第二章卤化反应

第二章卤化反应 2.1 概述 2.2 芳环上的取代卤化 2.3 羰基α-氢的取代卤化 2.4 芳环侧链α氢的取代卤化 2.5 饱和烃的取代卤化 2.6 烯键α氢的取代卤化 2.7 卤素对双键的加成卤化 2.8 卤化氢对双键的加成卤化 2.9 置换卤化返回

第二章卤化反应(Halogenation ) 教学目的与要求： 1、掌握卤化反应的分类 2、掌握卤加成、卤取代、卤置换反应条件及机理 3、掌握卤化反应的应用教学重点：卤化反应的应用教学难点：卤加成、卤取代、卤置换反应的区别

向有机化合物分子中碳原子上引入卤原子，形成碳-卤键，得到含卤化合物的反应叫做卤化反应。向有机化合物分子中碳原子上引入卤原子，形成碳-卤键，得到含卤化合物的反应叫做卤化反应。 • 氟化（fluoration） • 氯化（chloration） • 溴化（bromation,bromination） • 碘化（iodation）

卤化反应的目的 • 赋予最终产品某些性能 (1)色光铜酞菁（酞菁蓝）高氯代铜酞菁（酞菁绿）

（2）杀虫、杀菌性 七氟菊酯

（3）阻燃性

亲核置换 δ+ • －X(－Cl) －NH2,－OH,－F,－OR,－OAr

2.1 概述 2.1.1 卤化剂 (1) 氯化剂最常用的氯化剂是氯气，价格低廉，供应量大。液态SO2Cl2，反应温和、加料方便、计量准确，但价格太贵在水介质中进行时，可用盐酸加双氧水、次氯酸钠和氯酸钠 (2) 溴化剂最常用的是分子态溴，特别用于制备含溴的阻燃剂。 (3) 碘化剂最常用的是分子态碘，亦称碘素。碘比溴更少，价格更贵。 (4) 氟化剂分子态氟，加成氟化法、用氟化钠、氟化钾或氟化氢的置换氟化法或电解氟化法。返回

卤化试剂 • 卤素单质：Cl2,Br2,I2 • 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,ICl

卤化反应类型 置换卤化：亲核反应－置换氟化

2.2 芳环上的取代卤化 2.2.1反应历程和催化剂 1．反应历程芳环上的取代卤化为亲电取代反应。亲电试剂是氯正离子，最常用的催化剂是各种金属氯化物，如FeCl3，AlCl3，SbCl3、TiCl4、等Lewis酸。无水FeCl3的催化作用可简单表示如下：返回

2.2 芳环上的取代卤化 在无水状态下或在浓硫酸作用下，用氯气进行氯化时，有时用碘作催化剂，其催化作用如下：在浓硫酸作用下，用氯气进行氯化时，硫酸的催化作用可表示如下：但浓硫酸的离解度很小，对氯气的溶解度也很小，而且浓硫酸还可能引起磺化副反应，并产生废硫酸，故很少使用。返回

2.2 芳环上的取代卤化 当有机物容易被氯化时，可不用催化剂，且反应可在水介质中进行。硫酰二氯SO2Cl2是温和的氯化剂。 SO2Cl2遇水分解成H2SO4和HCl，因此只能用在无水状态下的氯化。返回

2.2 芳环上的取代卤化 2．催化剂的选择一般情况是：卤化剂与催化剂所形成的配合物的体积越大，空间位阻越大，生成邻位异构体的比例越少。 (1) 苯的一氯化制氯苯催化剂：选用最经济的催化剂FeCl3，但实际加入的催化剂是废铁屑、废铁管。 (2) 苯的二氯化制对二氯苯催化剂：苯的二氯化时，如果用FeCl3作催化剂，对/邻二氯苯的比例仅1.49 ～1.55︰1；Sb2S3，对/邻之比为3.3 ～3.6︰1；Sb2S3-I2，对/邻之比为7.5︰1；经氯氧混合气处理过的硫化铁-硅铝胶，对/邻之比为8.0︰1；经二氯乙酸钠等羧酸盐处理过的沸石，对位收率可达95.7%。 (3) 甲苯的氯化制对氯甲苯：Lewis酸催化剂，对位选择性只有24% ～37%；用AlCl3和其他氯化物的复合催化剂，对位选择性达40%。返回

