第四章 烷基化反应

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第四章 烷基化反应和酰基化反应
胡俊

金浪浪

柯恒
Biblioteka Baidu
烷基化反应是指在有机化合物分子中的碳、氮、氧等原子上引入烷 基、烯基、炔基、芳基等的反应。其中以引入烷基最为重要,尤其 是甲基化。乙基化和异丙基化最为普遍。广义的烷基化还包括在有 机化合物分子中的碳、氮、氧、硫原子上引入羧甲基、羟甲基、氯 甲基、氰乙基等基团的反应。
由于甲基硫酸钠的烷化能力弱,通常只利用硫酸二甲酯中的一个甲基 参与N-甲基化反应
硫酸的中性酯很容易就释放第一个烷基,第二个烷基较为困难。当
分子中有多个氮原子时,根据碱性的不同,有选择的对一个氮原子进 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。其优点是只让氨基烷化不 影响芳环中的烃基
2F F
+C C l4
A lC l3 -5 -0 o C
F
C l C l
F + 2 H C l
C l C l
F+H 2 O
加 热
F
O C
F+ 2 H C l
氯代正十二烷与二笨醚在无水三氯化铝作用下
C 1 2 H 2 5 C l + O 6 A 0 l C o C l 3 C 1 2 H 2 5 O + H C l
在镀银高压釜中加入间氨基苯磺酸钠水溶液和氯乙烷。
N H 2
N ( C 2 H 5 ) 2N ( C 2 H 5 ) 2
2 - 2 . 5 M P a N a O H
+ C 2 H 5 C l 1 3 0 - 1 4 0 o C 3 0 0 o C
S O 3 N a
S O 3 N a O H
4.1.3 卤代烷作为O-烷基化试剂
N H C H 2 C H 2 C N C H 2 C l +
H 2 N C H 2 C H 2 C N C
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
C 1 8 H 3 7 N C C H H 3 3 + C l C H 2 C 6 H 5 C 1 8 H 3 7 N C C H H 3 3 C H 2 C 6 H 5 C l
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基化反应。酰基引入氮原子上合成酰胺类化 合物;酰基引入碳原子上合成芳酮或芳醛;硫原子上引入酰基主要 是合成硫酸酯类化合物;氧原子上引入主要是合成酯类化合物,习 惯上把这种氧酰化称为酯化反应。
4.1 常用的烷基化试剂 4.2 常用的烷基化试剂 4.3 其他烷基化试剂 4.4 N-酰化 4.5 O-酰化 4.6 C-酰化
δ + δ - H R C H C H 2 + H C l A l C l 3 R C C H 3 A l C l 4
H 3 C R + R C H C H 3 A l C l 4 慢 C H H C H 3 . A l C l 4 快 C H + H C l A l C l 3
R
在整个烷基化过程中,烯烃的加成遵循马科夫尼科夫规则(马氏规则)
7 0 % 3 0 %
C-烷基化是可逆反应,烷基苯在强酸作用下能发生烷基的转移或迁
移,苯环上的烷基可以转移,或者烷基发生转移。苯不足量时有利于
生成二烷基苯或多烷基苯,苯过量时有利于烷基的转移,使多烷基苯
向单烷基苯转换。
R
R
+ R 2
一个饱和碳原子上,若连有某些不饱和官能团如硝基、羰基、氰基
或者苯基是,与该官能团连接的碳原子上氢都具有一定酸性。或者说 这个饱和碳原子由于它们的存在而被活化了,故这类化合物称为活泼 亚甲基化合物。
Z n C l 2 水 解 液
H 2 C
7 0 o C - 7 5 o C
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
铝 粉 + C l C H 2 C O O H 1 8 5 - 2 1 8 o C
C H 2 C O O H +H C l
用四氯化碳进行C-烷化可用于制备二苯甲烷和三苯甲烷的衍生物。
