重氮化反應(yīng)課件

13.1概述13.1.1重氮化反應(yīng)定義

含有伯氨基化合物與亞硝酸作用生成重氮鹽的反應(yīng)稱為重氮化反應(yīng)。HL可以是HCl、HBr、HNO3、H2SO4等，工業(yè)常采用鹽酸。

通常，重氮化反應(yīng)是指芳伯胺發(fā)生上述的反應(yīng)。脂肪族伯胺類與亞硝酸作用生成的重氮鹽極不穩(wěn)定，易分解放出氮?dú)?，形成碳正離子，發(fā)生親核取代反應(yīng)，生成伯醇，還可發(fā)生重排和加成副反應(yīng)生成仲醇、鹵代烷和烯烴化合物。由于產(chǎn)品很復(fù)雜，在有機(jī)合成中脂肪族重氮化反應(yīng)實(shí)際意義不大，沒有實(shí)用的價值。第1頁/共39頁13.1.2重氮化合物、偶氮化合物和重氮鹽的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

第2頁/共39頁重氮和偶氮化合物分子內(nèi)都含有偶氮基官能團(tuán)-N=N-；如果該官能團(tuán)兩端均與烴基相連，則稱為偶氮化合物；只有一端與碳原子相連，而另一端不與C原子相連則稱為重氮化合物。

第3頁/共39頁重氮化合物兼有酸和堿的特性，它既可以與酸生成鹽，又可以與堿生成鹽。在水介質(zhì)中，重氮鹽的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)缦聢D所示：其中亞硝酸和亞硝胺鹽比較穩(wěn)定，而重氮鹽、重氮酸和重氮酸鹽則比較活潑，所以重氮鹽的反應(yīng)一般是在強(qiáng)酸性到弱堿性介質(zhì)中進(jìn)行的。第4頁/共39頁重氮鹽可發(fā)生兩類反應(yīng)：一類是重氮基轉(zhuǎn)化為偶氮基（偶合）或肼基（還原），非脫落氮原子的反應(yīng)；另一類是重氮基被其他取代基所置換，同時脫落兩個氮原子放出氮?dú)獾姆磻?yīng)。重氮鹽性質(zhì)活潑，本身價值不高，但通過上述兩類重氮鹽的反應(yīng)，可制得一系列重要的有機(jī)中間體。第5頁/共39頁13.1.3重氮化反應(yīng)的用途由重氮化反應(yīng)制備的重氮化合物通過偶合反應(yīng)可合成一系列偶氮染料，同時重氮化合物通過重氮基的轉(zhuǎn)化反應(yīng)可以制備許多重要中間體，在精細(xì)有機(jī)合成中被廣泛應(yīng)用，因此重氮化反應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。Ar-N2+X-+Ar’-NH2

Ar-N=N-Ar’-NH2Ar-N2+X-+Ar’-OHAr-N=N-Ar’-OH偶合偶合Ar-N2+X-Ar-NHNH2NaSO3,NaHSO3還原ArN2X-ArYY=F,Cl,Br,I,CN,OH,H等重氮基轉(zhuǎn)化第6頁/共39頁制備偶氮染料例如：對氨基苯磺酸重氮化后得到的重氮鹽與2－萘酚－6－磺酸鈉偶合，得到食用色素6。第7頁/共39頁制備中間體例如：重氮鹽還原制備苯肼中間體。又如：重氮鹽置換得對氯甲苯中間體。若用甲苯直接氯化，產(chǎn)物為鄰氯甲苯（沸點(diǎn)159℃）和對氯甲苯（沸點(diǎn)160℃）的混合物。二者物理性質(zhì)相近，很難分離。第8頁/共39頁13.2.1重氮化反應(yīng)的一般條件芳伯胺的重氮化是親電反應(yīng)，反應(yīng)進(jìn)行的難易與多種因素有關(guān)。當(dāng)芳伯胺的芳環(huán)上連有供電子基團(tuán)時，芳伯胺堿性增強(qiáng)，反應(yīng)速度加快；當(dāng)芳伯胺的芳環(huán)上連有吸電子基團(tuán)時，芳伯胺堿性減弱，反應(yīng)速度變慢。（1）芳胺的影響13.2重氮化反應(yīng)第9頁/共39頁使用不同性質(zhì)的無機(jī)酸時，在重氮化反應(yīng)中向芳胺進(jìn)攻的親電質(zhì)點(diǎn)也不同。

