第4章 烷基化反应和酰基化反应.

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ROH + NaOH RO-Na+ + XAlk RO-Na+ + H2O ROAlk + NaX
在氢氧化钾和相转移催化剂聚乙二醇-400存在下,酚类与卤 代烷的反应非常顺利,如:
OH + CH3 I + KOH 聚乙二醇-
CH2Cl2,H2O
H3
+ KI + H2 O
用氯乙酸做烷基化剂可用于制备苯氧乙酸类的化合物。
R—Cl + AlCl3 δδ+ R—Cl:AlCl3
分子配 合物
R+…AlCl4离子对或离子配合物
芳烃的亲电烷基化反应历程:
H +R
+
…AlCl4- 慢
+
R AlCl4-

R + HCl + AlCl3
苄基氯分子中的氯比较活泼,在酸性催化剂的存在下, 可向芳环引入苄基。例如,在苯和氯化锌水溶液滴加苄基 氯,可得到医药中间体二苯甲烷:
R-I>R-Br>R-Cl;
卤代烷中卤素原子相同,反应活性大小顺序为:
X > R3CX > R2CHX > RCH2X > CH3X
各种卤代烷中,氯代烷是最常用的烷化剂,价廉易得, 例如氯甲烷和氯乙烷等。当氯代烷不够活泼时,才使用溴 代烷。
4.1.1 卤代烷用作C-烷基化试剂
卤代烷的烷基化反应一般采用路易斯酸(如AlCl3、 ZnCl2)等作为催化剂。 用三氯化铝进行催化,其活泼亲电试剂的生成:
CH2
ArNHCH2 CH2OH CH2 K2 ArN(CH2 CH2 OH)2
ArNHCH2 CH2OH + H2C
O
环氧化合物与醇发生开环反应,生成羟基醚。 开环反应可用酸或碱催化,但往往生成不同的产品。
RHC O CH2 H+ [RCHCH2OH] R'OH RCHCH2OH + H+ OR'
OH
+ ClCH 2COOH + 2NaOH 甲苯 _ 水, PTC 85 ℃, 6h
OCH2COONa
4.2 常用的烷基化试剂——硫酸酯和磺酸酯
4.2.1 硫酸酯和磺酸酯用作N-烷基化试剂
硫酸二烷基酯、芳磺酸烷基酯和磷酸三烷基酯等强酸的烷基 酯都是活泼的N-烷化剂,主要用于制备价格贵、产量小的N-烷 化产物。
一般不直接采用叔卤代烷进行反应,因叔卤代烷常常会发生 严重的消除反应,生成大量的烯烃。 芳香族卤代烷反应活性较差,较难进行烷基化反应,往往要 在强烈的反应条件下或芳环上有其他活化取代基存在时,才能 进行。 如:用苯胺和氯乙烷置于装有氢氧化钠溶液的高压釜中,升 温至120℃,压力为1.2MPa时,靠反应热可自行升温至 210~230℃,压力4.5~5.5MPa,反应3h,即可完成烷基化反应。
N-烷基化剂的种类很多,常用的烷基化试剂有卤代烷、醇、 醚、酯、环氧化合物、烯烃、醛和酮等。卤代烷烃是N-烷基化 常用的烷基化试剂,其反应活性较醇强。 卤代烷进行的N-烷基化反应是不可逆的。烷化反应时生 成的卤化氢会与芳胺成盐,而芳胺的盐难于烷化,为了避免 这个不利影响,在N-烷化时通常要加入与卤烷等当量的缚酸 剂,例如NaOH、Na2CO3, NaHCO3、Fe (OH)2、Ca (OH)2和 MgO等。
4.4.3 用酰氯的N-酰化 用酰氯对胺类进行酰化的反应通式为:
R'NH2 + RCOCl R'NHCOR + HCl
反应是不可逆的。反应中放出的氯化氢能与游离胺化合成盐, 从而降低酰化反应速度。因此,反应时需要加入碱性物质,如 NaOH、Na2CO3、NaHCO3、CH3COONa、N(C2H5)3等,以中 和生成的氯化氢,使氨基保持游离状态,从而提高酰化反应的 收率。
NH2 Na2CO3, Na2SO4, H2O(少量) + CH3OSO2OCH3
50~60℃
CH3 N CH3 H3C
H3C
4.2.2 硫酸酯和磺酸酯用作O-烷基化试剂 在碱性催化剂存在下,硫酸酯与酚、醇在室温下即可顺 利反应,得到收率良好的醚类化合物。
OH
+ (CH 3)2SO 4
NaOH 10℃
NH2 + C2H5Cl
NaOH 120~220℃
N(C2 H5)2 + HCl
N,N-二甲基十八胺的苄基化产物是重要的阳离子表面活性 剂,制备的反应式如下:
CH3 C18H37 N CH3 + ClCH2C6H5
C18H37 CH3 N+ CH3 CH2C6H5Cl-
4.1.3 卤代烷作为O-烷基化试剂
将苯胺与丙烯酸甲酯以1:3~4的物质的量比混合,并加入乙 酸和对苯二酚,在120~150℃时可进行烷基化反应:
C6H5NH2 + 2CH2=CHCOOCH3
CH3COOH HO OH
C6H5N(CH2CH2COOCH3)2
4.3.2 醇、醛和酮 醇、醛和酮均是反应能力较弱的烷基化试剂,只适用于活 泼芳香族衍生物的烷基化,如苯、萘、酚和芳胺类化合物。
COOC2H5
脱质子
+Na CH
COOC2H5 COOC2H5
C4H9Cl 亲核取代
COOC2H5
4.1.2 卤代烷烃作为N-烷基化剂
NH3 + R-Z R'NH2 + R-Z R'NHR'' + R-Z RNH2 + HZ R'NHR + HZ R'NRR'' + HZ
R、R`、R``代表烷基,Z则代表-OH,-Cl、-OSO3H等基团。
第4章 烷基化反应和酰基化反应
烷基化反应是指在有机化合物分子中的碳、氮 、氧等原子上引入烃基的反应,包括引入烷基、烯 基、炔基、芳基等。
在有机化合物分子中的碳、氮、氧、硫等原子上 引入脂肪族或芳香族酰基的反应称为酰化反应。
4.1 常用的烷基化试剂——卤烷烃
卤代烷是一类比较活泼的烷化剂,比醇的活性高许多。 卤代烷烃中烷基相同时,活性大小顺序为:
4.4.2 用酸酐的N-酰化
用酸酐对胺类进行酰化反应的通式为:
R'NH2 + (RCO)2O R'NHCOR + RCOOH
这一反应是不可逆的,反应中没有水生成。酸酐的酰化活 性较羧酸强,最常用的酸酐是乙酸酐,在20~90℃反应即可顺 利进行,乙酐的用量一般过量5%~10%。
用酸酐对胺类进行酰化时,一般可以不加催化剂。
O C