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。
在这些酯类中,可以代替卤代烷,具有实用价值的是硫酸二酯,其N烷基化的反应如下:
R ' N H 2 + C H 3 O S O 2 O C H 3 R ' N H C H 3 + C H 3 O S O 2 O H R ' N H 2 + C H 3 O S O 2 O N a R ' N H C H 3 + N a H S O 4
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。
O H
O N a
+ ( C H 3 ) 2 S O 4 N 1 a 0 O o C H + C H 3 O S O 3 N a
C H 2 C H 2 O H
C H 2 C H 2 O C H 3
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 反应条件下或者芳环上有其他活化取代基存在是才能进行。通常的催化 剂是铜盐。
C l N H C H 3 铜 盐
C H 3 N H 2 +
溴代烷与苯胺[摩尔比为1:(2.5~5)]混合物共热6~12h,即可得到相应 的苯胺、N-异丙基苯胺或者N-异丁基苯胺。
N H 2 + C H 3 O S O 2 O C H 3 N a 2 C O 3 , 5 0 N - 6 a 0 S o O C 4 , H 2 O ( 少 量 ) N C H C 3 H 3
C H 3
C H 3
芳磺酸酯也是一种强烷基化剂。烷基化的芳磺酰氯应在反应前制备,
由芳磺酰氯与相应的醇在氢氧化钠存在下与低温反应,即成为芳磺 酸酯。芳磺酸酯用于芳胺烷基化的反应通式为:
O N a
O C H 3
7 0 - 1 2 0 o C , 1 . 5 M P a
+ 2 C H 3 C l N a O H + N a C l
O N a
O C H 3
在氢氧化钾和相转移催化剂聚乙二醇-400的作用下,酚类与卤代烷的 反应非常顺利,如:
O H O C H 3 聚 乙 二 醇 — 4 0 0
含活泼亚甲基氢的化合物可以与卤代烷的C-烷化反应可用于制备其 α-H羟基取代的衍生物。
含活泼亚甲基氢的化合物可以与卤代烷的C-烷化反应可用于制备其 α-H羟基取代的衍生物。亚甲基上的活泼氢在强碱作用下脱质子形成 碳负离子,再与卤烷发生亲核取代反应而使亚甲基氢被一个或者两个 烷基取代。
H
C 2 H 5 O N a+
卤代烷 硫酸酯和磺酸酯
4.1 常用的烷基化试剂-卤代烃
卤代烃是一类比较活泼的烷化剂,比醇的活性高很多,对于某些 难烷化的芳胺,常用卤代烃作烷化剂。卤代烷的结构对反应活性有 很大的影响。
烷基相同时,卤素原子不同,反应活性不同 R – I > R – Br > R - Cl
卤素相同时,烷基不同时,反应活性也不同
H 3 C ( C H 3 ) 3 C C lH 3 C C ( C H 3 ) 3 A l C l 3
C-烷基可发生重排,反应中的烷基碳正离子可重排成较为稳定的离子
+ C H 3 C H 2 C H 2 C l A l C l 3 C H ( C H 3 ) 2 + C H 2 C H 2 C H 3
C O O C 2 H 5 C H C O O C 2 H 5
脱 质 子C 2 H 5 O H + N a C C O O C 2 H 5 H C O O C 2 H 5
C 4 H 9 C l +N a C C O O C 2 H 5
亲 核 取 代 C 4 H 9 C O O C 2 H 5
C
+ N a C l
X > R3CX > R2CHX > RCH2X > CH3X
苄氯活性最大少量少量氯化锌等就可反应,氯甲烷活性最差,需 大量氯化铝并加热才可以反应。氯代烷是最常见的烷基化试剂。
4.1.1 卤代烷用做C-烷基化试剂
C-烷基化反应是在催化剂作用下进行的。通常工业上使用的有两 大类:一类是路易斯酸,主要金属卤化物,如AlCl3 、FeCl3、SbCl5 等树脂;。另此一类外是还质有子其酸他,类其型中的最催重化要剂的,是如H酸F性、氧H2化SO物4、、阳有离机子铝交化换物等。
