傅克反應(付克反應)的危險性分析與安全措施

2021-01-08 有機雜談

傅克反應(付克反應)廣義上分為傅克烷基化反應與傅克醯基化反應,由於傅克烷基化反應由於機理限制,一般生成混合物,在有機合成中的意義不大。一般意義上的傅克反應,特指傅克醯基化反應。

根據傅克醯基化反應的機理來看

以苯和乙醯氯反應舉例

分為幾個階段

乙醯氯與催化劑無水三氯化鋁反應,生成乙醯基正離子;乙醯基正離子與富電子的苯環反應,生成乙醯基苯與三氯化鋁的絡合物;絡合物水解,生成目標產生苯乙酮、解離的三氯化鋁和游離的氯化氫。解離的三氯化鋁水解,生成鋁鹽(主要是偏鋁酸,根據處理方法不同,可能有一定量氫氧化鋁產生);解離的氯化氫溶解於水,生成氯化氫水溶解,即鹽酸。

在一般意義上講,這幾個反應階段中,階段1和階段2是反應過程,階段3-5是處理過程。

階段1和階段2根據加料方法不同,可以同時發生,也可以階段1反應完成後,再反應階段2,這兩個階段是決定反應產率,是優化工藝的重點關注部分;

階段3-5雖然劃分為三個部分,其實是連續發生的過程,可以當做同時發生來看,切不可生硬割裂。這部分內容是處理的過程,優化工藝時一般關注較少,但是這部分是危險性集中的區域,容易發生安全事故。

無水三氯化鋁,黃色說明質量很好

傅克反應的危險性分為四個方面:

物料的危險性;一般的醯氯都具有強酸性和腐蝕性,遇溼空氣即產生大量酸霧,刺激眼睛和呼吸道;無水三氯化鋁遇溼空氣即產生大量酸霧,危險性同上。控制危險的安全措施是做好安全教育和個人防護,操作物料時進行通氣抽氣,與常見反應沒有太大區別。加料過程的危險性;醯氯和無水三氯化鋁反應時會有一定放熱,但不劇烈,一般危險因素不大,控制醯氯的加料時間是最有效方法。反應過程的危險性;反應過程中有明顯酸氣(氯化氫)產生,一般以水吸收,重點是防止倒吸。倒吸後極可能噴料,發生事故。安全措施是在吸收池和反應瓶之間加安全瓶,或緩衝瓶,保證即使發生倒吸,水只會存在安全瓶中,不會倒抽進反應中。工業化生產時以吸收塔吸收反應中的酸氣,可以得到一定濃度的鹽酸。處理過程的危險性;此部分是此反應最危險的地方,無水三氯化鋁淬滅時大量放熱,氯化氫氣體溶解於水產生部分熱量。實驗室小量試驗時,傅克反應的反應液倒入冰與鹽酸混合物中,稍稍攪拌,數十秒或幾分鐘內,大量冰熔化,淬滅完全,可見反應之快。冰的質量一般是三氯化鋁加入量的8-15倍質量,才能保證淬滅時溫度可控制。

熱量產生的過程

在反應淬滅時劇烈的放熱,主要是三氯化鋁鉻合物水解時產生的熱量,還有一部分是剩餘的游離三氯化鋁。這一部分量為了促進反應進行而多加的部分。

熱量產生的一部分來自於氯化氫氣體溶解於水產生的溶解熱,這個熱量相比前一下來說比較小。

淬滅危險性在於溫度失控,輕則引起反應溶劑沸騰,重則噴料,甚至炸釜。

物質本身的性質難以避免,採取必要的安全措施可以有效降低放熱速度,保證安全。

主要的安全措施

控制淬滅溫度,包括低溫與高溫限度,通過冷媒帶走淬滅時產生的熱量,避免發生危險;控制淬滅速度,通過控制速度來控制放熱量,調控溫度變化;控制加料方式,將反應液滴入或緩慢流入冷的淬滅液中,這樣能避免鋁鹽絮狀物產生,利於後期分液;淬滅後充分攪拌,主要是為了使淬滅充分,淬滅過快時,很可能的一部分物料沉入溶劑層中,與水隔絕,相當於被溶劑保護住了,這一部分就要靠攪拌使其完全分散,否則可能發生危險;

舉例說明

典型的傅克反應過程

圖中所示

溶劑二氯乙烷一般很少用,容易生成烷基化產物,一般用的溶劑為二氯甲烷,最常用是有其道理的。一般先加溶劑,小試時無所謂,只是為工業化生產考慮,先行加入了溶劑時,利於攪拌,也能保護加入的三氯化鋁。溶劑和三氯化鋁加入後攪拌一段時間,此時會有少量放熱,攪拌過程也能把塊狀三氯化鋁一定程度分散開,注意此時體系底部都有塊狀三氯化鋁,屬於正常現象。滴加醯氯時會有放熱,一般也較緩和,例中醯氯加的稍多,一般底物:醯氯:三氯化鋁=1:1.05:1.2比較常用,醯氯較多時,後處理時醯氯味比較大,難聞。醯氯加畢時,一般會全溶,形成褐色溶劑。底物溶於溶劑後利於滴加,也稀釋了底物滴加時的濃度。反應完成時需要中控,HPLC檢測產物與異構體的比例,原料消失後基本可以處理。處理時一般倒入冰和少量鹽酸形成的混合物中,緩慢加入,邊加邊攪拌,不加鹽酸也可,影響不太明顯。淬滅時一般需要攪拌一段時間,保證淬滅充分。分液後以溶劑再萃,溶劑用量依次減少,可以節約溶劑用量。後面用鹽水洗,水洗,乾燥,這是一般文獻上給的標準程序,簡化時少量水洗一次,甚至不必乾燥,蒸除溶劑時少量的水也一起共沸走,這在工業化生產上可以節約工時,減少固廢量。回收溶劑後,一般得到粗品,以純化溶劑進行純化或直接投下一步。例中所給方法應該很難除盡異構體,反應產率應該有虛高。熔點數據僅借參考,需要以HPLC外標和HNMR內標確定真實產率,單HPLC圖譜也不可信。

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