羥基化教學(xué)講解課件

第十二章羥基化

第一節(jié)

概述

一、羥基化反應(yīng)及其重要性羥基化是指向有機(jī)化合物分子中引入羥基制得醇、酚等物質(zhì)的反應(yīng)。羥基化產(chǎn)物在精細(xì)化工中具有廣泛的用途，主要用于生產(chǎn)合成樹(shù)脂、各種助劑、染料、農(nóng)藥、表面活性劑、香料和食品添加劑等。另外，通過(guò)酚羥基的轉(zhuǎn)化反應(yīng)還可以制得烷基酚醚、二芳醚、芳伯胺和二芳基仲胺等許多含其他官能團(tuán)的重要中間體和產(chǎn)物。

二、羥基化方法磺化堿熔、水解等。

第二節(jié)

芳磺酸鹽的堿熔

一、堿熔反應(yīng)及其影響因素1.堿熔反應(yīng)概述★（1）反應(yīng)機(jī)理：屬于親核置換反應(yīng)（2）舉例：例如2-萘酚鈉的合成：

芳磺酸鹽在高溫與熔融的苛性堿溶液作用下，使磺酸基被羥基所置換的反應(yīng)稱為堿熔。生成的酚再用無(wú)機(jī)酸酸化，即轉(zhuǎn)變成游離酚。

★2.影響因素（1）磺酸的結(jié)構(gòu)堿熔反應(yīng)屬于親核置換反應(yīng)，因此芳環(huán)上含有吸電子基（如磺酸基和羧基）時(shí)，對(duì)磺酸基的堿熔起活化作用。（2）無(wú)機(jī)鹽的影響在用熔融堿進(jìn)行堿熔時(shí)，磺酸鹽中無(wú)機(jī)鹽含量要求控制在10%（質(zhì)量分率）以下。（3）堿熔的溫度和時(shí)間不活潑芳磺酸的堿熔反應(yīng)需在較高的溫度下（300~400℃）進(jìn)行，活潑的芳磺酸可在較低的溫度（180～270℃）進(jìn)行，更活潑的萘系多磺酸的堿熔反應(yīng)可在更低的溫度下進(jìn)行。必須根據(jù)具體反應(yīng)選擇適宜的堿熔溫度和時(shí)間。（4）堿的濃度和用量磺酸鹽堿熔時(shí)，磺酸鹽與堿熔劑的理論用量比是1：2（物質(zhì)的量比），但實(shí)際上堿必須過(guò)量。二、堿熔方法1.用熔融堿的常壓堿熔（常壓高溫堿熔）此法主要用于磺基活潑的情況，也可用于單磺酸或多磺酸中的磺基完全被羥基置換。用這種方法可以制得苯系和萘系許多酚類，重要的有苯酚、間苯二酚、混合甲酚、1-萘酚、2-萘酚等。

2.用濃堿液的常壓堿熔（常壓中溫堿熔）萘系的某些多磺酸、氨基和羥基多磺酸可用70~80%苛性鈉溶液進(jìn)行常壓堿熔。反應(yīng)溫度是常壓下堿液的沸點(diǎn)（180~270℃）。此法可使萘多磺酸中的一個(gè)磺基被羥基置換，而氨基和其他磺基則不受影響。

3.用稀堿液的加壓堿熔（加壓中溫堿熔）萘系的多磺酸也可以用稀堿液（20~30％）在180~230℃進(jìn)行堿熔。因這種反應(yīng)溫度已超過(guò)了稀堿液的常壓時(shí)的沸點(diǎn)，所以堿熔過(guò)程需要在壓熱釜中進(jìn)行。通過(guò)控制反應(yīng)溫度和堿濃度來(lái)控制多磺酸中磺基被置換的數(shù)目或控制芳環(huán)上的氨基是否被水解。

三、應(yīng)用實(shí)例★1.2-萘酚的制備2-萘酚及其磺酸衍生物是合成染料、有機(jī)顏料、農(nóng)用化學(xué)品、醫(yī)藥化學(xué)品、香料以及表面活性劑的重要中間體。萘的高溫磺化-堿熔法是生產(chǎn)2-萘酚的主要方法。它是在堿熔鍋中加入熔融堿，在285～320℃下慢慢加入2-萘磺酸鈉濕濾餅（含β-鹽70%～80%），物質(zhì)的量之比為1:2.3。加料完畢，快速升溫到330～340℃，保溫30min左右，當(dāng)堿熔物中的游離堿含量下降到4%以下時(shí)為反應(yīng)終點(diǎn)。堿熔過(guò)程的收率可達(dá)90%～95%。將堿熔物放入熱水中，使其完全溶解，然后在60～80℃用酸酸化，靜置分層，用熱水洗去有機(jī)層中的無(wú)機(jī)鹽，經(jīng)脫水、蒸餾，得到產(chǎn)物2-萘酚。

