第一節　鹵化反應基礎知識介紹

一、鹵化反應

從廣義上講，向有機化合物分子中碳原子上引入鹵素原子的反應叫做鹵化反應。鹵化反應是精細有機合成中最重要的反應之一。按鹵原子種類不同，鹵化反應可分為氯化、溴化、碘化和氟化。

鹵化反應可以生成鹵代烴、鹵代芳烴、酰鹵等；可以制取的產品除了有機單體（如氯乙烯、四氟乙烯）以及有機溶劑（四氯化碳、二氯乙烷、氯苯等）以外，還被廣泛用來制取農藥、增塑劑、潤滑劑、阻燃劑、染料、顏料及橡膠防老劑等產品或中間體。

海水中含有約3%的氯化鈉，在氯堿工業中，電解飽和食鹽水生產燒堿時，同時得到大量的氯，這為有機氯化物的生產提供了充足的氯化劑。所以，氯化最為經濟，已被用于大規模工業生產。溴化劑的來源比碘化劑和氟化劑多，在應用上僅次于氯化劑。含碘的化合物可用于醫藥、農藥及染料的生產。氟的自然資源較為豐富，且容易獲得，隨著對有機氟化物的進一步研究，發現某些氟化物的理化性能極為優異。近年來，含氟化合物的生產量呈逐年增長的趨勢。

在有機物分子中引入鹵原子，可以實現如下目的。

① 增加產物分子的反應活性。由于鹵素原子的電負性都比較大，有機物在連接鹵原子后，會由于連接鍵極性的增強而產生易發生反應的活性部位，從而可以通過對鹵素原子的轉換，制備含有其他取代基的衍生物，如將鹵素原子置換為羥基、氨基、烷氧基，甚至雙鍵等官能團。一般來說，溴原子較其他原子容易被置換，常被用于官能團的轉換過程。

② 有些有機物經鹵化所得的產品，通過進一步轉換，就是重要的反應中間體，可以直接用來合成農藥、染料、香料、醫藥等精細化工產品。

例如：

③ 由于鹵素原子自身的特性，將一個或多個鹵原子引入某些精細化學品中，可以改進其主要性能。例如：引入氯的聚氯乙烯的強度比聚乙烯高；含有三氟甲基的染料有很好的日曬牢度；銅酞菁分子中引入氯原子、溴原子，可制備不同黃綠色調的顏料；向某些有機化合物分子中引入多個鹵原子，可以增強有機物的阻燃性等。

二、鹵化劑及反應影響因素

鹵化時常用的鹵化劑有：鹵素單質、鹵素的酸和氧化劑、氫鹵酸、金屬和非金屬鹵化物等。其中鹵素應用最廣，尤其是氯。但對于F2來說，由于F2的活性太高，一般不能直接用作氟化劑，而只能采用間接的方法獲得氟的衍生物。

鹵化反應的形式多樣，不同鹵化劑的性質也各有差異。從反應類型來看，鹵化反應主要包括三種類型，即：鹵素與不飽和烴的加成反應；鹵原子與有機物分子中氫原子之間的取代反應和鹵原子與有機物分子中氫以外的其他原子或基團的置換反應。

在上述鹵化劑中，可用于取代和加成鹵化的鹵化劑有鹵素（Cl2、Br2、I2）、氫鹵酸、氧化劑（HCl+NaClO、HCl+NaClO3、HBr+NaBrO、HBr+NaBrO3）及其他鹵化劑（SO2Cl2、SOCl2、HOCl、COCl2、SCl2、ICl2）等；用于置換鹵化的鹵化劑有HF、KF、NaF、SbF3、HCl、PCl3、HBr等。

取代鹵化是合成有機鹵化物的最重要的途徑，主要包括脂肪烴的取代鹵化、芳環上的取代鹵化及芳環側鏈上的取代鹵化。

1.脂肪烴的取代鹵化

以甲烷、丙烷等為原料的取代氯化如圖1-1所示。

2.芳環上的取代鹵化

（1）反應歷程

芳烴鹵化反應是按照親電取代反應機理（SN2機理）進行的。芳環上的氫原子被鹵素原子取代，其反應通式為：

ArH+X2 ArH+HX

進攻芳環的親電質點是鹵素正離子（X+），反應時X+首先對芳環發生親電進攻，生成σ配合物，然后脫去質子，得到環上取代鹵化產物，例如苯的氯化：

催化劑的選用，都是能促使鹵正離子（X+）形成的路易斯酸，如金屬鹵化物：FeCl3、AlCl3、ZnCl2、SnCl4、TiCl4等。工業上普遍使用AlCl3作為催化劑，其與Cl2作用，促使Cl2極化生成Cl+，反應歷程是：

