第三节　卤化反应

向有机分子中的碳原子上引入一个或一个以上卤原子的反应称为卤化反应。卤化是在制备卤素衍生物中的应用非常广泛的合成手段。卤素衍生物是染料、农药、医药、香料的重要中间体。在某些精细化工产品中引入卤素，可改进产品性能。例如，含氟氯嘧啶活性基的活性染料，具有优异的染色性能。

引入卤原子的方法主要是加成和取代。卤族元素F、Cl、Br、I中，各元素性质相近，但其化学活性存在着较大差异，故在卤化方法上也有很大区别，下面分别予以介绍。

一、氯化

1.氯化剂

氯化反应最重要的氯化剂是氯气，也可采用盐酸加氧化剂、光气、硫酰氯等化合物作氯化剂。

2.取代氯化

取代氯化是合成有机氯化物最重要的途径，主要包括脂肪烃取代氯化、芳烃侧链取代氯化和芳环取代氯化。被取代的氢的位置与C—H键断键的能量有关，其能量顺序如下：

CH2＝CH—H>Ar—H≫伯C—H>仲C—H>叔C—H≫CH2＝CHCH2—H>ArCH2—H

而取代氢的相对活泼性顺序正好相反。

（1）脂肪烃的取代氯化　脂肪烃的取代氯化为自由基反应，包括链引发、链传递、链终止三步。烷烃氯化生成一氯代烷的同时，氯自由基还可以与一氯代烷继续反应，生成二氯代烷、三氯代烷、四氯代烷等。随氯浓度的增加或氯转化率的提高，多氯化物的含量将逐渐增加。由于上述的反应特点，氯化产物为各种一氯代烷、二氯代烷、多氯代烷的混合物。工业生产中为提高一氯代烷的选择性，必须控制氯化深度。氯化深度用参加氯化反应的原料百分数表示。

（2）芳烃侧链的取代氯化　芳烃侧链取代氯化也是自由基反应。以甲苯侧链氯化为例，其产品有苯氯甲烷也称之为苄基氯（C6H5—CH2Cl），苯二氯甲烷（C6H5—CHCl2）和苯三氯甲烷（C6H5—CCl3）。苄基氯是常用的烷基化剂。苯二氯甲烷和苯三氯甲烷可以用来制苯甲醛和苯甲酰氯，它们是合成香料、染料等的重要中间体。由于其属于自由基反应，在生产中要求被氯化的原料尽可能纯净，且要求采用搪瓷、搪玻璃或衬镍的设备。另外，进行侧链氯化时，能产生环上加成氯化副反应，低温时尤为明显，因此一般侧链氯化均在高温下进行。

（3）芳环上的取代氯化　芳环上的取代氯化是在催化剂存在下，芳环上的氢原子被氯原子取代的反应，通常是以路易斯酸为催化剂，如FeCl3、AlCl3、ZnCl2等，向芳烃中通入氯气进行的。芳香化合物的性质对氯化条件和产物组成有直接影响。而对胺类和酚类的氯化，则不需要加催化剂，反应可以在水介质中室温条件下完成。多数氯化反应是在溶剂存在下完成的。除原料和产物在反应温度下都是液态、可直接进行氯化外，在进行氯化时选择适当的介质亦十分重要，较常用的介质有水、硫酸和有机溶剂。

3.加成氯化

（1）烯烃的加成氯化　烯烃与卤素或卤化氢加成，是制备卤代烷的一种方法。加成氯化是在溶剂存在的条件下进行的。当烯烃与氯反应时，氯原子与双键的两个相邻碳原子连接；若与氯化氢作用，则服从马尔科夫尼科夫（Markovnikov）规则，即卤原子连接在含氢较少的不饱和碳上，氢加到双键另一端的不饱和碳原子上，并常以AlCl3、FeCl3或ZnCl2为催化剂。例如：

由乙烯氯化制1，2-二氯乙烷，有液相法和气相法。液相法是以产物二氯乙烷为介质，以FeCl3为催化剂，于40℃进行反应。气相法是在铜或铁的存在下，于80～100℃进行气相反应。将乙烯、氯化氢和空气在高温下一同通过CuCl2/KCl催化剂，使氯化氢氧化成氯，随之发生氯化反应。该方法称为氧氯化法，该法是目前制备1，2-二氯乙烷的重要工业方法。

（2）苯环的加成氯化　苯环的加成氯化是通过在光照下产生氯自由基而实现的。它与侧链取代氯化的主要区别是苯与氯自由基反应时，一般不会停止在中间阶段，即当自由基的攻击一旦破坏了环的芳香性，反应便会迅速进行下去，直到生成六氯环己烷为止。