2.2-氨基-5-萘酚-7-磺酸（J酸）的生產(chǎn)J酸也是重要的染料中間體，它是由吐氏酸經(jīng)磺化、酸性水解和堿熔而制得的。

其化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下：

該法是在堿熔鍋中加入45%的堿液和固堿，在190～200℃和0.3～0.4MPa時(shí)，加入氨基J酸鈉鹽，再在190～200℃保溫反應(yīng)6h，然后進(jìn)行中和，酸析得J酸。

思考：寫出分別由氯苯和苯磺酸為原料制備間硝基苯酚的合成方法。

第三節(jié)

有機(jī)化合物的水解

一、鹵化物的水解1.脂肪族鹵化物的水解堿性脫氯化氫反應(yīng)的活潑性隨β-碳原子上氫原子的酸性增強(qiáng)而增加，當(dāng)分子中存在吸電子取代基時(shí)，有利于消除反應(yīng)的發(fā)生。當(dāng)氯原子和羥基處在相鄰位置的氯代醇類化合物與堿作用時(shí)，存在取代和消除兩種反應(yīng)的可能性。不過(guò)，前者生成二元醇，后者生成α-氧化物。

由此可見(jiàn)，當(dāng)氯衍生物與堿作用時(shí)，親核取代與消除反應(yīng)都有可能發(fā)生，何者為主與許多因素有關(guān)，如溫度、介質(zhì)、水解劑等，其中對(duì)反應(yīng)選擇性起決定作用的是水解劑的選擇。進(jìn)行取代反應(yīng)要求采用親核性較強(qiáng)的弱堿(如Na2CO3)作水解劑，進(jìn)行消除反應(yīng)時(shí)要求采用親核性較弱的強(qiáng)堿(如NaOH)作水解劑。

★2.芳香族鹵化物的水解（1）氯苯水解制苯酚①

堿性高壓水解。

②

常壓氣固相接觸催化水解法。

此法的缺點(diǎn)是催化劑活性下降快，轉(zhuǎn)化率低。現(xiàn)在氯苯水解法制取苯酚已逐漸被異丙苯氧化-酸解法所取代。

（2）多氯苯的水解二氯苯分子中的氯基雖然稍微活潑一些，但是氯基的水解仍需要相當(dāng)強(qiáng)的反應(yīng)條件。而多氯苯分子中的氯基要活潑一些，氯基的水解需要比較強(qiáng)的反應(yīng)條件。1,2,4,5-四氯苯與氫氧化鈉的甲醇溶液在130～150℃、0.1～1.4MPa反應(yīng)可以得到2,4,5-三氯苯酚。

（3）硝基氯苯的水解當(dāng)苯環(huán)上氯基的鄰位或?qū)ξ缓邢趸鶗r(shí)，由于硝基的強(qiáng)吸電子作用的影響，苯環(huán)上與氯基相連的碳原子上的電子云密度顯著降低，親核反應(yīng)活性顯著增加，使氯基較易水解。因此只需要用稍過(guò)量的氫氧化鈉溶液，在較溫和的反應(yīng)條件下進(jìn)行水解。例如：

3．相轉(zhuǎn)移催化鹵化物的水解采用的催化劑是其中含有一個(gè)長(zhǎng)碳鏈烷基的季銨鹽，以便具有一定的親油性，在反應(yīng)過(guò)程中，R(CH3)3N+OH-被帶入有機(jī)相與氯化物發(fā)生水解反應(yīng)，生成的R(CH3)3N+Cl-回到水相，與水相中的OH-進(jìn)行離子交換又得到R(CH3)3N+OH-，加入相轉(zhuǎn)移催化劑可以使水解反應(yīng)加速。

向反應(yīng)體系中加入表面活性劑，由于可產(chǎn)生乳化作用，降低擴(kuò)散阻力，也可加速反應(yīng)，例如當(dāng)進(jìn)行2，4-二硝基氯苯的水解時(shí)，如加入含12～18個(gè)碳原子的N-烷基吡啶氯化物陽(yáng)離子表面活性劑，可使水解反應(yīng)加速。

