第03章 硝化和亚硝化

6.1 概述 6.1.1 硝化定义
向有机物分子碳原子上引入硝基，生成C-NO2键的反应称 为硝化反应。 在精细有机合成或工业中，最重要的是硝化反应是用硝酸 作消化剂向苯环和杂环中引入硝基的反应。 引入硝基的目的主要有四个方面： 1）硝基可以转化为其它取代基，尤其是制取胺基化合物。 2) 利用硝基的极性，使芳环上的其它取代基活化，易于发 生亲核置换反应。 3) 利用硝基的极性，赋予精细化工产品某种特征。例如， 加深染料的颜色，使药物的生理效应显著变异。 4) 其它用途。硝基苯和间硝基苯磺酸钠在某些生产过程中 作温和的氧化剂。(TNT炸药)
6.4.4 6.4.5
搅拌的影响
大多硝化反应是非均相的，为了保证反应顺利进行，提高 传质、传热效率，使用良好的搅拌装置。 相比和硝酸比 相比是指混酸与被硝化物的质量比，也称酸油比。是非均 相反应顺利进行的保证； 相比过大，设备生产能力下降，废酸量增大；相比过小，反 应初期的难度过高，反应太激烈，难于控制温度。工业生产 常常加入适量的废酸来调节相比，有利于反应热的分散和传 递，而且废酸的总量并不增多； 硝酸比 硝酸和被硝化物的物质的量之比。对于易硝化物， 硝酸过量1－5%;对于难硝化物，硝酸过量10－20% 。
6.3.2
硝化反应特征
1）硝化反应是完全不可逆反应； 2）水会改变硝化活性质点的类型，使反应速度下降； 3）与磺化反应相比，硝化反应的空间阻碍效应要小的多。
6.4
硝化反应影响因素 被硝化物的性质
6.4.1
被硝化物的性质对于硝化方法的选择，硝化反应速度，及硝 化产物的组成都有十分明显的影响。
萘环中的α 位比β 位活泼，因此萘的一硝化主要得1－硝 基萘。蒽醌环性质复杂的多它比苯难硝化，一硝化主要 进入α 位，少部分β 位。同时生成部分二硝基蒽醌
1 混酸内的硫酸含量越多，其硝化能力越强； 2 对极难硝化的物质，采用三氧化硫与硝酸的混合物作硝化剂 以提高硝化速度，并大幅度降低废酸量； 某些芳烃的硝化，用三氧化硫代替硫酸，能改变异构体组成。 混酸的硝化能力越强，硝化的选择性越低。混酸中硫酸的浓度 还影响异构体的比例。
3 向混酸中加入磷酸，可增加异构体的比例。磷酸的作用可 能是增加硝化活性质点的体积，活性降低，生成邻位异构体 的位阻变大所致。 4 用硝酸盐代替硝酸，与过量硫酸的硝化，可更好控制硝化 剂的量。
吡咯、呋喃、噻吩在混酸 中易被破坏，而不能硝化。 在硝酸-醋酐中一硝化主要 得1－硝基化合物。 咪唑环较稳定，由于环上 氮原子的诱导和共轭效应 影响，混酸中硝化时进入4， 5位。如该位置已有取代基 则不反应。
吡啶环上氮原子的诱导和共轭效应影响，使反应速度降低， 混酸中硝化时进入β位。
同样，喹啉也不易在吡啶环上引入硝基，只在苯环上引入。 因此，在芳杂环上硝化时，应注意杂环上氮原子的电子效应 和在酸中形成正离子的影响。
5 采用适当的硝化介质能改变异构体组成的比例。硝酸加醋 酐是一种没有氧化作用的硝化剂，与酚醚类或N－酰芳胺类 作用，可提高邻对位的比例，但对甲苯等作用没有明显影响。
6.4.3
温度的影响
温度的影响十分重要！在非均相系统硝化时，温度升高对混合 液粘度降低、界面张力降低、扩散系数增高、被硝化物和产物 在酸相中溶解度增加、由HNO3 离解成NO2+增多、硝化反应速度 增大都有影响。因此，硝化反应随温度的变化是没有规则的。
6.4.6
溶剂和催化剂
6.４.7 硝化副反应 1. 芳环上的多硝化反应－通过控制混酸的硝化能力、硝 酸比、循环废酸用量、反应温度等避免多硝化副反应。 2. 氧化副反应－主要在芳环上引入羟基。甲苯硝化总会 生成少量的硝基酚。发生氧化副反应时，硝酸分解成二氧化 氮，它促使多烷基苯发生复杂副反应。用尿素将二氧化氮破 坏掉。工业上，硝化器上要装有排气装置和二氧化氮吸收装 置。硝化副反应受硝酸浓度和温度的影响。
6.2.1 硝化方法分类
1）稀硝酸硝化（10～15%的HNO3）； 通常用于易硝化的芳族化合物。例如，酚类、酚醚类、茜素和 某些N一酰化的芳胺等。这时所用的硝酸约过量10.65%。 2）浓硝酸硝化； 目前只用于少数硝基化合物的制备。如由蒽醌硝化制备1-硝基 蒽醌等。这种硝化一般要用过量许多倍的硝酸，过量的硝酸必 须设法回收或利用。 3）混酸硝化（HNO3/H2SO4）； 当被硝化物和硝化产物在反应温度下都呈液态,且难溶或不溶 于混酸时,常采用非均相的混酸硝化法。(剧烈的搅拌,使有机 充分地分散到酸相中以完成硝化反应) 这种非均相硝化法是工 业上最常用、最重要的硝化方法，是本章讨论的重点。
4）有机溶剂中的硝化； 优点：在于可避免使用大量上的硫酸作溶剂，从而减少或消 除废酸量； 使用不同的溶剂以改变硝化产物异构体的比例。常 用的有机溶剂有二氯甲烷、二氯乙烷、乙酸或乙酐等。随着 有机溶剂价格的降低，这种方法的应用范围将日益扩大。 5）其他类型硝化（AcONO2，NO2BF4，NO2CF3SO3） 6）置换硝化（-Cl，-R，-SO3H，-COOH，-N=N-）
6.4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2
硝化剂
不同硝化对象，往往需要采用不同的硝化方法。相同的硝化 对象，采用不同硝化方式，则得到不同的产物组成。因此， 硝化剂的选择是硝化必须考虑的。 混酸的组成不同，对于相同化合物的硝化反应有明显的影响：
例 如
如加入适量的水，使 NO2＋变成NO2-OH＋,后者 活性低，位置选择性增 强。因为活性较弱的质 点，为了克服过渡状态 能垒，必须选择环上适 当位置。
3 置换反应
6.3 硝化机理及特征 6.3.1 硝化活性质点和反应机理
主要的硝化剂有不同活性硝酸、混酸、硝酸盐和硫酸、硝 酸和醋酸或醋酐的混合物。 已证实：多数硝化剂硝化反应的活性质点是NO2＋（硝基阳 离子）。 当硝酸中水分增加，硝化和氧化速度均降低。但前者降低 更多，氧化副反应增加。
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NO2+— CH3COOH或NO2+。