精细有机合成 硝化反应汇总
第二章 2精细有机合成的基本反应(硝化反应)
混酸硝化法还具有以下特点： Ⅰ 被硝化物或硝化产物在反应温度下是液态的， 而且不溶于废硫酸中，因此，硝化后可用分层法 回收废酸； Ⅱ 硝酸用量接近于理论量或过量不多,废硫酸经浓 缩后可再用于配制混酸,即硫酸的消耗量很小；
Ⅲ 混酸硝化是非均相过程，要求硝化反应器装有 良好的搅拌装置，使酸相与有机相充分接触。
问题： 1. 硝酸在硝化反应中 有哪些作用？ 2. 硝酸的氧化能力和 硝化能力与浓度的关 系？ 3. 不同的硝化方法各 有什么特征？
13
问题 1. 硝酸在硝化反应中有哪些作用？
硝酸在硝化反应中既有硝化剂又有氧化剂的作用。
问题 2. 硝酸的氧化能力和硝化能力与浓度的关系？
硝酸的氧化能力随着硝酸浓度的降低而增强（直至 某一极限）； 硝化能力则随其浓度的降低而减弱。
实例一 实例二 实例三
OH
OH
OH
+ HNO3（稀）
NO2 +
NO2
NO2
+ NO2BF4
FSO3H(氟代硫酸) O2N 150oC
NO2
NO2
Br
H2SO4
+ HNO3 （60oC)
Br
NO2 +
Br NO2
NO2
实例四
C2H5ONa C2H5ONO2
N H
NO2
N H
29
3 温度
影响硝化反应的因素
14
１．直接硝化法 (1)稀硝酸硝化法
适用与此法的有机物主要有：
① 易被硝化的芳香族化合物（有使苯环活化的取代基）
NHCOCH 3
OCH2CH3
② 低级烷基取代苯亦可用稀硝酸进行侧链硝化（浓度相当
稀时，亦将导致侧链氧化。）
第三章硝化反应1
（3）在浓硫酸中硝化
z ①反应速度与硫酸浓度的关系 z 硝基苯或蒽醌在浓硫酸介质中的硝化是一 个二级反应。动力学方程式如下： z v ＝ k [ArH] [HNO3] z k值是表观反应速度常数，其大小与硫酸浓 度相关。对芳烃类进行硝化时，发现当硫 酸浓度在90％左右时，反应速度常数为最 大值。
表3－1 在不同浓度硫酸中的硝化速度常数 （25℃）
①缓慢型，也称动力学型。 z 特点：芳烃主要在酸相中发生反应，在相界面上反 应的数量很少。化学反应的速度是整个反应的控制 阶段。
甲苯在62.4～66.6％硫酸中的硝化，动力学方程： Ra ＝ k [HNO3] [T]a z Ra ：单位体积的反应速度，mol·L－1·s－1； z k：均相反应的反应速度常数，L·mol－1·s－1； z [HNO3] ，[T]a：硝酸浓度和酸相中的甲苯浓 度，mol·L－1。
z （4）混酸中水的影响 z 加水增加了HSO4－和H3O＋离子，抑制了 NO2+的生成。稀释硫酸浓度至85％时， NO2+离子浓度开始下降。硫酸浓度为15～ 70％时，只存在NO3－和分子态硝酸。
z （5）混酸中硝酸比例的影响 z 硝酸的百分含量对NO2+离子影响。 z 硝酸浓度<11％，全部离解为NO2+离子。
第二节 硝化反应基本原理
z 一、硝化剂类型 硝化剂概念。 主要硝化剂： z 硝酸、混酸、硝酸盐和硫酸、硝酸和醋酸 或醋酐的混合物、有机硝酸酯、氮的氧化 物。
1. 硝酸 （1）离解特点： 纯硝酸、发烟硝酸和浓硝酸很少离解，主要以分 子形态存在。 （2）离解方式：
2HNO3 H2NO3+
H2NO3 + NO3 H2O + NO2
《精细有机合成化学及工艺学》第5章硝化
表 温度对硝化反应速度的影响
硝化产物
Cl
NO2
Cl
k25℃
0.18
k35℃
0.47
k35℃/k25
℃
2.61
NO 2
0.39
1.23
3.15
反应温度升高，硝酸分解和氧化副反应速 度加快。
《精细有机合成化学及工艺学》第5章硝
化
20
反应温度升高，反应选择性下降。
表 氯苯硝化温度对反应选择性的影响
温度，℃
《精细有机合成化学及工艺学》第5章硝
化
8
5.2.1 反应历程
《精细有机合成化学及工艺学》第5章硝
化
9
HNO3-H2SO4-H2O三元体系中NO2+的含量 （单位：g离子/1000g溶液）
《精细有机合成化学及工艺学》第5章硝
化
10
5.2.2 混酸的硝化能力
硫酸脱水值（D.V.S.，简称脱水值）
43
5.6.2 仲芳胺的亚硝化
H N
HCl 重排
NaNO2,H2SO4
-26℃ 亚硝化
NO N
H N
NON还a原2S2
H N
NH 2
《精细有机合成化学及工艺学》第5章硝
化
44
第5章 硝化和亚硝化
(Nitration and Nitrosation)
《精细有机合成化学及工艺学》第5章硝
化
1
概述 混酸硝化 硫酸介质中的硝化 在乙酐或乙酸中的硝化 稀硝酸硝化 亚硝化
《精细有机合成化学及工艺学》第5章硝
化
2
5.1 概述
向有机分子的碳原子上引入硝基的反应称作 硝化，引入亚硝基的反应称作亚硝化。
精细有机合成化学以及工艺学 第六章 硝化以及亚硝化
15
6.3.6硝化副反应 （1）主要的硝化副反应：氧化、去烃基、置换、 脱羧、开环、聚合等。其中氧化影响最大，生成 硝基酚。 （2）烷基苯硝化时，硝化液颜色发黑变暗，说明 硝酸用量不足或硝化温度过高。 因 为 形 成 了 络 合 物 （C6H5CH3· 2ONOSO3H· 2SO4）。 3H 破坏方法：45～55℃时补加HNO3或混酸 （3）大多数副反应，与体系中存在的氮的氧化物 有关。
－8
1.210
－8
10
结论：苯环上有给电子基，硝化反应速度快，产物 主要是邻、对位 苯环上有吸电子基，硝化速度减慢，产物主要 是间位。 2.芳烃硝化异构产物 带有吸电子的取代芳烃硝化邻位异构体 的生成量比对位异构体多。原因是硝基易同 邻位取代基中带负电荷的原子形成络合物。
CHO 19 72 9 1.3 COOH 18.5 80.5 2.2 CN 17.1 80.7 1 NO 2 9 90 8.2 40.8 NO 2 51 OCH 3
F . N . A. D.V .S . 1 F . N . A. D.V .S . F . N . A. 100 % 1 D.V .S .
