重氮化和重氮盐的转化

第十三章 重氮化与重氮盐的转化
第一节 概述
一、重氮化反应及其特点 1． 重氮化合物定义：
指分子中含有两个氮原子相连的基团，而这个基团只有一端与碳原子相连，而另一端则不与C 原子相连。

（与偶氮化合物相区别） 2． 重氮化反应定义：
将芳伯胺等胺基化合物在低温下及强酸（其中盐酸及硫酸最为常用）水溶液中，与亚硝酸作用生成重氮盐的反应，称为重氮化反应。

Ar NH 2+NaNO 2+2HX
Ar N +
2X +O H 22+NaX
3． ★重氮化反应在有机合成中的应用：
用来合成与亲电取代反应相悖的化合物，尤其是各种偶氮染料、有机颜料的重要的基本的方法，在精细有机合成中被广泛应用。

如：间氯甲苯的合成。

4．脂肪胺与芳胺的重氮化反应特点：
由脂肪伯胺得到的重氮化合物很不稳定，容易分解成醇类化合物，在有机合成上没有多少价值。

由芳伯胺制得的重氮化合物性质稳定，可用来制备许多重要的中间体。

在精细化学品的合成中有着重要的意义。

二、重氮盐的结构与性质 1．重氮盐的结构
重氮盐的结构为：
重氮盐的反应一般是在强酸性到弱碱性介质中进行的。

其pH 值的高低与目的反应有关。

2．★重氮盐的性质
（1）重氮盐具有类似铵盐的性质，一般可溶于水，不溶于有机溶剂。

重氮化后溶液是否澄清可作为反应正常与否的标志。

（2）干燥的重氮盐极不稳定，受热爆炸。

（3）重氮盐在低温水溶液中比稳定且具有高反应活性。

生产中常不必分离出重氮盐结晶，而用其水溶液进行下一步反应。

（4）重氮盐可发生两类反应：一类是重氮基转化为偶氮基（偶合）或肼基（还原），非脱落氮原子的反应；另一类是重氮基被其他取代基所置换，同时脱落两个氮原子放出氮气的反应。

（5）重氮盐性质活泼，本身价值不高，但通过上述两类重氮盐的反应，可制得一系列重要的Ar N N Cl Ar N N Cl Ar N N Cl ++
+
有机中间体。

三、重氮化反应的应用
重氮盐能发生置换、还原、偶合、加成等多种反应。

1．制备偶氮染料
例如：对氨基苯磺酸重氮化后得到的重氮盐与2－萘酚－6－磺酸钠偶合，得到食用色素6。

NH 2
HO 3S
HO 3S
N 2Cl -+2 HO 3S HO 3S
N 2Cl
-
+
+NaO 3S
OH
N
N OH
SO 3Na
食用色素6
2．制备中间体
例如：重氮盐还原制备苯肼中间体：
NH 2
NaNO 2
Cl
H 低温
Cl
-
1.(NH 4)2SO 3
432.O
2+
NH
NH 2
N +
2
又如：重氮盐置换得对氯甲苯中间体：
NaNO 2
Cl
H 低温
2
CH 3
N 2
Cl -+CH 3
Cu Cl Cl
H CH 3
75%
若用甲苯直接氯化，产物为邻氯甲苯（沸点159℃）和对氯甲苯（沸点160℃）的混合物。

二者物理性质相近，很难分离。

第二节 重氮化反应
★复习：甲基橙的制备：
1．重氮化反应
N
H 2SO 3H
NaOH
N H 2SO 3Na
H-OH
N
H 2SO 3Na
H-Cl
HO 3S N 2Cl
NaCl
H-OH
+
+
+
30 ～ 5℃+
2+
20.01mol
0.12mol
2．偶合反应
HO 3S
N 2Cl
N(CH 3)CH 3COOH
HO 3S
N N
N(CH 3)2H
CH 3COO ++
0.01mol
利用淀粉-KI 试纸检验的过程。

