卤化反应及其工艺

ArN2＋X－ Cu+
+ ArX N2
置换羟基
• 常用卤化剂有卤化氢、含磷卤化物和含硫卤化物。 • 置换醇羟基
ZnCl
+ C2H5OH
HCl
• 亲核置换反应,反应历程:
C2H5Cl
ROH
H
RX
ROH2 RX
ROH2
R
H2O
• 醇羟基的活性大小为： 叔羟基＞仲羟基＞伯羟基；
• 叔醇与浓盐酸顺利反应 • 卤素阴离子的亲核能力大小的顾序为：
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问题
• 为什么要控制反应深度？ • 什么是反应氯化深度？ • 降低氯化反应的深度，能减少多氯
化产物的产率吗？ • 依靠降低氯化反应的深度有什么短
处？ • 如何监测氯化反应的深度？
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• 环上取代氯化反应为连串反应，由于氯 苯的用途比二氯苯大，因此反应深度的 控制具有实际的意义
HI＞HBr＞HCl＞HF • 可逆反应，增加醇和卤化氢的浓度并不断移去产物
和生成的水，有利于加速反应和提高收率。
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• 对于低碳醇的置换需要有催化剂的存在。
C2H5OH
NaBr
H2SO4
C2H5Br
NaHSO4
H2O
• 浓硫酸是反应剂也是催化剂。
• 在置换催化卤化过程中，有的催化剂促使醇 质子化，加速反应的进行，例如ZnCl2。
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混合作用的影响
• 如果搅拌效果不好或对反应器型式选择不 当、传质不匀，使反应生成的产物未能及
时离开，又返回到反应区域促进连串反应 的进行，这种现象，称为反混作用。
• 一氯苯的生产工艺经历三个阶段： • 单锅间歇式生产 （提高生产效率）
• 多锅连续氯化（多锅连续生产中反混作用 严重）
Cl2
FeCl3
FeCl4 Cl
Cl
FeCl4
H
Cl
Cl
Cl
σ-络合物
Cl
H
H
FeCl4
FeCl3
HCl
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• 反应过程并不消耗催化剂，因此催化剂 用量极少。以苯的氯化为例，少量三氯 化铁能溶解在苯中，苯的氯化是均相反 应 足够，了Fe。Cl提3用高虽苯仅的为质原量料，量三的氯万化分铁之的一浓就 度还可以降低到0.002-0.004％wt
• 在苯的氯化中，随着一氯苯的不断生成，二氯化
反应速度不断增加，以致生成较多的二氯化物及 多氯化物。
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影响因素及反应条件的选择
• 氯化深度的影响 • 混合作用的影响 • 反应温度的影响 • 原料纯度的影响 • 催化剂的选择 • 反应介质的选择
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氯化深度的影响
HO
Cl Cl
HO
Cl HO
H
H
HO
Cl
H
Cl Cl
Cl
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反应动力学
• 芳环上的氯化反应属于连串反应。即第一个 反应的生成物又是下一步反应的反应物，以 此相连串进行的反应。例如苯的氯化：
Cl2 k1
Cl
HCl
Cl
Cl2
k2
Cl
Cl HCl
k3
Cl
Cl2
Cl
HCl
Cl
Cl2
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• 塔式沸腾连续反应
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反应温度的影响
• K（k2/k1）与反应温度的关系 • 如何解决散热？
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苯的氯化反应温度与K的关系
T℃
18℃
25℃
30℃
k2/k1
0.107
0.118
0.123
•一般反应温度越高，反应速度越快。较难进行的反
应，随着温度的增加反应速度明显增加。
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• 氯苯生成量最大时
Cl
73.5％
Cl Cl
20.4％
Cl Cl
Cl 6.1％
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• 为了减少多氯化产物的产率，可以依 靠降低氯化反应的深度
• 但剩余的苯Biblioteka 多，则从反应混合物中 回收的苯量将愈多，操作费用及损耗 将增大，设备的生产能力将下降
• 可以由出口处氯化液的比重来控制氯 化深度
• 特点是无异构产物，不发生多卤化， 产品纯度高，但比直接取代卤化的
步骤多。在制药及染料工业中应用 较多。
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Ø置换NO2 Ø置换磺酸基 Ø置换重氮基 Ø置换羟基
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置换NO2
