精細有機合成反應第三章硝化

精細有機合成單元反應宋曉明mail:ss4007@第三章硝化反應

在硝化劑的作用下，向有機化合物分子中引入硝基的過程成為硝化反應。生成的產(chǎn)物為硝基化合物。硝基化合物在燃料、溶劑、炸藥、染料、香料、醫(yī)藥、殺蟲劑等許多化工領域廣泛應用。應用還原的方法可將硝基化合物還原為亞硝基化合物、胺、氧化偶氮化合物、偶氮化合物、氫化偶氮化合物及氨基化合物，芳伯胺經(jīng)重氮化生成的重氮鹽可發(fā)生一系列反應。因此，它是有機合成的重要中間體。多硝基化合物為最重要的一類炸藥，例如TNT。某些硝基化合物還具有藥理作用，從而成為具有醫(yī)療價值的藥物，如氯霉素(Chloromycetin)為含硝基的抗菌素。Ar-H+HO-NO2→Ar-NO2+H2O引入硝基的目的：（1）作為制備氨基化合物的一條重要途徑。（2）利用硝基的極性，使芳環(huán)上的其他取代基活化，促進親核置換反應進行。（3）在染料合成中，利用硝基的極性，加深染料的顏色，有些硝基化合物可作為烈性炸藥。硝化后的產(chǎn)物：

C-硝基、N-硝基、O-硝基化合物－C－NO2NO2NO22ONCH3－C－O－NO2CH3CH3CH3－NH－NO2N－硝基苯胺三硝基甲苯硝酸叔丁酯硝化反應的特點

a、反應不可逆

b、反應速率快，放熱量大

c、非均相?；ト苄圆睿趸衔镌诜磻w系中的溶解度小，常分為有機層、酸層－－攪拌特別重要

d、親電反應，反應的質(zhì)點為硝酰離子NO2＋

e、空間位阻效應不明顯硝化劑硝化重點是在芳環(huán)上引入硝基。工業(yè)最常用硝化劑：硝酸。從無水硝酸到稀硝酸都可以作為硝化劑。兩種規(guī)格：98%的發(fā)煙硝酸、65%濃硝酸。

ArH+HNO3→ArNO2+H2O由于H2O的生成，HNO3濃度降低，硝化能力明顯下降，到一定程度時失去硝化能力。常用過量許多的硝化劑，易引起多硝化副反應，廢酸回收麻煩。純硝酸中有96％以上呈HNO3分子狀態(tài)，僅約3.5％的硝酸經(jīng)分子間質(zhì)子轉移離解成硝酰正離子：硝酸具有兩性的特征，它既是酸又是堿。硝酸對強質(zhì)子酸和硫酸等起堿的作用，對水、乙酸則起酸的作用。當硝酸起堿的作用時，硝化能力就增強；反之，如果起酸的作用時，硝化能力就減弱。例如：在硝酸和硫酸混合時，由于硫酸的供質(zhì)子能力比硝酸強，從而可以提高硝酸離解為硝酰正離子NO2+

HNO3+2H2SO4NO2++H3O++2HSO4-混酸中，硫酸濃度越高，越有利于生成硝酰正離子NO2+

（2）混酸

它是硝酸與硫酸的混合物。首先使用混酸作為硝化劑的是穆斯普拉特(Muspratts)(1846年)。硫酸和硝酸相混合時，硫酸起酸的作用，硝酸起堿的作用，共平衡反應式為：（3）硝酸與乙酸酐的混合硝化劑奧頓(Orton)于1902年首先使用硝酸和乙酸酐的混合物作為硝化劑。這是僅次于硝酸和混酸常用的重要硝化劑，其特點是反應較緩和，適用于易被氧化和易為混酸所分解的化合物的硝化反應。它廣泛地用于芳烴、雜環(huán)化合物、不飽和烴化合物、胺、醇等的硝化。普遍認為NO2+及CH3COONO2H+為硝化質(zhì)點的可能性最大，近期的研究更傾向于NO2+離子歷程。硝酸和乙酸酐混合硝化劑的硝化質(zhì)點，有以下四種為人們所研究和討論：（4）有機硝酸酯

用有機硝酸酯硝化時，可以使反應在完全無水的介質(zhì)中進行。這種硝化反應可分別在堿性介質(zhì)中或酸性介質(zhì)中進行。氮的氧化物除了N2O以外都可以作為硝化劑，如三氧化二氮(N2O3)，四氧化二氮(N2O4)及五氧化二氮(N2O5)。（5）氮的氧化物（A）三氧化二氮三氧化二氮在硫酸中對芳烴無硝化能力，對苯也不能直接進行硝化，但三氧化二氮在路易斯酸的催化下，不僅是良好的亞硝化劑，而且在一定的條件下也具有硝化能力，能將硝基引入芳核。（B）四氧化二氮N2O4在硫酸中可離解生成NO2+離子：許多有機化合物可以用亞硝酸的水溶液進行硝化，這是由于存在N2O4、N2O3和NO2等。