4.取代已有取代基的氯化

利用卤原子取代已有取代基是合成有机卤化物的另一条重要途径。可被取代的基团较多，常见的有羟基、磺酸基、硝基和重氮基等。

（1）取代羟基　醇羟基、酚羟基和羧羟基都能被氯取代，但后两者需用较强的氯化剂。常用的氯化剂有HCl、SOCl2、PCl3、POCl3、COCl2等。氯化亚砜（SOCl2）是进行醇羟基取代的优良卤化剂。另外，用SOCl2与PCl3或PCl5与羧酸反应是制取酰氯最常用方法。

在用氯化亚砜作氯化剂时，反应生成的副产物都是气体，容易从酰氯中除去；同时氯化亚砜的沸点低，未参与反应的可以蒸馏回收，故在生产上被广泛采用。

（2）取代磺酸基　蒽醌磺酸的稀盐酸溶液与氯酸盐作用，磺酸基可被氯取代，工业上常采用这一方法制1-氯蒽醌以及由相应的蒽醌磺酸制备1，5-二氯蒽醌和1，8-二氯蒽醌。该反应速率较慢，但在光或引发剂的存在下可加快反应速率。

（3）取代硝基　间二硝基苯在222℃时与氯反应可制得间二氯苯，由于属自由基反应，故通氯的反应器应当是搪瓷或搪玻璃的。若反应在铁制容器内进行，由于生成的FeCl3为极性催化剂，将使离子型反应与自由基型反应同时发生，会得到一部分环上取代氯化产物。

（4）取代重氮基　用卤原子取代重氮基是制取芳香卤化物的方法之一。先由芳胺制取重氮盐，再在亚铜盐催化剂作用下得到卤化物，该反应称作桑德迈耶尔（Sandmeyer）反应。

在反应过程中同时有偶氮化合物和联芳基化合物生成，芳香氯化物的生成速率与重氮盐及一价铜的浓度成正比。增加氯离子浓度可减少副产物生成。

5.氯化反应在精细化学品生产中的应用

卤化反应在染料、医药、农药等有机合成中占有重要地位。在卤化反应中氯化反应是应用最广的。例如，石蜡氯化是脂肪烃取代氯化的一个重要应用，其中氯含量为12％～14％的氯化石蜡，是由煤油或石油中的C12～C16馏分氯化得到的，用于合成烷基芳基磺酸盐型表面活性剂；液体氯化石蜡的氯含量在40％～49％，用作塑料的增塑剂和润滑油的添加剂；固体氯化石蜡的含氯量在70％～72％，用作塑料和合成橡胶的阻燃添加剂。

芳环的取代氯化是合成芳烃氯衍生物的重要方法。例如，苯氯化制氯苯是制农药、染料和其他有机产品的重要中间体，也可作溶剂。苯酚的氯化产物中最重要的是2，4-二氯苯酚和五氯苯酚，前者是制备除草剂和植物生长激素的中间体，后者及其钠盐被广泛用作抗菌剂。

用卤原子置换重氮基制得的重要卤素衍生物1-氯-8-萘磺酸是合成染料硫靛黑的中间体。

二、溴化

1.溴化剂

常用的溴化剂有溴、溴化物、溴酸盐和次溴酸的碱金属盐等，溴化剂的活性顺序如下：

Br+>BrCl>Br2>BrOH

由于溴的价格较高，为了充分利用，一种方法是捕集生成的溴化氢，将其再生成溴以继续使用；另一种方法是直接向反应器中加入氧化剂，使生成的溴化氢直接得到利用，常用的氧化剂有Cl2、NaClO、NaClO3等。例如：

2.溴化反应

溴化反应原理与氯化基本相同，且环上溴化与氯化所用的催化剂也基本相同。由于溴的活泼性比氯低，它的反应较缓和且选择性好。在溴化时常需加入溶剂，所用的溶剂有水、稀碱、冰醋酸、浓硫酸、甲醇、氯仿等。使用溶剂可以改善反应状况，溶剂的选择与原料的性质及原料在溶剂中的活泼性有关。