催化劑的用量很小，以苯的氯化為例，催化劑用量僅為苯的質量的萬分之一，即可滿足氯化反應的需要。

除了金屬鹵化物外，還可以使用硫酸、碘或次鹵酸作催化劑，這些催化劑也能使Cl2轉化為Cl+，促進反應的進行。

（2）反應動力學特征

芳環上的取代氯化過程是速率相近的連串反應過程，即先得到的鹵代產物可以繼續發生取代鹵化反應，生成鹵化程度較高的產物，以苯的取代氯化為例：

……

如表1-1所示，苯的一氯化與氯苯的進一步氯化反應速率常數相比之下是較為接近的，相差只有10倍左右（k1/k2=10）。

實驗證明，在鹵化反應中，隨著反應生成物的不斷變化，連串反應中各級反應速率也發生較大的變化。

1948年，R.B.Macmullin研究了苯在55℃條件下以FeCl3為催化劑的間歇氯化過程，找到了氯化液組成與氯化深度（Cl2/C6H6摩爾比）的關系。在苯的間歇氯化中，當苯中的氯苯含量為1%時，一氯化速率r1比二氯化速率r2大842倍；當苯中氯苯含量為73.5%（質量分數）時，苯的一氯化與二氯化反應速率相等。也就是說，在苯氯化過程中，隨著一氯苯的不斷生成，二氯苯的生成速率不斷增加，以至生成較多的二氯化產物和多氯化物。圖1-2是苯在間歇氯化時產物組成變化情況，它體現了連串反應的典型特征。

從圖1-2中可以看出，苯與氯氣作用首先生成氯苯，當苯的轉化率達20%左右時，氯苯又開始與氯氣反應生成二氯苯。二氯化的反應速率隨著苯中氯苯濃度的增加而明顯加快，在氯化深度為1.07左右時，氯苯的生成量達到最大值。實際生產中，若氯苯是目的產物，則可以控制氯化反應深度停留在較淺的階段。

（3）鹵化反應的影響因素及鹵化條件的選擇

鹵化反應的選擇性依氟、氯、溴、碘的順序依次增強，F2與芳香族化合物的反應，因其分子半徑小、電負性強、反應活性太高、選擇性極差，因而在工業化生產中沒有應用價值。

取代芳烴受原有取代基（誘導效應、共軛效應）的影響，其鄰、間、對位的電子云密度分布不同，顯現了取代基的定位效應。但定位效應又隨著溫度的變化而變化，往往溫度越低，鄰、間、對位間的電子云密度差異越明顯；高溫下，隨著電子運動的加劇和電子離域狀態的增加，鄰、間、對位的電子云密度差異趨于減小。實踐證明，這種變化對鄰、對位定位基影響更大。

鹵素作為定位基，不僅受誘導效應的影響，也受共軛效應的影響；不僅受電子效應的影響，也受空間效應的影響。用這個觀點可以解釋鹵素為什么是吸電子基團，卻又是鄰、對位定位基，也可以解釋為什么一般情況下對位選擇性大于鄰位。

鹵化反應的主要影響因素有：被鹵化芳烴的結構、鹵化劑、反應介質、反應溫度、原料純度及混合作用等。

① 被鹵化芳烴的結構的影響。芳環上取代基可以通過電子效應（共軛或誘導）影響芳環上電子云密度，從而影響芳環的鹵代反應。當芳環上具有給電子基團時，有利于形成σ配合物，鹵化容易進行，主要生成鄰、對位鹵化產物，但不可避免地要出現多鹵代產物。反之，芳環上連有吸電子基團時，因其降低了芳環上電子云密度而使鹵化反應難以進行，這時需要加入催化劑并在較高溫度下進行反應。我們知道，苯酚與溴的取代反應，在無催化劑存在下，常溫、常壓就能迅速進行，并幾乎能定量地生成產物2，4，6-三溴苯酚；而硝基苯溴化，常溫、常壓下很難進行，需加入鐵粉作催化劑并加熱到135～140℃才能反應。

