精细有机合成技术

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1、第十二章 羟基化 第一节 概述 一、羟基化反应及其重要性羟基化是指向有机化合物分子中引入羟基的反应 。通过羟基化反应可制得醇类与酚类化合物。这两类 物质在精细化工中具有广泛的用途，主要用于生产合 成树脂、各种助剂、染料、农药、表面活性剂、香料 和食品添加剂等。另外，通过酚羟基的转化反应还可 以制得烷基酚醚、二芳醚、芳伯胺和二芳基仲胺等许 多含其他官能团的重要中间体和产物。第一节 概述 二、羟基化方法向化合物分子中引入羟基的方法很多，其中包括 还原、加成、取代、氧化、水解、缩合和重排等多种 类型的化学反应。例如，采用还原方法将脂肪酸及其 酯或其它含氧化合物（如醛或酮）还原，以及在催化 剂存在下芳

2、烃与环氧乙烷缩合成醇的方法，都是工业 生产中合成醇类化合物的重要方法。本章主要讨论通 过亲核取代反应合成醇类与酚类的方法，包括芳磺酸 基被羟基置换，氯化物的水解羟基化，芳伯胺和重氮 盐的水解羟基化等。第二节 芳磺酸盐的碱熔 一、碱熔反应及其影响因素1. 碱熔反应概述芳磺酸盐在高温下与熔融的苛性碱（或苛性碱溶 液）作用，使磺酸基被羟基置换的反应叫作碱熔。其 反应通式如下表示：生成的酚钠用无机酸酸化（如硫酸），即转变为 酚： 第二节 芳磺酸盐的碱熔芳磺酸盐碱熔一般是向盛有熔融碱的碱熔锅中在 高温下分批加入磺酸盐，碱过量25%左右。加完磺酸盐 后，再升温反应一段时间，通过测定游离碱含量来控 制反应终

3、点。同时，为了防止凝锅现象，应将碱熔物 快速放入热水中。产物的分离方法及副产物亚硫酸钠 的利用，因酚类的性质不同而异。芳磺酸盐的碱熔是 工业生产中制备酚类的最早的方法，也是最重要的方 法。该方法的优点是工艺过程简单，对设备要求不高 ，适用于多种酚类的制备。缺点是需要使用大量酸、 碱，废液多，工艺较落后。因此一些生产吨位较大的 酚类，如苯酚、间甲酚等，已改用其它更先进的生产 工艺。但对于有些酚类化合物，如H酸、J酸、酸等 ，世界各国仍然采用磺酸碱熔路线。第二节 芳磺酸盐的碱熔 最常用的碱熔剂是苛性钠，其次是苛性钾。苛性 钾的活性大于苛性钠，苛性钾比苛性钠的价格贵得多 。当需要更活泼的碱熔剂时，则

4、使用苛性钾与苛性钠 的混合物。使用混合碱的另一优点是其熔点可低于 300，适用于要求较低温度的碱熔过程。苛性碱中含 有水分时，也可使其熔点降低。常用的碱熔方法主要有三种：即用熔融碱的常压 碱熔、用浓碱液的常压碱熔和用稀碱液的加压碱熔。第二节 芳磺酸盐的碱熔2. 影响因素（1）磺酸的结构 碱熔反应属于亲核置换反应，因此芳环上含 有吸电子基（如磺酸基和羧基）时，对磺酸基的碱熔起活化作用 。硝基虽然是很强的吸电子基，但在碱熔条件下硝基会产生氧化 作用而使反应复杂化，所以含有硝基的芳磺酸不适宜碱熔。氯代 磺酸也不适宜碱熔，因为氯基更容易被羟基置换。芳环上含有供 电子基（如羟基和氨基）时，对磺酸基的碱熔

5、起钝化作用。例如 间氨基苯磺酸的碱熔，需要使用活泼性较强的苛性钾（或苛性钾 和苛性钠的混合物）作碱熔剂。多磺酸在碱熔时，第一个磺酸基 的碱熔比较容易，因为它受到其它磺酸基的活化作用，第二个磺 酸基的碱熔比较困难，因为生成的中间产物羟基磺酸分子中，羟 基使第二个磺酸基钝化。例如对苯二磺酸的碱熔，即使使用苛性 钾作碱熔剂，也只能得到对羟基苯磺酸，而得不到对苯二酚。所 以在多磺酸的碱熔时，选择适当的反应条件，可以使分子中的磺 酸基部分或全部转变为羟基。表12-1列出了某些芳磺酸盐用氢氧 化钾碱熔时的活化能数据。 第二节 芳磺酸盐的碱熔 第二节 芳磺酸盐的碱熔（2）无机盐的影响 磺酸盐中一般都含有无机

