1、烷基化（烃化）反应,概述,一、烷基化反应及其重要性把烃基引入有机化合物分子中的碳、氮、氧等原子上的反应称为烷基化反应，简称烷基化。所引入的烃基可以是烷基、烯基、芳基等。其中以引入烷基（如甲基、乙基、异丙基等）最为重要。广义的烷基化还包括引入具有各种取代基的烃基（CH2COOH、CH2OH、CH2Cl、CH2CH2Cl等）。,烷基化反应在精细有机合成中是一类极为重要的反应，其应用广泛，经其合成的产品涉及诸多领域。最早的烷基化是有机芳烃化合物在催化剂作用下，用卤烷、烯烃等烷化剂直接将烷基引入到芳环的碳原子上，即所谓C-烷基化（Friedel-Crafts反应，简称F-C反应）。利用该反应所合成的苯
2、乙烯、乙苯、异丙苯、十二烷基苯等烃基苯，是塑料、医药、溶剂、合成洗涤剂的重要原料。通过烷基化反应合成的醚类、烷基胺是极为重要的有机合成中间体，有些烷基化产物本身就是药物、染料、香料、催化剂、表面活性剂等功能产品。如环氧化物烷基化（O-烷基化）可制得重要的聚乙二醇型非离子表面活性剂。采用卤烷烷化剂进行氨或胺的烷基化（N-烷基化）合成的季铵盐是重要的阳离子表面活性剂、相转移催化剂、杀菌剂等。,二、烷基化反应的类型 1C-烷基化反应 在催化剂作用下向芳环的碳原子上引入烷基，得到取代烷基芳烃的反应。如烷基苯的制备反应：2N-烷基化反应向氨或胺类（脂肪胺、芳香胺）氨基中的氮原子上引入烷基，生成烷基取代胺
3、类（伯、仲、叔、季胺）的反应。如N,N-二甲基苯胺的制备反应：,3O-烷基化反应向醇羟基或酚羟基的氧原子上引入烷基，生成醚类化合物的反应。如壬基酚聚氧乙烯醚的制备反应：,烷基化反应的基本原理,一、芳环上的C-烷基化反应 1烷化剂 C-烷化剂主要有卤烷、烯烃和醇类，以及醛、酮类。（1）卤烷 卤烷（RX）是常用的烷化剂。不同的卤素原子以及不同的烷基结构，对卤烷的烷基化反应影响很大。当卤烷中烷基相同而卤素原子不同时，其反应活性次序为： RIRBrRCl 应明确指出，不能用卤代芳烃，如氯苯或溴苯来代替卤烷，因为连在芳环上的卤素受到共轭效应的稳定作用，其反应活性较低，不能进行烷基化反应。,（2）烯烃 烯
4、烃是另一类常用的烷基化剂，由于烯烃是各类烷化剂中生产成本最低、来源最广的原料，故广泛用于芳烃、芳胺和酚类的C-烷基化。常用的烯烃有：乙烯、丙烯、异丁烯以及一些长链-烯烃，它们是生产长碳链烷基苯、异丙苯、乙苯等最合理的烷化剂。（3）醇、醛和酮 它们都是较弱的烷化剂，醛、酮用于合成二芳基或三芳基甲烷衍生物。,2催化剂（1）路易斯酸 主要是金属卤化物，其中常用的是AlCl3。催化活性如下： AlCl3 FeCl3SbCl5 SnCl4 BF3 TiCl4 ZnCl2路易斯酸催化剂分子的共同特点是都有一个缺电子中心原子，如AlCl3分子中的铝原子只有6个外层电子，能够接受电子形成带负电荷的碱性试剂，同
5、时形成活泼的亲电质点。无水三氯化铝是各种F-C反应中使用最广泛的催化剂。它由金属铝或氧化铝和焦炭在高温下与氯气作用而制得。为使用方便，一般制成粉状或小颗粒状。其熔点192，180开始升华。无水三氯化铝能溶于大多数的液态氯烷中，并生成烷基正离子（R+）。也能溶于许多供电子型溶剂中形成络合物。此类溶剂有SO2、CS2、硝基苯、二氯乙烷等。,工业上生产烷基苯时，通常采用的是AlCl3-盐酸络合物催化溶液，它由无水三氯化铝、多烷基苯和微量水配制而成，其色较深，俗称红油。它不溶于烷化产物，反应后经分离，能循环使用。烷基化时使用这种络合物催化剂比直接使用三氯化铝要好，副反应少，非常适合大规模的连续化工业烷
6、基化过程，只要不断补充少量三氯化铝就能保持稳定的催化活性。用卤烷作烷化剂时，也可以直接用金属铝作催化剂，因烷基化反应中生成的氯化氢能与金属铝作用生成三氯化铝络合物。在分批操作时常用铝丝，连续操作时可用铝锭或铝球。,无水三氯化铝具有很强的吸水性，遇水会立即分解放出氯化氢和大量热，严重时甚至会引起爆炸；与空气接触也会吸收其水分水解，并放出氯化氢，同时结块并失去催化活性。,因此，无水三氯化铝应装在隔绝空气和耐腐蚀的密闭容器中，使用时也要注意保持干燥，并要求其他原料和溶剂以及反应容器都是干燥无水的。,（2）质子酸 其中主要是氢氟酸、硫酸和磷酸，催化活性次序如下： HF H2SO4 P2O5 H3PO4