具有芳香性的雜環化合物（如：呋喃、噻吩、吡咯），由于環上雜環原子有給電子共軛效應，能使雜環活化，鹵化反應很容易進行，而缺π電子、芳香性較強的雜環化合物（如：吡啶等），其鹵化反應較難進行。例如：

② 鹵化劑的影響。芳烴鹵代是一個親電取代反應，應根據反應物的活性選擇合適的鹵化劑，因為鹵化劑往往會影響反應速率、鹵原子取代的位置、數目及異構體的比例。例如：

鹵素是合成鹵代芳烴最為常用的鹵化劑，它們的反應活性順序是：Cl2>BrCl>Br2>ICl>I2。

取代鹵化時，常用的氯化劑有：氯氣、次氯酸鈉、硫酰氯等，不同氯化劑在苯環上氯化時的活性順序是：ClOH>ClNH2>ClNR2>ClO-。常用的溴化劑有：溴、溴化物、溴酸鹽和次溴酸的堿金屬鹽等。不同溴化劑活潑性順序是：Br+>BrCl>Br2>BrOH。芳烴上的溴化反應可以用金屬溴化物作催化劑，如溴化鎂、溴化鋅等，也可以用單質碘作催化劑。

溴比氯難以獲得，價格也比較高，溴化副產物溴化氫也有必要回收利用。因此，常在溴化反應中加入氧化劑（如次氯酸鈉、氯酸鈉、氯氣、雙氧水等），使生成的溴化氫氧化成單質溴而再次得到利用。

2HBr+NaOClBr2+NaCl+H2O

單質碘是芳烴取代反應中活潑性最低的反應試劑，而且碘代反應具有可逆性。為使反應進行完全，必須使生成的碘化氫脫離反應體系，常用的方法是，在反應中加入適當的氧化劑（如硝酸、過碘酸、過氧化氫等），使碘化氫氧化成碘繼續發生碘代反應。也可以加入氨水、氫氧化鈉或碳酸鈉等堿性物質，以中和除去碘化氫。一些金屬氧化物（如氧化汞、氧化鎂等）能與碘化氫形成難溶于水的碘化物，也可以用于除去碘化氫。

氯化碘、羧酸的次碘酸酐（RCOOI）等碘化劑可提高反應中碘正離子的濃度，增加碘的親電性，有效地進行碘代反應。例如：

③ 反應介質的影響。不同的鹵化反應，要求采用的反應介質也不一樣。選用溶劑時應考慮溶劑對反應速率、產物組成與結構、產率等的影響。如果被鹵化物在反應溫度下是液體，可視其本身為反應介質，則不需要加入其他介質而直接進行鹵化，如苯、甲苯、硝基苯的氯化。若被鹵化物在反應溫度下是固態，則可以根據反應物的性質和反應的難易選擇適當的溶劑。常用的溶劑有水、鹽酸、硫酸、乙酸、氯仿等，也可使用性質穩定的鹵代烴類作溶劑。例如，萘的氯化采用氯苯作溶劑，水楊酸的氯化采用乙酸作溶劑。

對于性質活潑、容易鹵化的芳烴衍生物，可以用水為反應介質，將被鹵化物分散懸浮在水中，在鹽酸或硫酸存在下進行鹵化。例如對硝基苯胺的氯化。

那些難以鹵化、難溶的固體物料，可采用濃硫酸、發煙硫酸、氯磺酸等作為反應溶劑，有時還需加入適量的碘作為催化劑。例如，由蒽醌制取1，4，5，8-四氯蒽醌，就需要在濃硫酸作為反應介質的條件下，再加入0.5%～4%的碘作催化劑。

值得一提的是，溶劑在反應體系內稀釋了芳香化合物的濃度，理論上會降低鹵素的濃度，但這對選擇性有利。且溶劑可吸收反應熱，避免了局部過熱，選擇性將會提高。綜合考慮，溶劑的加入有利于提高選擇性。不同溶劑對產物組成的影響參見表1-2。

④ 反應溫度的影響。鹵化反應溫度越高，鹵化速率就越快。對于取代氯化而言，反應溫度還會明顯影響鹵素取代的定位和數目，溫度越高越有利于連串反應的進行，甚至會發生異構化。如萘在室溫、無催化劑條件下溴化，則產物是α-溴萘；而在150～160℃和鐵催化下，溴化則生成β-溴萘。較高的溫度有利于α-體向β-體異構化。