+ C H 3 I + K O H C H 2 C l 2 , H 2 O + K I + H 2 O
用氯乙酸做烷基化剂可用于制备苯氧乙酸类的化合物。
O H O C H 2 C O O N a + C l C H 2 C O O H + 2 N a O H 甲 苯 8 — 5 o 水 C , , 6 P h T C
烷基化常发生碳正离子重排,稳定顺序是R3C+>R2CH+>RCH2+ 所以伯烷不易生成C+,叔卤烷与仲卤烷易生成R+或 离子对。
芳烃的亲电烷基化反应,可表示为
+R + ...A lC l4 - 快
H

R . A lC l4
R + H C l +A lC l3
苄基氯在酸性条件下,可在芳环上引入苄基
C H 2 C l +
+ ( C H 3 ) 2 S O 4 ( n - C 4 H 9 ) 4 N + I -
9 0 %
在O-烷基。化过程中硫酸酯或磺酸酯的结构影响着反应的活性
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 烯烃也是常见的烷基化试剂
δ + δ H C l ( 气 ) + A l C l 3 ( 固 ) H C l A l C l 3 ( 溶 液 )
卤代烷的烷基化一般是采用路易斯酸做催化剂(必须无水)。使 用三氯化铝作为催化剂,其活泼亲电试剂的生成可用下式表示:
δ +δ -
R C l +A lC l3
R - C l:A lC l3+R + ...A lC l4 -
三氯化铝形成碱性试剂,使卤代烷转换为活泼的烷基正离子,成为
亲电试剂。生成的离子对在进攻芳环发生烷基化反应。
卤代烷的O-烷基化是亲核取代反应,卤代烷是亲核试剂。对于被 烷基化试剂的醇或者酚来说它们的负离子R-O- 的反应活性远远大于 醇或者酚本身的活性。
R O H + N a O H R O - N a + + H 2 O
R O - N a + + X A l k R O A l k + N a X
如果使用的卤代烷沸点较高,则需要在高压釜中进行。
卤代烷作烷基化试剂进行烷基化反应,是一类非常重要的 反应。用这类反应可以制得一些重要的酚醚。
O C H 2 C O O H O C H 2 C O O H H C l C l N O C H 3
C l C l C l
4.2 常用的烷基化试剂—硫酸酯和磺酸酯
硫酸酯和芳磺酸酯都是很强的烷基化剂,这类烷基化剂的沸点较 高,反应可在常压下进行,但由于酯类的价格比醇类和卤代烷都高, 其实际应用不如醇和酯广泛
N H 2 N a O H N ( C 2 H 5 ) 2 + C 2 H 5 C l 1 2 0 o C - 2 2 0 o C + H C l
N-乙基苯胺或N-氰乙基苯胺在90~100oC下与氯化苄作用,可得到相应 的苄基衍生物。
N H C 2 H 5 C H 2 C l +
H 2 C 2 H 5 N C
4.1.1 卤代烷烃作为N-烷基化剂
脂肪族、芳香族胺或氨中氮原子上的氢被烷基取代,或者通过加成而 在氮原子上引入烷基的反应都称为N-烷基化反应。反应通式如下:
N H 3 + R Z R N H 2 + H Z R ' N H 2 + R Z R ' N H R + H Z
R ' N H R " + R Z R ' N H R " + H Z
在芳环上引入叔丁基时,一般用异丁烯做C-烷化剂,小批量精细化工 常用氯代叔丁烷作C-烷化剂。
( C H 3 ) 3 C C l
C ( C H 3 ) 3 ( H 3 C ) 3 C C ( C H 3 ) 3
A l C l 3 , 3 0 o C ( H 3 C ) 3 C +
用类似的方可以从甲苯和氯代叔丁烷制得对叔丁基甲苯:
H C O O C 2 H 5
H C O O C 2 H 5
亚甲基上所连接基团的吸电子能力越强,则亚甲基上氢的酸性越大
C H 3 C O C H 2 C O C H 3 + C H 3 I K 2 C O 回 3 流 , 丙 酮 C H 3 C O C C H H C 3 O C H 3 7 5 % - 7 7 %
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