7-化工中间体正溴丁烷的制备.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,项目七,化工中间体正溴丁烷的制备,2024/12/4 周三,产品性能,英文名称：,1-Bromobutane,分子式：,C4H9Br,外观与性状：无色透明液体,分子量,:137.03,熔点,:-112.4,沸点：,101.6,相对密度（,20/4,）：,1.275 8,折光率（,20,）：,1.4398,溶解性,:,不溶于水，易溶于醇、醚、氯仿等有机溶剂,2024/12/4 周三,主要用途,可用作溶剂及有机合成时的烷基化剂及中间体；,还可用作,塑料紫外线吸收剂,及增塑剂的原料；,用作医药原料（可用于肠、胃溃疡、胃炎、十二指肠炎、胆石症等）；,染料原料、可制备功能性色素的原料（如压敏色素、热敏色素、液晶用双色性色素）；,半导体中间原料；有机合成原料。,2024/12/4 周三,合成原理及工艺,反应原理,主反应：,副反应：,2024/12/4 周三,7.1.3.2,合成工艺,（,1,）传统工艺,采用,40%,50%,的氢溴酸作为卤化剂，依次加入正丁醇、溴化钠，加热至沸腾，保持回流,30,40min,，蒸出粗产品。,（,2,）最新进展,从研究动态上可以看出，对正溴丁烷合成的研究方向主要集中在硫酸的浓度、溴化钠的用量，反应时间的研究上，以制备高产率、质量更好的产品。,2024/12/4 周三,7.1.4,产品指标及分析检查方法,7.1.4.1,产品质量指标,名称,指标,含量,%,99.5,水分,%,0.1,色度（,Pt-Co,）,50,蒸发残渣,ppm,50,游离酸,ppm,50,2024/12/4 周三,（,1,）外观、密度、折光率,无色透明液体，相对密度（,20/4,）：,1.2758,，,折光率（,20,）：,1.4398,产品分析检测,（,2,）折光率的测定（,学习教材中折光仪的使用,）,一般地讲，光在两个不同介质中的传播速度是不同的，当光从一个介质进入另一个介质中，在光的传播方向与两个介质的界面不垂直时，光在两个介质的界面处的传播方向会发生改变，这种现象称为光的折射现象。,折光率是有机化合物最重要的物理常数之一，可以作为液体物质纯度的测定标准，可以鉴定未知化合物，也可以用于确定液体混合物的组成。,物质的折光率除了与物质的结构和光线有关，还受到温度、压力等因素的影响。所以在表示折光率时，须注明所用的光线和测定时的温度，常用,n,t,D,表示。,图,7-3,正溴丁烷的红外吸收光谱图,（,3,）各种图谱,红外吸收光谱,质谱,图,7-3,正溴丁烷的质谱图,正溴丁烷核磁图,图,7-4,正溴丁烷核磁图,(,13,CNMR),2024/12/4 周三,（,1,）取代卤化定义：卤原子与有机氢原子之间的取代反应。,如：,（,2,）常用的卤化剂有：,卤素（,Cl,2,、Br,2,、I,2,）,氢卤酸（,HCl、HBr,等）,次卤酸（,HOCl、HOBr）,其他卤化剂（,SO,2,Cl,2,、SOCl,2,等）,取代卤化,2024/12/4 周三,（,3,）取代卤化的分类,根据反应机理不同可分为：,芳环上的氢被卤素取代（离子型亲电取代）,脂肪烃及芳烃侧链的氢被卤素取代（自由基型取代）,2024/12/4 周三,7.2.1.1,芳环上取代卤化影响因素及反应条件的选择,反应通式为：,ArHX,2,ArXHX,。