7-化工中間體正溴丁烷的制備

項目七

化工中間體正溴丁烷的制備2024/9/24產品性能英文名稱：1-Bromobutane分子式：

C4H9Br外觀與性狀：無色透明液體分子量:

137.03熔點:

-112.4℃沸點：

101.6℃相對密度（20/4℃）：1.2758折光率（20℃）：1.4398溶解性:

不溶于水，易溶于醇、醚、氯仿等有機溶劑2024/9/24主要用途

可用作溶劑及有機合成時的烷基化劑及中間體；還可用作塑料紫外線吸收劑及增塑劑的原料；用作醫(yī)藥原料（可用于腸、胃潰瘍、胃炎、十二指腸炎、膽石癥等）；染料原料、可制備功能性色素的原料（如壓敏色素、熱敏色素、液晶用雙色性色素）；半導體中間原料；有機合成原料。2024/9/24合成原理及工藝反應原理

主反應：副反應：

2024/9/247.1.3.2合成工藝（1）傳統(tǒng)工藝采用40%～50%的氫溴酸作為鹵化劑，依次加入正丁醇、溴化鈉，加熱至沸騰，保持回流30～40min，蒸出粗產品。（2）最新進展從研究動態(tài)上可以看出，對正溴丁烷合成的研究方向主要集中在硫酸的濃度、溴化鈉的用量，反應時間的研究上，以制備高產率、質量更好的產品。2024/9/247.1.4產品指標及分析檢查方法7.1.4.1產品質量指標名稱指標含量%

≥99.5水分%

≤0.1色度（Pt-Co）≤50蒸發(fā)殘渣ppm≤50游離酸ppm≤502024/9/24（1）外觀、密度、折光率無色透明液體，相對密度（20/4℃）：1.2758，折光率（20℃）：1.4398產品分析檢測（2）折光率的測定（學習教材中折光儀的使用）一般地講，光在兩個不同介質中的傳播速度是不同的，當光從一個介質進入另一個介質中，在光的傳播方向與兩個介質的界面不垂直時，光在兩個介質的界面處的傳播方向會發(fā)生改變，這種現象稱為光的折射現象。折光率是有機化合物最重要的物理常數之一，可以作為液體物質純度的測定標準，可以鑒定未知化合物，也可以用于確定液體混合物的組成。物質的折光率除了與物質的結構和光線有關，還受到溫度、壓力等因素的影響。所以在表示折光率時，須注明所用的光線和測定時的溫度，常用ntD

表示。圖7-3正溴丁烷的紅外吸收光譜圖（3）各種圖譜①紅外吸收光譜②質譜圖7-3正溴丁烷的質譜圖③正溴丁烷核磁圖圖7-4正溴丁烷核磁圖(13CNMR)2024/9/24（1）取代鹵化定義：鹵原子與有機氫原子之間的取代反應。如：（2）常用的鹵化劑有：①鹵素（Cl2、Br2、I2

）②氫鹵酸（HCl、HBr等）③次鹵酸（HOCl、HOBr）④其他鹵化劑（SO2Cl2、SOCl2等）取代鹵化2024/9/24（3）取代鹵化的分類根據反應機理不同可分為：①芳環(huán)上的氫被鹵素取代（離子型親電取代）②脂肪烴及芳烴側鏈的氫被鹵素取代（自由基型取代）2024/9/247.2.1.1芳環(huán)上取代鹵化影響因素及反應條件的選擇反應通式為：ArH＋X2→ArX＋HX。如：苯在鐵作催化劑時通氯氣反應生成氯苯的反應。

