第二章 2精细有机合成的基本反应(硝化反应)

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(2) 反应机理
(1) HNO3 + 2H2SO4
H3O+ + +NO2 + 2 HSO4-
O
ON
H
O
+ H2SO4
(2)
+ +NO2
H
O
ON
H
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O
O H2O + N
O
H
+ NO2
H
(3)
+ NO2 + HSO4-
NO2 + H2SO4
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(3)硝化反应中的主要副反应：
① 芳环上氧化 当芳环上有供电子基时，在硝化过程中比较容易生成酚类
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1. 被硝化物的结构
影响硝化反应的因素
(1) 芳环上已有取代基团对的硝化反应影响：
硝基进入芳环的位置和硝化速率与已有取代基团定
位类型有关：
一类基团：**如－R、－O－、－NR2、－NHR、 －NH2、 －OH、－NHCOR等可使苯环活化，硝化速度快； **－F、－Cl、－Br、－I 、－CH2Cl、－CH2F等可使苯环 钝化，但使硝基进入邻、对位； 二类基团如－N+R3、－NO2、－CN、－SO3H、－CHO、－ COR、－COOR、－COOH、－CONH2、－CCl3、－NH3等 可使苯环钝化，硝化反应速度慢，使硝基将进入间位。
+
-
N NCl
+N2Cl
（或
）
-OH H2O 加热
-CN
H+
H2O
-COOH
-Cl Cu2Cl2 + HCl
-Br Cu2Br2 + HCl
-I KI 加热
-F HBF4 加热
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(4) 硝基是一个发色团，影响染料色泽。 (5) 硝基化合物还具有药理作用，影响药物的医疗效果。 (6) 引入硝基后能产生特殊的香味，增加溶解能力等。
速度提高，放出的热量也增大，如不及时移出，又 会使反应温度迅速上升，引起更多副反应，还使硝 酸分解产生大量红棕色的二氧化氮气体，轻则冲 料，重则发生爆炸。
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影响硝化反应的因素
4. 溶剂
有机溶剂中硝化的主要作用是改变所得到的硝基 异构产物的比例，避免使用大量硫酸作溶剂，以及 使用接近理论量的硝酸。
OH
② 酚或酚醚类直接硝化，易于氧化。
OH
OCH3
③ 当苯环上同时存在羟基（或烷氧基）和醛基时，若采用 先磺化后硝化的方法，则醛基不受影响。
CH3O
CHO
OH
H2SO4
CH3O
SO3H
HNO3
CHO OH
NO2
CH3O
CHO 19
OH
(2) 重氮基的取代硝化
芳香族重氮盐用亚硝酸钠处理，然后分解成芳香族硝基 化合物，如：
Ⅰ 反应温度升高，硝酸分解和氧化副反应速度加快。
Ⅱ 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，℃
o,%
m,%
p,%
30
57.2
3.5
39.3
60
57.6
7.1
35.3
容易进行的硝化反应：10～90℃ 较难进行的硝化反应：30～130℃
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③温度对硝化安全生产问题的影响： 硝化反应是强烈的放热反应，升高温度使反应
各种硝化方法适用的溶剂有： ① 混酸硝化：二氯甲烷、二氯乙烷； ② 稀硝酸硝化：氯苯、邻二氯苯； ③ 均相硝化：浓硫酸、醋酸、过量浓硝酸。
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影响硝化反应的因素
5. 相比与硝酸比 问题： 什么是相比？什么是硝酸比？
① 相比 指混酸与被硝化物的质量比，也叫酸油比。 提高相比有利于： 被硝化物的溶解和分散； 增加反应界面，加快反应； 反应热和稀释热的分散与传递，便于控制反应
NaAsO3
O NN
Fe,NaOH
NN
Fe,or Sn+HCl
NO2 Zn+NaOH Fe,HCl Zn ,H2O
Zn +NH4Cl
NH NH
NO NHOH
Fe,or Sn+ HCl
NH2
6
NH2 +
NaNO2
+
N
HCl 0 ℃ ~5℃
NO2
NCl
+ NaCl + H2O
NaNO2 催化剂
-H（ H3PO2或 HCHO + NaOH）
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苯系
取代基对
R 硝化反应速度的影响
R
OH OCH3 H
v相对 1000 24.5 1
CN 10-4
NO2 10-5～-7
N+(CH3)3 10-7