2.2 芳环上的取代卤化 (4) 对氯甲苯的氯化制2,4-二氯甲苯：在SbCl3催化剂存在下，在60℃用氯气氯化时，当对氯甲苯的转化率为59.7%时，2,4-二氯甲苯的选择性为75.6%，收率45.1%，高于用FeCl3催化剂。 (5) 苯酚的氯化：不用催化剂即可用氯气氯化制得2,4,6-三氯苯酚。但在制一氯苯酚或二氯苯酚时，常常要加入定位催化剂。 ① 邻氯苯酚：当苯酚在非极性、非质子性有机溶剂中，在微量胺类碱性催化剂存在下氯化，直到苯酚余量下降到10%时，一氯苯酚中邻氯苯酚的含量可达93.5%。 ② 对氯苯酚：苯酚在40℃时用SO2Cl2进行氯化时，主要生成对氯苯酚，收率可达70%。 ③ 2.4-二氯苯酚：苯酚在铁催化剂存在下，用氯气氯化时，2.4-二氯苯酚的收率为85%~92%。返回

2.2 芳环上的取代卤化 2.2.2 氯化重要实例 1. 氯苯的制备 2. 2,6-二氯苯酚的制备 3. 2,6-二氯苯胺的制备 2.2.3 溴化重要实例 2.2.3 碘化重要实例返回

2.3 羰基α-氢的取代卤化 2.3.1 反应历程脂链或脂环上羰基α-氢的取代卤化是酸或碱催化的亲电取代反应。所用卤化剂主要是氯气和溴素，也可用硫酰二氯或N-卤代酰胺等。酸催化：碱催化：返回

2.3 羰基α-氢的取代卤化 2.3.2 催化剂 (1) 酸催化剂：可以是质子酸，例如硫酸和卤化氢。另外，也可以是Lewis酸，主要是硫酸、磷、碘和金属卤化物等。 (2) 碱催化剂：可以是无机碱，例如NaOH和CaO等。也可以是有机碱，例如脂肪胺、吡啶、三苯基磷、酰胺和乙酸钠等。 2.3.3 被卤化物结构的影响 (1) 当羰基的α-C上连有供电子基(例如各种烷基)时，有利于酸催化下的烯醇化和烯醇式的稳定，卤原子取代这个α-C上的氢。 (2) 当羰基的α-C上连有吸电子基(如卤原子)时，酸催化受到抑制，这时在同一个α-C上引入第二个卤原子就较困难。但在碱催化时，则羰基α-C上各种取代基的影响相反，这时易生成α-多卤化物。返回

2.4 芳环侧链α氢的取代卤化 2.4.1 反应历程链引发：氯分子在高温、光照或引发剂作用下，均裂为氯自由基：链增长：氯自由基与甲苯按以下历程发生氯化反应：链终止：不是活泼的自由基。返回

2.4 芳环侧链α氢的取代卤化 2.4.2 反应动力学甲苯的侧链氯化是连串反应，提高反应温度有利于α,α-二氯甲苯和α,α,α-三氯甲苯的生成。铁离子、低温和水会导致环上氯化，水还会引起氯基水解反应。 2.4.3 主要影响因素 (1) 光源 (2) 引发剂 (3) 杂质 (4) 温度 3.4.4 反应器返回

2.4 芳环侧链α氢的取代卤化 2.4.5重要实例甲苯衍生物经侧链氯化或侧链溴化可制得一系列产品，它们大都是医药中间体和农药中间体。 (1) α-一氯甲苯的制备：由甲苯的侧链一氯化制得的。 (2) α,α-二氯甲苯的制备：由甲苯的侧链二氯化而得。此法的缺点是氯化温度高，副产物多，二氯苄收率低。用高压汞灯照射法，其优点是反应在130±10℃进行，可缩短反应时间，甲苯转化率为99%~99.8%时，二氯苄收率可达91%~92.88%; 而用紫外灯，甲苯转化率为90%时，二氯苄收率只有70%；用日光灯，甲苯转化率为90%时，收率只有60%。 (3) α,α,α-三氯甲苯的制备又名三氯苄或次苄基三氯。三氯甲苯的制备也可以采用类似的填料塔连续氯化法。返回