（2）無機(jī)酸性質(zhì)和濃度的影響a.在稀鹽酸中進(jìn)行重氮化時，主要活潑質(zhì)點(diǎn)是亞硝酰氯（ON-Cl）：NaNO2+HCl→ON-OH+NaClON-OH+HCl→ON-Cl+H2Ob.在稀硫酸中進(jìn)行重氮化時，主要活潑質(zhì)點(diǎn)是亞硝酸酐（ON-NO2）：2ON-OH→ON-ON2+H2O第10頁/共39頁c.在稀鹽酸中進(jìn)行重氮化時，如果加少量NaBr或KBr，則主要活潑質(zhì)點(diǎn)是亞硝酰溴（ON-Br）：

NaBr+HCl→NaCl+HBrON-OH+HBr→ON-Br+H2Od.在濃硫酸中進(jìn)行重氮化時，則主要活潑質(zhì)點(diǎn)是亞硝基正離子（ON+）：ON-OH+H2SO4

→ON++2HSO4-+H3O+上述各種活潑質(zhì)點(diǎn)的活潑性次序是：ON+

＞ON-Br＞ON-Cl＞ON-ON2＞ON-OH無機(jī)酸濃H2SO4HBrHCl稀H2SO4親電質(zhì)點(diǎn)NO+NOBrNOClN2O3活性大小第11頁/共39頁重氮化反應(yīng)歷程是N-亞硝化-脫水反應(yīng)，可簡要表示如下：第12頁/共39頁無機(jī)酸的作用與用量酸的作用①溶解芳胺：ArNH2+HCl→ArNH3+Cl-②產(chǎn)生HNO2：HCl+NaNO2→HNO2+NaCl③維持反應(yīng)介質(zhì)強(qiáng)酸性酸要過量理論量：n(HX):n(ArNH2)=2:1實(shí)際比：n(HX):n(ArNH2)=2.5～4:1[HX]增加：重氮化質(zhì)點(diǎn)濃度增加，[ArNH2]降低；

[HX]降低：[ArNH2]增加，重氮化質(zhì)點(diǎn)濃度降低。第13頁/共39頁亞硝酸鈉的用量必須嚴(yán)格控制，只稍微超過理論量。在重氮化反應(yīng)中，如果亞硝酸不能自始至終保持過量或是加入亞硝酸鈉溶液的速度過慢，也能導(dǎo)致生成的重氮鹽與沒有反應(yīng)的芳胺生成重氮氨基化合物或氨基偶氮化合物等副產(chǎn)物。一般亞硝酸鈉的加料進(jìn)度取決于重氮化反應(yīng)速度的快慢，主要目的是保證整個反應(yīng)過程自始至終不缺少亞硝酸鈉，以防止產(chǎn)生重氮氨基物的黃色沉淀，加料速度不能太快，防止產(chǎn)生“黃煙”，即NO2。（3）亞硝酸鈉用量的影響3HNO2→NO2+2NO+H2O2NO+O2→2NO2

第14頁/共39頁重氮化反應(yīng)是典型的放熱反應(yīng)，要及時移除反應(yīng)熱。重氮化反應(yīng)一般在0-10℃進(jìn)行，如果溫度太高，不僅亞硝酸容易分解，也會加速重氮化合物的分解。（4）溫度的影響HNO2H2O+NO第15頁/共39頁13.2.2重氮化方法（1）直接法

