氯磷灰石

氯磷灰石负载金属卤化物催化傅克烷基化反应研究

武汉工业学院李浩061311212

一、傅克烷基化反应概述

1.1傅－克烷基化反应

碳—碳键形成反应是有机合成化学中最为重要的反应, 其中傅克反应则是构建与芳香化合物直接相连的碳—碳键最有效的方法之一。自从Friedel 与Crafts 报道了首例傅克反应后，一百多年来, 傅克反应受到了众多化学工作者的关注, 而且被越来越多地应用于复杂分子的合成中。傅－克烷基化反应反应物中需存在苯环和氯代烷，在目前大多使用氯化铝作为催化剂。在氯化铝的作用下，产生碳正离子，碳正离子进攻苯环取代上面的氢，最后产物为烷基芳香族化合物和氯化氢。

傅克烷基化反应是对芳香化合物衍生化的最为有效的方法之一，而不对称傅克烷基化反应则提供了合成手性芳基衍生物的直接途径。近年来有机催化中的不对称傅克烷基化反应引起了很多化学工作者的关注并取得了很大的进展, 它提供了一种非常有效的制备含有苄位手性中心化合物的方法。此反应具有操作简单、原子经济性高、产率和对映选择性高等优点.。通常，使用二级胺类化合物能够催化α,β-不饱和醛与芳香化合物的分子间或分子内的傅克烷基化反应、二级胺类化合物也能催化α,β-不饱和酮的傅克反应, 但是其结果从目前来说还不如伯胺类催化剂优异。手性磷酸催化剂比较多地应用于催化亚胺和烯胺类化合物的傅克反应，而手性硫脲催化剂在催化硝基烯烃类化合物时应用较多, 也可催化一些亚胺及醛、酮类化合物的反应。然而，该反应目前还有很大的局限性。如底物的适用范围相对较窄, 对芳基化合物还主要集中于一些富电子的芳环或芳杂环如吲哚、呋喃等，芳基受体主要集中于一些具有强吸电子基团活化的双键或羰基化合物及类似物. 此外，一些成功得以应用的手性催化剂也比较有限。因此，对于有机催化的不对称傅克烷基化反应目前仍需要发展新型的催化剂，进而拓宽底物范围，提高反应活性，并获得更高的对映选择性。我们有理由相信，随着目前国际上对有机催化领域研究的广泛深入，有机催化的不对称傅克烷基化反应将会得到更快的发展，成为学术界和工业界都有重要影响和应用的不对称反应。在该论文中研究的傅克烷基化反应亦属于不对称的傅克烷基化反应的范畴。

虽然傅克烷基化反应能够高效地将芳香化合物衍生化，且原子利用率高，但是这类反应有个严重缺点，由于烷基的给电子性，反应产物比起反应物具有更高的亲核性。于是苯环上的另一个氢容易继续被烷基所取代，这导致了过烷基化现象，产生了副产物。由于反应是可逆的，副产物中还可能出现反应物中的烷基被其他基团所取代的产物（被氢取代时，也称为傅－克脱烷基化反应）；长时间的反应也会导致基团的移位，通常是

转移为空间位阻较小、热力学稳定的间位产物。另外，如果氯不是处于三级碳原子（叔碳原子）上，有可能发生碳正离子重排。

1.2 常见的傅克烷基化剂

常用的烷基化剂有卤烷、烯烃和醇类等，最重要的是烯烃。

(1) 卤烷：烷基相同时，卤原子不同时反应活性为：RCl >RBr>RI，卤原子相同，烷基不同时反应活性为：

CH3X >R3CX > R2CHX > RCH2X > CH3X

常用AlCl3、ZnCl2为催化剂，属于亲电取代反应，

A 芳环上有给电子基团：(1) 烷基，(2)－NH2、－OR、—OH等，有利于反应；

B 芳环上有吸电子基团：(1)－X、羰基、羧基等，(2) 硝基（－NO2），腈基（－CN），不利于反应的进行；

C 烷基进入芳环的位置：(1) 低温、低浓度、弱催化剂、短时间，烷基进入的位置遵循亲电取代反应的规律，(2) 、不在上述条件下，烷基进入的位置缺乏规律。

(2) 烯烃：乙烯、丙稀、异丁烯、还有长链的端位烯烃；一般AlCl3作催化剂，也可用BF3、HF为催化剂。

(3) 醇类、醛、酮：醇类、醛、酮也可以作为烷基化剂。主要用于芳环上有活泼基团的化合物烷基化，一般选用硫酸、氯化锌作催化剂。

1.3常见的催化剂

催化剂的作用是将烷基化剂转化成活泼的亲电质点－烷基正离子，以促进亲电取代反应的进行。可以用于该反应的催化剂的物质有：路易斯酸、质子酸、酸性氧化物和阳离子交换树脂等。不同的催化剂的活性相差很大，活性较强的催化剂适用于不太活泼芳烃的烷基化，而芳烃比较活泼时，则选择较为温和的催化剂。