無水N2O4與苯難起反應，但有過量硫酸時，在低溫下N2O4亦能使芳烴硝化。（C）五氧化二氮在硫酸中離子化：在硝酸中離解為：除此以外，硝酸和氟化氫的混合物是相當強的硝化劑。也可用于烯烴的硝化。三氟化硼等路易斯酸是硝化反應的促進劑。（6）硝酸鹽與硫酸硝酸鹽和硫酸作用產(chǎn)生硝酸與硫酸鹽。實際上它是無水硝酸與硫酸的混酸：

常用的硝酸鹽是硝酸鈉和硝酸鉀，硝酸鹽與硫酸的配比通常是（0.1～0.4）：1(重量比)左右，按這種配比，硝酸鹽幾乎全部生成NO2+離子，所以最適用于如苯甲酸、對氯苯甲酸等難硝化芳烴的硝化。（6）硝酸鹽與硫酸硝酸鹽和硫酸作用產(chǎn)生硝酸與硫酸鹽。實際上它是無水硝酸與硫酸的混酸：

常用的硝酸鹽是硝酸鈉和硝酸鉀，硝酸鹽與硫酸的配比通常是（0.1～0.4）：1(重量比)左右，按這種配比，硝酸鹽幾乎全部生成NO2+離子，所以最適用于如苯甲酸、對氯苯甲酸等難硝化芳烴的硝化。硝化方法（1）稀硝酸硝化法

由于稀硝酸是較弱的硝化劑，且又受到硝化過程中生成水的稀釋，使其硝化能力更加降低，所以一般只用于活潑芳香族化合物的硝化，如某些酰化的芳胺、酚、對苯二酚的醚類等。這時硝酸的用量應為計算量的110％～165％。（2）濃硝酸硝化法

主要應用于芳烴化合物的硝化。由于反應中生成的水使硝酸濃度降低，故往往要用過量很多倍的硝酸，且硝酸濃度降低不僅減緩硝化反應速度，而且使氧化反應顯著增加。目前僅用于少數(shù)硝基化合物的制備。（3）濃硫酸介質(zhì)中的均相硝化法當被硝化物或硝化產(chǎn)物在反應溫度下是固態(tài)時，常常將被硝化物溶解于大量的濃硫酸中，然后加入硫酸和硝酸的混合物進行硝化，這種方法只需要使用過量很少的硝酸，一般產(chǎn)率較高，所以應用范圍較廣。（4）非均相混酸硝化法當被硝化物和硝化產(chǎn)物在反應溫度下都是液態(tài)時，常常采用非均相混酸硝化的方法，通過劇烈的攪拌，有機相被分散到酸相中而完成硝化反應。這種硝化方法有很多優(yōu)點是目前工業(yè)上最常用、最重要的硝化方法也是本章討論的重點。（5）有機溶劑中的硝化法為了防止被硝化物和硝化產(chǎn)物與硝化混合物發(fā)生反應或水解，硝化反應可以采用在有機溶劑中進行。硝化用的有機溶劑有冰醋酸、氯仿、四氯化碳、二氯甲烷、硝基甲烷、苯等，其中常用的是二氯甲烷。二氯甲烷作為混酸硝化時的溶劑具有以下優(yōu)點：二氯甲烷在常壓下的沸點是41℃，對于在低溫下的硝化便于控制溫度；一般只需要使用理論量的硝酸；利用二氯甲烷萃取硝化產(chǎn)物可起到提純產(chǎn)品的作用。（6）氣相硝化法苯與NO2于80℃～190℃通過分子篩處理便轉化為硝基苯。經(jīng)磷酸和亞磷酸處理過的五氧化二釩催化劑于200℃氣相硝化氯苯，轉化率為35.6％，其中鄰位硝基氯苯收率為10.1％，對位硝基氯苯為25.0％。硝化理論硝化劑的活潑質(zhì)點

硝化反應通常是用能夠生成硝基正離子(NO2+)的試劑為硝化劑。

1903年尤勒(Euler)最早提出NO2+離子為硝化反應的進攻試劑這個觀點。以后的各種研究確證了它的存在，并證明了它是親電硝化反應的真正進攻質(zhì)點。硝化劑硝化反應時的存在形式X-HX硝酸乙酯硝酸硝酸－醋酐五氧化二氮氯化硝酰硝酸－硫酸硝酰硼氟酸C2H5ONO2HONO2CH3COONO2NO2·NO3NO2ClNO2OH2NO2·BF4C2H5O-HO-CH3COO-NO3-Cl-H2O-BF4-C2H5OHH2OCH3COOHHNO3HClH3O+HBF4按硝化強度次序排列的硝化劑（?。┫趸芰υ觯ù螅ㄈ酰┪娮幽芰υ觯◤姡┫趸磻獨v程首先是NO2+向芳烴發(fā)生親電攻擊生成π絡合物，然后轉變成σ絡合物，最后脫去質(zhì)子得到硝化產(chǎn)物。其中形成的σ絡合物是反應速度的控制階段。以苯的硝化為例，其反應歷程可以用下式表示：（1）混酸硝化