,如：苯在铁作催化剂时通氯气反应生成氯苯的反应。,芳环上取代卤化的定位规律与一般芳环上的亲电取代反应相同。,影响因素主要有：被卤化芳烃的结构，反应温度，卤化剂和反应溶剂等。,（,1,）被卤化芳烃的结构,芳环上的取代基通过电子效应，使芳环上的,电子云密度的增大或减小,，从而影响芳烃的卤化反应。,2024/12/4 周三,芳环上具有,给电子,基团时，,增加,了芳环的,电子云密度,，,卤化易进行,，主要形成邻对位异构体，但常出现多卤代现象,芳环上有,吸电子,基团时，因其,降低,了芳环上,电子云密度,而使,卤化反应较难进行,，需要加入催化剂并在较高温度下反应。,例：完成下列反应并预测两组反应速度的快慢,2024/12/4 周三,（,2,）卤化剂,卤化剂往往会影响反应的速度、卤原子取代的位置、数目及异构体的比例等。,不同的卤素在进行取代卤化时，反应活性顺序为：,F Cl Br I,例如：,NBS,：,N,溴化丁二酰亚胺,2024/12/4 周三,溴资源比氯少，价格也比较高。为回收副产物溴化氢，常在反应中加入氧化剂（如次氯酸钠、氯酸钠、氯气、双氧水等），使生成的溴化氢氧化成溴素而得到充分利用。,一般不采用卤素取代的方法得到,氟化物,和,碘化物,。,原因：,对于芳烃环上的氟化反应，直接用氟与芳烃作用制取氟代芳烃，因反应十分激烈需在氦气或氮气稀释下于78进行，故无实用意义。,若用碘作卤化试剂进行碘化反应，因反应生成的碘化氢有还原性，可使碘代芳烃还原。,（,3,）,反应,介质,如果被卤化物在反应温度下,呈液态,，,不需要反应介质,可以直接进行卤化。,若被卤化物在反应温度下为,固态,，应根据,反应物的性质,和,反应的难易程度,，,选择,适当的,溶剂,。,对于,性质活泼,，容易卤化的芳烃及其衍生物，可以采用,水作为溶剂,。例如对硝基苯胺的氯化,对于,较难卤化的物料,，可以采用,浓硫酸、发烟硫酸等作为溶剂,。如蒽醌在浓硫酸中氯化制取,1,，,4,，,5,，,8-,四氯蒽醌。,如果反应需要在较缓和的条件下进行，或是为了定位的需要，有时可以采用适当的有机溶剂。如氯苯、乙酸等,2024/12/4 周三,（,4,）反应温度,一般反应温度越高，反应速度越快。,但实际上卤化温度的确定，要考虑到被卤化物的性质和卤化反应的难易程度，工业生产上还需考虑主产物的产率及装置的生产能力。,例如：氯苯的生产,2024/12/4 周三,1-,酸水排放口,2-,苯及氯气入口,3-,炉条,4-,填料铁圈或废铁管,5-,钢壳衬耐酸砖,6-,氯化液出口,7-,挡板,8-,气体出口,沸腾氯化塔,（,5,）原料纯度与杂质,原料纯度对芳环取代卤化反应有很大影响,例如,：在苯的氯化反应中，原料苯中不能含有含硫杂质（如噻吩等）、有机原料中不能含有水、,Cl,2,中尽量不含,H,2,。,（,6,）氯化深度,氯化深度：反应深度，,它表示原料烃被氯化程度的大小,可以用,氯化烃的含氯量,或,反应转化率,来表示。,例如,：要想在一氯化阶段少生成多氯化物，工业上采用苯过量，控制苯氯物质的量比为,4:1,，尽可能的降低二氯苯的生成量。,（,7,）混合作用,在苯的氯化反应中，如果搅拌不好或反应器选择不当，会造成传质不匀，反应生成的产物不能及时的离开，重新返回到反应区域，促进连串反应的进行。