第七章 烷基化反应

7.2.1 C—烷基化反应历程
用烯烃烷基化 用卤烷烷基化 用醇烷基化 用醛和酮烷基化 芳环上的C—烷基化都是酸催化下的亲电取 代反应，催化剂的作用是使烃化剂极化成活 泼的亲电质点。
在Lewis酸催化作用下，芳烃及其衍生 物与烯烃、卤烷、酰卤、酸酐等活性组分反 应形成新的C-C键的反应，叫做傅氏反应。 引入烷基的反应叫做傅氏烷基化反应； 引入酰基的反应叫做傅氏酰基化反应。
烷基化剂
（1）卤烷：CH3Cl, CH3I, C2H5Cl, C2H5Br, ClCH2COOH, Ph-CH2Cl; （2）酯类：(RO)2SO2, PhSO2OR, CH3-Ph-SO2OR, (RO)3PO; （3）醇类和醚类：CH3OH, C2H5OH, n-C4H9OH, C12H25OH, CH3OCH3, C2H5OC2H5; （4）环氧化合物： H2C
一、用烯烃烷基化
质子酸催化：
H2C CHR + H + RCHCH3
R CHCH3 H R CHCH3 + H+
+ RCHCH3
AlCl3催化：必须加入微量共催化剂氯化氢，提供质子
HCl（气）+AlCl3（固） H.....Cl AlCl3
δ δ
R—CH=CH2 + H.....Cl AlCl3
δ
氢氟酸 不易引起副反应 ，反应后氟化氢可以加热蒸 出，凝固点低（－８３.５℃）可在低温使用。 可用于多种类型付－克反应催化剂 ，但具有 强腐蚀性，且其价格较贵，目前在工业上主要用 于十二烯与苯反应制十二烷基苯的催化剂。
磷酸 工业上多是将磷酸沉积在载体（硅藻土、硅 胶或沸石载体）上制成固体磷酸催化剂，用于烯 烃的气相催化烷基化。例如丙烯和苯制异丙苯。
第七章 烷基化反应
§7.1 概述 §7.2 芳环上的C-烷基化 §7.3 N—烷基化 §7.4 O—烷基化 §7.5 相转移催化反应
7.1 概述
在有机化合物分子中的碳、硅、氮、磷、 氧或硫原子上引入烃基的反应，叫做烷基化反 应。
烃基：烷基（-R） 烯基（-C=C-）、炔基（-C≡C-） 芳基（-Ar） 取代烃基(-CH2COOH,-CH2CH2OH,-CH2CH2CN)
R2NH + H
R2NH + R
R2N H
R
R 3N + H
R3N + R
• 酸催化的亲电取代
R 4N
• 连串反应，可逆反应。
胺的碱性越强，反应越易进行。碱性：脂肪 胺＞氨＞芳胺。 乙醇、异丙醇、丁醇等。
醇类是弱烷化剂，用于引入短碳链，如甲醇、
用醇N—烷化反应的反应条件： 用醇作烷基化剂一般进行液相反应：高压 釜，200-230℃，一定压力，催化剂（常用 酸性如浓硫酸、PCl3等）
δ
[R—CH—CH3]AlCl4
烯烃是常用的烷基化剂（便宜、来源广） 符合马式规则
（CH3）2C=CH2 + H
+ CH2=C（CH3）2
H
（CH3）3C
C（CH3）3
用烯烃作Ｃ－烷基化剂时，总是引入带支链的烃
二、用卤烷烃化
δ+ δ-
R Cl + AlCl 3
R Cl: AlCl 3
分子络合物
离子对或离子络合物
三、用醇进行烷基化——活性较弱
ROH + H+ ROH2
-HCl
R+ + H2O
ROH + AlCl3
ROAlCl2
R + AlOCl2
用质子酸或路易斯酸催化 用三氯化铝催化剂，因醇烷基化生成的水会分解三氯化 铝，所以需用与醇等摩尔比的三氯化铝。 ROH＋ArH＋AlCl３→ArR＋Al(OH)Cl２＋HCl
醇对芳胺的Ｃ－烷基化
NH2
+C4 H9OH, -H2O ZnCl2 210 C, 0.8MPa
o
NHC4H9
异构化 ZnCl2 o 240 C, 2.2MPa
NH2
C4 H9
因此，芳胺的Ｃ－烷基化都在较高温度 （250℃以上）进行。
醇对酚的Ｃ－烷基化
OH
+ CH3OH
浓硫酸 回流6h
OCH3
+ H2O
+ 2HO
H
HO
双酚A
CH3 C CH3
OH
塑料抗氧化剂
二、活泼亚甲基化合物的C—烷基化反应
O O EtONa/EtOH CH C CHC OC H5 H3C C CH C OC H5 3 2 2 2
回流 烯醇负离子
O
O
O O CH C CHC OC H5 3 2
碳负离子