6、盐（ 主要是硫酸钠和氯化钠）。这些无机盐在熔融的苛性 碱中溶解度很小，几乎是不溶解的。在用熔融碱进行 高温（300340）碱熔时，如果磺酸盐中无机盐含 量太多，会使反应物变得粘稠甚至结块，使物料的流 动性降低，造成局部过热甚至会导致反应物的焦化和 燃烧。因此，在用熔融碱进行碱熔时，磺酸盐中无机 盐的含量要求控制在10%（质量）以下。使用碱溶液进 行碱熔时，磺酸盐中无机盐的允许量可以高一些。第二节 芳磺酸盐的碱熔 （3）碱熔的温度和时间 碱熔的温度主要取决于磺 酸的结构，不活泼的磺酸用熔融碱在300340进行 常压碱熔，碱熔速度较快，所需时间较短，一般在熔 融碱中加完磺酸盐后，保持十分钟即可达到

7、终点。温 度过高或时间过长，都会增加副反应；但是温度太低 则会产生凝锅事故。比较活泼的磺酸可选用70%80% 苛性钠溶液，在180270进行常压碱熔。更活泼的 萘系多磺酸可在20%30%稀碱液中进行加压碱熔，反 应时间较长，需要1020h。高温碱熔适宜于不活泼的 磺酸的碱熔。 第二节 芳磺酸盐的碱熔（4）碱的浓度和用量 高温碱熔时一般使用90%以 上的熔融碱，理论上1mol磺酸盐需要2mol碱即为1:2（ 物质的量之比），但实际上碱必须过量，一般为1:2.5 左右。中温碱熔时，一般使用70%80%的浓碱液，且 碱过量较多，有时可达1：（68）（即理论量的34 倍）或更多一些。第二节 芳磺酸盐的

8、碱熔 二、碱熔方法1. 用熔融碱的常压碱熔（常压高温碱熔）用熔融碱的常压碱熔适用于含有不活泼磺酸基的 芳磺酸盐的碱熔，并且可以使多磺酸中的磺酸基全部 置换为羟基。主要产物有苯酚、间苯二酚、1-萘酚和2- 萘酚等。通常是向盛有熔融碱的碱熔锅中分批加入磺 酸盐，碱熔温度为320340，碱过量25%左右。加完 磺酸盐后，再升温反应一段时间，通过测定游离碱含 量控制反应终点。为了防止发生凝锅现象，应将碱熔 物快速放入热水中。产物的分离方法及副产物亚硫酸 钠的利用，因酚类的性质不同而异。第二节 芳磺酸盐的碱熔2. 用浓碱液的常压碱熔（常压中温碱熔）以70%80%的NaOH浓碱液为碱熔剂适用于将多 磺酸化

9、合物中的一个磺酸基置换成羟基，由于第一个 磺酸基比较活泼，故碱熔温度为180270，常压下 反应。主要产物有J酸、酸、芝加哥S酸等。 第二节 芳磺酸盐的碱熔 3. 用稀碱液的加压碱熔（加压中温碱熔）用20%50%NaOH溶液为碱熔剂在高温及压力下 碱熔，可以实现多磺酸中仅置换其中的一个磺酸基， 而保留其余的磺酸基和氨基。例如，2,7-萘二磺酸用 50%的NaOH在200220、1MPa下碱熔，得到2-羟基 -7-萘磺酸；1,5-萘二磺酸用21.74%NaOH在230、 2.4MPa下碱熔，得到1-萘酚-5-磺酸；1-氨基萘-3,6,8-三 磺酸用23%NaOH在178182、0.550.65M

10、Pa碱熔， 得到1-氨基-8-萘酚-3,6-二磺酸（H酸）。 第二节 芳磺酸盐的碱熔三、应用实例1. 2-萘酚的制备2-萘酚及其磺酸衍生物是合成染料、有机颜料、 农用化学品、医药化学品、香料以及表面活性剂的重 要中间体。萘的高温磺化-碱熔法是生产2-萘酚的主要方法。 它是在碱熔锅中加入熔融碱，在285320下慢慢加 入2-萘磺酸钠湿滤饼（含-盐70%80%），物质的量 之比为1:2.3。加料完毕，快速升温到330340，保 温30min左右，当碱熔物中的游离碱含量下降到4%以下 时为反应终点。碱熔过程的收率可达90%95%。将碱 熔物放入热水中，使其完全溶解，然后在6080用 酸酸化，静置分层

11、，用热水洗去有机层中的无机盐， 经脱水、蒸馏，得到产物2-萘酚。 第二节 芳磺酸盐的碱熔 2. 2-氨基-5-萘酚-7-磺酸（J酸）的生产J酸也是重要的染料中间体，它是由吐氏酸经磺化 、酸性水解和碱熔而制得的。 其化学反应过程如下：该法是在碱熔锅中加入45%的碱液和固碱，在190 200和0.30.4MPa时，加入氨基J酸钠盐，再在190 200保温反应6h，然后进行中和，酸析得J酸。第三节 有机化合物的水解 一、卤化物的水解1. 脂肪族卤化物的水解卤化物中以有机氯化物的制备比较方便和价廉， 所以常被用来作为制取醇和酚的中间产物。与烷基相 连的氯原子通常比与芳基相连的氯原子活泼，当其与 水解试