这种现象称为物料的,返混作用,。,这种现象的出现会造成一氯代选择性下降，对反应不利。,2024/12/4 周三,2024/12/4 周三,脂肪烃及芳烃侧链的取代卤化影响因素,及反应条件的选择,脂肪烃和芳烃侧链的氢原子在光照、加热或引发剂存在下与卤原子发生的取代过程。,脂肪烃及芳烃侧链取代卤化的反应具有的特点：反应是典型的自由基反应，反应历程包括链的引发、链的增长和链的终止三个阶段；与芳烃环上的取代卤化一样，脂肪烃及芳烃侧链取代卤化反应也是连串反应。,（,1,）被卤化物性质,无立体因素影响，各种被卤化物氢原子的活性顺序为：,ArCH,2,-H,CH,2,=CH-CH,2,-H,叔,C-H,仲,C-H,伯,C-H,CH,2,=CH-H,（,2,）卤化剂,在烃类的取代卤化中，卤素是常用的卤化剂，它们在光照、加热或引发剂存在下产生卤自由基。,其反应活性顺序为：,F,2,Cl,2,Br,2,I,2,由于卤素可以与脂肪烃中的双键发生加成反应，一般,不宜采用卤素进行烯丙位取代卤化,反应；而芳环上不易发生卤素的加成反应，可采用卤素进行苄位取代卤化反应。,NBS,可用于烯丙位或苄位氢的卤代反应,，具有反应条件温和、选择性高和副反应少的特点。,2024/12/4 周三,（,3,）引发条件及温度,光照引发和热引发是经常采用的引发自由基的方法。,光照引发以紫外光照射最为有利。,例如,：在氯化反应中，氯分子的光离解能是,250kJ/mol,，与此对应的引发光的波长是,478nm,。光的波长越短，能量越强，有利于引发自由基，但波长小于,300nm,的紫外光会被普通玻璃吸收。因而，实际生产中常将发射波长范围为,400,700nm,的日光灯作为照射光源；光引发时，反应温度一般控制在,60,80,。,热引发可分为中温液相氯化与高温气相氯化,提高反应温度有利于取代反应，也有利于减少环上加成氯化反应，还可促进卤化剂均裂成自由基，所以一般在高温下进行苄位和烯丙位的取代卤化反应。,2024/12/4 周三,（,4,）催化剂及杂质,芳烃在有催化剂时，通常只能得到环上取代产物。在光照、加热或引发剂下通,Cl,2,，则有利于侧链取代氯化。因此进行芳环侧链的卤化时，原料需有较高的纯度和严格控制其杂质，应当注意不要使反应物中混入能够发生环上取代卤化的催化剂，否则会阻止反应进行。,杂质铁,若有铁存在，通入氯时会转变成,FeCl,3,，则对自由基反应不利，若原料为烯烃或芳烃时，会加快加成氯化及环上取代氯化。因此，原料中不能有铁，反应设备不能用普通钢设备，需用衬玻璃、衬镍、搪瓷或石墨反应器。,2024/12/4 周三,氧气,氧气对反应有阻碍作用，需严格控制其浓度。对于光引发自由基反应，烃中氧含量小于,1.2510,-4,mol/L,时，,Cl,2,中需小于,5.010,5,mol/L,。,水,如果原料中有少量水的存在，则不利于自由基取代反应的进行。因此，工业上常用干燥的氯气。,（,5,）反应介质,可以使用的溶剂有苯、石油醚、氯仿、四氯化碳，其中四氯化碳是经常采用的反应溶剂，因为它属于非极性惰性溶剂，可以避免自由基反应的终止和副反应的发生。如果反应物为液体，可不用反应溶剂。,（,6,）氯化深度及原料配比,选择适当的氯化深度，对提高单氯化选择性是有利的，烃氯比大，一氯代烷的选择性高，一般适宜的烃氯比为（,5,3,）,:1,（物质的量之比）。