7、 、阳离子交换树脂无水氟化氢的活性很高，常温就可使烯烃与苯反应。氟化氢沸点19.5，与有机物的相溶性较差，所以烷基化时需要注意扩大相接触面积；反应后氟化氢可与有机物分层而回收，残留在有机物中的少量氟化氢可以加热蒸出，这样便可使氟化氢循环利用，消耗损失较少。采用氟化氢作催化剂，不易引起副反应。当使用其他催化剂而有副反应时，通常改用氟化氢会取得较好效果。但氟化氢遇水后具有强腐蚀性，其价格较贵，因而限制了它的应用。目前在工业上主要用于十二烷基苯的合成。,以烯烃、醇、醛、和酮为烷化剂时，广泛应用硫酸作催化剂。在硫酸作催化剂时，必须特别注意选择适宜的硫酸浓度。因为当硫酸浓度选择不当时，可能会发生芳烃的磺
8、化，烷化剂的聚合、酯化、脱水和氧化等副反应。如对于丙烯要用90%以上的硫酸，乙烯要用98%硫酸，即便如此，这种浓度的硫酸也足以引起苯和烷基苯的磺化反应，因此苯用乙烯进行乙基化时不能采用硫酸作催化剂。,磷酸是较缓和的催化剂，工业上使用的磷酸催化剂多是将磷酸沉积在硅藻土、硅胶或沸石载体上的固体磷酸催化剂，常用于烯烃的气相催化烷基化。由于磷酸的价格比三氯化铝、硫酸贵得多，因此限制了它的广泛应用。阳离子交换树脂也可作为烷基化反应催化剂，其中最重要的是苯乙烯-二烯乙苯共聚物的磺化物。它是烯烃、卤烷或醇进行苯酚烷基化反应的有效催化剂。优点是副反应少，通常不与任何反应物或产物形成络合物，所以反应后可用简单的
9、过滤即可回收阳离子交换树脂，循环使用。缺点是使用温度不高，芳烃类有机物能使阳离子交换树脂发生溶胀，且树脂催化活性失效后不易再生。,3C-烷基化反应历程（1）用烯烃烷基化的反应历程 烯烃常用质子酸进行催化，质子先加成到烯烃分子上形成活泼亲电质点碳正离子； 用三氯化铝作催化剂时，还必须有少量助催化剂氯化氢存在。AlCl3先与HCl作用生成络合物，该络合物与烯烃反应而形成活泼的碳正离子；,活泼碳正离子与芳烃形成-络合物，再进一步脱去质子生成芳烃的取代产物烷基苯。 上述亲电质点（碳正离子）的形成反应中，H+总是加到含氢较少的烯烃碳原子上，遵循马尔克夫尼可夫(Markovnikov)规则，以得到稳定的碳
10、正离子。,（2）用卤烷烷化的反应历程 Lewis 酸催化剂三氯化铝能使卤烷极化，形成分子络合物、离子络合物或离子对：其以何种形式参加后继反应主要视卤烷结构而定。由于碳正离子的稳定性顺序是： 因此伯卤烷不易生成碳正离子，一般以分子络合物参与反应。而叔卤烷、烯丙基卤、苄基卤因有-超共轭或p-共轭，则比较容易生成稳定的碳正离子，常以离子对的形式参与反应。仲卤代烷则常以离子络合物的形式参与反应。,（3）用醇烷基化的反应历程 当以质子酸作催化剂时，醇先被质子化，然后解离为烷基正离子和水：如用无水AlCl3为催化剂，则因醇烷基化生成的水会分解三氯化铝，所以需用与醇等物质量之比的三氯化铝：,（4）用醛、酮烷
11、基化的反应历程 催化剂常用质子酸。醛、酮首先被质子化得到活泼亲电质点，与芳烃加成得产物醇；其产物醇再按醇烷基化的反应历程与芳烃反应，得到二芳基甲烷类产物：,4. 芳环上C-烷化反应特点（1）C-烷基化是连串反应 由于烷基是供电子基团，芳环上引入烷基后因电子云密度增加而比原先的芳烃反应物更加活泼，有利于其进一步与烷化剂反应生成二取代烷基芳烃，甚至生成多烷基芳烃。但随着烷基数目增多，空间效应会阻止进一步引入烷基，使反应速度减慢。因此烷基苯的继续烷基化反应速度是加快还是减慢，需视两种效应的强弱而定，且与所用催化剂有关。一般说来，单烷基苯的烷基化速度比苯快，当苯环上取代基的数目增加，由于空间效应，实际