NO2
萘系
蒽醌
O NO 2
O
O NO2
NO2
(
)
O
O
NO2 O
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(2) 杂环烃类化合物的硝化
A 呋喃、噻吩、吡咯
B 咪唑环
O
N
N
C 吡啶环
N H
第二章 精细有机合成的基本反应
2.1 概 述
2.2 磺化/硫酸化反应
2.3 硝化和亚硝化反应
2.4 卤化反应
2.5 氧化反应
2.6 氢化和还原反应
2.7 氨解和胺化反应
2.8 酰化和酯化反应
2.9 水解反应
1
2
2.3 硝化/亚硝化反应
2.3.1 概 述 2.3.2 硝化反应原理与副反应 2.3.3 硝化方法 2.3.4 影响硝化反应的因素 2.3.5 亚硝化
硝化生成的水从相界面扩散返回到酸相；
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？
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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。
副产物，为了减少酚的生成，应随时排出产生的二氧化氮。
② 侧链上氧化 在硝化过程中芳环上的烷基有可能被氧化。例如，当乙苯
硝化时可生成的副产物有苯乙酮、苯甲醛以及苯甲醇等化合 物。实验证明，二氧化氮是使烷基产生氧化的有效氧化剂。 ③ 多元酚或氨基酚在硝化时易氧化成醌类。 ④ 多取代苯的烷基、卤基、烷氧基、羰基和磺酸基都可能 在硝化发生去烃基、置换等副反应。
药物：痢特灵 呋喃唑酮
O3N
CH3 NO3
(H3C)3C
CH3 NO3
人造麝香 3-叔丁基-2,4,6-三硝基二甲苯
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2.3.2 硝化反应原理与副反应
1. 芳香族化合物
(1) 硝化反应含义
50~60oC, + 浓HNO3 +浓H2SO4 98%
NO2
+ H2O
有机化合物碳上的氢被硝基取代的反应称为硝化反应 。
温度，使反应平稳。
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非均相反应
反应主要发生在酸相
混酸硝化是两相反应，以甲苯的一硝化为例。
甲苯从有机相向相界面扩散；
甲苯从相界面扩散进人酸相；
甲苯在扩散进入酸相的同时生成一硝基甲苯；
生成的一硝基甲苯从酸相扩散返回相界面；
一硝基甲苯从相界面扩散进入有机相；
硝酸从酸相向相界面扩散，在扩散途中与甲苯进行反应;
主要特征：硝酸过量很多倍，需回收利用；应用不广。
例如： O
O NO2
+ 98% HNO3
+ H2O
O
O
硝化工艺：蒽醌与98%硝酸的摩尔比为1:15，在25℃下反
应，使未反应蒽醌量小于2%结束，然后与副产物2－硝基
蒽醌、二硝基蒽醌分离精制。
在此例中硝酸的用量很大的原因：
①反应中生成的水使硝酸浓度降低，硝化反应速度不断下
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(4) 硝酸乙酰法 硝酸乙酰为强硝化剂，反应速度快且无水生成，反应条 件缓和，可在较低温度下进行反应。硝化时－NO2主要 进入第一类取代基的邻位，为邻位硝化剂，其硝化产物 几乎全为一硝基化合物。
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2．间接硝化法 (1) 磺基的取代硝化
适用与此法的有机物主要有： ① 芳香族化合物或杂环化合物上的－SO3H，用硝酸处 理，可被－NO2置换生成硝基化合物：
⑥ 硝酸酯
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影响硝化反应的因素
（2）各种硝化剂的特征：
① 稀硝酸：弱硝化剂，适用于易硝化的芳烃及取
代芳烃。
② 浓硝酸：芳香族化合物的硝化，需用过量很多
倍的硝酸。 （过量的硝酸需设法利用或回收，因
而其应用受到限制。）
应用最广泛
③ 混酸(HNO3+H2SO4)：硝化能力较强，氧化能 力较低，适用于芳香族化合物的硝化，不适用于 易发生磺化的化合物。
问题： 硝化反应温度对硝化反应有何影响？
温度主要影响反应速率、产物的组成 和安全生产。
①对硝化反应速率的影响：反应温度升高，硝化 反应速度加快。
表 温度对硝化反应速度的影响
硝化产物
k25℃
Cl
NO2 0.18
Cl
NO2 0.39
k35℃
0.47 1.23
k35℃/k25℃
2.61
3.15
30
② 对硝化产物的组成的影响：
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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。）
CH3
CH2CH3
③ 芳烃