芳環(huán)上取代鹵化的定位規(guī)律與一般芳環(huán)上的親電取代反應相同。

影響因素主要有：被鹵化芳烴的結構，反應溫度，鹵化劑和反應溶劑等。（1）被鹵化芳烴的結構

芳環(huán)上的取代基通過電子效應，使芳環(huán)上的電子云密度的增大或減小，從而影響芳烴的鹵化反應。2024/9/24

芳環(huán)上具有給電子基團時，增加了芳環(huán)的電子云密度，鹵化易進行，主要形成鄰對位異構體，但常出現多鹵代現象芳環(huán)上有吸電子基團時，因其降低了芳環(huán)上電子云密度而使鹵化反應較難進行，需要加入催化劑并在較高溫度下反應。例：完成下列反應并預測兩組反應速度的快慢2024/9/24（2）鹵化劑鹵化劑往往會影響反應的速度、鹵原子取代的位置、數目及異構體的比例等。不同的鹵素在進行取代鹵化時，反應活性順序為：F>Cl>Br>I例如：

NBS：N－溴化丁二酰亞胺2024/9/24

溴資源比氯少，價格也比較高。為回收副產物溴化氫，常在反應中加入氧化劑（如次氯酸鈉、氯酸鈉、氯氣、雙氧水等），使生成的溴化氫氧化成溴素而得到充分利用。一般不采用鹵素取代的方法得到氟化物和碘化物。原因：

對于芳烴環(huán)上的氟化反應，直接用氟與芳烴作用制取氟代芳烴，因反應十分激烈需在氦氣或氮氣稀釋下于－78℃進行，故無實用意義。若用碘作鹵化試劑進行碘化反應，因反應生成的碘化氫有還原性，可使碘代芳烴還原。（3）反應介質如果被鹵化物在反應溫度下呈液態(tài)，不需要反應介質可以直接進行鹵化。若被鹵化物在反應溫度下為固態(tài)，應根據反應物的性質和反應的難易程度，選擇適當的溶劑。對于性質活潑，容易鹵化的芳烴及其衍生物，可以采用水作為溶劑。例如對硝基苯胺的氯化對于較難鹵化的物料，可以采用濃硫酸、發(fā)煙硫酸等作為溶劑。如蒽醌在濃硫酸中氯化制取1，4，5，8-四氯蒽醌。如果反應需要在較緩和的條件下進行，或是為了定位的需要，有時可以采用適當的有機溶劑。如氯苯、乙酸等2024/9/24（4）反應溫度

一般反應溫度越高，反應速度越快。但實際上鹵化溫度的確定，要考慮到被鹵化物的性質和鹵化反應的難易程度，工業(yè)生產上還需考慮主產物的產率及裝置的生產能力。例如：氯苯的生產2024/9/241-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-氣體出口沸騰氯化塔（5）原料純度與雜質

原料純度對芳環(huán)取代鹵化反應有很大影響

例如：在苯的氯化反應中，原料苯中不能含有含硫雜質（如噻吩等）、有機原料中不能含有水、Cl2中盡量不含H2。（6）氯化深度氯化深度：反應深度，它表示原料烴被氯化程度的大小可以用氯化烴的含氯量或反應轉化率來表示。

例如：要想在一氯化階段少生成多氯化物，工業(yè)上采用苯過量，控制苯氯物質的量比為4:1，盡可能的降低二氯苯的生成量。（7）混合作用在苯的氯化反應中，如果攪拌不好或反應器選擇不當，會造成傳質不勻，反應生成的產物不能及時的離開，重新返回到反應區(qū)域，促進連串反應的進行。這種現象稱為物料的返混作用。這種現象的出現會造成一氯代選擇性下降，對反應不利。2024/9/242024/9/24脂肪烴及芳烴側鏈的取代鹵化影響因素及反應條件的選擇

脂肪烴和芳烴側鏈的氫原子在光照、加熱或引發(fā)劑存在下與鹵原子發(fā)生的取代過程。

脂肪烴及芳烴側鏈取代鹵化的反應具有的特點：反應是典型的自由基反應，反應歷程包括鏈的引發(fā)、鏈的增長和鏈的終止三個階段；與芳烴環(huán)上的取代鹵化一樣，脂肪烴及芳烴側鏈取代鹵化反應也是連串反應。（1）被鹵化物性質

無立體因素影響，各種被鹵化物氫原子的活性順序為：ArCH2-H＞CH2=CH-CH2-H＞＞叔C-H＞仲C-H＞伯C-H＞CH2=CH-H（2）鹵化劑在烴類的取代鹵化中，鹵素是常用的鹵化劑，它們在光照、加熱或引發(fā)劑存在下產生鹵自由基。其反應活性順序為：F2＞Cl2＞Br2＞I2

