2023學(xué)年完整公開課版硝化反應(yīng)

硝化反應(yīng)化學(xué)制藥工藝技術(shù)

硝化(Nitration)系指有機(jī)化合物分子中的氫原子或基團(tuán)為硝基取代的反應(yīng)。硝化是極為重要的單元反應(yīng)之一，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(lǐng)域廣泛應(yīng)用。應(yīng)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(yīng)。因此，它是有機(jī)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、高級(jí)軍用烈性炸藥特屈兒(Tetryl，2,4,6,N—四硝基—N—甲苯胺)、黑索金(Hexagon，環(huán)三亞甲基三硝胺)等。某些硝基化合物還具有藥理作用，從而成為具有醫(yī)療價(jià)值的藥物，如氯霉素(Chloromycetin)為含硝基的抗菌素。1概述許多藥物除去硝基后，其抗菌效力急劇降低。作為表面消毒藥的呋喃西啉(Furacine)、口服抗血吸蟲病藥物的呋喃丙胺(Furapzomidonum)以及治療細(xì)菌性痢疾和腸炎的痢特靈(學(xué)名呋喃唑酮Furazolidonum)等均為含有硝基的藥物。若干硝基化合物還兼具揮發(fā)性與香味的特點(diǎn)而成為香料，例如人造麝香(3-叔丁基-2,4,6-三硝基甲苯)。在染料方面，例如紅色冰染染料系由納夫妥As(3-羥基-2-苯胺基甲酰萘)與硝基化合物——硝基苯胺的重氮鹽偶聯(lián)而得。雙偶氮染料酸性藍(lán)黑為先由對(duì)硝基苯胺的重氮鹽與H-酸(1-氨基-8-萘酚-3,6-二磺酸)偶聯(lián)，繼而再與氯化重氮苯偶聯(lián)而得。它們均為含硝基的染料。二苦胺(六硝基二苯胺)為重量法測(cè)定鉀或由海水中提取鉀的重要試劑，它也是硝基化合物。

硝化的方法很多，主要為下列兩類：

(1)直接硝化法即化合物中的氫原子用硝基直接取代的方法。

(2)間接硝化法即化合物中的原子或基團(tuán)(如一R、一SO3H、一COOH、一N＝N一等)用硝基置換的方法。不同反應(yīng)物硝化有難易之別。芳烴，尤其芳環(huán)上有鄰、對(duì)位取代基的芳烴容易發(fā)生硝化反應(yīng)，因而常用直接硝化法，脂肪烴較難直接進(jìn)行硝化，因而脂肪族硝基化合物大多經(jīng)由間接硝化法制備。

直接硝化法所用的硝化劑主要有：硝酸(稀、濃、發(fā)煙)，硝硫混酸，氮的氧化物(N2O4，N2O5)，堿金屬硝酸鹽與硫酸，有機(jī)硝化劑(如有機(jī)硝酸酯EtONO2、AcONO2有機(jī)硝酸鹽)。根據(jù)需要亦使用較為昂貴的硝化劑，如硝酸在惰性溶劑(如CHCl3、CCl4、Et2O、MeNO2等)中的溶液，或硝酸在H3PO4、HOAc或Ac2O中的溶液。

間接硝化法常用亞硝酸鹽(如NaNO2、KNO2、AgNO2、HgNO2等)、硝酸等為硝化劑前者用于鹵化物中鹵素的置換后者用于磺酸基化合物中磺酸基的置換。

芳烴硝化是最重要的一類硝化反應(yīng)。它又是研究最多的親電取代反應(yīng)，這一方面由于它是完全不可逆的反應(yīng)，另一方面是由于硝基使苯環(huán)鈍化，因而可防止苯環(huán)上進(jìn)一步取代反應(yīng)的發(fā)生。本世紀(jì)初Eule提出+NO2為有效硝化劑的見解,此后有關(guān)芳烴硝化反應(yīng)的機(jī)理，許多工作者相繼進(jìn)行過(guò)大量富有成效的研究。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、同位素效應(yīng)和結(jié)構(gòu)與反應(yīng)性能關(guān)系方面的大量數(shù)據(jù)，以及Raman光譜等物理學(xué)方法所提供的一系列信息，使人們對(duì)這類反應(yīng)機(jī)理有了相當(dāng)完善的了解。應(yīng)用硝硫混酸硝化時(shí)，濃硫酸的作用曾被解釋為吸收硝化過(guò)程中生成的水，然而，實(shí)驗(yàn)證明硫酸不僅起脫水劑的作用，更重要的是與硝酸作用產(chǎn)生有效的硝化劑—硝酰陽(yáng)離子：2硝化反應(yīng)機(jī)理2.1芳烴硝化反應(yīng)的機(jī)理