2.5 饱和烃的取代卤化 饱和烃的取代卤化也是自由基链反应，与芳环侧链卤化的反应历程相似，其最重要的生产实例是甲烷和一氯甲烷的氯化制各种氯甲烷以及石蜡的氯化制氯化石蜡。 2.5.1 甲烷的氯化制各种氯甲烷 1. 氯气氯化法甲烷的氯化，目前工业上都采用350～500℃的热氯化法。 2. 氧氯化法甲烷热氯化时副产大量的氯化氢，为此开发了以氯化氢和空气中的氧为氧化剂的氧氯化法。此法以CuCl2-CuCl-KCl组成的熔盐催化剂兼热载体。返回

2.5 饱和烃的取代卤化 2.5.2 一氯甲烷的氯化制多氯甲烷以石油化工的廉价甲醇为原料，先与盐酸反应生成一氯甲烷，再将一氯甲烷氯化成多氯甲烷。除高温气相热氯化法外，也可用液相引发氯化法。 2.5.3 氯化石蜡是以C10～C30的正构烷烃为原料，经取代氯化制得的产物的总称。每种产品都是混合物，其化学式和相对分子质量都是平均值，商品的牌号通常是以氯的含量(质量分数)来命名，如氯蜡42、氯蜡52和氯蜡70等。返回

2.6 烯键α氢的取代卤化 烯烃在高温下与氯发生自由基反应，主要取代烯键的α氢。重要实例是丙烯的取代氯化制3-氯丙烯，后者是制备环氧氯丙烷和甘油的重要中间体。丙烯的氯化制3-氯丙烯，主要采用高温热氯化法：为了充分利用HCl，开发了以HCl和空气为氯化剂的氧氯化法。催化剂是含有Te、V2O5和HPO3的流化床催化剂，用纯度为90% ～98%(体积分数)丙烯，一步直接制得3-氯丙烯，以丙烯计转化率88% ～94%，以HCl计转化率90% ～95%。返回

2.7 卤素对双键的加成卤化 2.7.1 亲电加成卤化 1. 反应历程 2. 主要影响因素 3.重要实例 2.7.2 自由基加成卤化返回

2.8 卤化氢对双键的加成卤化 2.8.1 亲电加成卤化 1. 反应历程一般认为反应分两步进行，第一步是HX分子中的H+对进攻双键，生成碳正离子中间体，第二步是X-的进攻，生成加成产物：在反应液中加入FeCl3，AlCl3等Lewis酸催化剂，有利于HX的异裂返回

2.8 卤化氢对双键的加成卤化 2．反应物结构的影响卤化氢的活泼性次序是：HI＞HBr＞HCl＞HF，当双键中的碳原子上有供电子基时，加成服从马氏规则。当双键碳上连有吸电子基时，双键中的π电子向含吸电子基多、含氢少的碳原子转移，H+加到含氢少的碳原子上，即符合马氏规则。返回

2.8 卤化氢对双键的加成卤化 3 . 重要实例 (1) 1-氯-3-甲基-2-丁烯 (2) 1,1,1-三氯乙烷 2.8.1 自由基加成卤化 ① 在没有异裂催化剂，并在过氧化物存在下，溴化氢可以均裂产生溴自由基，进攻碳碳双键，发生加溴化氢链反应。 ② 值得注意的是：溴化氢的键能和碳碳双键中π键的键能相差不大，因此在引发剂的作用下，也可能发生烯烃的自由基聚合反应，所以限制了溴化氢或氯化氢的自由基加成卤化反应。返回

2.9 置换卤化 2.9.1 卤原子置换羟基 1．卤原子置换醇羟基醇类与卤化氢反应时，醇羟基可被卤原子所置换。这类反应是酸催化的亲核置换反应，对于伯醇一般是单分子SN1反应，对于烯丙型醇、叔醇或促醇则可能是双分子SN2反应。卤氢酸的活泼性：HI＞HBr＞HCl＞HF。醇类的活泼性次序：烯丙型醇＞叔醇＞仲醇＞伯醇返回