芳烴的硝化反應符合芳環(huán)上親電取代反應的一般規(guī)律。當芳環(huán)上已有某種活化基團時，苯環(huán)上的電子云密度較大，反應形成的σ-

絡合物將較穩(wěn)定而易于形成，于是將加速整個硝化反應的進行。反之，當某種鈍化基團與苯環(huán)相連時，絡合物將難以形成，從而使硝化反應減緩。（2）活潑芳烴用硝基鹽硝化硝基硼氟酸鹽NO2+BF4-的硝化能力要比混酸強得多，可以不必考慮NO2+的生成速度對整個反應的影響：（3）稀硝酸硝化芳烴首先與亞硝酸作用生成亞硝基化合物，而后硝酸再將亞硝基化合物氧化成硝基化合物，硝酸本身則被還原，又生成新的亞硝酸：決定步在稀硝酸中，硝化活性質(zhì)點不是NO2+，而是硝酸中所含微量HNO2離解生成的NO+。在乙酐或乙酸中硝化是

NO2+—CH3COOH或NO2+。-NO2是強吸電基，引入一個后，不易再多硝化。蒽醌例外：兩個苯環(huán)相互影響不大，一硝化時常有一定量的二硝化產(chǎn)物。影響因素

芳烴的硝化反應不僅與反應物的化學結構、反應介質(zhì)的性質(zhì)有關而且還與反應的溫度、催化劑有關。對于非均相硝化，還要考慮攪拌因素的影響。硝化反應中還常常伴有副反應，于是還需注意控制反應條件以抑制副反應的發(fā)生。3.1被硝化物的結構取代基相對速度取代基相對速度－N(CH3)2－OCH3－CH3－C(CH3)3－CH2CO2C2H5－H2×10(E+11)2×10(E+5)24.515.53.81.0－I－F－Cl－Br－NO2－N(CH3)30.180.150.0330.0306×10(E-8)1.2×10(E-8)苯的各種取代衍生物在混酸中一硝化的相對速度

一般來說，帶有吸電子基如－NO2、－CHO、－SO3H、－COOH等取代基的芳烴在進行硝化時，硝基易同鄰位取代基中帶負電荷的原子形成σ絡合物，所以硝化產(chǎn)品中鄰位異構體生成量往往遠比對位異構體多。當然主產(chǎn)物是間位異構體。硝化劑

不同的硝化對象往往需要采用不同的硝化方法。相同的硝化對象如果采用不同的硝化方法則常常得到不同的產(chǎn)物組成。因此硝化劑的選擇是硝化反應必須考慮的。例如乙酰苯胺在采用不同的硝化劑硝化時所得到的產(chǎn)物組成出入很大，見下表。硝化劑溫度鄰位％間位％對位％鄰/對位HNO3+H2SO490%HNO380%HNO3HNO3在醋酐中20-20-202019.423.540.767.82.1－－2.578.576.559.329.70.250.310.692.28不同硝化劑對于乙酰苯胺一硝化產(chǎn)物的影響此外采用不同的硝化介質(zhì)，常常能夠改變異構體組成的比例。

在混酸中硝化時，混酸的組成是重要的影響因素，硫酸越多，硝化能力越強。在多相系統(tǒng)中硝化溫度對乳化液的粘度、界面張力、芳烴在酸相中的溶解度以及反應速度常數(shù)等都有影響，正因為如此，硝化速度隨溫度的變化是不規(guī)則的。對于易硝化和易被氧化的活潑芳烴(酚、酚醚、乙酰芳胺)可在低溫硝化；而對于含有硝基或磺基的芳烴因比較穩(wěn)定，較難硝化，所以應當在較高溫下硝化。硝化反應是強烈的放熱反應。同時,混酸中的硫酸被反應生成的水所稀釋時，還將產(chǎn)生稀釋熱，所以產(chǎn)生的熱量應及時移走。溫度攪拌

大多數(shù)硝化過程是非均相的，為了保證反應能順利進行，以及提高傳熱效率，必須具有良好的攪拌裝置。在硝化過程中，尤其是在間歇硝化反應的加料階段，停止攪拌或攪拌失效，會有大量活潑的硝化劑在酸相積累，一旦攪拌再次開動，就會突然發(fā)生激烈反應，在瞬間放出大量的熱，使溫度失去控制，而導致發(fā)生事故，因此必須十分注意并采取必要的安全措施。相比和