22
6.4.2 混算配制 配酸工艺：水、硫酸、硝酸如何混合？ 先将浓硫酸先缓慢、后渐快加入到水中， 在40度以下先慢后快加入硝酸。
23
6.4.3硝化操作
（4）非均相混酸硝化
被硝化物和硝化产物在反应温度下都呈液态，且 难溶于混酸时，常采用非均相的混酸硝化。这时 需剧烈搅拌，使有机相充分地分散到酸相中以完 成硝化反应。
（5）有机溶剂中硝化
可避免大量使用硫酸作溶剂。 （6）气相硝化 NO2与苯于80～190℃通过分子筛处理便转化为 硝基苯。
5
6.2硝化理论解释
精细化工合成资料4硝化
+ NaCl + H2O
ONa
10% NaOH 100℃,常压
NO2
NO2 + NaCl + H2O
利用硝基的强极性，赋予精细化学品以某
些特性，如使颜料的颜色加深。
NO2 H3C NO2 H3C COCH3 CONH
COCH3 N N CH CONH
NH N C
（m.p.=254～257℃）
表 混酸组成与NO2+浓度的关系
HNO3浓度，％ H2SO4浓度，％
100 87.4 76 0 12.6 12.6
H2O浓度，％
0 0 11.4
NO2+浓度，％
1 12.4 1.9
4.1.5 硝化方法
稀硝酸硝化 （1）进攻质点为NO+；
（2）硝化剂通常过量10～65％；
（3）应用于易硝化的芳香族化合物，如分子中 含有-OH,-OR,-NHCOCH3等基团。
存在的问题：对设备要求高（密封、防腐）
4.5 亚硝化
向有机物分子的碳原子上引入亚硝基， 生产C-NO键的反应叫做亚硝化反应。
反应历程：亲电取代反应 反应质点：NO+ 亚硝化剂：NaNO2＋HX(HCl,H2SO4)
ArH + NaNO2 + HCl → ArNO + NaCl + H2O
4.1.2 硝化的目的
将硝基转化为其它基团（-NH2）
4.1.2 硝化的目的
提高亲核置换反应活性
Cl + 2NaOH
Cl + 2NaOH NO2 Cl NO2 + 2NaOH NO2
ONa
硝化反应详解
硝化反应详解The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020硝化反应详解1 、简介硝化反应，硝化是向有机化合物分子中引入硝基（－NO2）的过程，硝基就是硝酸失去一个羟基形成的一价的基团。
芳香族化合物硝化的反应机理为：硝酸的－OH基被质子化，接着被脱水剂脱去一分子的水形成硝酰正离子（nitronium ion，NO2）中间体，最后和苯环行亲电芳香取代反应，并脱去一分子的氢离子。
在此种的硝化反应中芳香环的电子密度会决定硝化的反应速率，当芳香环的电子密度越高，反应速率就越快。
由于硝基本身为一个亲电体，所以当进行一次硝化之后往往会因为芳香环电子密度下降而抑制第二次以后的硝化反应。
必须要在更剧烈的反应条件（例如：高温）或是更强的硝化剂下进行。
常用的硝化剂主要有浓硝酸、发烟硝酸、浓硝酸和浓硫酸的混酸或是脱水剂配合硝化剂。
脱水剂：浓硫酸、冰醋酸、乙酐、五氧化二磷硝化剂：硝酸、五氧化二氮（N2O5）Ar─H+HNO3→Ar─NO2+H2O2 、反应机理硝化反应的机理主要分为两种，对于脂肪族化合物的硝化一般是通过自由基历程来实现的，其具体反映比较复杂，在不同体系中均有所不同，很难有可以总结的共性，故这里不予列举。
而对于芳香族化合物来说，其反应历程基本相同，是典型的亲电取代反应。
3 、主要方法硝化过程在液相中进行，通常采用釜式反应器。
根据硝化剂和介质的不同，可采用搪瓷釜、钢釜、铸铁釜或不锈钢釜。
用混酸硝化时为了尽快地移去反应热以保持适宜的反应温度,除利用夹套冷却外,还在釜内安装冷却蛇管。
产量小的硝化过程大多采用间歇操作。
产量大的硝化过程可连续操作，采用釜式连续硝化反应器或环型连续硝化反应器,实行多台串联完成硝化反应。
环型连续硝化反应器的优点是传热面积大，搅拌良好，生产能力大，副产的多硝基物和硝基酚少。
硝化方法主要有：稀硝酸硝化、浓硝酸硝化、在浓硫酸中用硝酸硝化、在有机溶剂中用硝酸硝化和非均相混酸硝化等。
精细有机合成技术：硝化反应历程及动力学
• 例如，甲苯混酸硝化生产一硝基甲苯采用多釜串联操作 时，第一硝化釜酸相中的硫酸、硝酸浓度都比较高，反 应受传质控制；而在第二釜中，由于硫酸浓度降低，硝 酸含量减少，反应速率受动力学控制。
• 一般来说，芳烃在酸相中的溶解度越大，反应速率受动 力学控制的可能性越大。