(1) 路易斯酸

活泼顺序：AlBr3 > AlCl3 > FeCl3 > SbCl5 > SnCl4 > BF3 >TiCl4 > > ZnCl2

最重要的氯化铝、氯化锌和氟化硼，路易斯酸共同特点是有一个缺电子的中心原子，能够接受电子形成带负电荷的碱性试剂，同时形成活泼的亲电质点。

A ：AlCl3。最广泛使用的傅－克反应的催化剂。无水AlCl3为白色的晶体，熔点192.0℃，180℃升华，440℃以下以二聚体形式存在。新制的无水AlCl3几乎不溶于烃类，对烯烃的C－烷基化没有活性，而当少量的水分或氯化氢存在时才能显示其催化活性。空气中少量的水使AlCl3水解，所以AlCl3总含有少量的气态氯化氢。在液态烃中HCl能与AlCl3形成络合物，这个络合物能与烯烃作用生成烷基正离子。无水AlCl3能溶于大多数的液态卤烷中，形成烷基正离子。

优点：价廉易得，催化活性好，技术成熟，应用范围广；缺点：有铝盐废液生成，

不易分离，易吸水，对于活泼芳香族化合物的烷基化反应有副反应。用氯烷作烷基化试剂时，可直接用金属铝为催化剂，因烷基化反应中生成的氯化氢能与金属铝作用生成AlCl3络合物。在间歇反应中用铝丝，在连续反应中用铝锭或者铝球。工业上生产烷基苯时，通常用AlCl3－盐酸络合物催化剂溶液，是由无水AlCl3－多烷基苯和少量的水配置而成的，俗称红油。不溶于烷基化产物，易分离，能循环使用。只要补充少量的AlCl3就能保持催化活性，比直接用AlCl3的副反应少。可用于连续化生产。

B：磷酸和多磷酸是良好的催化剂。工业上将磷酸负载在载体上(SiO2、γ－Al2O3、硅藻土)制成固体催化剂，用于烯烃气相催化烷基化反应。催化活性组分为焦磷酸H4P2O7。磷酸在200℃脱水生成焦磷酸，300℃脱水成偏磷酸。偏磷酸无催化活性，因此在反应原料中加微量的水10~100ug•g-1。过多会使催化剂破碎，结块或软化失活且堵塞催化层。

优点：烷基化时，无氧化副反应，也不会发生类似磺化的取代反应，对含活泼基团的芳烃烷基化比用AlCl3和H2SO4效果好。缺点：价格比AlCl3和H2SO4贵的多，使用受到限制。

C：阳离子交换树脂是烯烃、卤烷和醇进行烷基化反应的有效催化剂。

优点：副反应少，易回收、可循环使用。缺点：使用温度不能过高。失效后不易再生。

D：酸性氧化物。单独使用催化活性很小，组合后有很高的活性。天然物：沸石、硅藻土、膨润土、钒铝土等。合成物：分子筛。常用的硅－铝催化剂(SiO2-Al2O3)主要用于气相催化烷基化反应。

1.4反应特点：

A ：C－烷基化是连串反应：由于烷基是给电子基团，在芳环上引入烷基后，芳环上的电子云密度反而比原来的芳烃高，使芳环更加活化，进一步烷基化的速度比苯快 1.5~3.0 倍。因此苯在烷基化生成单烷基苯很容易继续烷基化生成二烷基苯或多烷基苯。但是，随着烷基数目的增多，空间阻碍效应也增加，一般会生成三烷基苯，四烷基苯生成量很少。控制反应原料苯和烷基化的用量比，并选择合适的催化剂和反应条件，可以使产物以某种产物为主。

B：C－烷基化反应是可逆反应，R基可以发生位置转移及分子间转移。工业上利用这一特殊性，使用过量的苯，使多烷基苯向单烷基苯转移。

C：烷基可能重排

二、研究方案

该实验利用氯磷灰石（缩写为ClAp）负载金属卤化物作为催化剂催化傅克烷基化反