芳烴的硝化反應(yīng)符合芳環(huán)上親電取代反應(yīng)的一般規(guī)律。當(dāng)芳環(huán)上已有某種活化基團(tuán)時(shí)，苯環(huán)上的電子云密度較大，反應(yīng)形成的σ-絡(luò)合物將較穩(wěn)定而易于形成，于是將加速整個(gè)硝化反應(yīng)的進(jìn)行。反之，當(dāng)某種鈍化基團(tuán)與苯環(huán)相連時(shí)，絡(luò)合物將難以形成，從而使硝化反應(yīng)減緩。

對(duì)于如苯酚一類具有高度反應(yīng)性能的芳烴衍生物，即使稀硝酸亦可實(shí)現(xiàn)硝化的過(guò)程。其硝化已被證實(shí)系先經(jīng)由亞硝酰陽(yáng)離子+NO對(duì)芳環(huán)進(jìn)行亞硝化繼而亞硝化產(chǎn)物迅速為硝酸所氧化得到硝化產(chǎn)物：

在酚類的硝化中，HNO2在這里實(shí)際上起催化劑的作用，設(shè)法除去反應(yīng)體系中的HNO2、則難以實(shí)現(xiàn)上述反應(yīng)。2.2芳烴硝化反應(yīng)級(jí)數(shù)（略）2.3芳烴硝化反應(yīng)中底物選擇性和位置選擇性（略）3

影響硝化反應(yīng)的因素

芳烴的硝化反應(yīng)不僅與反應(yīng)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)而且還與反應(yīng)的溫度、催化劑有關(guān)。對(duì)于非均相硝化，還要考慮攪拌因素的影響。硝化反應(yīng)中還常常伴有副反應(yīng)，于是還需注意控制反應(yīng)條件以抑制副反應(yīng)的發(fā)生。3.1

被硝化物的結(jié)構(gòu)取代基相對(duì)速度取代基相對(duì)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(duì)速度：

不同的硝化對(duì)象往往需要采用不同的硝化方法。相同的硝化對(duì)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(yīng)必須考慮的。例如乙酰苯胺在采用不同的硝化劑硝化時(shí)所得到的產(chǎn)物組成出入很大，見下表。3.2

硝化劑硝化劑溫度鄰位％間位％對(duì)位％鄰/對(duì)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(duì)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(gòu)體組成的比例。

在混酸中硝化時(shí)，混酸的組成是重要的影響因素，硫酸越多，硝化能力越強(qiáng)。在多相系統(tǒng)中硝化溫度對(duì)乳化液的粘度、界面張力、芳烴在酸相中的溶解度以及反應(yīng)速度常數(shù)等都有影響，正因?yàn)槿绱耍趸俣入S溫度的變化是不規(guī)則的。對(duì)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(duì)于含有硝基或磺基的芳烴因比較穩(wěn)定，較難硝化，所以應(yīng)當(dāng)在較高溫下硝化。硝化反應(yīng)是強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)。同時(shí),混酸中的硫酸被反應(yīng)生成的水所稀釋時(shí)，還將產(chǎn)生稀釋熱，所以產(chǎn)生的熱量應(yīng)及時(shí)移走。3.3

溫度

大多數(shù)硝化過(guò)程是非均相的，為了保證反應(yīng)能順利進(jìn)行，以及提高傳熱效率，必須具有良好的攪拌裝置。在硝化過(guò)程中，尤其是在間歇硝化反應(yīng)的加料階段，停止攪拌或攪拌失效，會(huì)有大量活潑的硝化劑在酸相積累，一旦攪拌再次開動(dòng)，就會(huì)突然發(fā)生激烈反應(yīng)，在瞬間放出大量的熱，使溫度失去控制，而導(dǎo)致發(fā)生事故，因此必須十分注意并采取必要的安全措施。3.4