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• 在浓硝酸或混酸硝化反应过程中，其中转变成σ-络合 物这一步的速度最慢，因而是整个反应的控制步骤。 在硝基盐（如NO2BF4和NO2PF6）硝化中，它们硝化 能力比浓硝酸或混酸强得多，控制反应速度的步骤是 π-络合物的生成动力学研究指出，均相硝化反应芳烃的硝化与所使用
的溶剂关系非常紧密。芳烃在硝酸中的硝化，硝酸既是硝 化剂，又是溶剂，当硝酸过量使其浓度在硝化过程中可视 为常数时，其动力学方程表现为一级反应。
r = k[ArH]
• 在硫酸存在下的硝化，当加入的硫酸量较少时，硝化反 应仍为一级反应，但硝化反应速度明显提高。
• 当加入硫酸量足够大时，硫酸起到溶剂作用，硝酸仅作 为硝化剂，此时表现为二级反应。
①缓慢型
• 也称动力学型。化学反应的速度是整个反应的控制阶段， 硝化反应主要发生在酸相中。其反应速率与酸相中芳烃 的浓度和硝酸的浓度成正比。
• 甲苯在62.4%～66.6%H2SO4中的硝化属于这种类型。
②快速型第二节 硝化反应基本原理
•也称慢速传质型。其特征是反应主要在酸膜中或两相的 边界层上进行，此时，芳烃向酸膜中的扩散速度成为整个 硝化反应过程的控制阶段，即反应速度受传质控制。 •反应速率与酸相容积的交换面积、扩散系数和酸相中芳 烃的浓度成正比。甲苯在66.6%～71.6% H2SO4中硝化属 于这种类型。
③瞬间型
• 亦称快速传质型。其特征是反应速度快，以致于使处于 液相中的反应物不能在同一区域共存，即反应在两相界 面上发生。甲苯在71.6%～77.4% H2SO4中硝化时属于 这种类型，其反应总速率与传质速度和化学反应速度都 有关。
硝化反应(精品)
硝化反应硝化反应（1）硝化及硝化产物在有机化合物分子中引人硝基（一 NO2）取代氢原子而生成硝基化合物的反应，称为硝化反应。
常用的硝化剂是浓硝酸或混合酸（浓硝酸和浓硫酸的混合物）。
如下的硝化过程是染料、炸药及某些药物生产的重要反应过程。
硝化过程中硝酸的浓度对反应温度有很大的影响。
硝化反应是强烈放热的反应，因此硝化需在降温条件下进行。
对于难硝化的物质以及制备多硝基物时，常用硝酸盐代替硝酸。
先将被硝化的物质溶于浓硫酸中，然后在搅拌下将某种硝酸盐（KNO3、NaNO、NH,NO「渐渐加人浓酸溶液中。
除此之外，氧化氮也可以做硝3化剂。
硝基化合物-般都具有爆炸危险性，特别是多硝基化合物，受热、摩擦或撞击都可能引起爆炸。
所用的原料甲苯、苯酚等都是易燃易爆物质。
硝化剂浓硫酸和浓硝酸所配制的混合酸具有强烈的氧化性和腐蚀性。
（2）混酸制备安全硝化多采用混酸，混酸中硫酸量与水量的比例应当计算（在进行浓硫酸稀释时，不可将水注人酸中，因为水的比重比浓硫酸轻，上层的水被溶解放出的热加热沸腾，引起四处飞溅，造成事故），混酸中硝酸量不应少于理论需要量，实际上稍稍过量1%~10%。
在制备混酸时，可用压缩空气进行搅拌，也可机械搅拌或用循环泵。
用压缩空气不如机械搅拌好，有时会带人水或油类，并且酸易被夹带出去，造成损失。
酸类混合中，放出大量热，温度可达到909C或更高。
在这个温度下，硝酸部分分解为二氧化氮和水，假若有部分硝基物生成，高温下可能引起爆炸。
所以必须进行冷却。
机械搅拌和循环搅拌可以起到一定的冷却作用。
由于制备好的混酸具有强烈的氧化性能，因此应防止和其他易燃物接触，避免因强烈氧化而引起自燃。
(3)硝化器搅拌式反应器是常用的硝化设备。
这种设备由锅体(或釜体)、搅拌器、传动装置、夹套和蛇管组成。
-般是间歇操作。
物料由.上部加入锅内，在搅拌条件下迅越地混合并进行硝化反应。
如果需要加热，可在夹套或蛇管内通入蒸汽;如果需要冷却，可通冷却水或冷冻剂。
硝化反应详解
硝化反应详解1 、简介硝化反应,硝化就是向有机化合物分子中引入硝基(—NＯ2)得过程,硝基就就是硝酸失去一个羟基形成得一价得基团。
芳香族化合物硝化得反应机理为:硝酸得－OH基被质子化,接着被脱水剂脱去一分子得水形成硝酰正离子(nｉｔronium iｏｎ,NO2)中间体,最后与苯环行亲电芳香取代反应,并脱去一分子得氢离子。
在此种得硝化反应中芳香环得电子密度会决定硝化得反应速率,当芳香环得电子密度越高,反应速率就越快。