此置换反应为自由基反应机理
置换磺酸盐
蒽醌环上的磺酸基十分容易被氯基置换。它在 工业上用于制备1-氯蒽醌和1,5-二氯蒽醌。
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• 以金属卤化物为催化剂的反应历程 • 以硫酸为催化剂的反应历程 • 以碘为催化剂的反应历程 • 以次卤酸为催化剂的反应历程
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以金属卤化物为催化剂
• 工业生产中应用最广泛的卤化反应
• 常用的卤化物有FeCl3、A1Cl3、ZnCl2等
• 以FeCl3催化氯化为例其催化反应机理：由于卤化金 属的强极性，促使氯分子极化，而生成氯离子(Cl+)。
• 有资料表明，最有效的催化剂可能是三 氯 的 常分数化子为铁的比最大一(Fe水值C。合l3︰大物H于(F2Oe1C时)为l3，·lH时反2O，应)反。速应当度速二常度者数 减小。因此，在氯化反应中，原料含有 微 以生量成水复份合(必催须化保剂持，Fe能C加l3︰速H反2应O≥的1)进，行可。
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卤化物
HC CH
HgCl 2 HCl
H2C CHCl
CCl 3
+ 3HF
CF 3
+ 3HCl
+ + + C2H5OH
KBr H2SO4 C2H5Br
KHSO 4 H2O
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酰卤化合物
• 光气
O
O
+ C-H Cl C Cl
• 硫酰氯（二氯硫酰）
O
+ Cl S Cl O
CH3 SbCl 3
置换法
+ CH 3CH 2OH HCl ZnCl 2 C2H5Cl
O
O Cl
+ Cl 2
O
O
四、常用的卤化剂
1 卤单质 2 卤化物 3 酰卤化合物
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卤单质
F2，Cl2，Br2，I2 ；
F2活性太强，常用于间接取代， 有时需要用惰性气体稀释
+ CH4 4F2
+ CF 4 4HF
第三章 卤化反 应及其工艺
§3.1 概述
一、定义
从广义上讲，向有机化合物分子中
碳原子上引入卤素原子的反应，叫
做“卤化”，根据引入分子的不同，
可分为氟化、氯化、溴化、碘化等。
二、卤化的目的
赋予有机化合物新的功能 卤素基团被亲核置换制备中间体
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阻燃卤化物
Br HO
Br
Br
Br
CH3 C
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原料纯度的影响
• 杂质特别是噻吩,容易与催化剂作用，生成 黑色沉淀，使催化剂失效。且生成的产物在 精制中，又会放出氯化氢气体，腐蚀精馏塔。 苯在氯化前最好先除去有机硫化物。
Cl
Cl2 Cl
Cl
Cl
Cl
Cl HCl
S
Cl
S
Cl
Cl
Cl
S
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• 水与反应生成的氯化物作用 生成盐酸，它对催化剂三氯 化铁的溶解度大大超过有机 物对三氯化铁的溶解度。水 的存在会大大降低有机物中 催化剂三氯化铁的浓度，使 反应速度减慢。实验证明， 苯中的含水量大于3‰时，氯 化反应将不能进行。
HCl
Cl
H
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以次卤酸为催化剂
• 反应中有质子存在，促使生成卤正离子 而加速了反应的进行。
H2O Cl2
HOCl H Cl
快
HOCl H
H2 OCl
慢
H2 OCl
Cl2
H2O
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• 苯环上有吸电子基团存在时，反应较难进行， 常需要加入催化剂。
• 当苯环上有给电子基团时，反应容易进行，有 的甚至可以不需要催化剂。例如，酚类、胺类 及多烷基苯的氯化。由于氯分子本身易受到芳 环的极化，能够顺利进行反应，其反应历程：
•在取代氯化反应中，T↑，K↑
•在早期的氯苯生产中，为了防止二氯苯生成过多，
尽可能控制反应在35~40℃下进行。
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• 每生成1mol氯苯，放出约131.5kJ(31.4kcal) 的热量，要维持在低温反应，反应器需要较 大的冷却系统，生产能力的提高受到了限制。
• 随着温度的升高，K增加的并不十分显著， 温度的影响比反混作用的影响要小得多。因 此，在近代的一氯苯生产中，普遍采用在氯 化液的沸腾温度下（78-80℃），用塔式反 应器或者列管式氯化器进行反应。过量苯的 气化可带走反应热，便于控制反应温度，有 利于连续化生产，并可使生产能力大幅度提 高。
氯化
k1︰k2
105~107
103~104
~101
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• 苯的一氯化与氯苯的进一步氯化反应的速度常数
相差只有10倍左右。
• 实验证明，在卤化反应中，随着反应生成物浓度