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(2) 浓硝酸硝化法
主要适用：芳香族化合物的硝化；
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(3) 硝化反应中副反应： 硝酸分解 氧化(主要生成硝基酚类）[主要副反应] 多硝化 烷基或多烷基苯消化时易形成黑色络合物 C6H5CH3•2ONOSO3H•3H2SO3）
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2.3.3 硝化方法
１．直接硝化法 (1) 稀硝酸硝化法 (2) 浓硝酸硝化法 (3) 混酸硝化法 (4) 硝酸乙酰法 ２．间接硝化法 (1) 磺基的取代硝化 (2) 重氮基的取代硝化
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
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3 温度
影响硝化反应的因素
降或终止；
②氧化反应显著增加，甚至有时会发生侧链氧化反应；
③ 硝酸浓度降低时，硝化能力降低，不利于硝化。
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(3) 混酸硝化法
不适用：易发生磺化的化合物 优点： ① 混酸比硝酸能产生更多的硝基正离子，硝化能力强，反应 速度快、产率高。 ② 氧化能力降低，不易产生氧化的副反应，硝酸利用率高； ③ 混酸与有机物混溶性好，使硝化易于进行，混酸减少了硝 化热效应，不至于局部过热而温度难于控制； ④ 混酸的腐蚀性小。
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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。
N
CH3
N
影响硝化反应的因素
S
N
H
D 喹啉环上引入硝基，
只能在苯环上引入。
N
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影响硝化反应的因素
2.硝化剂
（1） 硝化剂种类： ① 稀硝酸
问题： 1. 硝化剂有哪些？ 2. 各种硝化剂适合于哪类有机 物的硝化反应？
② 浓硝酸
③ 混酸(HNO3+H2SO4) ④ 硝基阳离子结晶盐(NO2BF4) ⑤ 硝酸+醋酐（硝酸乙酰）
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④ 硝基阳离子结晶盐(NO2BF4)：强硝化剂，用于 难于硝化的物质。
⑤ 硝酸+醋酐：无氧化作用的强硝化剂，适用于易 被氧化或被混酸分解的芳烃硝化。（如：乙酰苯 胺的硝化。）
⑥ 硝酸酯：适用于某些对酸不稳定的化合物 ， 如：吡咯或吲哚的硝化。
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影响硝化反应的因素 （3） 硝化试剂的选择与应用
NH2 +
NaNO2
HCl 0 ℃ ~5℃
+
-
N NCl
+ NaCl + H2O
ArN2+Cl－ + NaNO2
ArNO2 + N2 + NaCl
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2.2.4 影响硝化反应的因素
影响硝化反应的因素: 有机物结构，硝化剂，反应温 度及溶剂等，均会影响硝化产物的结构和收率。
1. 被硝化物的结构 2. 硝化剂 3. 温度 4. 溶剂 5. 相比与硝酸比 6. 搅拌
3
2.3.1 概 述
一、硝化反应类型：
问题： 1. 硝化反应主要有哪些类型？ 2.芳环上引入硝基的有哪些方面的 应用？
(1) C－硝化 指硝基与碳原子相连接的反应，得到 的产物称为硝基化合物（C－NO2）； (2) O－硝化 指硝基与氧原子相连接的反应，得到的 产物是硝酸酯（C－ O－ NO2）,可看作酯化反应； (3) N－硝化 指硝基与氮原子相连接的反应，得到 的产物是硝胺（NH－NO2）。
4
二、芳烃环上引入硝基的主要目的：
(1) 将-NO2转化为-NH2 ； (2) 利用硝基的是一个强吸电子基团，使芳环 上的亲核取代反应易于发生。
Cl
ONa
+ 2NaOH Cl
10% NaOH 350-400℃,20-30MPa
+ NaCl + H2O ONa
+ 2NaOH
10% NaOH 160℃,0.6MPa
+ NaCl + H2O
NO2
NO2
Cl
ONa
NO2 + 2NaOH
10% NaOH 100℃,常压
NO2 + NaCl + H2O
5
NO2
NO2
(3) 将-NO2转化为氧化偶氮化合物、偶氮化合物 （-N=N- ）、氢化偶氮化合物、亚硝基化合物、 羟胺（-NHOH）等，芳伯胺经重氮化后形成重氮 盐，用可发生一系列的变化，实现官能团转换。