讲义 2.2资料文件与下载

2.2 单元反应-1

0 序

精细化学品中涉及到的单元反应非常多，而我们只有一章的内容来讲，所以，我们只能把比较重要的内容拿出来讲解，我们主要讲授单元反应的定义、概念和目的。以及用什么样的方法或者试剂可以进行这种反应？我们会针对具体的反应进行举例，来帮助大家巩固和理解单元反应。

1 卤化反应

在回顾有机化学知识时提到，我们学的第一反应是烷烃的取代反应，也就是用氯气取代烷烃里面的氢，通过这个反应，我们把氯元素引入到了烷烃当中，这个反应又被称为氯化反应，这也就是我们要讲的第一个单元反应，卤化反应。它是在有机物中引入卤素的反应，卤素包括F、Cl、Br、I,对应的卤化反应呢，也就是F化、Cl化、Br化和I化。

其中，氯化反应的成本比较低，在生产中应用比较广泛，而氟化反应的活性过高，反应过于剧烈不好控制，一般通过间接法来制备氟代衍生物。
      常用的卤化反应有三种，第一个也就刚才我们所说的取代反应；又可以通过加成反应，比如在烯烃与卤代酸反应，引入卤素。另外，我们还可以通过置换反应来引入卤素。

在取代反应中，通常会用卤素来做卤化试剂，而在加成反应中，通常会用卤素的酸也就是卤代酸做卤化试剂。其它可用的卤化试剂还有一些卤素的氧化物，例如次氯酸等。

我们来看一个例子，由松香合成一种具有生物活性的化合物，合成路线如图2，我们只看卤化反应这一部分，如图2，也就是标号为2的化合物，生成3化合物这一步。化合物2为去氢枞酸甲酯，与nbs反应，可以得到12位溴化的衍生物，其中NBS是氮-溴代琥珀酰亚胺，是一种常用的溴化试剂。                                              

图1 12-溴-13,14-脱氢松香酸甲酯氧化呋咱合成路线    

图2 卤化反应举例

在这个溴化反应中呢，我们可以看出来是在苯环上的一个亲电取代反应，我们分析一下，它的最终产物取代基的位置，也就是溴化的位置。

我们先看化合物2的结构，化合物2中含有苯环，苯环为负电中心，所以容易发生亲电反应，而在这个苯环上有一个取代基是异丙基，它是一个烷烃类供电子基团，所以它对苯环的亲电反应来说，是一个活化基团。那么，活化基团对应生成的化合物为邻对位化合物，也就是异丙基的邻对位溴化产物。

根据我们先修知识松脂的介绍中，我们讲到松香的标号，异丙基所在的位置是13号位，那么取代基的位置就应该是13号位的邻位12和14号位，以及异丙基的对位位置，9号位。而9号位，连接有中间的环，所以对位的9号位不能生成溴化产物。那么，就是说，化合物2与NBS发生溴代反应，可以生成的一溴代化合物就可能是12号位的溴代化合物和14号位的溴代化合物。而为什么，我们方程式中的取代产物只写了化合物 12号位上的溴代化合物呢？同学们思考一下，14号位为什么没有被取代？什么原因阻碍了这个取代发生？

我们会发现在14号位离得中间环比较近，对于14号位来说，会有一个很大的空间位阻，但13号位并没有这个空间位阻，那么很明显，13号位更容易生成一溴代取代物，也就是分子式里面所写到的3这个化合物结构。但是，从反应原理来说，14号位也是有溴代产物产生的。

希望同学们能够利用我们所学的基础知识，来分析具体的化学反应中，可能生成的产物。因为在工业生产中，并不能简单的直接得到我们的目标产品，会产生非常多的副产品，我们就要考虑可能会有哪些副产品，如果分类出来这些副产品。

2 磺化反应
     磺化反应是在有机化合物的分子当中引入磺酸基的反应，这是它的定义。那么引入磺酸基的目的是什么哪？因为磺酸基是一个亲水性强的基团，并且有一定的酸性，所以引入磺酸基，可以增加化合物的水溶性和酸性。

图3 12-烷基苯磺酸钠合成路线

例如，在制备洗涤剂12烷基苯磺酸钠时，路线如图3，是在12烷基苯中引入了磺酸基团，那么这个磺酸基团就增加了整个分子的亲水性，使分子具有优异的表面活性，是一个非常理想的洗涤用表面活性剂。