,2024/12/4 周三,2024/12/4 周三,7.2.2,加成卤化,（,1,）卤素的亲电加成卤化,反应历程,卤素对双键的加成反应，一般经过两步，首先卤素向双键作亲电进攻，形成过渡态,-,络合物，然后在催化剂（,FeCl,3,）作用下，生成卤代烃。,催化剂的作用是加速,-,络合物转化成,-,络合物，并且促使,Cl,2,与,FeCl,3,形成,ClCl:FeCl,3,络合物，有利于亲电进攻。,卤素与不饱和烃的加成卤化,2024/12/4 周三,主要影响因素,a.,烯烃的结构,当烯烃上连有给电子基团（如,-OH,、,-OR,、,-NHCOCH,3,、,-C,6,H,5,、,-R,等）时，反应活性提高；当烯烃上连有吸电子基团（如,-NO,2,、,-COOH,、,-CN,、,-COOR,、,-SO,3,H,、,-X,等）时反应活性降低。烯烃卤加成反应活泼次序：,R,2,C,CH,2,RCH,CH,2,CH,2,CH,2,CH,2,CHCl,。,b.,溶剂,卤素与烯烃的亲电加成反应，一般采用,CCl,4,、,CS,2,、,CHCl,3,、,CH,3,COOH,、,CH,3,COOC,2,H,5,等作溶剂。因为醇和水同时可以作为亲核试剂，向过渡态,-,络合物进攻，可能会产生卤代醇或卤代醚等副产物，所以不适宜用作溶剂。,c.,反应温度：卤加成反应的温度不宜太高，否则容易发生消除和取代副反应。,（,2,）卤素的自由基加成卤化,在光、热或引发剂（如有机过氧化物、偶氮二异丁腈等）存在下，卤素可以与不饱和烃发生加成反应，该反应为自由基反应，其反应历程为：,链引发：,Cl,2,(hv)2 Cl,链传递：,CH,2,=CH,2,+Cl CH,2,ClCH,2,CH,2,ClCH,2,+ClCl CH,2,ClCH,2,Cl+Cl,链终止：,Cl+Cl Cl,2,2CH,2,ClCH,2,CH,2,ClCH,2,CH,2,CH,2,Cl,CH,2,ClCH,2,+Cl CH,2,ClCH,2,Cl,光卤化加成的反应特别适用于双键上具有吸电子基的烯烃。例如三氯乙烯中有三个氯原子，进一步加成氯化很困难；但在光催化下可氯化制取五氯乙烷。炔烃比烯烃难发生于卤素的加成反应。,2024/12/4 周三,卤化氢与不饱和烃的加成,（,1,）卤化氢的亲电加成卤化,反应历程,首先是质子对不饱和烃分子进行亲电进攻，形成碳正离子中间体，然后卤负离子与之结合，形成加成产物。,在反应体系中加入,AlCl,3,或,FeCl,3,等路易斯酸催化剂，可加快反应速度。,卤化氢与烯烃加成反应的活泼性次序是：,HI,HBr,HCl,。,定位规律,当烯烃上连有给电子基团时，有利于反应的进行，且定位规律符合马尔科夫尼柯夫规则，即氢原子加在含氢较多的碳原子上。当烯烃上连有强吸电子基团时，如,-COOH,、,-CN,、,-CF,3,时，反应速度减慢，同时定位规律与马尔科夫尼柯夫规则相反。,卤化氢与不饱和烃亲电加成反应的实例有：氯化氢和乙炔加成生产氯乙烯；乙烯和氯化氢或溴化氢加成生成氯乙烷或溴乙烷。,2024/12/4 周三,（,2,）卤化氢的自由基加成卤化,在光和引发剂作用下，溴化氢和不饱和烃的加成属于自由基加成反应。其定位规律符合反马尔科夫尼柯夫规则。