酰鹵是指羧酸中的羥基被鹵素(氟、氯、溴、碘)取代所得到的衍生物,酰鹵是非常活潑的化合物,不存在于自然界,只能通過化學(xué)合成制得;
酰氯是最為重要,且最為廣泛使用的酰鹵,廣泛用于酰胺鍵,酯基鍵等的構(gòu)建,本文對(duì)其展開談?wù)劇?/p>
酰氯根據(jù)碳的數(shù)目分為高級(jí)酰氯和低級(jí)酰氯,低級(jí)酰氯是有刺鼻氣味的液體,其中有些巨臭無比(比如特戊酰氯);高級(jí)的酰氯為固體,通常氣味會(huì)減弱不少。
由于分子中沒有締合,酰氯的沸點(diǎn)比相應(yīng)的羧酸低。酰氯不溶于水,低級(jí)的遇水分解。由于氯有較強(qiáng)的電負(fù)性,在酰氯中主要表現(xiàn)為強(qiáng)的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng),而與羰基的共軛效應(yīng)很弱,因此酰氯中C-Cl鍵并不比氯代烷中C-Cl鍵短。
由于酰氯的活性很高,所以在有機(jī)合成中,經(jīng)常把不活潑的酸活化做成酰氯,然后與相應(yīng)的醇或胺反應(yīng)得到相應(yīng)的酯或酰胺,這也是酰氯最普遍和最常見的用途,相比較于將羧酸做成活化酯來講,該過程通常能維持不錯(cuò)的成本,除此之外,酰氯通常還有以下用途;
①與有機(jī)金屬試劑反應(yīng),如酰氯與一分子格式試劑反應(yīng)生成酮,然后與第二分子格氏試劑反應(yīng)可以再將酮轉(zhuǎn)化為三級(jí)醇;
②在路易斯酸AlCl3等條件下,酰氯可以與芳香化合物發(fā)生親電芳香取代反應(yīng)(傅克反應(yīng));
③酰氯在一定條件下也可以被還原為醛(Rosenmund還原反應(yīng));
④酰氯也會(huì)用來與過氧化鈉作用生成過氧化酰化合物,過氧酰化合物中含有過氧鍵-O-O-,在受熱或光照下,不穩(wěn)定的過氧酰會(huì)發(fā)生分解,放出CO2并生成自由基,是常用的自由基反應(yīng)的引發(fā)劑。
酰氯的制備方法很多,常用的氯化試劑有草酰氯,氯化亞砜,三氯氧磷,五氯化磷,三光氣,氯氣等,但被廣泛使用的還是前面三種,很多大宗商品的中間體合成都能看到他們的影子!
草酰氯(沸點(diǎn):62-65 °C ),氯化亞砜(沸點(diǎn):79 °C ),三氯氧磷(沸點(diǎn):107 °C )三種氯化試劑一般狀態(tài)下是可以通用的。但有優(yōu)先性,如果產(chǎn)物沸點(diǎn)比較低,可以采用蒸餾的方法純化,可以優(yōu)先考慮三氯氧磷;同時(shí)考慮到三者反應(yīng)后的副產(chǎn)物,如果羧基原料上有Boc等不耐酸基團(tuán)時(shí),通常用當(dāng)量的草酰氯更好。
合成酰氯常用的溶劑有二氯甲烷,氯仿,甲苯,二氧六環(huán)等,反應(yīng)時(shí)通常也會(huì)加入極少催化量的DMF來加速反應(yīng),原理是利用DMF氧上的孤對(duì)電子的親核性與氯化試劑的親電性作為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行一系列的反應(yīng)生成更活潑的Vilsmeier試劑,然后快速與酸生成酰氯(該過程通常反應(yīng)很劇烈,加入DMF后很快有大量氣泡產(chǎn)生)。

圖,DMF催化酰氯合成機(jī)理(以草酰氯為例)
酰氯合成的通用步驟是:先將酸溶解在溶劑中,攪拌降溫至0℃以下,緩慢加入氯化試劑,加完,升溫至室溫反應(yīng)。大多數(shù)底物2~3個(gè)小時(shí)就可以反應(yīng)完;對(duì)于位阻大的底物,可以通過升溫回流或延長(zhǎng)時(shí)間。

對(duì)于反應(yīng)后體系有不溶物的一定要仔細(xì)TLC,一般酸極性比較大會(huì)表現(xiàn)出難溶的狀態(tài),但做成酰氯極性會(huì)變很小,基本都會(huì)溶解。TLC點(diǎn)板監(jiān)測(cè)時(shí),由于酰氯的活性太高,直接TLC是沒有意義的。
一般程序是取出一點(diǎn)加入到甲醇中淬滅生成相應(yīng)的酯,再通過TLC 確認(rèn)反應(yīng)進(jìn)行的程度。

在酯化和酰胺化反應(yīng)中,做出來的酰氯一般即做即用,也很少會(huì)純化拿出來。反應(yīng)液TLC或者通過核磁等手段鑒定原料消失后,通常是旋蒸除去溶劑和酸氣,所得殘?jiān)S眉妆饺軇б坏絻纱?,最終殘?jiān)诘獨(dú)庀吕鋮s,加入新鮮干燥的溶劑溶解完全,然后滴加與相應(yīng)的物質(zhì)去反應(yīng)。
酯化和酰胺化時(shí),有人喜歡偷懶,不想旋蒸,也是有解決辦法的,就是滴加入的體系中要加入過量的縛酸劑,保證體系堿性!
當(dāng)用到五氯化磷,三光氣,氯氣等氯化試劑做氯化時(shí),要具體問題具體分析,要注意反應(yīng)副產(chǎn)物是什么,毒性如何。
如用三光氣做氯化,特別是放大時(shí),一般要加一個(gè)尾氣處理裝置,反應(yīng)完成后要在通風(fēng)櫥內(nèi)旋蒸,或者直接進(jìn)行下一步堿性環(huán)境。故而,涉及到使用的時(shí)候,有條件的最好在胸口帶一個(gè)光氣的監(jiān)測(cè)試紙,而不能無知而無畏。
(1)氯化亞砜法(參考:Org. Lett. 2009, 11, 12, 2659–2662)

(2)草酰氯法(參考:Arkivoc, 2018, 2018, 5, 334 - 347)

(3)三光氣法(與羥基,參考:Bioorg. Med. Chem. Lett. 74 (2022) 128920)

其他問題:酰氯進(jìn)行下一步反應(yīng)時(shí)可以用水作溶劑嗎?
這個(gè)沒有統(tǒng)一答案,要具體問題具體分析,一般做酯化,傅克等反應(yīng)都是不推薦的,但是做酰胺化反應(yīng)很多時(shí)候是可以水作溶劑,并且無機(jī)堿做縛酸劑的,比如:

這是因?yàn)橄啾容^水而言,胺的親核性更高,擁有優(yōu)先擇偶權(quán),只要能攪拌的均勻,水永遠(yuǎn)是個(gè)弟弟!