由于鹵素可以與脂肪烴中的雙鍵發(fā)生加成反應，一般不宜采用鹵素進行烯丙位取代鹵化反應；而芳環(huán)上不易發(fā)生鹵素的加成反應，可采用鹵素進行芐位取代鹵化反應。NBS可用于烯丙位或芐位氫的鹵代反應，具有反應條件溫和、選擇性高和副反應少的特點。2024/9/24（3）引發(fā)條件及溫度光照引發(fā)和熱引發(fā)是經常采用的引發(fā)自由基的方法。光照引發(fā)以紫外光照射最為有利。

例如：在氯化反應中，氯分子的光離解能是250kJ/mol，與此對應的引發(fā)光的波長是478nm。光的波長越短，能量越強，有利于引發(fā)自由基，但波長小于300nm的紫外光會被普通玻璃吸收。因而，實際生產中常將發(fā)射波長范圍為400～700nm的日光燈作為照射光源；光引發(fā)時，反應溫度一般控制在60～80℃。熱引發(fā)可分為中溫液相氯化與高溫氣相氯化提高反應溫度有利于取代反應，也有利于減少環(huán)上加成氯化反應，還可促進鹵化劑均裂成自由基，所以一般在高溫下進行芐位和烯丙位的取代鹵化反應。2024/9/24（4）催化劑及雜質芳烴在有催化劑時，通常只能得到環(huán)上取代產物。在光照、加熱或引發(fā)劑下通Cl2，則有利于側鏈取代氯化。因此進行芳環(huán)側鏈的鹵化時，原料需有較高的純度和嚴格控制其雜質，應當注意不要使反應物中混入能夠發(fā)生環(huán)上取代鹵化的催化劑，否則會阻止反應進行。

①雜質鐵若有鐵存在，通入氯時會轉變成FeCl3，則對自由基反應不利，若原料為烯烴或芳烴時，會加快加成氯化及環(huán)上取代氯化。因此，原料中不能有鐵，反應設備不能用普通鋼設備，需用襯玻璃、襯鎳、搪瓷或石墨反應器。2024/9/24

②氧氣氧氣對反應有阻礙作用，需嚴格控制其濃度。對于光引發(fā)自由基反應，烴中氧含量小于1.25×10-4mol/L時，Cl2中需小于5.0×10－5mol/L。

③水

如果原料中有少量水的存在，則不利于自由基取代反應的進行。因此，工業(yè)上常用干燥的氯氣。（5）反應介質可以使用的溶劑有苯、石油醚、氯仿、四氯化碳，其中四氯化碳是經常采用的反應溶劑，因為它屬于非極性惰性溶劑，可以避免自由基反應的終止和副反應的發(fā)生。如果反應物為液體，可不用反應溶劑。（6）氯化深度及原料配比選擇適當的氯化深度，對提高單氯化選擇性是有利的，烴氯比大，一氯代烷的選擇性高，一般適宜的烴氯比為（5～3）:1（物質的量之比）。2024/9/242024/9/247.2.2加成鹵化（1）鹵素的親電加成鹵化①反應歷程鹵素對雙鍵的加成反應，一般經過兩步，首先鹵素向雙鍵作親電進攻，形成過渡態(tài)π-絡合物，然后在催化劑（FeCl3）作用下，生成鹵代烴。催化劑的作用是加速π-絡合物轉化成σ-絡合物，并且促使Cl2與FeCl3形成Cl→Cl:FeCl3絡合物，有利于親電進攻。