3.溴化反应在精细化学品生产中的应用

溴化合物的合成技术近年来取得了许多新进展。溴化合物作为精细化工产品，其主要用途是合成系列含溴阻燃剂，溴化物系列阻燃剂主要有四溴双酚A、十溴二苯醚、聚二溴苯醚、四溴邻苯二甲酸酐等。另外，溴化反应在合成农药、药物、染料及高分子化合物等方面也有广泛应用。例如，溴丁橡胶具有优良的应用性能，含溴染料色泽鲜艳。由于溴原子较活泼，在有机合成中还可利用溴化物来制取其他衍生物。

四溴邻苯二甲酸酐是性能良好的反应型阻燃剂，可用于多种聚氨酯和聚酯高分子材料。其反应式为：

三、碘化

1.碘化剂

在芳香族取代反应中碘是活性最低的反应剂，除了十分活泼的芳香化合物（如苯酚）可直接采用碘作碘化剂外，通常均需要加入氧化剂，常用的氧化剂有硝酸、碘酸、过氧化氢、三氧化硫等，如：

采用较强的碘化剂如ICl，可使反应顺利进行，因为Iδ+—Clδ-较碘分子更易离解，其活泼性较碘大：

2.碘化反应

芳香族化合物的直接碘化反应与氯化、溴化反应不同。由于C—I键的平均键能小（162.0kJ/mol），生成的碘化氢具有还原性，因而碘化反应是可逆的。为制备芳香取代碘化物，应避免可逆反应发生，因此要设法不断除去反应中生成的碘化氢，并使用亲电性较强的碘化剂。除去碘化氢的方法是加入氧化剂，使碘化氢氧化成碘而重新参加反应。

3.碘化反应在精细化学品生产中的应用

由于碘的价格昂贵，使碘化产物的实际应用受到很大限制，仅在医药、染料工业中有少数几种碘化产品。如采用对碘苯胺作重氮组分所制得的含碘偶氮染料，具有耐晒、耐洗等优良性能。对碘苯胺的制取，其反应过程如下：在100℃时向碘化亚铜、浓氨水、氯化铵和碘化铵的混合物中通入空气，使其氧化成碘，然后将其加到苯胺与氨水的混合物中，在65℃反应，得产品对碘苯胺。

四、氟化

1.氟化剂

常用的氟化剂是金属氟化物，尤其是氟化钾。另外两种常用的氟化剂是HF和SF4，氟化氢相对来讲不是活泼的氟化剂，只能置换活泼的卤原子，SF4可置换羰基氧及羟基。

2.氟化反应

（1）与卤原子交换　与卤原子交换是广泛采用的一种氟化方法。芳环上有吸电子基存在有利于与卤素的交换。其顺序是：I>Br>Cl。

（2）取代氢　有三种取代氢原子的方法：用F与C—H键反应的直接氟化法，用金属氟化物与C—H键反应的方法和电解氟化法。

直接氟化法目前在工业上改用了高价金属氟化物作氟化剂。其主要优点是反应热效应小，收率高。实际应用的金属氟化剂有两种，即AgF和CoF3。进行氟化反应的过程是让氟在升温下通过装有AgCl或CoF2的床层，使反应生成高价氟化物，然后将需要氟化的原料在150～300℃以蒸气态与氮气流一同通入反应器中。反应完成后，再通入F2使CoF2再生。

将有机原料在无水HF的液体中，在低于释放氟的电压下电解，即可在阳极发生氟化反应。该方法受温度和反应物在HF中的溶解度的限制。将C7～C8的脂肪酰氯溶于无水氢氟酸中，经电解可得到全氟化产物。

（3）间接氟化法　许多芳香族氟衍生物是由间接氟化法制得的，其中加热重氮硼氟酸盐是向芳环上引入氟原子的常用方法，称之为希尔曼（Schiemann）反应。例如，由苯胺重氮盐可制得氟苯。氟苯及其衍生物可作为医药、农药的原料。

3.氟化反应在精细化学品生产中的应用

向有机分子中引入氟有两个重要作用：一是提高有机物的化学稳定性；二是由于强的诱导效应，可使分子中其他官能团的活泼性增大。由于氟衍生物具有优异的物理性质和化学性质，因而它的应用十分广泛，如制造新型药物、新型表面活性剂、合成制冷剂及各种牢度优异的染料新品种等。举例如下。

间氯三氯甲苯与无水氟化氢（摩尔比为1:4）在高压釜中于100～110℃、2.5MPa压力下反应，制得间氯-ω-三氟甲苯。间氯-ω-三氟甲苯是合成冰染染料的重要中间体。

2，4，6-三氟-5-氯嘧啶是合成活性染料的重要中间体，它是由2，4，5，6-四氯嘧啶与氟化钠在环丁砜中回流制得的。