由于硝基本身为一个亲电体,所以当进行一次硝化之后往往会因为芳香环电子密度下降而抑制第二次以后得硝化反应、必须要在更剧烈得反应条件(例如:高温)或就是更强得硝化剂下进行、常用得硝化剂主要有浓硝酸、发烟硝酸、浓硝酸与浓硫酸得混酸或就是脱水剂配合硝化剂、脱水剂:浓硫酸、冰醋酸、乙酐、五氧化二磷硝化剂:硝酸、五氧化二氮(N２O5)Ar─Ｈ+ＨNO３→Ar─NO2+Ｈ2O２、反应机理硝化反应得机理主要分为两种,对于脂肪族化合物得硝化一般就是通过自由基历程来实现得,其具体反映比较复杂,在不同体系中均有所不同,很难有可以总结得共性,故这里不予列举。
而对于芳香族化合物来说,其反应历程基本相同,就是典型得亲电取代反应。
３、主要方法硝化过程在液相中进行,通常采用釜式反应器。
根据硝化剂与介质得不同,可采用搪瓷釜、钢釜、铸铁釜或不锈钢釜。
用混酸硝化时为了尽快地移去反应热以保持适宜得反应温度,除利用夹套冷却外,还在釜内安装冷却蛇管。
产量小得硝化过程大多采用间歇操作。
产量大得硝化过程可连续操作,采用釜式连续硝化反应器或环型连续硝化反应器,实行多台串联完成硝化反应。
环型连续硝化反应器得优点就是传热面积大,搅拌良好,生产能力大,副产得多硝基物与硝基酚少。
硝化方法主要有:稀硝酸硝化、浓硝酸硝化、在浓硫酸中用硝酸硝化、在有机溶剂中用硝酸硝化与非均相混酸硝化等。
硝化方法主要有以下几种:(1)稀硝酸硝化一般用于含有强得第一类定位基得芳香族化合物得硝化,反应在不锈钢或搪瓷设备中进行,硝酸约过量1０~6５%。
精细化学品化学硝化反应(第四章)
－ Cl
二、硝化剂的影响 (一)底物与硝化剂的关系
不同结构的有机物被硝化的难易程度不同， 而各种硝化剂又具有不同的硝化能力： ①易于硝化的底物可选用活泼性较低的硝化 剂，以免过度硝化和减少副反应的发生； ②难于硝化的底物选用强硝化剂进行硝化； ③对于相同的底物，若采用不同的硝化剂， 常得到不同比例的异构体。
2013-11-21 9
三、芳烃硝化的目的 1、将硝基转化为其它基团，如-NH2，作为 制取氨基化合物的一条重要途径； 2、利用硝基的强吸电性质，使芳环上的其 他取代基活化（如卤原子），容易发生亲核置换 反应。提高亲核置换反应活性
Cl + 2NaOH
10% NaOH 350-400℃,20-30MPa
2、浓HNO3硝化-----浓硝酸（＞93%） 这种硝化往往要用过量很多倍的硝酸，过量 的HNO3必须设法利用或回收，因而使它的实际 应用受限。
浓硝酸硝化特点： （1）硝酸过量很多倍，需回收利用； （2）应用范围不广。
2013-11-21 12
4、非均相混酸硝化 当被硝化物和硝化产物在反应温度下都是液态 时，常采用非均相混酸硝化的方法，通过强烈搅 拌，使有机相被分散到酸相中而完成硝化反应。 该法具有许多优点，是目前工业上最常用、最 重要的硝化方法，亦是本章重点。 非均相混酸硝化特点： （1）反应温度下为互不相溶的两相； （2）反应活性高，应用范围广； （3）有废酸产生。
制备脂肪族硝基化合物要比制备芳香族硝基
化合物困难得多。脂肪族硝基化合物的合成方法
可分为气相法和液相法两大类。气相硝化属于游
离基历程。烷烃用此方法硝化时常常得到混合硝
化产物。
如：甲烷经气相硝化可制得硝基甲烷；由乙 烷或丙烷与氮的氧化物或硝酸在加压下反应则得 到硝基乙烷（或硝基丙烷）。
硝化精细有机合成
反应过程中可能产生有毒气体或 易燃易爆物质，需采取相应的安 全措施，如安装排气装置、使用
防爆电器等。
实验结束后需妥善处理废液和废 弃物，避免对环境造成污染。
05 硝化精细有机合成应用前 景与挑战
在医药领域的应用前景
合成药物中间体
硝化反应可用于合成多种药物中间体，如硝基苯酚、硝基 苯甲酸等，这些药物中间体是合成抗生素、镇痛药等药物 的重要原料。
新型硝化剂的开发
传统的硝化剂如硝酸、硫酸等存在腐蚀性强 、废液处理困难等问题，开发新型高效、环 保的硝化剂是未来发展的重要趋势。
选择性控制
硝化反应的选择性控制是一个技术难 题，如何实现高选择性硝化反应是未 来的研究方向之一。
硝化反应的机理研究
深入研究硝化反应的机理，有助于更好地 控制反应过程和提高反应效率，为硝化精 细有机合成的进一步发展提供理论支持。
硝化反应特点分析
区域选择性
硝化反应通常发生在底物的特定位置，具有 一定的区域选择性。
产物多样性
通过硝化反应可以合成多种硝基化合物，具 有广泛的应用价值。
条件温和