鹵素與不飽和烴的加成鹵化2024/9/24②主要影響因素a.烯烴的結構當烯烴上連有給電子基團（如-OH、-OR、-NHCOCH3、-C6H5、-R等）時，反應活性提高；當烯烴上連有吸電子基團（如-NO2、-COOH、-CN、-COOR、-SO3H、-X等）時反應活性降低。烯烴鹵加成反應活潑次序：R2C＝CH2＞RCH＝CH2＞CH2＝CH2＞CH2＝CHCl。b.溶劑鹵素與烯烴的親電加成反應，一般采用CCl4、CS2、CHCl3、CH3COOH、CH3COOC2H5等作溶劑。因為醇和水同時可以作為親核試劑，向過渡態(tài)π-絡合物進攻，可能會產生鹵代醇或鹵代醚等副產物，所以不適宜用作溶劑。c.反應溫度：鹵加成反應的溫度不宜太高，否則容易發(fā)生消除和取代副反應。

（2）鹵素的自由基加成鹵化在光、熱或引發(fā)劑（如有機過氧化物、偶氮二異丁腈等）存在下，鹵素可以與不飽和烴發(fā)生加成反應，該反應為自由基反應，其反應歷程為：鏈引發(fā)：Cl2

—→(hv)2Cl·鏈傳遞：CH2=CH2+Cl·—→CH2Cl—CH2·CH2Cl—CH2·+Cl—Cl—→CH2Cl—CH2Cl+Cl·鏈終止：Cl·+Cl·—→Cl22CH2Cl—CH2·—→CH2Cl—CH2—CH2—CH2ClCH2Cl—CH2·+Cl·—→CH2Cl—CH2Cl光鹵化加成的反應特別適用于雙鍵上具有吸電子基的烯烴。例如三氯乙烯中有三個氯原子，進一步加成氯化很困難；但在光催化下可氯化制取五氯乙烷。炔烴比烯烴難發(fā)生于鹵素的加成反應。2024/9/24鹵化氫與不飽和烴的加成

（1）鹵化氫的親電加成鹵化①反應歷程首先是質子對不飽和烴分子進行親電進攻，形成碳正離子中間體，然后鹵負離子與之結合，形成加成產物。在反應體系中加入AlCl3或FeCl3等路易斯酸催化劑，可加快反應速度。鹵化氫與烯烴加成反應的活潑性次序是：HI＞HBr＞HCl。②定位規(guī)律當烯烴上連有給電子基團時，有利于反應的進行，且定位規(guī)律符合馬爾科夫尼柯夫規(guī)則，即氫原子加在含氫較多的碳原子上。當烯烴上連有強吸電子基團時，如-COOH、-CN、-CF3時，反應速度減慢，同時定位規(guī)律與馬爾科夫尼柯夫規(guī)則相反。鹵化氫與不飽和烴親電加成反應的實例有：氯化氫和乙炔加成生產氯乙烯；乙烯和氯化氫或溴化氫加成生成氯乙烷或溴乙烷。2024/9/24（2）鹵化氫的自由基加成鹵化在光和引發(fā)劑作用下，溴化氫和不飽和烴的加成屬于自由基加成反應。其定位規(guī)律符合反馬爾科夫尼柯夫規(guī)則。其他鹵化物與不飽和烴的加成

次鹵酸、N-鹵代酰胺和鹵代烷等是除鹵素、鹵化氫以外，常用的與不飽和烴發(fā)生加成反應的鹵化劑。（1）次鹵酸與烯烴的加成常用的次鹵酸為次氯酸，次氯酸不穩(wěn)定，難以保存。通常將氯氣通入水或氫氧化鈉水溶液中，也可以通入碳酸鈣懸浮水溶液中，以制取次氯酸及其鹽。次鹵酸與烯烴的加成屬于親電加成，定位規(guī)律符合馬氏規(guī)則。工業(yè)上典型的例子是次氯酸水溶液與乙烯或丙烯反應生成β-氯乙醇或氯丙醇。兩者都是十分重要的有機化工原料。（2）N-鹵代酰胺與烯烴的加成在酸催化下，N-鹵代酰胺與烯烴加成可制得α-鹵醇。（3）鹵代烷與烯烴的加成在路易斯酸存在下，叔鹵代烷可與烯烴反應。例如：氯代叔丁烷與乙烯加成可得到1-氯-3，3二甲基丁烷，收率為75%。2024/9/24置換鹵化以鹵原子置換有機物化合物分子中其他基團的反應為置換反應。與直接取代鹵化相比，置換鹵化具有無異構產物、不發(fā)生多鹵化、產品純度高，但步驟多的特點?？梢员畸u基置換的取代基有羥基、硝基、磺酸基、重氮基，氟可以置換其他鹵原子，這是氟化反應的主要完成途徑。置換鹵化反應在藥物合成、染料及其他精細化學品的合成中應用較多。羥基的置換鹵素可以置換醇羥基、酚羥基以及羧羥基，常用的鹵化劑有氫鹵酸、含磷及含硫鹵化物等。鹵素置換羥基的反應是合成鹵化物的重要方法之一。（1）置換醇羥基（2）置換酚羥基（3）置換羧羥基