一、重氮化反应历程
★属于亲电取代反应。

NaNO 2 + HCl → HNO 2 + NaCl 2HNO 2 → N 2O 3（亲电质点） + H 2O N 2O 3 → NO +（亲电质点） + NO 2
HNO 2 + H 3O + + Cl 2 → NOCl （亲电质点） + 2H 2O
Ar
N H H Cl
N O
Ar N H
H
N
O Cl
-H-Cl
Ar
N H
N O
Ar
N
N
OH
2Cl
H-Cl
H-OH
：+
：
+
互变异构
+
+
二、★反应影响因素
1．无机酸的性质
在重氮化时常采用盐酸，硫酸则用得较少。

2．无机酸的用量和浓度
无机酸的用量和浓度与参与反应的芳胺结构有关。

理论上，酸的摩尔用量为芳伯胺的2倍，即1mol 芳伯胺需2mol 盐酸。

对于碱性较弱的芳伯胺，其酸用量和浓度都应相对提高。

3．亚硝酸钠
（1）亚硝酸制备：通常新鲜亚硝酸是由亚硝酸钠与无机酸（盐酸或硫酸等）作用而得。

NaNO 2+Cl H HNO 2+NaCl NaNO 2+H 2SO 4
HNO 2+NaHSO 4
（2）亚硝酸钠的加料进度：
取决于重氮化反应速度的快慢，主要目的是保证整个反应过程自始至终不缺少亚硝酸钠，以防止产生重氮氨基物的黄色沉淀，加料速度不能太快，防止产生“黄烟”即NO 2。

4．芳胺碱性
当芳伯胺的芳环上连有供电子基团时，芳伯胺碱性增强，反应速度加快；当芳伯胺的芳环上连有吸电子基团时，芳伯胺碱性减弱，反应速度变慢。

5．温度
重反应温度常在低温0～10℃进行，在该温度范围内，亚硝酸的溶解度较大，而且生成
的重氮盐也不致分解。

为保持此适宜温度范围，可采取直接加冰冷却或冷冻氯化钙水溶液或冷冻盐水间接冷却。

芳伯胺的碱性愈强，重氮化的适宜温度愈低，若生成的重氮盐较稳定，亦可在较高的温度下进行重氮化。

三、重氮化操作方法、设备及安全生产
1．★芳伯胺重氮化时应注意的共性问题
（1）重氮化反应所用原料应纯净且不含异构体。

在使用前应先进行精制（如蒸馏、重结晶等）。

（2）重氮化反应的终点控制要准确。

过量的亚硝酸会促使重氮盐分解。

（3）亚硝酸过量的检测方法：用碘化钾淀粉试纸。

当白色的试纸刚变成浅兰色时，即表示亚硝酸的量是适合的；若变成兰色，则亚硝酸已经过量了。

2HNO2+ 2KI + 2H2O →I2+ 2KCl + 2H2O + 2NO
（4）过量的亚硝酸去除方法：加入氨基磺酸或尿素将过量的亚硝酸分解；也可以加入少量的芳胺，使之与过量的亚硝酸作用。

H2N-SO3H + HNO2→H2SO4+ N2↑+ H2O
H2N-CO-NH2+ 2HNO2→CO2↑+ 2N2↑+ 3H2O
尿素
（5）反应的设备要有良好的传热措施。