O Cl
<
H3C
C

Cl
4.4.1 用羧酸的N-酰化 用羧酸对胺类化合物进行酰化是合成酰胺的重要方法,反应有 水生成,是一个可逆反应,其酰化反应通式为:
R'NH2 + RCOOH R'NHCOR + H2O
为了使反应进行到底,可使用过量的反应物,通常是用过量 的羧酸,并同时不断移去反应生成的水。移去反应生成水的方 法常常是在反应物中加入甲苯或二甲苯进行共沸蒸馏脱水,也 可采用化学脱水剂如五氧化二磷、三氯氧磷等移去反应生成的 水。
R'NH2 +CH3OSO2OCH3 R'NH2 +CH3OSO2ONa R'NH CH3 + CH3OSO2OH R' NHCH3 + NaHSO4
硫酸的中性酯很容易释放出第一个烷基,而要释放出第二个 烷基则比较困难。当分子中有多个氮原子时,可以根据各氮原 子的碱性不同,选择性地只对一个氮原子进行N-烷基化。 使用硫酸二甲酯的N-甲基化,一般是在水介质中缚酸剂存在下 进行,或者在无水有机溶剂中进行。硫酸二甲酯的优点是它可 以只让氨基烷化而不影响芳环中的羟基。 例如:对甲苯胺与硫酸二甲酯于50~60℃时,在碳酸钠、 硫酸钠和少量水存在的条件下,烷基化生成N,N-二甲基对甲苯 胺,收率可达95%。
OCH3
4.3 其他烷基化试剂
4.3.1 烯、炔 (1) 烯、炔用作C-烷基化试剂 烯烃也是常用的烷基化试剂,如乙烯、丙烯、异丁烯等, 催化剂一般选用三氯化铝,也有用三氟化硼、氟化氢作催化 剂。
δ+ δ-
HCl(气) + AlCl3(固) R—CH=CH2 + H—Cl[AlCl3]
δ+ δ-
H—Cl[AlCl3](溶液) [R—CH—CH3]AlCl4-
R'OR'OH
RHC O
CH2
[RCHCH2OR'] O-
RCHCH2OR' + R'OOH
高级脂肪醇能加成环氧乙烷生成高级脂肪醇聚氧乙烯醚型 非离子表面活性剂:
ROH + n H2C O CH2 RO (CH2CH2O )n H
高级脂肪酸也能加成环氧乙烷生成酯类聚氧乙烯型非离子表 面活性剂,是一种性能优良的乳化剂:
苯酚由于苯环对羟基的共轭效应,其酯化速率和K值也都相当 低。在制备酚酯时,不用羧酸而改用酸酐或酰氯作酯化剂。
4.5 O-酰化
O-酰化反应指的是醇或酚分子中的羟基氢原子被酰基取代而 生成酯的反应,也叫做酯化反应。几乎所有用于N-酰化的酰化 剂都可用于酯化,常用的酰化试剂有羧酸、酸酐和酯。 羧酸价廉易得,是最常的酰化试剂。但羧酸是弱酰化剂, 它只能用于醇的酯化,而不能用于酚的酯化。
一般地,醇分子中有空间位阻时,其酯化速率和K值降低, 即仲醇的酯化速率和K值比相应的伯醇(即正丙醇)低一些。
H2N + CH2O
浓HCl 100℃
H2 N
C H2
NH2
NH2
2 +
CHO
H2N
H C
NH2+ H2O
4.3.3 环氧乙烷 环氧乙烷的分子具有三元环结构,易开环与含有活泼氢的 化合物(如水、醇、氨、胺、羧酸及酚等)发生加成反应,环 氧乙烷是一种有较强活性的烷基化试剂。
K1
ArNH2 + H2 C O
H3C
R CH δ+ δ+ H—Cl[AlCl3]
+
[R—CH—CH3]AlCl4-