攪拌

相比也稱酸油比，是指混酸與被硝化物的質(zhì)量比。在固定相比的條件下，劇烈的攪拌最多只能使被硝化物在酸相中達(dá)到飽和溶解。增加相比能使更多量的被硝化物溶解在酸相中，這對(duì)于加快反應(yīng)速度常常是有利的。

生產(chǎn)上常用的方法是向硝化鍋中加入一定量上批硝化的廢酸(也稱為循環(huán)酸)，其優(yōu)點(diǎn)不僅是可以增加相比，也有利于反應(yīng)熱的分散和傳遞。3.5

相比和硝酸比

硝酸比是指硝酸和被硝化物的摩爾比。理論上這兩者應(yīng)當(dāng)是符合化學(xué)計(jì)算量的，但實(shí)際生產(chǎn)中硝酸的用量常常高于理論量。通常采用混酸為硝化劑時(shí)，對(duì)于易硝化的物質(zhì)硝酸過(guò)量1％～5％，對(duì)于難硝化的物質(zhì)，則需要過(guò)量10％～20％。

在所有副反應(yīng)中，影響最大的是氧化副反應(yīng)，它常常表現(xiàn)為生成一定量的硝基酚，例如在甲苯硝化中可檢出副產(chǎn)物有硝基甲酚等。再如烷基苯在硝化時(shí)，硝化液顏色常常會(huì)發(fā)黑變暗，實(shí)驗(yàn)證明，這是由于烷基苯與亞硝基硫酸及硫酸形成絡(luò)合物的緣故。以甲苯為例，所生成的絡(luò)合物結(jié)構(gòu)如下：3.6

硝化副反應(yīng)

出現(xiàn)這種有色絡(luò)合物，往往是由于硝化過(guò)程中硝酸的用量不足，一旦形成，在45℃～55℃下，及時(shí)補(bǔ)加一些硝酸就很易將其破壞，但是當(dāng)溫度大于65℃時(shí)，絡(luò)合物會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生聚合，使溫度上升到85℃～90℃，此時(shí)即使再補(bǔ)加硝酸，也難于挽救，而生成深褐色的樹脂狀物。硝酸兼具硝化劑與氧化劑的雙重功能，其氧化能力隨著硝酸濃度的降低而增強(qiáng)(直至某一極限)，硝化能力則隨其濃度的降低而減弱。稀硝酸是較弱的硝化劑，硝化過(guò)程中生成水又使其硝化能力不斷減弱，因而用其為硝化劑時(shí)必須過(guò)量。稀硝酸只適用于活潑芳烴的硝化。例如含-OH、-NH2的化合物可用20%的稀硝酸硝化，易被氧化的-NH2化合物往往于硝化前預(yù)先保護(hù)，即將其與羧酸、酸酐或酰氯作用使氨基轉(zhuǎn)變?yōu)轷０被?，然后再行硝化。低?jí)烷基取代苯也可用稀硝酸進(jìn)行硝化，但濃度相當(dāng)稀時(shí)，亦將導(dǎo)致側(cè)鏈氧化。烷烴較難硝化，在加熱加壓條件下可由稀硝酸硝化，此為液相硝化。較為重要的是烷烴的氣相硝化，將烷烴與硝酸的混合蒸汽，在400-500oC時(shí)進(jìn)行反應(yīng)。氣相硝化伴有碳鏈的斷裂及氧化反應(yīng)，因而除一系列異構(gòu)物外，尚生成含碳原子較少的硝基烷烴及—些含氧化合物(醇、醛、酮、羧酸、CO、CO2等)。4

直接硝化法4.1

稀硝酸硝化法簡(jiǎn)單的烷烴只生成硝基化合物，分子量高的烷烴亦生成多硝基化合物。氣相硝化在實(shí)驗(yàn)室中無(wú)制備價(jià)值，但工業(yè)上可將所得硝基烷烴不經(jīng)分離直接作為溶劑使用。1.以苯為原料合成苯甲胺濃硝酸硝化法主要適用于芳香族化合物的硝化。實(shí)際上以濃硝酸為硝化劑有許多缺點(diǎn)，主要為．