相对于其他有机合成反应，硝化反应条件较 为温和，易于操作。
环境影响
硝化反应产生的废水和废气可能对环境造成 污染，需要采取相应的处理措施。
02 硝化精细有机合成方法与 技术
其他新型硝化技术
离子液体硝化法
使用离子液体作为反应介质和催化剂，对有机物进行硝化反应。此 方法具有反应条件温和、催化剂可回收等优点。
电化学硝化法
利用电化学方法产生硝化剂，对有机物进行硝化反应。此方法具有 绿色环保、可控性强等优点。
生物酶催化硝化法
利用生物酶作为催化剂，对有机物进行硝化反应。此方法具有条件温 和、选择性高等优点，但酶的稳定性和重复使用性有待提高。
精细有机合成技术：硝化副反应
• 络合物的形式与已有取代基的结构、个数、位置等因素 有关。长链烷基苯最容易生成此络合物，短侧链的稍差， 苯则最难生成，而带有吸电子基的苯系衍生物则介于两 者之间。
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• 硝酸的浓度及反应温度与氧化副反应的产生密切相关。
如二苯甲烷与稀硝酸于90℃反应时，主要得氧化产物二
苯甲酮；而用混酸在低温下反应，则主要发生硝化反应。
O
NO2
稀HNO3
C
90℃
CH2
HNO3 H2SO4
CH2
NO2Leabharlann • 研究表明，二氧化氮和亚硝酸的存在是造成芳烃侧链氧 化的原因，其他一些副反应也与氮的氧化物有关。因此， 生产中应严格控制硝化条件，防止硝酸分解，以阻止或 减少副反应的发生。必要时可加入适量的尿素将硝酸分 解产生的二氧化氮破坏掉，可以抑制氧化副反应。
精细有机合成技术 邹静
目
录
硝化反应的影响因素
被硝化物、硝化剂 1
温度、搅拌、相比与硝酸比
Contents
2 硝化副反应
3
硝化副反应
•硝化副反应主要是多硝化、氧化和生成络合物。避免多 硝化副反应的主要方法是控制混酸的硝化能力、硝酸比、 循环废酸的用量、反应温度和采用低硝酸含量的混酸。
• 氧化是影响最大的副反应，主要是在芳环上引入羟基， 例如，在甲苯一硝化时总会生成少量的硝基酚类。硝化 后分离出的粗品硝基物异构体混合物必须用稀碱液充分 洗涤，除净硝基酚类，否则，在粗品硝基物脱水和用精 馏法分离异构体时有发生爆炸的危险。
C6H5CH3·2ONOSO3H·3H2SO4
第二节 硝化反应基本原理
➢由于这种络合物的生成，使硝化过程中，尤其是反应后 期接近终点时，出现硝化液颜色变深、发黑发暗的现象。 其原因往往是硝酸用量不足，故可在45～55℃下，及时补 加硝酸，则很容易将络合物破坏。但温度若大于65℃，络 合物将自动沸腾，使温度上升到85～90℃，此时再补加硝 酸也无济于事，最终成为深褐色树脂状物质。
精细有机合成 硝化反应
分
应
离
多釜串联的非均相连续混酸硝化法
硝化操作
（1）正加法 （2）反加法 （3）并加法，连续反应。
硝化反应控制条件
JPU
硝化锅温度50-72 ℃ 废酸中HNO3 ≤0.8%; 反应物停留时间30min
分离工艺
JPU
JPU
中和酸，除去硝基酚 稀释，冷却 反应完HNO3，带出多余的硝基物
1.2 引入硝基的目的
- SO3
NN
+ N(CH3)2 H3O+
HO3S
NN H
+
+ N(CH3)2 OH-
1.2 引入硝基的目的
（3）利用的硝基极性，使芳环上的其他取代 基活化，促使亲核置换反应的进行。
（4）在染料的合成中，利用硝基的极性，加 深染料的颜色。
1.3 硝化反应的类型
广义的硝化反应可以是取代反应、加成反 应，也可以是氧化反应。
另外，硝化反应可分为O-硝化，N-硝化和 C-硝化。
CH2 OH
+ CH2 OH HNO3
H2SO4
CH2 OH
CH2 O NO2 CH2 O NO2 CH2 O NO2
O
CH2CH2
+ NH
(CH3)2C
O
NO2
CH2CH2
CH2CH2
O
N NO2
CH2CH2
1.3 硝化反应的类型
RH + HNO3
多釜串联反应器的优点
JPU
• 因此，多釜串联反应器既可以克服单个CSTR的 返混大、反应物浓度低的缺点，又可以避免PF R无法实现强烈搅拌，温度差大，难于稳定控 制的缺点。
精细有机合成技术：硝化剂及其硝化反应活泼质点
应：
实验表明，在混酸中硫酸浓度增高，有利于NO2＋的离解。硫酸浓度在 75%～85%时，NO2＋离子浓度很低，当硫酸浓度增高至89％或更高时，硝酸 全部离解为NO2＋离子，从而硝化能力增强。参见表4-1。