+
H CH 3 CH R
AlCl4-

(2) 烯、炔用作N-烷基化试剂
脂肪族或芳香族类化合物都能与烯烃发生N-烷基化反应, 反应是通过烯烃的双键与氨基上的氢加成而完成的。
RNH2 + CH2=CH—CN RNHCH2CH2CN + CH2=CH—CN RNHCH2CH2CN RN(CH2CH2CN)2
H O

H
O-
Ar
N: H
+ C R
Z
Ar
N H
+
C
Z
R
O
-HZ
Ar
NH
C
R
胺类化合物的酰化活性,其一般规律为: 伯胺>仲胺;脂肪族胺>芳香族胺 无空间阻碍的胺>有空间阻碍的胺 酰化反应活性的大小次序为:
O R C

O
O O C R
O
OH
<
R
C

<
R
C

Cl
对于同一类型的酰氯,当R为芳环时,由于芳环的共轭效应, 使羰基碳原子上的部分正电荷降低,因此芳香族酰氯的反应活 性低于脂肪族酰氯(如乙酰氯)。如:
CH2Cl + ZnCl2水解液 70℃~75℃
CH2
用氯乙酸的C-烷化反应可在芳环上引入羧甲基,用铝 粉作催化剂。例如,精萘、氯乙酸和铝粉在185~218℃ 搅拌5h,即得到农药和医药中间体萘乙酸:
CH2COOH
+ ClCH2COOH
铝粉 185℃~218℃
+ HCl
C-烷基可发生重排,反应中的烷基正离子可重排 成较为稳定形式的烷基正离子。例如:
RCOOH + n H2C O CH2 NaOH RCO O ( CH2CH2O )n H
需要特别注意的是,环氧乙烷的沸点较低(10.7℃),其蒸气 与空气的混合物的爆炸范围很宽,空气含量为3%~98%时都可爆 炸,因此在使用环氧乙烷前后,务必要用氮气转换容器内的气体。
4.4 N-酰化
N-酰化是将胺类化合物与酰化剂反应,在氨基的氮原子上引 入酰基而成为酰胺化合物的反应。 胺类化合物可以是脂肪族或芳香族胺类。常用的酰化剂有羧 酸、羧酸酐、酰氯以及酯等。
(1)醇用作烷基化试剂
酸性催化剂作用下,用醇对芳胺进行烷基化,温度不太高 (200~250℃)时,烷基首先取代氮原子上的氢,发生N-烷基 化。
NH2 + C4 H9 OH
ZnCl2 210℃, 0.8MPa
NHC4H9
+ H2O
(2)醛和酮用作烷基化试剂
醛或酮只适用于活泼芳香族衍生物的烷基化反应,常用于 合成二芳基或二芳基甲烷衍生物。 例如:过量的苯胺与甲醛在盐酸中反应,可以制备4, 4′-二氨 基二苯甲烷:
+ CH3 CH2 CH2Cl AlCl3 CH(CH3)2 70% + 30% CH2CH2 CH3
含活泼亚甲基氢的化合物如乙酰乙酸乙酯、丙二酸 二乙酯、2,4-戊二酮等与卤代烷的C-烷化反应可用于制 备其α-H被烃基取代的衍生物。
H C2H5ONa + H C COOC2H5
C4H9 C H COOC2H5
O-烷基化反应是制备醚的方法之一。许多芳醚的制备不宜采 用烷氧基化的合成路线,而需要采用酚羟基化(即O-烷基化)的合 成路线。 对于被烷基化的醇或酚来说,它们的负离子R-O-的反应活性 远远大于醇或酚本身的活性。因此,通常都是先将醇或酚与氢 氧化钠、氢氧化钾或金属钠相作用生成醇钠或酚钠,然后再与 卤代烷反应。
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