n-C4H9Br,EtOH 回流
6位
7.2.3 催化剂
路易斯酸 主要是金属的卤化物，其中最常用的是三 氯化铝； 质子酸 最主要的是氢氟酸、硫酸和磷酸。 其他类型的催化剂 如酸性氧化物、烷基铝、阳离子交换树脂等
路易斯酸催化活性：
ＡlCl３>FeCl３≥SbCl5>SnCl4>BF３>TiCl4>ZnCl2
无水ＡlCl３
是各种Friedel-Crafts反应最广泛使用的催化剂， 用于不含强供电基芳烃的C-烃化 红油：无水三氯化铝与烷化剂或芳烃形成的配合 物（俗称红油）是连续烷化的良好催化剂
NH2
+C4H9OH/-H2O
NHC4H9
异构化 ZnCl2催化 240℃，2.2MPa
NH2
ZnCl2催化 210℃， 0.8MPa
C4H9
注意在液相N—烷基化时反应温度的控制 （一般低于200℃）
重要产品举例
N,N-二甲基苯胺、N-乙基苯胺——高压液相法
NH2 + 2CH3OH ２００℃ 高压釜 浓H2SO4 N（CH3）2
主要工艺条件
ArNH２＋R—X→ArNHR＋HX ArNHR＋Ｒ—Ｘ→ArNR２＋HX 当芳胺与卤烷的摩尔比略大于１：２（即卤烷稍过 量），可以得到高收率N,N-二烷基叔胺；制N –烷基 仲胺时要用不足量的卤烷 烷化温度一般不超过100℃
需用缚酸剂（如NaOH、Na２CO3、NaＨCO3、Ca(OH)2等）
R+ AlCl 4
δ +δ R Cl: AlCl 3
分子络合物
离子对或离子络合物
R+ AlCl4
R + AlCl4
慢 Ar H Ar H R
Ar
AlCl4
H R AlCl4
Ar H 慢
快
Ar R + AlCl3 + HCl
当R相同时:
RF>RCl>RBr>RI
一般来说, 卤代芳烃不反应 当X相同时： RCH=CH2X≈ PhCH2X>(CH3)3CX> R2CHX>RCH2X>CH3X
O—H
+ AlCl3
-HCl
OAlCl2
O=AlCl2
酚类烷基化时不能用ＡlCl３催化
三氟化硼：活泼的催化剂 ，可用于酚类的Ｃ－烷化 其他路易斯酸： 如ZnCl2 、FeCl３、TiCl4是温和催化剂，用于含 强供电基芳烃的Ｃ－烷化
质子酸
HF>H2SO4>P2O5>H3PO4
硫酸 广泛应用于烯烃、醇、醛和酮为烷化 剂的Ｃ－烷基化。 注意硫酸浓度的选择
低级醇价格便宜，供应量大，广泛用于苯 胺及甲苯胺的N—烷基化 如甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇等
R1NH2 + ROH
R1NHR + ROH
H
H
R1NHR + H2O
R1NR2 + H2O
R1NR2 + ROH
H
R1NR3 + OH
反应历程：
R OH + H
RNH2 + R R
R OH2
NH2 R
R + H2O
CH2 O
,
H3C HC O
CH2
；
（5）烯烃和炔烃：CH2=CH2, CH3CH=CH2, R-CH=CH2, CH2=CHCN, CH2=CHCOOCH3, CH≡CH; （6）羰基化合物：HCHO, CH3CHO, C3H7CHO, Ph-CHO, O CH3COCH3,
C-烷基化 N-烷基化 O-烷基化
四、用醛、酮进行烷基化
O R C H+H R C OH H
O R C R' + H
— —
OH RC R'
— —
— —
H
Ar—H + C—OH R
-H2O 脱水缩合
H R
Ar—C
+ArH -H
H
Ar—C—Ar R
醛和酮都是较弱的烃化剂，应用较少，常用于合成 二芳基或三芳基甲烷衍生物。
7.2.2 芳环上C—烷基化反应的特点
AlCl3
3Байду номын сангаас%
CH CH3
CH3 70%
CH3(CH2)9-CH=CH2
氢转移
+H
CH3(CH2)9—CH—CH3
2位 氢转移
CH3(CH2)8—CH—CH2CH3
3位
CH3(CH2)7—CH—(CH2)2CH3
4位
氢转移
CH3(CH2)6—CH—(CH2)3CH3 氢转移
5位
CH3(CH2)5—CH—(CH2)4CH3
相对于烯烃而言，氯烷对芳环的Ｃ－烷化在 工业上应用较少，因为氯烷不如相应烯烃价 廉易得。