,其他卤化物与不饱和烃的加成,次卤酸、,N-,卤代酰胺和卤代烷等是除卤素、卤化氢以外，常用的与不饱和烃发生加成反应的卤化剂。,（,1,）次卤酸与烯烃的加成,常用的次卤酸为次氯酸，次氯酸不稳定，难以保存。通常将氯气通入水或氢氧化钠水溶液中，也可以通入碳酸钙悬浮水溶液中，以制取次氯酸及其盐。次卤酸与烯烃的加成属于亲电加成，定位规律符合马氏规则。,工业上典型的例子是次氯酸水溶液与乙烯或丙烯反应生成,-,氯乙醇或氯丙醇。两者都是十分重要的有机化工原料。,（,2,）,N-,卤代酰胺与烯烃的加成,在酸催化下，,N-,卤代酰胺与烯烃加成可制得,-,卤醇。,（,3,）卤代烷与烯烃的加成,在路易斯酸存在下，叔卤代烷可与烯烃反应。例如：氯代叔丁烷与乙烯加成可得到,1-,氯,-3,，,3,二甲基丁烷，收率为,75%,。,2024/12/4 周三,置换卤化,以卤原子置换有机物化合物分子中其他基团的反应为置换反应。与直接取代卤化相比，置换卤化具有无异构产物、不发生多卤化、产品纯度高，但步骤多的特点。可以被卤基置换的取代基有羟基、硝基、磺酸基、重氮基，氟可以置换其他卤原子，这是氟化反应的主要完成途径。置换卤化反应在药物合成、染料及其他精细化学品的合成中应用较多。,羟基的置换,卤素可以置换醇羟基、酚羟基以及羧羟基，常用的卤化剂有氢卤酸、含磷及含硫卤化物等。卤素置换羟基的反应是合成卤化物的重要方法之一。,（,1,）置换醇羟基,（,2,）置换酚羟基,（,3,）置换羧羟基,RCOOH,SOCl,2,RCOCl,SO,3,HCl,（,1,）置换硝基,Cl,2,2Cl,ArNO,2,ClAr Cl,NO,2,NO,2,Cl,2,NO,2,Cl,Cl,（,2,）置换磺酸基,（,3,）重氮基置换,7.2.3.2,芳环上硝基、磺酸基和重氮基的置换卤化,2024/12/4 周三,7.3.1,原料选择,药品名称,分子量,（,mol wt,）,用量,（,mL,、,g,、,mol,）,熔点,（）,沸点,（）,比重,（,d,4,20,）,水溶解度,（,g/100mL,）,正丁醇,74.12,12.3ml,（,0.13mol,）,88.9,117.25,0.8098,微溶于水,浓硫酸,98.08,20ml,（,0.375mol,）,1.84,易溶于水,溴化钠,102.89,16.6g,（,0.161mol,）,747,1390,易溶于水,其他药品,5%,氢氧化钠溶液、饱和碳酸钠溶液,2024/12/4 周三,7.3.2,催化剂选择,浓硫酸,伯醇与氢溴酸的反应主要是按照双分子历程进行的，浓硫酸的存在，使过渡态的位能降低，从而降低了反应的活化能，使不宜离去的基团变成了较易离去的基团，,C-O,键更易于断裂，溴代反应速度加快，所以浓硫酸是反应的催化剂。,浓磷酸,浓磷酸是中强酸，用它可以代替浓硫酸制备溴代烷，但催化能力比浓硫酸弱，溴代反应的转化率低，反应速度慢，加入过量的浓磷酸催化剂，效果仍不佳。随着正烷基醇分子中碳原子数的增加，浓磷酸的催化效果更为不好。