第七节　烷基化反应

在有机化合物分子中的碳、氮、氧等原子上引入烃基的反应称为烃基化反应。所引入的烃基包括烷基、烯基、炔基、芳基等。其中最为重要的是引入烷基，即烷基化反应，尤其以甲基化、乙基化和异丙基化最普遍。广泛的烷基化定义还包括在有机化合物分子中的碳、氮、氧原子上引入羧甲基、羟甲基、氯甲基、氰乙基等基团的反应。

一、烷基化

1.芳环上的C-烷基化

在催化剂作用下，用卤烷、烯烃等烷基化剂直接将烷基接到芳环上的反应称为C-烷基化反应，亦称为傅-克（Friedel-Crafts）烷基化反应。

（1）C-烷基化剂　C-烷基化反应中常用的烷基化剂有卤烷、烯烃和醇类，有时也用醛、酮、环烷烃等。不能用卤代芳烃（如氯苯）等代替卤烷，因为连接在芳环上的卤原子反应活性较低，不能进行烷基化反应。

烯烃是常用的烷基化剂，广泛用于工业上芳烃、芳胺和酚类的C-烷基化。常用的烯烃有乙烯、丙烯、长链α-烯烃。

醇、醛和酮都是反应能力较弱的烷基化剂，它们只适合于活泼芳香族衍生物的烷基化。醛、酮常用于合成二芳基或三芳基甲烷衍生物。

（2）催化剂　C-烷基化反应是在催化剂存在下进行的。经常采用的催化剂有路易斯酸、质子酸、酸性氧化物。其中无水三氯化铝是在各种Friedel-Crafts反应中使用最广泛的催化剂。

（3）反应原理　用各种烷基化剂进行的C-烷基化反应都属于芳香族亲电取代反应。催化剂的作用是使烷基化剂强烈极化，成为活泼的亲电质点，这种亲电质点进攻芳环生成σ络合物，再脱去质子而变成最终产物。以卤烷烷基化的反应为例，其反应如下：

烷基是供电子基团，芳环上引入烷基后因电子云密度增加而被活化，有利于其进一步反应生成二烷基芳烃，甚至多烷基芳烃；但另一方面引入烷基后会产生空间效应，阻碍着第二个烷基化剂的进攻。两种效应的综合结果与催化剂种类和反应条件有关。为了减少二烷基和多烷基化物的生成，必须选择适宜的催化剂和反应条件，其中重要的是控制反应原料芳烃和烷化剂的用量比，常使用芳烃过量较多，反应后再加以回收利用的方法。

C-烷基化反应是可逆反应，当芳烃过量多时，有利于多烷基芳烃向单烷基芳烃转化。利用这一性质，可以使多烷基芳烃与过量芳烃反应，生成单烷基芳烃，以增加单烷基芳烃的总收率。

2.氨或胺上的N-烷基化

氨、脂肪族胺或芳香族胺中氨基的氢原子被烷基取代，或者通过直接加成而在氮原子上引入烷基的反应，均称为N-烷基化反应。例如

（1）N-烷基化剂　取代型烷基化剂有醇、醚、卤烷和强酸酯类，如甲醇、乙醇、氯甲烷、碘甲烷、硫酸二甲酯等；加成型烷基化剂有烯烃衍生物和环氧化合物，如丙烯腈、丙烯酸、环氧乙烷、环氧氯乙烷等；缩合-还原型烷化剂是醛和酮。

（2）反应原理　N-烷基化反应分为取代型、加成型和缩合-还原型三种。

取代型离去基团（Z）主要是卤素离子、羟基和强酸的酸根。

加成型反应如下：

缩合-还原型反应如下：

二、烷基化方法

1.烯烃的烷基化

（1）C-烷基化　以丙烯和苯生产异丙苯为例，丙烯为烷基化剂，所用的催化剂是三氟化铝或载于硅藻土的磷酸，也可以用三氟化硼作催化剂，对苯进行烷基化生产异丙苯。

由于苯环上引入烷基后使苯环活化，会继续烷基化反应，引入第二甚至第三个异丙基。为了减少多异丙苯的生成，在实际生产中采用过量的苯。由于苯的烷基化是可逆反应，故在过量苯和相同催化剂存在下，多异丙苯又可进行脱烷基化反应，重新生成异丙苯。异丙苯的主要用途是经过氧化和分解来制备苯酚和丙酮。