• 硝酸、硫酸和水的三元体系作硝化剂时，其NO2＋含量可 用一个三角坐标图来表示。如图4-1所示。由图可见，随
• 硝酸和醋酐的混合物也是一种常用的优良硝化剂，醋酐 对有机物有良好的溶解度，作为去水剂十分有效，而且 酸度小，所以特别适用于易被氧化或易为混酸所分解的 芳香烃的硝化反应。
• 此外，硝酸与三氟化硼、氟化氢或硝酸汞等组成的混合 物也可作为硝化剂。
• 常用的硝化剂活性顺序为： 硝酸＜硝酸-醋酐＜硝酸-硫酸＜硝酸盐-硫酸
• 工业上首选硝化剂：硝酸-硫酸。 • 应用面最广的硝化剂：硝酸-醋酐。
2. 硝化剂的活泼质点
在硝化反应中，硝基阳离子（NO2＋）被认为是参加反应的活泼质点，它 由硝化剂离解得到。通常，硝化剂离解能力越大（即产生NO2＋的能力越大）， 则硝化能力越强。
无水硝酸作硝化剂时，存在如下平衡：
• 其中NO2＋离子的重量百分比只有1%，未离解的硝酸为97%， NO3－约1.5%，H2O约0.5%。
• 通常的浓硝酸是具有最高共沸点的HNO3和水的共沸混合物， 沸点为120.5℃，含68%的HNO3，其硝化能力不是很强。
• 混酸是浓硝酸与浓硫酸的混合物，常用的比例为重量比1:3， 具有硝化能力强、硝酸的利用率高和副反应少的特点，它已 成为应用最广泛的硝化剂，其缺点是酸度大，对某些芳香族 化合物的溶解性较差，从而影响硝化结果。硝酸钾（钠）和 硫酸作用可产生硝酸和硫酸盐，它的硝化能力相当于混酸。
精细化工 第五章 硝化反应
23
1、硫酸脱水值（D.V.S.简称脱水值）
硝化终了时，废酸中硫酸和水的质量比称为脱水值。
废酸中含H 2 SO4质量 混酸中H 2 SO4质量 D.V .S 废酸中含H 2O质量 混酸中含H 2O质量 硝化生成H 2O质量
24
硝酸比ф：硝酸和被硝化物的摩尔比。 Ф=硝酸/被硝化物（mol比） 以100份质量废酸为计算基准： 当ф>1时（被硝化物完全反应）
13
二、反应历程
硝化是亲电取代反应，首先NO2+进攻芳环生成л 络合物，然后转变为б络合物，最后脱质子生成硝 基化合物。
H + NO2+ NO2+ + NO2 NO2 + + H
π-络合物
σ-络合物
14
在稀硝酸中，硝化活性质点不是NO2+，而 是硝酸中所含微量HNO2离解生成的NO+。 在乙酐或乙酸中硝化是
第五章 硝化及亚硝化
1
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9
概述 硝化反应历程 混酸硝化 硫酸介质中的硝化 有机溶剂-混酸硝化 在乙酐或乙酸中的硝化 稀硝酸硝化 臵换硝化 亚硝化
2
5.1
概述
一、定义
向有机物分子的碳原子上引入硝基生成C-NO2键的反 应称硝化反应。 Ar-H + HO-NO2 →Ar-NO2 + H2O 硝化反应是最普遍，最早的有机反应之一1834年 在脂肪族碳原子上的硝化反应，因难于控制，工业 上很少应用。芳族硝化反应像磺化反应一样是非常 重要的一类化学过程，其应用十分广泛。
精细合成单元反应与工艺 第3章硝化反应
§3.2硝化剂类型和反应历程
一、硝化剂
硝化剂主要是硝酸。
由于被硝化物性质和活泼性的不同，硝化剂 常常是硝酸和各种质子酸、有机酸、酸酐及 各种路易斯酸的混合物。此外，还可使用氮 的氧化物、有机硝酸酯等作为硝化剂。
1. 浓硝酸（浓HNO3）
2HNO3
H2NO3+ ＋ NO3-
NO2+ ＋ NO3- ＋ H2O
主要的工业硝化方法
(4) 非均相混酸硝化 当被硝化物和硝化产物在 反应温度下都是液态时，通过激烈的搅拌，使 有机相分散到酸相中而完成硝化反应。这种方 法是目前工业上最常用的重要硝化方法。 (5) 有机溶剂中硝化 这种方法缓和，定位选 择性高。硝酸用量几乎接近理论量。常用的溶 剂有乙酸、乙酐、三氯甲烷、二氯乙烷等，由 于溶剂价格较贵也受到一定程度的限制。
硝化
+
NO 2
表 硝化剂对乙酰苯胺一硝化产物的影响
硝化剂
80％HNO3 90％HNO3 HNO3- H2SO4 HNO3(CH3CO)2O
o,%
40.7 23.5 19.4
m,%
0 0 2.1
p,%
59.3 76.5 78.5
o/p
0.69 0.31 0.25
67.8
2.5
29.7
2.28
对选择性的影响
D）在其他介质中硝化
芳烃在过氧酸存在下的硝化，比在硫酸中慢 约100倍。 苯用苯甲酰硝酸酯于四氯化碳中低温硝化。