在苯的氯化中，隨著反應溫度的升高，二氯化反應的速率反而比一氯化反應增加得快，在160℃時，二氯苯又會發生異構化。

鹵化溫度的選定要依據反應物活潑性的大小確定，同時還要考慮到產率和產能。例如，在取代氯化反應中，溫度升高，能使二氯化產率增高，即一氯化選擇性下降。為了防止二氯化產物過多，早期生產采用控制溫度的方法，在35～40℃的低溫下進行，而氯化反應是強放熱反應，生成1mol氯苯放出大約131.5kJ的熱量，這樣，維持低溫需要較大規模的冷卻系統，而且反應速率低，限制了生產能力的提高。后來，人們發現隨著溫度的升高k1/k2增加并不十分明顯（見表1-3）。溫度的影響比返混作用小得多。

因此，現在的氯苯生產普遍采用在氯化液的沸騰溫度條件下（78～80℃），用塔式反應器或列管式反應器進行氯化。采用塔式反應器可有效消除物料的返混現象，過量苯汽化可帶走大量反應熱，有效地降低反應溫度，有利于連續化生產，大幅度提高產能。

⑤ 原料純度與雜質的影響。反應物純度對芳烴的取代鹵化有很大影響，特別不希望含有水分，因為水能吸收鹵化反應的生成物HCl，生成鹽酸，除了會造成設備腐蝕外，它還會對催化劑FeCl3起到溶解的作用，溶解能力大大超過芳烴的溶解能力，使有機相FeCl3濃度大幅降低，影響鹵化反應的順利進行。事實上，芳烴中含水量只要達到0.02%（質量分數），反應便會停止。其次，芳烴氯化反應原料中不能有含硫雜質（特別是噻吩）。含硫化合物易與催化劑FeCl3作用生成不易溶于芳烴的黑色硫化物，使催化劑失效，同時，噻吩又能與Cl2反應，生成物在氯化液精餾過程中分解放出HCl，對精餾設備造成腐蝕。尤其是從煤焦油提煉得到的芳烴，在氯化前必須經過除硫工序才能使用。

此外，用于鹵化的Cl2中不希望含有H2，因為當H2的體積分數超過4%時，可能引起燃燒甚至爆炸。

⑥ 反應深度的影響。對于氯化反應來說氯化深度即為反應深度，它表示芳烴被鹵化程度的大小，常用氯苯比來表示。由于芳烴的環上氯化是一個連串反應，從圖1-3中可以看出，當氯化深度增加時，二氯化產物含量也隨著增加。因此，要想在一氯化階段少生成二氯化產物，就必須嚴格控制氯化深度。工業上采取苯過量的方法，將氯苯比（氯化深度）控制在1∶4（質量比）的比例，進行低轉化率氯化來提高一氯化反應的選擇性。

控制氯化深度可以通過測量反應器出口氯化液相對密度得以實現。因為苯、一氯苯、二氯苯的相對密度是依次升高的，如果出口反應液的相對密度較高，說明氯化產物含量高，氯化深度也越高。表1-4是氯化液相對密度與產物組成的關系表。

值得一提的是，近年來，人們找到了二氯化產物（特別是對位產物）的多種用途（如除臭劑、殺菌劑等），希望得到多一些的二氯化產物。可以通過提高氯化深度來提高二氯化產物的收率。但希望更多地得到對位產物，最好的辦法還是采用選擇性高的新型催化劑來進行氯化。

⑦ 混合作用的影響。在具體實施氯化反應的過程中，反應物的混合方式能夠極大地影響氯化反應的選擇性，若攪拌效果不好或反應器類型選擇不當，不光傳質不均，還會造成局部過濃的情況，使反應生成物不能及時地離開反應區，又返混回反應區域，促使連串反應進行、更多地生成二氯化產物。因此，連續化生產中，減少返混現象，是所有連串反應中一個較難處理的問題，特別是當連串反應的兩個反應速率常數k1和k2相差不大，而又希望得到較多的一取氯代產物的情況?；どa上歷經了從單鍋間歇式，到多鍋連續式，最后到填料塔沸騰連續式生產三個演進過程（見圖1-3）。為了減少和消除返混現象，人們最終選擇了填料塔式連續氯化生產裝置。在具體操作時，先將原料苯和氯氣都以足夠的流速由塔底輸入，物料便可由下而上保持柱塞流通過塔內填料段，發生氯化反應。生成的氯苯，即使密度增加了也不會下降到填料段下部，從而可以有效地克服返混現象，保證填料段下部新輸入的原料苯和氯氣的接觸。