+Cl2ArCH2Cl+HCl100

℃以上一氯芐ArCH2Cl+Cl2ArCHCl2+HCl二氯芐光照100

℃以上ArCHCl2+Cl2ArCCl3+HCl

三氯芐110

℃光照,加引發(fā)劑表3-6甲苯氯化制氯芐的有關(guān)物理數(shù)據(jù)

有機(jī)物性質(zhì)甲苯一氯芐二氯芐三氯芐純物質(zhì)的相對密度0.8861.1031.2561.380沸點(diǎn)，℃110.7179207215生產(chǎn)中控制反應(yīng)液的相對密度1.061.28～1.291.38～1.393.5飽和烴的取代鹵化飽和烴的取代鹵化也是自由基鏈反應(yīng)，與芳環(huán)側(cè)鏈鹵化的反應(yīng)歷程相似，其最重要的生產(chǎn)實(shí)例是甲烷和一氯甲烷的氯化制各種氯甲烷以及石蠟的氯化制氯化石蠟。2.氧氯化法甲烷熱氯化時(shí)副產(chǎn)大量的氯化氫，為此開發(fā)了以氯化氫和（空氣中的）氧為氧化劑的氧氯化法。此法以CuCl2-Cu2Cl2-KCl組成的熔鹽催化劑兼熱載體。5.5.2一氯甲烷的氯化制多氯甲烷在沒有天然氣的地區(qū)，也可以甲醇為原料，與鹽酸反應(yīng)5.5.1甲烷的氯化制各種氯甲烷甲烷的氯化有氯氣氯化和氧氯化兩種：1、氯氣氯化法甲烷的氯化是連串反應(yīng)，可依次生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷。甲烷的氯化，目前工業(yè)上都采用350~500℃的熱氯化法。5.5.3氯化石蠟

氯化石蠟是以C10~C30的正構(gòu)烷烴為原料，經(jīng)取代氯化制得的產(chǎn)物的總稱。每種產(chǎn)品都是混合物，因此其化學(xué)式和相對分子質(zhì)量都是平均值，商品的牌號通常是以氯的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）來命名，如氯蠟42、氯蠟52和氯蠟70等。生成一氯甲烷，再將一氯甲烷氯化成多氯甲烷。除高溫氣相熱氯化法外，也可用液相引發(fā)氯化法。例如，在四氯化碳溶劑中，在1.3~2.5MPa和80~120℃，在少量過氧化物引發(fā)劑的存在下，用氯氣進(jìn)行一氯甲烷的氯化時(shí)，氯的轉(zhuǎn)化率可達(dá)98%~100%。此法特別適用于二氯甲烷的制備。氯蠟40-49用作增塑劑、潤滑油添加劑；氯蠟70-72用作阻燃劑5.6烯鍵α氫的取代鹵化

烯烴在高溫下與氯發(fā)生自由基反應(yīng)，氯主要取代烯鍵的α氫。丙烯的氯化制3-氯丙烯，主要采用高溫?zé)崧然ǎ?-氯丙烯的需求量很大。為了利用上述反應(yīng)中氯化氫，開發(fā)了以氯化氫和空氣為氯化劑的氧氯化法。丙烯的氧氯化反應(yīng)是在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)完成的：催化劑是含有V2O5和H3PO3的流化床催化劑。

制備環(huán)氧氯丙烷和甘油的重要中間體用氯和溴的加成鹵化一般采用親電加成反應(yīng)，但有時(shí)也用自由基加成反應(yīng)。3.7.1親電加成鹵化

1、反應(yīng)歷程5.7鹵素對雙鍵的加成鹵化（以溴為例）2、主要影響因素1)催化劑

一般用FeCl3等Lewis酸催化劑。2)溶劑鹵化產(chǎn)物呈液態(tài)，不用溶劑或用鹵化產(chǎn)物作溶劑。呈固態(tài)時(shí)，用四氯化碳、三氯乙烯等惰性非質(zhì)子性溶劑。在不致引起副反應(yīng)時(shí)，也可以用甲醇、乙醇等質(zhì)子溶劑。3)溫度嚴(yán)重影響烯烴的鹵化反應(yīng)歷程和反應(yīng)方向。乙烯與氯的反應(yīng)在40~70℃和催化劑存在下是親電加成反應(yīng)。在90~130℃，無催化劑，在氣相是自由基加成氯化。在250~360℃，無催化劑則過渡為自由基取代氯化。自由基加成鹵化的影響因素取決于自由基的引發(fā)和終止。3.7.2自由基加成鹵化一般采用親電加成反應(yīng)，但有時(shí)則需要采用自由基加成反應(yīng)。5.8.1親電加成鹵化1、反應(yīng)歷程一般認(rèn)為反應(yīng)是分兩步進(jìn)行的，第一步是HX分子中的H+對雙鍵進(jìn)行親電進(jìn)攻，生成碳正離子中間體，第二步是X-的進(jìn)攻，生成加成產(chǎn)物：

在反應(yīng)液中加入FeCl3，AlCl3等Lewis酸催化劑，有利于HX的異裂，例如：5.8鹵化氫對雙鍵的加成鹵化鹵化氫的活潑性次序是：HI＞HBr＞Hl＞HF。當(dāng)雙鍵中的碳原子上有供電子基時(shí)，雙鍵中的π電子向含供電子基少、含氫多的碳原子轉(zhuǎn)移，H+加到含氫多的碳原子上，即服從馬氏規(guī)則。

當(dāng)雙鍵碳上連有吸電子基時(shí)，雙鍵中的π電子向含吸電子基多、含氫少的碳原子轉(zhuǎn)移，H+加到含氫少的碳原子上，即與馬氏規(guī)則相反。

2、反應(yīng)物結(jié)構(gòu)的影響

溴化氫與烯烴若在光照或引發(fā)劑存在下進(jìn)行加成反應(yīng)，則屬自由基加成。定位規(guī)則與Markovnikov規(guī)則相反。

CH3CH=CH2+HBr_________