★二、重氮鹽的水解

重氮鹽在酸性條件下水解可制得酚。此法對(duì)某些不易制得的酚具有重要的制備意義。如：間氯苯酚的合成：

重氮鹽是很活潑的化合物，水解時(shí)會(huì)發(fā)生各種副反應(yīng)。為了避免這些副反應(yīng)，總是將冷的重氮硫酸鹽溶液慢慢加到熱的或沸騰的稀硫酸中，使重氮鹽在反應(yīng)液中的濃度始終很低。水解生成的酚最好隨同水蒸氣一起蒸出。重氮鹽的水解不宜用鹽酸和重氮鹽酸鹽，因氯原子的存在會(huì)導(dǎo)致重氮基被氯原子取代。

三、芳伯胺的水解★1.酸性水解酸性水解反應(yīng)是在稀硫酸中、在高溫和壓力下進(jìn)行的。此法的優(yōu)點(diǎn)是工藝過(guò)程簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是要用搪鉛的壓熱釜，設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，生產(chǎn)能力低、酸性廢水處理量大。酸性水解主要用于從1-萘胺水解制1-萘酚。

2.堿性水解在磺酸基堿熔時(shí)，如果提高堿熔溫度，可以使萘環(huán)上α位的磺酸基和α位的氨基同時(shí)被羥基所置換。此法只用于變色酸（1,8-二羥基萘-3,6-二磺酸）的制備。反應(yīng)式如下：

3.在亞硫酸氫鈉溶液中水解在工業(yè)上，此法用于由1-氨基-4-萘磺酸制備1-羥基-4-萘磺酸（NW酸）。但是，在1-位氨基的鄰位、間位和對(duì)位有磺酸基時(shí)，對(duì)布赫勒反應(yīng)有阻礙作用，限制了此法的應(yīng)用范圍。

四、硝基化合物的水解

五、應(yīng)用實(shí)例1．2,4-二硝基苯酚的生產(chǎn)2,4-二硝基苯酚為淺黃色結(jié)晶，它主要用于硫化染料、苦味酸和顯像劑的生產(chǎn)。其合成反應(yīng)式如下：

首先將氯苯加入到硝化鍋中，然后逐漸加入混酸，加料溫度控制在55℃左右?；焖峒油旰?，升溫至80℃維持半小時(shí)，靜置半小時(shí)后分離出廢酸，一硝基氯苯留在鍋內(nèi)。在一硝基氯苯中在加入混酸，反應(yīng)溫度控制在65℃，混酸加畢，升溫至100℃維持1小時(shí)。靜置半小時(shí)后分離出廢酸,用熱水洗至不呈酸性。然后加入10%的氫氧化鈉水溶液，在90～100℃下，常壓堿熔，冷卻后過(guò)濾析出鈉鹽。用鹽酸酸化鈉鹽至溶液pH=1，即可得2,4-二硝基苯酚黃色結(jié)晶狀產(chǎn)品。

2．2,3-二甲基苯酚的生產(chǎn)2,3-二甲基苯酚為白色針狀結(jié)晶，溶于醇和醚等溶劑。主要用于有機(jī)合成。工業(yè)上通過(guò)重氮鹽水解法制得，其合成過(guò)程如下：

先將2,3-二甲基苯胺和硫酸的混合物冷卻至0～5℃，逐漸加入亞硝酸鈉溶液進(jìn)行重氮化反應(yīng)。然后將重氮鹽緩緩加入到已預(yù)熱至160℃的稀硫酸中進(jìn)行水解反應(yīng)，生成的2,3-二甲基苯酚用水蒸汽蒸餾，所得的粗品用苯重結(jié)晶，即可得到產(chǎn)品。

第四節(jié)

其它羥基化反應(yīng)

一、烴類的氧化-酸解制酚★1．異丙苯氧化-酸解制苯酚用異丙苯法合成苯酚是當(dāng)前世界各國(guó)生產(chǎn)苯酚最重要的路線，它以苯和丙烯為原料，在催化劑存在下首先烷化得到異丙苯，而后用空氣氧化得到異丙苯過(guò)氧化氫，最后經(jīng)酸性分解得到苯酚和丙酮，每生產(chǎn)1噸苯酚，將聯(lián)產(chǎn)0.6噸丙酮。因此這條路線的發(fā)展規(guī)模與經(jīng)濟(jì)效益，與丙酮的銷路和價(jià)格密切相關(guān)。此法的優(yōu)點(diǎn)是原料易得，不需要消耗大量的酸堿，而且三廢少，能連續(xù)操作，生產(chǎn)能力大，成本低。其基本反應(yīng)過(guò)程如下：