本法適用于堿性較強(qiáng)的芳胺，即為含有給電子基團(tuán)的芳胺，例如苯胺、聯(lián)苯胺以及帶有－CH3、－OCH3等基團(tuán)的芳胺衍生物，這些胺類可與無機(jī)酸生成易溶于水，但難以水解的穩(wěn)定銨鹽。將計算量（或稍過量）的亞硝酸鈉水溶液在冷卻攪拌下，先快后慢的滴加到芳胺的稀酸水溶液中，進(jìn)行重氮化，直到亞硝酸鈉稍微過量為止。此法亦稱正加法，應(yīng)用最為普遍。反應(yīng)溫度一般在0-10℃進(jìn)行。鹽酸用量一般為芳伯胺的3-4mol為宜。水的用量一般應(yīng)控制在到反應(yīng)結(jié)束時，反應(yīng)液總體積為胺量的10-12倍。應(yīng)控制亞硝酸鈉的加料速度，以確保反應(yīng)正常進(jìn)行。第16頁/共39頁（2）連續(xù)操作法本法適用于堿性較強(qiáng)芳伯胺的重氮化，此類芳胺包括鄰位、間位和對位硝基苯胺，硝基甲苯胺，2,5-二氯苯胺等。由于反應(yīng)過程的連續(xù)性，可較大地提高重氮化反應(yīng)的溫度以增加反應(yīng)速率。重氮化反應(yīng)一般在低溫下進(jìn)行，目的是為避免生成的重氮鹽發(fā)生分解和破壞。連續(xù)操作可以利用反應(yīng)產(chǎn)生的熱量提高溫度，加快反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時間，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。例如，由苯胺制備苯肼就是采用連續(xù)重氮化法，重氮化溫度可提高到50-60℃。第17頁/共39頁（3）倒加料法

本法適用于一些兩性化合物，即含－SO3H、－COOH等吸電子基團(tuán)的芳伯胺，如對氨基苯磺酸和對氨基苯甲酸等，還適用于一些易于偶合的芳伯胺重氮化。此類胺鹽在酸液中生成兩性離子的內(nèi)鹽沉淀，故不溶于酸中，因而很難重氮化。將這類化合物先與堿作用制成鈉鹽以增加溶解度，并溶于水中，再加入需要量的NaNO2，然后將此混合液加入到預(yù)先經(jīng)冷卻的稀酸中進(jìn)行重氮化。第18頁/共39頁（4）濃酸法本法適用于堿性很弱的芳伯胺，如二硝基苯胺、2-氰基-4-硝基苯胺、l-氨基蒽醌及1,5-二氨基蒽醌或某些雜環(huán)化合物(如苯并噻唑衍生物)等。因其堿性弱，在稀酸中幾乎完全以游離胺存在，不溶于稀酸，反應(yīng)難以進(jìn)行。為此常在濃硫酸中進(jìn)行重氮化。該重氮化方法是借助于最強(qiáng)的重氮化活潑質(zhì)點(diǎn)（NO+），才使電子云密度顯著降低的芳伯胺氮原子能夠進(jìn)行反應(yīng)。將該類芳伯胺溶解在濃硫酸中，加入亞硝酸鈉液或亞硝酸鈉固體，在濃硫酸中的溶液中進(jìn)行重氮化。由于亞硝酰硫酸放出亞硝酰正離子（NO+）較慢，可加入冰醋酸或磷酸以加快亞硝酰正離子的釋放而使反應(yīng)加速。如：2-氨基-1,3-二硝基苯酚，其重氮化是先將其溶于苛性鈉水溶液中，然后加鹽酸經(jīng)過顆粒形式析出，再加亞硝酸鈉進(jìn)行重氮化。第19頁/共39頁（5）亞硝酸酯法此類芳胺有鄰位、對位氨基苯酚及其硝基、氯基衍生物。它們都可以采用通常的重氮化方法，但該類中的某些芳胺在無機(jī)酸中易被亞硝酸氧化成酮亞胺型化合物。本法是將芳伯胺鹽溶于醇、冰醋酸或其他有機(jī)溶劑（如DMF、丙酮等）中，用亞硝酸酯進(jìn)行重氮化。常用的亞硝酸酯有亞硝酸戊酯、亞硝酸丁酯等。此法制成的重氮鹽，可在反應(yīng)結(jié)束后加入大量乙醚，使其從有機(jī)溶劑中析出，再用水溶解，可得到純度很高的重氮鹽。第20頁/共39頁13.2.3重氮化的設(shè)備及安全生產(chǎn)重氮化一般采用間歇操作，選擇釜式反應(yīng)器。反應(yīng)器不宜直接使用金屬材料。大型重氮反應(yīng)器通常為內(nèi)襯耐酸磚的鋼槽或直接選用塑料制反應(yīng)器。小型重氮設(shè)備通常為鋼制加內(nèi)襯。用稀硫酸重氮化時，可用搪鉛設(shè)備，其原因是鉛與硫酸可形成硫酸鉛保護(hù)模；若用濃硫酸，可用鋼制反應(yīng)器；若用鹽酸，因其對金屬腐蝕性較強(qiáng)，一般用搪玻璃設(shè)備。間歇操作的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，可以直接加冰冷卻，更換產(chǎn)品靈活。連續(xù)重氮化反應(yīng)器可以用串聯(lián)反應(yīng)器組或槽式-管式串聯(lián)法。其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)物停留時間短，可在10-30℃進(jìn)行重氮化，也適合懸浮液的重氮化。