12、剂作用时，即可水解得到相应的醇类。如不同结构的有机氯化物，其水解的难易顺序可排 列如下： C6H5CH2ClCH2=CHCH2Cl伯碳RCl仲碳RClC6H5Cl常用的水解试剂是NaOH、Ca(OH)2及Na2CO3的水 溶液。不过，在氯化物碱性水解的同时，也可能伴随 有碱性脱氯化氢生成烯烃的平行反应发生： 第三节 有机化合物的水解 碱性脱氯化氢反应的活泼性随-碳原子上氢原子 的酸性增强而增加，当分子中存在吸电子取代基时， 有利于消除反应的发生。当氯原子和羟基处在相邻位置的氯代醇类化合物 与碱作用时，存在取代和消除两种反应的可能性。不 过，前者生成二元醇，后者生成-氧化物。第三节 有机化合物的

13、水解 由此可见，当氯衍生物与碱作用时，亲核取代与消除 反应都有可能发生，何者为主与许多因素有关，如温度、介 质、水解剂等，其中对反应选择性起决定作用的是水解剂的 选择。在发生取代反应时，水解剂显示亲核性进攻碳原子； 在发生消除反应时，水解剂显示碱性接近位碳上的氢原子 。因此，进行取代反应要求采用亲核性较强的弱碱(如 Na2CO3)作水解剂，进行消除反应时要求采用亲核性较弱的 强碱(如NaOH)作水解剂。所以，取代氯原子的水解反应宜 选用Na2CO3作水解剂，它将阻止发生脱氯化氢的消除反应 ，以减少生成醚的副反应。芳香族氯化物的水解比氯代烷烃困难得多。一般不用 Na2CO3，而用NaOH作水解剂

14、，这是由于芳香族氯化物的活 性低，一般不产生脱HCl的消除反应。向芳环上引入吸电子 取代基，可以提高氯原子的活泼性，使水解反应较易进行。 第三节 有机化合物的水解 2. 芳香族卤化物的水解（1）氯苯水解制苯酚 氯苯分子中的氯基很不活泼 ，它的水解需要极强的反应条件，在工业上曾经用氯 苯的水解法制取苯酚。水解的方法有两种：碱性高压水解。将10%15%氢氧化钠和氯苯的 混合液在360390、3036MPa下连续地通过高压管 式反应器，进行水解，停留时间约为20min，除生成苯 酚外，还副产二苯醚。此法的缺点是要消耗氯和氢氧化钠、副产废盐水 ，同时需要使用耐腐蚀的高压管式反应器。第三节 有机化合物的

15、水解 常压气固相接触催化水解法。将氯苯和水的气 态混合物预热到400450通过Ca3(PO4)2/SiO2催化剂 ，氯苯即水解为苯酚，氯苯的单程转化率约为10% 15%。此法的缺点是催化剂活性下降快，转化率低。 现在氯苯水解法制取苯酚已逐渐被异丙苯氧化-酸解法 所取代。 第三节 有机化合物的水解 （2）多氯苯的水解 二氯苯分子中的氯基虽然稍微 活泼一些，但是氯基的水解仍需要相当强的反应条件 。而多氯苯分子中的氯基要活泼一些，氯基的水解需 要比较强的反应条件。邻二氯苯碱性部分水解可得到邻氯苯酚，但此法 需要高纯度的邻二氯苯，并且要使用高压反应器；邻 二氯苯碱性完全水解可以得到邻苯二酚，常用硫酸铜

16、 为催化剂，在管式高压反应器中180190下停留50 60min即可。此法只适用于小规模生产。对二氯苯在氢氧化钠的甲醇溶液中（硫酸铜作催 化剂），在高压釜中225下反应，可得到对氯苯酚。1,2,4,5-四氯苯与氢氧化钠的甲醇溶液在130150 、0.11.4MPa反应可以得到2,4,5-三氯苯酚。第三节 有机化合物的水解 （3）硝基氯苯的水解 当苯环上氯基的邻位或对位 含有硝基时，由于硝基的强吸电子作用的影响，苯环 上与氯基相连的碳原子上的电子云密度显著降低，亲 核反应活性显著增加，使氯基较易水解。因此只需要 用稍过量的氢氧化钠溶液，在较温和的反应条件下进 行水解。例如：第三节 有机化合物的水解 氯基水解是制备邻、对硝基酚类的重要方法，用 氯基水解法还可以制得以下邻硝基酚类。例如： 第三节 有机化合物的水解 3相转移催化卤化物的水解近年来相转移催化技术被应用到氯基的水解反应 中，采用的催化剂是其中含有一个长碳链烷基的季铵