,2024/12/4 周三,7.3.3,小试设备选择,正溴丁烷合成与分离装置参考,2024/12/4 周三,7.3.4,工艺条件选择,物料物质的量配比,：,水浓硫酸正丁醇：溴化钠,=0.780.3750.1340.161,；,反应温度,：加热保持溶液微沸；,反应压力,：常压；,回流时间,：,1.5h,；,催化剂,：浓硫酸；,2024/12/4 周三,4.3.5,质量分析,外观指标：无色透明液体,产品质量指标,产品分析检测,密度测定、,折光率的测定、,沸点的测定、,红外吸收光谱分析等,2024/12/4 周三,7.4.1,操作步骤流程图,投料反应,7.4.1.2,提纯,2024/12/4 周三,7.4.2,具体操作步骤,在,100mL,圆底烧瓶中，加入,14mL,水，将烧瓶置于冰水浴中，在振摇下分批加入,20mL,浓硫酸，混合均匀，并冷却至室温，分四次加入,12.3mL,正丁醇，混合均匀，然后在搅拌下加入,16.6g,研细的溴化钠，充分旋动烧瓶，以免结块，撤去冰水浴，擦干烧瓶外壁，加入,1,2,粒沸石，安装带有气体吸收部分的回流装置。采用,100mL 5%,氢氧化钠溶液作吸收液。,用电热套加热，并经常摇动烧瓶，保持反应液呈微沸，回流约,1.5h,。溴化钠固体消失，溶液出现分层，反应结束。,回流,将蒸出的粗,1-,溴丁烷倒入分液漏斗，用,15mL,水洗涤，分液后，再向盛粗,1-,溴丁烷的锥形瓶中滴入,7mL,浓硫酸，用冰水浴冷却并加以振摇，倒入一个干燥的分液漏斗中，静置片刻，小心地分去下层浓硫酸。油层再依次用,10mL,水、,10mL,饱和碳酸钠溶液、,10mL,水各洗涤一次。,蒸馏,冷却后，补加,1,2,粒沸石，将回流装置改为蒸馏装置，加热蒸馏，直至馏出液中无油滴为止。,洗涤,将干燥好的粗,1-,溴丁烷用漏斗小心滤入干燥的蒸馏烧瓶中，放入,1,2,粒沸石，加热蒸馏。用已知质量的锥形瓶收集,99,103,馏分，称重。,干燥,蒸馏,将洗涤后的粗,1-,溴丁烷倒入干燥的锥形瓶中，加入,2g,无水氯化钙，配上塞子，充分振摇后，放置,30min,。,2024/12/4 周三,7.4.3,操作要点,（,1,）将浓硫酸缓慢加入水中，否则将会使硫酸溅出。稀释硫酸后应继续冷却，至室温后再加入正丁醇及溴化钠，以免正丁醇碳化，使有机相发黑。溴化钠要研细，加入后应马上振摇以免结块。,（,2,）气体吸收装置中要注意三角漏斗不要全部浸入水中。,（,3,）实验中应小火加热，并不断振摇，保持液体微沸。以防止,Br-,被氧化为,Br,2,，,HBr,气体逸出反应体系。,（,4,）粗产品是否蒸完全的三种检验方法：,馏出液是否由浑浊变为澄清；,反应瓶上层油层是否消失；,取一滴馏出液滴于清水中，观察是否溶解或呈油珠在水面上。,（,5,）蒸馏前，一定要先补加沸石，防止暴沸。,（,6,）如水洗后产物仍然呈红棕色，是由于浓硫酸的氧化作用生成游离溴的原因，可以加入几毫升饱和亚硫酸氢钠溶液洗涤除去。,7.4.4,效果评价,（,1,）装置搭建完整；,（,2,）装置安装规范；,（,3,）安装调试速度快；,（,4,）装置最简化及安全稳固；,（,5,）原料准备充分；,（,6,）原料添加正确；,合成路线及方案评价,（,1,）原料。（,2,）工艺。,（,3,）安全。（,4,）三废。,合成操作过程评价,（,7,）工艺条件控制合理；,（,8,）操作步骤合理有序；,（,9,）装置运行安全；,（,10,）检测设备使用规范；,（,11,）产物性能指标达标程度；,（,12,）设备与场地清理；,合成路线及方案评价,（,1,）产品检测指标的评价,（,2,）产品收率评价,（,3,）环保及经济评价,