另外，通过引入磺酸基团，还可以增加物质与纤维的亲和力，这主要是因为纤维的表面多为羟基结构，与磺酸基的相容性比较好。
     引入磺酸基还具有其它的化学反应目的，例如我们还可以把磺酸基基团转化为其他的基团，比如，转化为羟基等。有的时候引入磺酸基也是因为可以使其它反应更顺利，最后再通过水解，把磺酸基去掉。

在磺化反应中，常用的磺化试剂有硫酸、发烟硫酸、三氧化硫、氨基硫酸及亚硫酸盐。

图4 12-烷基苯磺酸钠合成路线

我们来看具体的例子。合成路线如图4，以松香酸中的去氢枞酸为反应原料，我们在刚讲的卤代反应实例中分析过，去氢枞酸的这个结构当中，有苯环结构，可以发生亲电取代反应，取代的位置主要是12位上，那么我们也就可以得到12号位的磺酸基去氢枞酸，这是一个优良的医药中间体，把它与氢氧化钠反应，可以得到二钠盐，一种抗胃溃疡的药物。

3羟基化反应

我们通过磺化反应可增强化合物的水溶性，是因为磺酸基是一个亲水性的基团。实际上，我们接触到的第一个亲水性基团应该是羟基，在有机化合物分子当中引入羟基的反应，称为羟基化反应。

羟基化反应的目的，通常是用来制备各种醇和酚类的化合物，被用在生产染料、农药、医药助剂、香料和食品添加剂中。引入羟基的方法主要为水解法，有卤代烷、芳伯胺、重氮盐和酯皂化等水解法。

图6 香料醇的合成路线

例如图6中例子，芳樟醇、橙花醇、香叶醇、月桂醇和松油醇都是非常好的香料或者香料的中间体，他们都是经过对应的酯oAC，经过皂化，也就是氢氧化钠的碱性条件，水解来得到的。

4羰基化反应

我们要讲的第四个单元反应是酰化反应，它是在有机化合物分子中的碳、氮、硫等原子上引入酰基的反应。比如说，羧酸的碳酰基，又叫羰基，以及磺酸的S酰基，如图7。常用的酰化试剂有对应的羧酸、酸酐以及酰氯等等。

图7 C N S酰基            图8 去氢枞酸

我们以松香中稳定的去氢枞酸为例，来分析一下它可以进行的酰化反应。在去氢枞酸当中，含有一个羧基，所以，他可以把羧酸当中的碳酰基，引入到其他的化合物中。

那么去氢枞酸中的这个羧酸的反应活性怎么样呢？我们在去氢枞酸分子式中，会发现，羧酸基团旁边就是三元环的结构，他对羧酸是一个很大的空间位阻，这就极大降低了羧酸的反应活性。

一般烷烃的羧酸可以在稀酸的酸性催化下，稍微加热就可以与醇反应。但是去氢枞酸的羧酸羰基反应活性比较低，在上面所说的条件下并不能与醇反应，那么我们怎么样去促使这个反应的进行呢。

图9 去氢枞甘油和季戊四醇酯合成路线

第一个方法就是增大反应条件，比如说把温度升高，当温度升高到270到300摄氏度时，在催化剂的作用下，松香酸可以与醇类的化合物反应。但是能否用来与甲醇、乙醇酯化反应呢呢？并不能，是因为甲醇和乙醇的沸点比较低，他在需要的反应温度270摄氏度时，是气态的状态，很难进行反应。所以，升高反应温度的方法，只能把去氢枞酸与沸点高一些的醇类化合物反应，例如甘油或者季戊四醇，这也就是，松香酸与甘油和季戊四醇反应来制备松香酸甘油酯和松香季戊四醇酯的反应原理，合成路线如图9所示。

那么，我们还有一个问题没有解决，也就是，松香酸如何与低沸点的甲醇乙醇反应呢？

图10 去氢枞甲酯合成路线1

我们还可以采用增加底物的反应活性，比如图10种的合成路线，羧酸的反应活性比较低，那我们把羧酸进行活化，变成含有羰基的，反应活性比较高的化合物。例如把松香酸经过酰氯化反应，变成松香酰氯，那么它就可以与甲醇和乙醇在室温下反应来得到对应的酯。

图11 去氢枞甲酯合成路线2

还有一种方法，就是使用高反应活性的酯化试剂，例如硫酸二甲酯，反应活性比较高的甲酯化试剂，它与松香酸反应，也可以在相对比较温和的条件下生成松香酸甲酯，合成路线如图11所示。

所以，在真正的工业生产中，我们还会遇到反应比较低的原料，那么我们通常会采用提高反应温度压力等条件，或者增强底物反应活性，以及采用高反应活性的试剂去解决这个反应问题。