（6）防止重氮化合物受热和强光照射，并保持生产环境的潮湿。

2. 重氮化操作方法
（1）直接法
本法适用于碱性较强的芳胺，即为含有给电子基团的芳胺，这些胺类可与无机酸生成易溶于水，但难以水解的稳定铵盐。

其操作方法是：将计算量（或稍过量）的亚硝酸钠水溶液在冷却搅拌下，先快后慢的滴加到芳胺的稀酸水溶液中，进行重氮化，直到亚硝酸钠稍微过量为止。

此法亦称正加法，应用最为普遍。

反应温度一般在0～10℃进行。

盐酸用量一般为芳伯胺的3～4mol为宜。

水的用量一般应控制在到反应结束时，反应液总体积为胺量的10～12倍。

应控制亚硝酸钠的加料速度，以确保反应正常进行。

（2）连续操作法
本法适用于碱性较强芳伯胺的重氮化。

由于反应过程的连续性，可较大地提高重氮化反应的温度以增加反应速率。

重氮化反应一般在低温下进行，目的是为避免生成的重氮盐发生分解和破坏。

连续操作可以利用反应产生的热量提高温度，加快反应速度，缩短反应时间，适合于大规模生产。

例如，由苯胺制备苯肼就是采用连续重氮化法，重氮化温度可提高到50～60℃。

NH 2
NaNO 2Cl
H N +
2Cl
(NH )SO N N SO 3NH 4
43
N SO 3NH 4
N
SO 3NH 4
1.H 2SO 4O H 2
2.NH 3
pH=2.5
NHNH 2
H 2SO 4。

C。

1/2.
（3）倒加料法
本法适用于一些两性化合物，即含－SO 3H 、－COOH 等吸电子基团的芳伯胺，如对氨基苯磺酸和对氨基苯甲酸等，还适用于一些易于偶合的芳伯胺重氮化。

此类胺盐在酸液中生成两性离子的内盐沉淀，故不溶于酸中，因而很难重氮化。

其操作方法是：将这类化合物先与碱作用制成钠盐以增加溶解度，并溶于水中，再加入需要量的NaNO 2，然后将此混合液加入到预先经冷却的稀酸中进行重氮化。

（4）浓酸法
本法适用于碱性很弱的芳伯胺，如二硝基苯胺、杂环α－位胺等。

因其碱性弱，在稀酸中几乎完全以游离胺存在，不溶于稀酸，反应难以进行。

为此常在浓硫酸中进行重氮化。

该重氮化方法是借助于最强的重氮化活泼质点（NO +），才使电子云密度显著降低的芳伯胺氮原子能够进行反应。

其操作方法是：将该类芳伯胺溶解在浓硫酸中，加入亚硝酸钠液或亚硝酸钠固体，在浓硫酸中的溶液中进行重氮化。

由于亚硝酰硫酸放出亚硝酰正离子（NO +）较慢，可加入冰醋酸或磷酸以加快亚硝酰正离子的释放而使反应加速。

如：
NO 2NH 2NO 2
NaNO 2
H 2SO 4HOAc
10～20℃
NO 2
NO 2
N 2HSO 4
-+
（5）亚硝酸酯法
本法是将芳伯胺盐溶于醇、冰醋酸或其他有机溶剂（如DMF 、丙酮等）中，用亚硝酸酯进行重氮化。

常用的亚硝酸酯有亚硝酸戊酯、亚硝酸丁酯等。

此法制成的重氮盐，可在反应结束后加入大量乙醚，使其从有机溶剂中析出，再用水溶解，可得到纯度很高的重氮盐。

3．重氮化反应设备及安全生产 （1）重氮化反应设备
重氮化一般采用间歇操作，选择釜式反应器。

反应器不宜直接使用金属材料。

大型重氮反应器通常为内衬耐酸砖的钢槽或直接选用塑料制反应器。

小型重氮设备通常为钢制加内衬。

用稀硫酸重氮化时，可用搪铅设备，其原因是铅与硫酸可形成硫酸铅保护模；若用浓硫酸，可用钢制反应器；若用盐酸，因其对金属腐蚀性较强，一般用搪玻璃设备。

（2）安全生产
重氮盐性质活泼易爆炸，在进行重氮化反应时，要注意设备及附近环境的清洗，防止设备、器皿、工作环境等处残留的重氮盐干燥后发生爆炸事故。

重氮化反应中的酸有较强腐蚀性，特别是浓硫酸。

应严格按工艺规程操作，避免灼
伤、腐蚀等严重生产事故。

重氮化反应中，过量亚硝酸钠会使反应系统逸出NO、Cl2等有毒有害的刺激性气体。

参加反应的芳伯胺亦具有毒性，特别是活泼的芳伯胺，毒性更强。

所以反应设备应密闭，要求设备、环境、通风要有保证，以保障生产和环境的安全。

特别需要注意的是，通风管道中若残留干燥的胺，遇氮的氧化物也能重氮化并自动发热而自燃，因此要经常清理、冲刷通风管道。