2.非均相硝化动力学
硝化反应主要是在酸相和两相界面处进行的。 有机相中的反应可以忽略。 吉尔斯以甲苯一硝化为例，提出了非均相硝 化时的数学模型。认为反应经过下列步骤：
硝化反应详解
硝化反应详解硝化反应1 、简介硝化反应，硝化是向有机化合物分子中引入硝基（－NO2）的过程，硝基就是硝酸失去一个羟基形成的一价的基团。
芳香族化合物硝化的反应机理为：硝酸的－OH基被质子化，接着被脱水剂脱去一分子的水形成硝酰正离子（nitronium ion，NO2）中间体，最后和苯环行亲电芳香取代反应，并脱去一分子的氢离子。
在此种的硝化反应中芳香环的电子密度会决定硝化的反应速率，当芳香环的电子密度越高，反应速率就越快。
由于硝基本身为一个亲电体，所以当进行一次硝化之后往往会因为芳香环电子密度下降而抑制第二次以后的硝化反应。
必须要在更剧烈的反应条件（例如：高温）或是更强的硝化剂下进行。
常用的硝化剂主要有浓硝酸、发烟硝酸、浓硝酸和浓硫酸的混酸或是脱水剂配合硝化剂。
脱水剂：浓硫酸、冰醋酸、乙酐、五氧化二磷硝化剂：硝酸、五氧化二氮（N2O5）Ar─H+HNO3→Ar─NO2+H2O2 、反应机理硝化反应的机理主要分为两种，对于脂肪族化合物的硝化一般是通过自由基历程来实现的，其具体反映比较复杂，在不同体系中均有所不同，很难有可以总结的共性，故这里不予列举。
而对于芳香族化合物来说，其反应历程基本相同，是典型的亲电取代反应。
3 、主要方法硝化过程在液相中进行，通常采用釜式反应器。
根据硝化剂和介质的不同，可采用搪瓷釜、钢釜、铸铁釜或不锈钢釜。
用混酸硝化时为了尽快地移去反应热以保持适宜的反应温度,除利用夹套冷却外,还在釜内安装冷却蛇管。
产量小的硝化过程大多采用间歇操作。
产量大的硝化过程可连续操作，采用釜式连续硝化反应器或环型连续硝化反应器,实行多台串联完成硝化反应。
环型连续硝化反应器的优点是传热面积大，搅拌良好，生产能力大，副产的多硝基物和硝基酚少。
硝化方法主要有：稀硝酸硝化、浓硝酸硝化、在浓硫酸中用硝酸硝化、在有机溶剂中用硝酸硝化和非均相混酸硝化等。
硝化方法主要有以下几种：（1）稀硝酸硝化一般用于含有强的第一类定位基的芳香族化合物的硝化，反应在不锈钢或搪瓷设备中进行，硝酸约过量10~65%。
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+ H3O+ HSO4-
总的式子： HNO3 2H2SO4 NO2 H3O 2HSO4
虽然硝化反应的活性质点多数为硝基正离子，但是它的生成
量很少，即使在100％的硝酸中也只有1％的硝酸转化成 NO2
在100％的硝酸中各质点之间存在如下平衡：
2HNO3 H2NO3 NO3 NO2 NO3 H2O 3HNO3 NO2 2NO3 H3O 从上述平衡可以看出，水使反应左移，不利于 NO2 的生
NN
+ N(CH3)2 H3O+
HO3S
NN H
+
+ N(CH3)2 OH-
（3）硝基是强吸电子基，可使芳环上的其它取代基活 化，促进亲核置换反应的进行
（4）利用硝基的强极性，制备含硝基的特性化合物 例：在染料的合成中，加深染料的颜色
1.3 硝化反应的类型
硝化反应的类型：
广义的硝化反应可以是取代反应、加成反应，也可以 是氧化反应
（3）温度 温度升高，混合液的粘度降低，界面张力减小，扩散系 数增加，被硝化物和产物在酸相中的溶解度增加以及由硝
酸离解成 NO2 的量增加，硝化反应速度常数也随之增加。
强放热反应，且混酸中硫酸被反应生成的水稀释产生稀 释热。如苯的一硝化反应热可达142KJ/mol，芳环的一硝化 反应热也有126KJ/mol。 严格控制硝化反应温度，一般在50-70℃
OH
OMe
CH3
SO3H
➢ 萘环、蒽环：α位活泼，主要得到一硝基产物。 ➢ 吡咯、呋喃、噻吩：在混酸中易被破坏、不能硝化；
而在硝酸－乙酐中，硝基进入电子云密度较高的α位。
（2）硝化剂的影响
➢ 混酸：硫酸含量越高，硝化能力越强，硝化产物的邻、 对位（或间位）选择性越低。
➢ 三氧化硫与硝酸的混合物：硝化能力强，对于极难硝 化的物质，可采用。
ArNH2
+ NO2X RCH CH2
ArNO2
RCH CH2 X NO2
狭义上的硝化反应是指有机物分子中的氢原子、卤素、 磺基、酰基和羧基等被硝基取代的反应