當(dāng)異丙苯氧化時(shí)，開(kāi)始只生成異丙苯過(guò)氧化氫，在許多因素的影響下，如溫度、氧化深度、原料異丙苯的純度、催化劑的用量、反應(yīng)器壁的材料等，在氧化過(guò)程中能進(jìn)一步生成許多氧化副產(chǎn)物。例如：

異丙苯過(guò)氧化是制取苯酚和丙酮過(guò)程中的必要過(guò)程，獲得最大的過(guò)氧化氫收率和盡量減少副產(chǎn)物生成，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中起十分重要的作用。由于酸性分解是放熱反應(yīng)，如果溫度過(guò)高，異丙苯過(guò)氧化氫會(huì)按其他方式分解，產(chǎn)生副產(chǎn)物。甚至?xí)l(fā)生爆炸事故。因此必須小心控制酸解溫度，一般控制在60～100℃。異丙苯過(guò)氧化氫酸性分解可以使用各種不同的酸，如硫酸、磷酸、對(duì)甲苯磺酸等。如果用硫酸作催化劑時(shí)，以80%異丙苯過(guò)氧化氫氧化液在86℃左右進(jìn)行酸分解反應(yīng)最好，可利用丙酮的沸騰回流來(lái)控制反應(yīng)溫度。酸解液中約含苯酚30%～35%，丙酮44%，異丙苯8%～9%，甲基苯乙烯3%～4%，苯乙酮2%?？梢杂眠m當(dāng)?shù)膲A或離子交換樹(shù)脂中和此溶液，加入適量水以利于除去無(wú)機(jī)鹽，然后通過(guò)分離水洗或通過(guò)蒸餾獲得產(chǎn)物。

★2．間甲酚的合成甲酚有三種異構(gòu)體，其中間甲酚是制備農(nóng)藥的重要中間體。甲苯異丙基化時(shí)主要生成異丙基甲苯，一般不經(jīng)分離直接進(jìn)行氧化酸解。因此涉及到混合甲酚的分離，其總的工藝流程比異丙苯法制備苯酚復(fù)雜的多。其反應(yīng)式可表示如下：

異丙基甲苯分子中有異丙基和甲基兩個(gè)烷基，氧化時(shí)生成兩種過(guò)氧化氫物。叔過(guò)氧化氫物酸性分解生成甲酚和丙酮，二伯過(guò)氧化氫物酸性分解則生成異丙基苯酚甲醛和樹(shù)脂物。因此混合甲酚的收率比苯酚低。制得的混合物中約含有2/3的間甲酚和1/3的對(duì)甲酚。兩者的性質(zhì)極其接近，不能用通常的方法分離。目前采用異丁烯烷化法分離，反應(yīng)式如下。通過(guò)上述反應(yīng)，可分別生成4,6-二叔丁基間甲酚和2,6-二叔丁基對(duì)甲酚，二者的沸點(diǎn)相差很大，可以通過(guò)精餾分離。分出的4,6-二叔丁基間甲酚在催化劑硫酸作用下，脫去叔丁基即可得到間甲酚，而副產(chǎn)2,6-二叔丁基對(duì)甲酚進(jìn)一步精制得抗氧劑BHT（二叔丁基對(duì)甲苯酚）。近來(lái)又出現(xiàn)了尿素絡(luò)合物分離法。在甲苯中在10℃尿素與間甲酚形成絡(luò)合物結(jié)晶，可用過(guò)濾法分離。將此絡(luò)合物在甲苯中加熱至80～90℃，便分解為間甲酚和尿素。此法工藝簡(jiǎn)單、原料易得、產(chǎn)品純度可達(dá)98%以上，適于中小型企業(yè)生產(chǎn)。

二、芳羧酸的氧化-脫羧制酚反應(yīng)過(guò)程如下：（1）甲苯的氧化

（2）苯甲酸銅的熱分解

（3）苯甲酸亞銅再生為苯甲酸銅

（4）苯甲?；畻钏崴馍伤畻钏?/p>

（5）水楊酸脫羧生成苯酚

從總的反應(yīng)式可以看到，這是一個(gè)均相催化