12、上四元以上取代烷基苯的生成是很少的。为了控制烷基苯和多烷基苯的生成量，必须选择适宜的催化剂和反应条件，其中最重要的是控制反应原料和烷基化剂的物质的量之比。,（2）C-烷基化是可逆反应 烷基苯在强酸催化剂存在下能发生烷基的歧化和转移，即苯环上的烷基可以从一个苯环上转移到另一个苯环上，或从一个位置转移到另一个位置上，如：当苯量不足时，有利于二烷基或多烷基苯的生成；苯过量时，则有利于发生烷基转移，使多烷基苯向单烷基苯转化。因此在制备单烷基苯时，可利用这一特性使副产物多烷基减少，并增加单烷苯总收率。,（3）烷基正离子能发生重排 C-烷基化中的亲电质点烷基碳正离子会重排成较稳定的碳正离子。如用正丙基氯在
13、无水三氯化铝作催化剂与苯反应时，得到的正丙苯只有30%，而异丙苯却高达70%。这是因为反应过程中生成的会发生重排形成更加稳定的。因此上述烷基化反应生成的是两者的混合物。当用碳链更长的卤烷或烯烃与苯进行烷基化时，则烷基正离子的重排现象更加突出，生成的产物异构体种类也增多，但支链烷基苯占优的趋势不变。,5C-烷基化方法（1）烯烃烷化法 在C-烷基化反应中，烯烃是最便宜和活泼的烷化剂，广泛应用于工业上芳烃（另有芳胺和酚类）的C-烷基化，常用烯烃有乙烯、丙烯以及长链-烯烃，其可大规模地制备乙苯、异丙苯和高级烷基苯。由于烯烃反应活性较高，在发生C-烷基化反应同时，还可发生聚合、异构化和成酯等副反应，因此
14、，在烷基化时应控制好反应条件，以减少副反应的发生。,（2）卤烷烷化法 卤烷是活泼的C-烷化剂。工业上通常使用的是氯烷，如苯系物与氯代高级烷烃在三氯化铝催化下可得高级烷基苯。与烯烃作烷基化剂不同的是在生成烷基芳烃的同时，反应会放出氯化氢。工业上利用此点将铝锭或铝球放入烷基化塔内，就地生成三氯化铝作为催化剂 ，而不再直接使用价格较高的无水三氯化铝。由于水会分解破坏氯化铝或络合物催化剂 ，不仅铝锭消耗增大，还易造成管道堵塞，出现生产事故。因此进入烷基化塔的氯烷和苯都要预先经干燥处理。因反应系统中有氯化氢和微量水存在，其腐蚀性极强，所流经的管道和设备均应作防腐处理，一般采用搪瓷、搪玻璃或其他耐腐材料衬
15、里。为防止氯化氢气体外逸，相关设备可在微负压条件下进行操作。,（3）醇、醛和酮烷化法 它们均是反应能力相对较弱的烷化剂，仅适用于活泼芳烃的C-烷基化，如苯、萘、酚和芳胺等。常用的催化剂有路易斯酸和质子酸等。如三氯化铝、氯化锌、硫酸、磷酸。用醇 、醛、酮等类进行C-烷基化反应时，共同特点是均有水生成。在酸性条件下，用醇对芳胺进行烷化时，如果条件温和，则烷基首先取代氮原子上的氢，发生N-烷化：若将反应温度升高，则氮原子上的烷基将转移到芳环的碳原子上，并主要生成对位烷基芳胺：,双酚A是制备新型高分子材料环氧树脂、聚碳酸酯及聚砜等的主要原料，也可用于油漆，抗氧剂和增塑剂等制备，用途极为广泛。工业上常用
16、硫酸、盐酸或阳离子交换树脂为催化剂完成此反应。前两种无机酸虽反应催化活性很高，但对设备腐蚀严重，且产生大量含酸、酚的废水，污染极大。阳离子交换树脂法则具后处理简单、腐蚀性小、环保经济，同时对设备材质要求低，树脂可重复使用、寿命较长等优点。,苯酚与丙酮在酸催化下，得到2,2-双（对羟基苯基）丙烷，俗称双酚A。,二、N-烷基化反应氨、脂肪胺或芳胺中氨基上的氢原子被烷基取代，或通过直接加成而在上述化合物分子中的N原子上引入烷基的反应均称为N-烷基化反应。这是制备各种脂肪族和芳香族伯、仲、叔胺的主要方法。其在工业上的应用极为广泛，其反应通式如下：,式中RZ代表烷基化剂，R代表烷基，Z则代表离去基团，依据烷基化剂的种类不同，Z也不尽相同。如烷基化剂为醇、卤烷、酯等化合物时，离去基团Z分别为OH、X、OSO3H基团。此外烯烃、环氧化合物、醛和酮也可作为N-烷化剂，其与胺发生加成反应，故无离去基团。N-烷基化产物是制造医药、表面活性剂及纺织印染助剂时的重要中间体。氨基是合成染料分子中重要的助色基团，烷基的引入可加深染料颜色，故N-烷基化反应在染料工业有着极为重要的意义。,