取代氢原子的硝化反应，称为直接硝化反应 取代其他基团的硝化反应，称为间接硝化反应 常用的是直接硝化反应
硝化反应可分为O-硝化，N-硝化和C-硝化
2.1 硝化剂的活性质点
硝化剂的活性质点：
➢ 工业上常用的硝化剂主要有：硝酸、混酸、硝酸盐和
硫酸、硝酸和乙酸或乙酐的混合物。
➢ 研究表明多数硝化剂参加硝化反应的活性质点是硝基
正离子 NO2
➢ 生成硝基正离子的反应式为：
+ H2SO4 HNO3
H2NO3+
+ H2O H2SO4
+ HSO4- H2NO3+
O2N
CH3 NO2
NO2
（2）硝基可以转化为其它取代基，是制备氨基化合物 的一条重要途径
ArNO2
例：
- SO3
ArNH2
NN
ArN2Cl
N(CH3)2
➢ 甲基橙合成
- SO3
- SO3
NH2 + 2HCl + NaNO2
+
N N+
- SO3
N(CH3)2
+
NN
- SO3
NN
N(CH3)2
- SO3
成
在70％以下的硝酸中各质点之间存在如下平衡，没有 NO2 的生成
HNO3 H2O NO3 H3O
在稀硝酸中活化质点不是 NO2 ，而是少量的亚硝酸离解生
成的亚硝基正离子 NO
HNO2 NO HO
在HNO3-H2SO4-H2O体系中，NO2 的摩尔分数随混酸中含水
量增加而降低，当水量达到50％以上时，基本上没有 NO2
三、工业硝化（混酸硝化）
1.1 硝化反应的定义
硝化反应：
➢ 向有机物分子的碳原子上引入硝基生成C－NO2键的反应 ➢ 最重要的硝化反应是用硝酸作硝化剂向芳环或芳杂环上
引入硝基，反应通式为：
ArH HNO3 ArNO 2 H2O
引入硝基的目的：
1.2 引入硝基的目的
（1）制备硝基化合物
CH2 O NO2 CH2 O NO2 CH2 O NO2
（4）搅拌 非均相反应，为保证反应顺利进行、提高传质与传热 效率，必须具有良好的搅拌装置和冷却设备。
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第三章 硝化反应
《精细有机合成》
回顾
➢ 酰基化反应概述
酰基、酰基化反应（酰化剂、被酰化物、酰化产物） 反应类型、酰化剂种类
➢ C-酰基化反应
类型（被酰化物）、催化剂、反应机理
➢ N-酰基化反应
目的、类型（酰化剂）
➢ O-酰基化反应
Outline：
硝化反应
一、概述
二、硝化反应的理论
➢ 向混酸中加入适量磷酸，可增加对位异构体收率。
不同硝化剂对乙酰苯胺－硝化产物的影响
硝化剂 HNO3+H2SO4
温度 ℃
20
邻位 间位 对位 邻位/对位 %%%
19.4 2.1 78.5 0.25
90% HNO3
-20 23.5 - 76.5 0.31
80% HNO3 HNO3在乙酐中
-20 40.7 - 59.5 0.69 20 67.8 2.5 29.7 2.28
CH2 OH
+ CH2 OH HNO3
H2SO4
CH2 OH
CH2 O NO2 CH2 O NO2 CH2 O NO2
O
CH2CH2
+ NH
(CH3)2C
O
NO2
CH2CH2
CN
CH2CH2
O
N NO2
CH2CH2
RH + HNO3
+ RNO2 H2O
ARH + HNO3
+ ArNO2 H2O
脂肪族碳原子上的硝化反应，难于控制，工业上很少 应用。因此硝化反应主要是芳香化合物的硝化
1.4 硝化反应的特点
硝化反应的特点：
硝化反应是不可逆反应 硝化反应速度快，是强放热反应，其放热集中，因 而热量的移除是控制硝化反应的突出问题之一 硝化反应一般是多相反应，多数场合下，反应物与 硝化剂是不能完全互溶的，常分为有机层和酸层
Outline：
硝化反应
一、概述
二、硝化反应的理论
三、工业硝化（混酸硝化）
存在。
2.2 硝化反应的机理
硝化反应的机理：
➢ 动力学研究表明，多数硝化剂的硝化反应与 NO2 的浓
度成正比，产生硝基正离子很少的硝化剂，硝基反应 速度很慢
➢ 芳烃硝化反应历程为亲电取代历程
+ NO+2
H
NO+2
+ NO2
NO2 + H+
2.3 硝化反应的影响因素
硝化反应的影响因素：
（1）被硝化物的性质 ➢ 苯环：定位规律及反应活性基本上符合亲电取代定位规律 ✓ 有供电基时，硝化速度快，需要较缓和的硝化剂和硝 化条件，硝化产物常以邻、对位为主。 ✓ 有吸电基时，硝化速度慢，需要较强的硝化剂和硝化 条件，生成间位产物。