Cl CH2Cl +
ZnCl 2 85~90 C
o
Cl
CH2
+ HCl
• 制备不对称的二苯甲烷衍生物时，需用氯苄 或它的取代衍生物作Ｃ－烷基化剂。
醇、醛、酮对芳环的Ｃ－烷基化
醇、醛、酮均是反应能力较弱的烷基化 剂，它们只适用于活泼芳族衍生物的烷基 化，如苯、萘、酚和芳胺类化合物。
烷基铝
是用烯烃作烷基化剂时的一种特殊催化剂。 其特点是能使烷基有选择性进入芳环上氨基或羟 基的邻位。 酚铝(C6H5O)3Al是苯酚邻位C—烷基化的催化 剂，苯胺铝(C6H5NH)3Al是苯胺邻位C—烷基化 的催化剂。
7.2.4 反应实例
烯烃对芳环的Ｃ－烷基化
+ CH2=CH—CH3 AlCl3或H3PO4-SiO2
OH OH + (CH3)3COH
磷酸催化 二甲苯溶剂，回流
OH OH C(CH3)3 + H2O
醛、酮对芳环的Ｃ－烷基化
SO3H
2
+ CH2O
130oC 稀硫酸 HO3S
CH2
+ H2O 扩散剂Ｎ
SO3H
NH2
CHO
2
+
浓盐酸 140~150 C
o
H2N
CH
NH2 + H2O
CH3 C O CH3
总结：
低级醇价格便宜，供应量大，工业上适用 于活泼芳胺的烃化，但反应往往要求相当 高的反应温度，并用催化剂加速反应，条 件较激烈。
二、用卤烷的N—烷基化反应
卤烷是N—烷基化常用的烷基化剂，其反 应活性较醇强，价格比相应的醇要高。常 用于引入长碳链的Ｎ－烷基化。 对于较难烷基化的胺类，如芳胺的磺酸或 硝基衍生物，也要采用卤烷作烷化剂。 苄基化或羧甲基化多用卤烷为烷化剂。
O O CH3CCHCOC2H5 （69%~72%） C4H9 -n
7.３ N—烷基化
N—烷基化反应：脂肪胺或芳胺中氨基上 的氢原子被烃基取代的反应称为N—烷基 化反应。 Ｎ－烷基化剂：醇、卤烷、酯、环氧化合 物、烯烃衍生物、醛和酮。 N—烷基化类型：取代型、加成型和缩 合—还原型。
一、用醇的N—烷基化反应
学习重点
芳烃的C-烷基化（F-C反应)历程、特点 氮原子上的烷基化反应历程、烃化剂种类、特点 及应用范围 氧原子上的烷基化反应历程、烃化剂种类、特点 及应用范围
7.2 芳环上的C-烷基化
7.2.1 C—烷基化反应历程 7.2.2 芳环上C—烷基化反应的特点 7.2.3 催化剂 7.2.4 反应实例
C—烃化是连串反应 k2/k1≈1.5~3.0 ；单烷基化要用不足量的烯烃烷化剂 C—烃化是可逆反应
R R + H+ R H R R + R+
R + R 2 R
在强酸催化剂下，可以使副产物多烷基苯减少，并增加单 烷基苯的总收率。
7.2.2 芳环上C—烷基化反应的特点
烷基正离子可能发生重排
CH2CH2CH3 CH3CH2CH2Cl +
NH2 + CH3OH
200 C K1
o
NHCH3
CH3OH K2
N(CH3)2
K2/K1=1000
NH2 + C2H5OH
200 C K1
o
NHC2H5
C2H5OH K2
N(C2H5)2
K2/K1=1/4
N -甲基苯胺——气固相接触催化法 N -甲基苯胺不能用苯胺与甲醇的高压 液相法，而采用气固相接触催化法。工艺 条件：催化剂(Cu－Zn／Al２O３)，H２， 250℃，常压。
三、用酯的N—烷基化反应
O R-O-S-O-R O O Ar-S-OR O O HO-P-OR OH
硫酸二烷基酯
芳磺酸酯
磷酸单酯
均为活泼N—烷基化剂。 反应可在常压下进行。由于价格比相应的醇或卤 烷都高，其实际应用不如醇和卤烷广泛。
硫酸酯的N—烷基化 （硫酸二甲/乙酯）
O 易 R'NH2 + CH3 O S O CH3 R'NHCH3 + CH3OSO3H O O δ δ 难 R'NH2 + CH3O S ONa R'NHCH3 + NaHSO4 O
CH（CH3）2
三氯化铝－盐酸络合物 －－液相法 磷酸／二氧化硅固体催化剂－－气相法
烯烃对酚类的Ｃ－烷基化
OH
—
CH3
OH 阳离子交换树脂 80~240oC C（CH3）3
+ CH2=C—CH3
OH
—
CH3
OH 苯酚铝催化 约200oC，约2.2MPa —C（CH3）3
+ CH2=C—CH3
卤烷对芳环的Ｃ－烷基化