(1)反應(yīng)中生成的水使硝酸濃度降低，以致硝化反應(yīng)速度不斷下降或終止。

(2)硝酸濃度降低，不僅減緩硝化反應(yīng)速度，而且使氧化反應(yīng)顯著增加，有時(shí)會(huì)發(fā)生側(cè)鏈氧化反應(yīng)。

(3)硝酸濃度降低到一定濃度時(shí)，則無(wú)硝化能力，加之濃硝酸生成的+NO2少，因而硝酸的利用率較低。4.2濃硝酸硝化法1.以苯為原料合成對(duì)硝基苯乙酸。硝酸和硫酸的混合物是最常用的有效硝化劑(混酸硝化劑)混酸能克服單用濃硝酸法中的部分缺點(diǎn)，在工業(yè)上廣為應(yīng)用：

(1)濃硫酸吸收反應(yīng)中生成的水，使硝酸保持必須的濃度。

(2)硝酸濃度無(wú)顯著降低，因此硝酸的氧化現(xiàn)象亦不明顯。

(3)混酸中硝酸的比例一般為1.01~1.10，這些硝酸幾乎可全部被利用，其利用率幾乎達(dá)100%?；焖嵯趸€具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)產(chǎn)生較單用硝酸更多的+NO2因而硝化能力更強(qiáng)；

(2)濃硫酸能溶解多數(shù)有機(jī)化合物（尤其芳香族化合物)，增加了底物與硝酸的接觸面，使硝化易于進(jìn)行。

(3)硫酸比熱大(0.999J／g)，能吸收硝化反應(yīng)中放出的熱量，避免硝化時(shí)的局部過(guò)熱現(xiàn)象，使反應(yīng)容易控制，有利于完全生產(chǎn)；4.3混酸硝化法(4)混酸對(duì)鐵不起腐蝕作用，因而可使用鐵質(zhì)反應(yīng)器，使用方便，可降低生產(chǎn)成本。為提高經(jīng)濟(jì)效益，混酸硝化中廢酸的利用是一個(gè)重要的問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)，硝化過(guò)程的廢酸通常再用于硝化。

由于活潑一NH2的影響，能發(fā)生氧化或縮合等副反應(yīng)，因而硝化前宜經(jīng)?；Ｗo(hù)。

可先使苯胺與H2S04作用，再行硝化與中和得到一NO2處于一NH2間位的硝化產(chǎn)物.例如：4.4苯胺的硝化思考題1.以苯為原料合成對(duì)硝基苯胺。2.以苯為原料合成4-硝基-2-胺基甲苯3.以苯為原料合成4-硝基-2-氰基甲苯

苯酚用混酸硝化制備苦味酸時(shí),由于苯酚極易氧化，因而應(yīng)先經(jīng)磺化。

混酸雖為良好的硝化劑，在有些場(chǎng)合仍不能使用。例如，有些化合物用混酸硝化時(shí)易發(fā)生磺化生成磺酸等。因此有時(shí)采用下列硝化劑進(jìn)行硝化：HNO3-HF;Cu(NO3)2-Ac2O;HN03-冰醋酸；N2O5-Ac2O;EtONO2-H2SO4；N2O4-H2SO4;N2O5-H2SO4等。4.5苯酚的硝化1.以苯為原料合成2.4.6-三硝基苯酚。

濃硝酸或發(fā)煙硝酸與醋酐混合即生成硝酸乙酰，勿需經(jīng)過(guò)分離即可用于硝化反應(yīng)。硝酸乙酰為強(qiáng)硝化劑，反應(yīng)速度快且無(wú)水生成，反應(yīng)條件緩和，可在較低溫度下進(jìn)行反應(yīng)。硝化時(shí)一NO2主要進(jìn)入第一類取代基的鄰位，為鄰位硝化劑。其硝化產(chǎn)物幾乎全為一硝基化物，多硝基化物甚少。

4.6

硝酸乙酰法此為以硝酸為硝化劑、醋酸為溶劑的硝化法。HNO3-HOAc為鄰位硝化劑，硝化反應(yīng)中-NO2亦主要進(jìn)入第一類取代基的鄰位。4.7硝酸醋酸法1.以苯為原料合成3-氯-2-硝基苯胺。

脂肪族化合物較難直接硝化，其鹵化物經(jīng)由一NO2置換則可得到相應(yīng)的硝基化合物。例如脂肪族鹵代物(MeI、EtI、n