另外，长碳链烷基苯是生产烷基苯磺酸盐的原料，它除了可用氯烷作烷基化剂制取外，还可用烯烃作烷基化剂来制取。所用烯烃有四聚丙烯（异十二烯）或直链α-烯烃。

（2）N-烷基化　脂肪族或芳香族胺类均能与烯烃发生N-烷基化反应。此反应是通过烯烃的双键与氨基中的氢加成而完成的。常用的烯烃为丙烯腈和丙烯酸酯，通过烷基化可分别引入氰乙基和羧酸酯基。

伯胺可以引入两个烷基，但在引入第一个烷基后，反应物活性将下降，二烷基化时需要加入催化剂。常用的催化剂是铜盐，如CuCl2、CuCl、CH3COOCu，还有极性催化剂如乙酸、三乙胺、三甲胺及吡啶等。

2.卤烷的烷基化

（1）C-烷基化　卤烷是活泼的C-烷基化试剂。工业上一般使用氯代烷烃，在AlCl3催化下与苯烷基化制备烷基苯。以氯代烷为烷基化剂合成长碳链烷基苯，其反应式为：

为了降低物料的黏度和抑制多烷基化，苯与氯代烷的摩尔比为（5～10）:1。

（2）N-烷基化。　卤烷是N-烷基化常用的烷基化剂，其反应活性较醇大，但价格比醇相对要高。卤烷常用于不太活泼的氨基的烷基化或季铵化；但也有些卤烷如苯氯甲烷（苄基氯）、氯乙酸比相应的醇容易制备，因此苄基化或羧甲基化多用该类物质为烷基化剂。如苯胺与氯乙酸在水介质中反应得到羧甲基苯胺，它是合成靛蓝染料的中间体。

用卤烷进行的胺类烷基化反应是不可逆的，反应中还有卤化氢生成，它会使胺类形成盐，而难于再烷基化，所以反应时要加入一定量的碱性试剂，如NaOH、Na2CO3、Ca（OH）2等，以中和卤化氢，使烷基化反应能充分进行。

叔胺用卤烷烷基化后可得到季铵盐。N，N-二甲基十八胺和N，N-二甲基十二胺的苄基化产物是重要的阳离子表面活性剂和相转移催化剂。

3.醇、醛、酮的烷基化

醇、醛和酮是反应能力较弱的烷基化剂，它们只适用于活泼芳香族衍生物的C-烷基化，如萘、酚和芳胺类化合物。常用的催化剂有路易斯酸和质子酸。醇、醛和酮亦可作烷基化剂对胺类化合物进行N-烷基化。

（1）醇的烷基化

①C-烷基化。芳胺在较缓和的条件下先发生N-烷基化。

若将温度升高至250～300℃，则氮原子上的烷基将转移到芳环上，得到对位烷基芳胺。

对正丁基苯胺主要用作染料中间体。

萘与正丁醇和发烟硫酸可以同时发生烷基化和磺化反应：

生成的1，2-二正丁基萘-6-磺酸即渗透剂BX，俗称拉开粉。该产品在合成橡胶生产中用作乳化剂，在纺织印染工业中大量用作渗透剂。

②N-烷基化。以醇作烷基化剂进行液相烷基化时多用酸作催化剂，如硫酸、氢卤酸和磷酸。工业生产中多采用浓硫酸作催化剂，例如，制备N，N-二甲基苯胺的反应

N，N-二甲基苯胺是制备染料、橡胶硫化促进剂、炸药和医药的中间体。

（2）醛和酮的烷基化

①C-烷基化。醛和酮可以与两个芳环缩合，是制备对称的二芳基或三芳基甲烷衍生物的有效途径。该类反应多采用质子酸为催化剂。例如，过量的苯胺与甲醛在盐酸中反应，可以制取4，4'-二氨基二苯甲烷。该产品是偶氮染料的重要组分，又是制造压敏染料的中间体，亦是聚氨酯树脂的单体。