的不断变化，使各级反应的反应速率也相应发生 较大的变化。例如，在苯的氯化中，当苯中的氯 苯含量为1%（质量）时，一氯化速度比二氯化速 度约大842倍； 当苯中的氯苯含量为73.5%（质量） 时，两种速度几乎相等。
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• 为了避免引起火灾或爆炸事故， 氯化剂氯气中含氢量应低于4%。
• 在一氯苯生产中，由于苯氯比约 为4︰1，大量的苯要在生产过程 中循环，如果不希望生成过多的 多氯化物，应加强回收分离，使 循环苯中的一氯苯含量越低越好。
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催化剂的选择
• 芳环上带有较强的供电子基团（如羟基、 氨基），在卤化时一般可不用催化剂。
SO2
HCl
CH3(CH2)3CH2OH CH3CHOHC2H5
PI3 PBr3
CH3(CH2)3CH2I CH3CHBrC2H5
H3PO4 HOPBr2
HO
OH
NN
3 PCl3
HO
4Cl2
吡啶 POCl3
溶剂
Cl
Cl
NN Cl
3 POCl3
4HCl
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置换羧羟基
+ + SOCl 2
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芳环的卤素取代反应属于亲电取代反 应。而氯取代了芳环上的氢原子以 后，虽然使芳环钝化，但氯基同时 有向芳环供给电子的能力，因此， 一卤化后，由于产物对亲电取代反 应仍具有相当的活泼性，使二卤化 反应比较容易进行。
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苯在硝化、磺化、氯化中k1/k2值 的比较
反应类型
硝化
磺化
O
RCOOH /PCl 3 RC Cl SO2 HCl
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芳环上的取代氯化
• 反应历程
• 反应通式为：ArH + X2 = ArX + HX • 芳环上的取代卤化反应，是典型的亲电
取代反应。
• 进攻芳环的活泼质点，都是卤正离子(X+)， 不管使用什么类型的催化剂，它们的作 用都是促使卤正离子(X+)的形成。
• 氯化深度可以用参加氯化反应的原料的 百分数来表示
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• 苯的一氯化反应速度常数，在常温下仅 比二氯化大8.5倍左右。因此要想在一氯 化阶段少生成多氯化物，就必须严格控 制氯化深度
• 从动力学研究及下图中亦可以看出，随 着X值的增加，苯的转化率增加，一氯苯 的含量虽然随着增加，但二氯苯的含量 也随之增加
C2H5OH
ZnCl2
HCl 加热 C2H5Cl
H2O
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置换酚羟基
N OH POCl 3 N OH /SOCl 2
N Cl N Cl
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• 用卤化亚砜和卤化磷对羟基的置换，多 用于对高碳醇、酚或杂环羟基的置换反 应。
(C2H5)2NC2H5OH
甲苯
SOCl2 10~40 ℃ (C2H5)2NC2H5Cl
• 次卤酸盐
CHCl 2
+ CO2
CH3 Cl
Cl
OH NaClO/NaBrO NaOH
Cl (Br) OH
§3.2 氯化反应
• 置换已有取代基
• 芳环上的取代氯化（亲电取代）
• 侧链氯化 • 加成氯化 • 烷烃的取代氯化
置换氯化
• 卤原子置换有机分子中的其他基团 （非氢原子）的反应，称之为置换 卤化反应。
CH3
Br OH
Br
H
CO
N Br
CC
N H
CO
Br
制备中间体
NO 2
NH 2
HN CO CH3 HN CO CH3
Cl
Cl
O2N
H2N O2N
O2N
三、引入卤素的方法
1，加成法（加成卤化） 2，取代法（取代卤化） 3，置换法
加成卤化
取代卤化
+ Cl 2 FeCl 3
CH3
+ Cl 2
Cl CH 2Cl
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以硫酸为催化剂
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以碘为催化剂
• 以碘为催化剂是通过氯化碘分解出的碘 正离子与氯气作用，促使生成氯正离子 (Cl+)和氯化碘(ICl)，以此反复进行。
I2 Cl2
2ICl(红 棕 色 液 体 )
ICl
I
Cl
I Cl2
ICl Cl
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H
Cl
H Cl
Cl
σ-络合物
O
SO3K
O
Cl
NaClO3 HCl
KHSO4 NaCl
O
O
SO3K
O
O
Cl
NaClO3 HCl
KHSO4 NaCl
SO3KO
Cl O
由于不同位置的氯代蒽醌具有不同的熔点，而卤 基置换蒽醌环上的磺酸基的反应几乎是定量进行 的，因此，也常作为分折蒽醌磺酸的方法之一。
置换重氮盐（Sandmeyer）
NaNO 2/HX ArNH2