RCOOH＋SOCl2→RCOCl＋SO3＋HCl（1）置換硝基Cl2—→2Cl·ArNO2＋Cl·—→ArCl＋·NO2·NO2＋Cl2—→NO2Cl＋Cl·（2）置換磺酸基（3）重氮基置換7.2.3.2芳環(huán)上硝基、磺酸基和重氮基的置換鹵化2024/9/247.3.1原料選擇藥品名稱分子量（molwt）用量（mL、g、mol）熔點（℃）沸點（℃）比重（d420）水溶解度（g/100mL）正丁醇74.1212.3ml（0.13mol）?88.9℃117.25℃0.8098微溶于水濃硫酸98.0820ml（0.375mol）1.84易溶于水溴化鈉102.8916.6g（0.161mol）747℃1390℃易溶于水其他藥品5%氫氧化鈉溶液、飽和碳酸鈉溶液2024/9/247.3.2催化劑選擇濃硫酸伯醇與氫溴酸的反應主要是按照雙分子歷程進行的，濃硫酸的存在，使過渡態(tài)的位能降低，從而降低了反應的活化能，使不宜離去的基團變成了較易離去的基團，C-O鍵更易于斷裂，溴代反應速度加快，所以濃硫酸是反應的催化劑。濃磷酸濃磷酸是中強酸，用它可以代替濃硫酸制備溴代烷，但催化能力比濃硫酸弱，溴代反應的轉化率低，反應速度慢，加入過量的濃磷酸催化劑，效果仍不佳。隨著正烷基醇分子中碳原子數的增加，濃磷酸的催化效果更為不好。2024/9/247.3.3小試設備選擇正溴丁烷合成與分離裝置參考2024/9/247.3.4工藝條件選擇物料物質的量配比：水∶濃硫酸∶正丁醇：溴化鈉=0.78∶0.375∶0.134∶0.161；反應溫度：加熱保持溶液微沸；反應壓力：常壓；回流時間：1.5h；催化劑：濃硫酸；2024/9/244.3.5質量分析外觀指標：無色透明液體產品質量指標產品分析檢測密度測定、折光率的測定、沸點的測定、紅外吸收光譜分析等

2024/9/247.4.1操作步驟流程圖投料反應

7.4.1.2提純

2024/9/247.4.2具體操作步驟在100mL圓底燒瓶中，加入14mL水，將燒瓶置于冰水浴中，在振搖下分批加入20mL濃硫酸，混合均勻，并冷卻至室溫，分四次加入12.3mL正丁醇，混合均勻，然后在攪拌下加入16.6g研細的溴化鈉，充分旋動燒瓶，以免結塊，撤去冰水浴，擦干燒瓶外壁，加入1～2粒沸石，安裝帶有氣體吸收部分的回流裝置。采用100mL5%氫氧化鈉溶液作吸收液。用電熱套加熱，并經常搖動燒瓶，保持反應液呈微沸，回流約1.5h。溴化鈉固體消失，溶液出現分層，反應結束?；亓鲗⒄舫龅拇?-溴丁烷倒入分液漏斗，用15mL水洗滌，分液后，再向盛粗1-溴丁烷的錐形瓶中滴入7mL濃硫酸，用冰水浴冷卻并加以振搖，倒入一個干燥的分液漏斗中，靜