生產(chǎn)設(shè)備第21頁/共39頁重氮鹽性質(zhì)活潑易爆炸，在進(jìn)行重氮化反應(yīng)時，要注意設(shè)備及附近環(huán)境的清洗，防止設(shè)備、器皿、工作環(huán)境等處殘留的重氮鹽干燥后發(fā)生爆炸事故。重氮化反應(yīng)中的酸有較強(qiáng)腐蝕性，特別是濃硫酸。應(yīng)嚴(yán)格按工藝規(guī)程操作，避免灼傷、腐蝕等嚴(yán)重生產(chǎn)事故。重氮化反應(yīng)中，過量亞硝酸鈉會使反應(yīng)系統(tǒng)逸出NO、Cl2等有毒有害的刺激性氣體。參加反應(yīng)的芳伯胺亦具有毒性，特別是活潑的芳伯胺，毒性更強(qiáng)。所以反應(yīng)設(shè)備應(yīng)密閉，要求設(shè)備、環(huán)境、通風(fēng)要有保證，以保障生產(chǎn)和環(huán)境的安全。特別需要注意的是，通風(fēng)管道中若殘留干燥的胺，遇氮的氧化物也能重氮化并自動發(fā)熱而自燃，因此要經(jīng)常清理、沖刷通風(fēng)管道。安全生產(chǎn)第22頁/共39頁13.3.1放氮反應(yīng)放氮反應(yīng)就是重氮鹽中的重氮基－N=NX被－OH、－H、－X、－CN等原子或原子團(tuán)取代，同時放出氮?dú)獾姆磻?yīng)。將重氮鹽在酸性水溶液加熱，即會發(fā)生水解，放出氮?dú)猓瑫r生成酚。反應(yīng)可按下式發(fā)生：（1）被羥基置換

13.3重氮化合物的反應(yīng)第23頁/共39頁該反應(yīng)歷程是親核反應(yīng)，就是水對重氮鹽的芳正離子的親核進(jìn)攻，所以，為了避免氯離子和芳正離子的反應(yīng)生成氯化副產(chǎn)物，采用的重氮鹽以硫酸鹽為好。為了避免生成的酚類負(fù)離子與芳正離子反應(yīng)生成二芳基醚等副產(chǎn)物，或者將生成的可揮發(fā)性酚立即用水蒸氣蒸餾，或者向反應(yīng)液中加入氯苯等惰性有機(jī)溶劑，使生成的酚立即轉(zhuǎn)入到有機(jī)相中，避免接觸。為了避免生成的酚與重氮鹽發(fā)生偶合反應(yīng)生成羥基偶氮染料，轉(zhuǎn)化反應(yīng)最好在強(qiáng)酸性溶液（40-50%）中進(jìn)行，通常是將冷的重氮鹽水溶液滴加到沸騰的稀硫酸中，使重氮鹽迅速水解。第24頁/共39頁用水解方法制得的重要苯酚類有：第25頁/共39頁將重氮鹽水溶液用適當(dāng)?shù)倪€原劑還原，可使其失去重氮基，被還原成氫原子，該反應(yīng)可用于制備許多芳香族取代衍生物。當(dāng)用一般取代反應(yīng)不能將取代基引入目的位置時，可用此胺。這類反應(yīng)所用的還原劑有乙醇、丙醇、次磷酸、甲醛、亞錫酸鈉、葡萄糖等，最常用的是乙醇和次磷酸，而所用的酸最好是硫酸，而不宜使用鹽酸。（2）被氫原子取代第26頁/共39頁將乙醇和重氮鹽水溶液加熱，重氮鹽被還原成芳烴，但是如果用干燥的重氮鹽和乙醇加熱，則烷基取代了重氮基，成為酚醚：（3）被烷氧基取代