2.9 置换卤化 2．卤原子置换酸羟基 (1) 卤化剂光气(COCl2)、亚硫酰卤(SOCl2)、三卤化磷(PCl3)、三卤氧磷(POCl3)等活泼卤化剂与羧酸或酸酐在无水条件下反应。光气的优点：反应后无残留，产品质量好。但光气是剧毒的气体。近年来出现二光气、三光气代替光气的新方法。亚硫酰氯或亚硫酰溴的优点：反应后只残留很少的SOCl2等杂质，操作方便，但价格贵。三氯化磷和三溴化磷的优点：价廉，有广泛应用，但反应后残留亚磷酸，产品难于精制。但三氯氧磷价格贵。五氧化磷是固体，使用不便，价格贵，两者都很少使用。返回

2.9 置换卤化 (2) 氯乙酰氯羧酰氯中产量很大的实例，它的生产方法： ①以乙酸或乙酐为原料在催化剂或催化剂与光的协同作用下有氯气氯化；②乙酰氯用氯气氯化；③氯乙酸的羟基置换氯化；④乙烯酮的氯化。中国主要采用氯乙酸-PCl3和氯乙酸-COCl2法。光气法反应速度快，收率高，但为了使产品氯乙酰氯达到生产农用化学品和医药的质量要求，必须用高纯度的氯乙酸为原料。乙烯酮法的收率虽只有90%，但无副产物，原料和产品易分离，由催化剂带入的含磷杂质极少，产品纯度可达99.7% , 三废少，成本低，但一次性投资大。返回

2.9 置换卤化 3．卤原子置换杂环上的羟基芳环和吡啶环上的羟基很难被卤原子置换，但是某些杂环上的羟基则容易被氯原子或溴原子置换。所用的卤化剂可以是COCl2和SOCl2，在要求较高的反应温度时可用三氯氧磷(POCl3,bp137.6℃)或五氯化磷(PCl5, mp148℃), 可由PCl3+Cl2在反应介质是就地制得)。重要实例：返回

2.9 置换卤化 2.9.2 氟原子置换氯原子 1. 一般反应条件常用的氟化剂：无水氟化氢、氟化钠和氟化钾等。脂链和芳环侧链上的氯原子比较活泼，氟原子置换反应易进行。芳环上的氯原子不够活泼，只有当氯原子的邻位或对位有强吸电子基(主要是硝基或氰基)时，氯原子才比较活泼，但仍需很强的反应条件。为使反应较易进行，要使用对氟化钠或氟化钾有一定溶解度的高沸点无水强酸性有机溶剂。最常用的溶剂是DMF、DMSO和环丁砜。为了促使氟化钠分子中的氟离子活化，最好加入耐高温的相转移催化剂，如聚乙二醇-600等。返回

2.9 置换卤化 2. 重要实例 (1) α,α,α-三氟甲苯及其衍生物 (2) 1,1,1,2-四氟乙烷是对大气臭氧层无破坏作用的制冷剂组分，商品名HFC-134a。它的合成路线主要有三个：四氯乙烯气相氟化法、三氯乙烯液相二步氟化法和三氯乙烯气相二步氟化法。工业上普遍采用三氟乙烯气相二步氟化法：返回

2.9 置换卤化 (3) 2,4,6-三氟-5-氯吡啶重要的活性染料中间体。传统的制备方法是2,4,6-三羟基吡啶(巴比妥酸)的氯化、氯基置换氟化法：不与氮原子相连的相当稳定，不能被氟原子置换。返回

2.9 置换卤化 2.9.3 卤原子置换重氮基 2,3,4-三氟硝基苯是重要的医药中间体。目前采用以2,6-二氯苯胺为原料的合成路线：以2,3-二氯硝基苯为原料的合成路线：返回

2.9 置换卤化 2.9.4 氯原子置换硝基 1. 一般反应条件以氯分子为反应原料，置换芳环上的硝基是在高温下进行的自由基链反应加入引发剂或光照有利于反应。这类反应可在液相进行，也可在气相进行。返回

2.9 置换卤化 2. 重要实例 (1) 2,4-二氯氟苯以 2,4-二硝基氯苯为原料以硝基氯苯为原料返回

2.9 置换卤化 (1) 2,6-二氯苯甲醛和2,6-二氯苯腈返回

课后练习题 • 1. P91, 3-18(1、2、5、6) • 2. P91, 3-22 • 2. P91, 3-23 返回

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