②N-烷基化。氨或胺类化合物与许多醛、酮可发生还原性烷基化，其反应式如下：

氨的还原烷基化生成伯胺，伯胺也可进行还原烷基化生成仲胺，生成的仲胺还能进一步与醛或酮反应，最终生成叔胺。

这类还原烷基化中用得最多的是甲醛水溶液，它可以在氮原子上引入甲基。甲酸也是一种常用的还原剂。例如，脂肪族十八胺用甲醛和甲酸可以还原烷基化生成N，N-二甲基十八烷胺，该产品是表面活性剂或纺织助剂的重要中间体。

4.环氧乙烷的烷基化

环氧乙烷是一种活性较强的烷基化剂，其分子具有的三元环结构容易开环，不仅可以进行氨基和羟基的烷基化，还可以与酰胺和羧酸发生烷基化反应。

其中，X为—NH—、—O—、—CONH—、—COO—。

碱性或酸性催化剂均能加速这类加成烷基化反应。反应所生成的羟乙基化合物能继续与环氧乙烷加成生成聚醚：

（1）N-烷基化　高碳脂肪胺可以在催化剂存在下或无催化剂情况下与环氧乙烷反应：

芳胺用环氧乙烷烷基化，首先生成N-羟乙基苯胺，若再与另一分子环氧乙烷作用，可进一步生成N，N-二羟乙基苯胺：

氨与环氧乙烷反应，首先生成乙醇胺：

乙醇胺还可继续与环氧乙烷作用，生成二乙醇胺和三乙醇胺：

三种乙醇胺均是无色黏稠液体，可用减压精馏法收集不同沸程的乙醇胺产品。乙醇胺有碱性，可用于脱除气体中的SO2、CO2等酸性杂质，以净化多种工业气体。同时乙醇胺也是重要的化工原料，可以制表面活性剂、乳化剂等。

（2）O-烷基化　低级脂肪醇用环氧乙烷烷基化可生成相应的羟基醚，如：

高级脂肪醇、烷基酚与环氧乙烷加成生成的聚醚是非离子表面活性剂的主要品种，反应一般用碱催化剂。例如，以十二醇为原料，通过控制环氧乙烷以控制聚合度为15～20的醚，产品是平平加O。

高级脂肪酸也能与环氧乙烷作用，生成的酯类聚氧乙烯型非离子表面活性剂是一种性能优良的乳化剂：

三、烷基化反应在精细化学品生产中的应用

烷基化反应在精细化学品生产中是非常重要的一类反应，其应用广泛。反应生成的产品是塑料、医药、溶剂、合成洗涤剂等的重要原料，且有些产品本身就是医药、染料、香料、催化剂、表面活性剂等功能性产品。例如，前面介绍的用醇的烷基化，除了液相方法外，对于易气化的醇和胺，反应还可以用气相方法进行。工业上大规模生产的甲胺就是由氨和甲醇气相烷基化反应生成的：

烷基化反应并不停留在一甲胺阶段，产物是一甲胺、二甲胺和三甲胺的混合物，其中二甲胺的用途最广，一甲胺次之。为了减少三甲胺的生成，烷基化反应时，一般取氨与甲醇的摩尔比大于1，再加适量水和循环三甲胺（三甲胺可与水进行逆向分解反应），使烷基化反应向一烷基化和二烷基化转移。工业上这三种甲胺的产品一般是浓度为40％的水溶液。一甲胺和二甲胺是制造农药、医药、染料、炸药、表面活性剂、橡胶硫化促进剂等的原料，三甲胺可用于制造离子交换树脂、饲料添加剂和植物激素等。

2，2-双（4-羟基苯基）丙烷（俗称双酚A）是人们熟悉的产品，它是制环氧树脂、聚碳酸酯和聚砜等的主要原料，也用于制油漆、抗氧剂和增塑剂等。用苯酚与丙酮在酸催化下反应，即可得到该产品。

工业上采用H2SO4、HCl或阳离子交换树脂为催化剂。前两种无机酸的催化活性高，但对设备腐蚀严重；而后者具有后处理简单、腐蚀性小的优点。

烷基苯是生产洗衣粉的主要活性物烷基苯磺酸钠的原料。烷基苯的合成是C-烷基化过程，目前主要有烯烃和氯烷两种原料路线，以氟化氢为催化剂的烯烃路线其主反应为：

其中，R1和R2为烷基或氢。

使用HF为催化剂，有利于反应的连续化，不易产生聚合反应，收率高，产品质量好，催化剂可回收使用；但HF腐蚀性大，对设备的材质和设备的严密性要求高。