重氮鹽仍以硫酸鹽為好，可以避免鹵化物產(chǎn)生。水要盡量少，甚至可以用干燥重氦鹽和無水乙醇反應(yīng)。所用的醇可以是乙醇，也可以是甲醇、異戊醇、苯酚等，它們與重氮鹽反應(yīng)分別得乙氧基、甲氧基、異戊氧基和苯氧基化合物。例如，鄰胺基苯甲酸重氮鹽與甲醇加熱，制得鄰甲氧基苯甲酸：第27頁/共39頁由芳胺重氮化的重氮基置換成鹵基，對制備一些不能采用鹵化法，或鹵化后所得異構(gòu)體難以分離的鹵化物很有價值。重氮基置換成不同的鹵基，所采用的方法各不相同。（4）被鹵原子取代①重氮基被氯或溴置換芳胺重氮鹽在亞銅鹽催化下，重氮基置換成氯、溴和氰基的轉(zhuǎn)化反應(yīng)稱為桑德邁耶（Sandmeyer）反應(yīng)。芳環(huán)對位已有取代基對反應(yīng)速率的影響按以下順序遞減：上述反應(yīng)如果用銅粉代替CuX，加熱重氮鹽也可生成鹵代烴，該反應(yīng)稱為伽特曼（Gattermann）反應(yīng)，但產(chǎn)率較低。第28頁/共39頁②重氮基被碘原子取代

可以采用桑德邁耶爾反應(yīng)，但氫碘酸容易被氧化成碘，所以重氮化時不能在氫碘酸中進(jìn)行，而要在乙酸中進(jìn)行，然后再加入碘化亞銅-碘氫酸水溶液，進(jìn)行碘置換反應(yīng)。由于I原子的親核活性較高，重氮基比較容易被碘原子取代，而無需催化劑。只要把重氮鹽與KI水溶液一起加熱，重氮基即可被碘原子取代，這是把碘原子引入芳環(huán)的好方法。例如，鄰、間、對碘苯甲酸，都是由相應(yīng)的氨基苯甲酸制得的：第29頁/共39頁③重氮基被氟原子取代重氮基被氟原子取代的反應(yīng)主要有三種方法：希曼反應(yīng)（Schiemann）：芳香氟化物也可由重氮鹽法制得。但必須首先將一般的重氮鹽轉(zhuǎn)化為氟硼酸重氮鹽，該重氮鹽為一沉淀，分離干燥后，小心加熱，即可分解為芳香氟化物。氟化芳烴也不能用親電取代的方法制得，所以希曼反應(yīng)也是在芳環(huán)引入氟原子的常用方法。第30頁/共39頁無水氟化氫法：將無水氟化氫用冷凍鹽水冷卻，在攪拌下，向其中加入干燥的苯胺鹽酸鹽，溫度不超過10℃，然后加入干燥的煙硝酸進(jìn)行重氮化，再在40℃以下進(jìn)行分解氟化（因含水、氟化鈉和重氮鹽使氟化氫溶液沸點(diǎn)升高）。第31頁/共39頁水介質(zhì)銅粉催化分解氟化法：將固體2-羧基-5-氯苯重氮鹽濕濾餅放于適量水中，加入少量氯化亞銅，在85℃左右攪拌2h，可制得2-羧基-5-氯氟苯，收率可達(dá)70%。第32頁/共39頁重氮鹽在堿性溶液中形成重氮?dú)溲趸铮梢粤呀鉃橹氐坞x基，再失去氮形成芳基游離基。（5）被芳基取代①岡伯格(Gomberg)反應(yīng)

這是由芳胺重氮化合物制備不對稱聯(lián)芳基衍生物的方法。第33頁/共39頁②伽特曼（Gattermann）反應(yīng)

重氮鹽在弱堿性溶液中用銅粉還原，即發(fā)生氮偶合反應(yīng)，形成對稱的聯(lián)芳基衍生物。第34頁/共39頁脂環(huán)族伯胺經(jīng)重氮化形成的碳正離子可發(fā)生重排反應(yīng)，得到某些擴(kuò)環(huán)和縮環(huán)的反應(yīng)產(chǎn)物。若氨基連在環(huán)的側(cè)鏈上，則生成的正碳離子發(fā)生擴(kuò)環(huán)反應(yīng)，生成比原來反應(yīng)物多一個碳原子的脂環(huán)化