重氮化和偶合反应

重氮化

重氮化和偶合反应是重要的有机合成反应，在精细化工中有很重要的地位，该类反应在染料合成中应用很广，是两个主要的工序。可合成酸性、冰染、直接、分散、活性、阳离子等类型的染料，还可合成各类黄色、红色偶氮型有机颜料。

一.重氮化和重氮化合物

1.重氮化反应及影响因素

芳香族伯胺和亚硝酸作用生成重氮盐的反应称为重氮化。

重氮化反应要在强酸中进行，实际上是亚硝酸作用于铵离子。由于亚硝酸不稳定，通常使用亚硝酸钠和盐酸或硫酸，使反应生成的亚硝酸立刻与芳伯胺反应，避免亚硝酸的分解。为了使反应能顺利进行，必须首先把芳伯胺转化为铵正离子。芳胺的碱性较弱，因此重氮化要在较强的酸中进行。有些芳胺碱性非常弱，要用特殊的方法才能进行重氮化。

重氮化是放热反应，重氮盐对热不稳定，因此要在冷却的情况下进行，一般都用冰盐浴冷却，并调节亚硝酸钠的加入速度，维持反应温度在0℃附近，由于重氮盐不稳定，一般就用它们的溶液，随做随用。固体重氮盐遇热或震动、摩擦，都将发生爆炸，必需应用某些稳定性好的固体重氮盐时，也需谨慎小心。

自重氮化反应发现以来，人们为了弄清楚其反应的影响因素，对重氮化反应的机理进行了反复研究，已普遍接受了重氮化反应的亚硝化学说即重氮化反应是由亚硝酸产生的亲电质点对游离芳伯胺基进行亲电取代反应的机理，其反应的主要影响因素如下。

(1).酸的影响

酸的影响主要考虑酸的种类、用量及浓度的影响。

重氮化所用的酸，从反应速度来说，以盐酸或氢溴酸等最快，硫酸与硝酸较次。由反应式可以看出酸的理论用量为2摩尔，在反应中无机酸的作用是：首先是使芳胺溶解，其次可和亚硝酸钠生成亚硝酸，最后是生成稳定的重氮盐。重氮盐一般来讲是容易分解的,只有在过量的酸液中才稳定，所以重氮化时实际上酸用量过量很多，常达3~4摩尔。反应完毕时介质应呈强酸性，PH值为3，对刚果红试剂呈蓝色，重氮化过程经常检查介质的PH值是十分重要的。反应时若酸量不足，生成的重氮盐容易和未反应的芳胺偶合，生成重氮胺基化合物。

这是一种自偶合反应，是不可逆的。一旦重氮胺基物生成，即使再补加酸液，也无法使重氮胺基物转变为重氮盐，从而使重氮盐的质量变差，产率降低。在酸量不足的情况下，重氮盐还易分解，温度愈高，分解愈快。

酸的浓度的影响主要考虑使芳胺形成铵离子的能力、铵盐水解生成游离的芳胺以及亚硝酸的电离几个方面。

当无机酸的浓度增加时，平衡向胺盐生成的方向移动，游离胺的浓度降低，重氮化的速度变慢。另一方面，反应中还存在着亚硝酸的电离平衡。

酸浓度的增加可抑制亚硝酸的电离而加速重氮化。一般来讲当无机酸浓度较低时，这一影响是主要的，而降低游离胺的浓度的影响是次要的，此时随酸的浓度增加，重氮化速度增加。但随着酸浓度增加，使芳胺形成铵离子的影响逐渐变为主要的，这时继续增加酸的浓度便降低游离胺的浓度，就使反应速度下降。

(2).不同的反应物及浓度的影响

对不同的反应物，重氮化的难易程度亦不同。苯胺、萘胺以及芳环上含有给电子基团的芳胺，重氮化可以在稀的无机酸的溶液中反应，在0℃附近，加入等当量的亚硝酸钠和3~4摩尔的无机酸

即可。如果芳胺环上有吸电子基团，比如硝基苯胺，溴代苯胺等，它们的碱性较弱，它们的盐，特别是硫酸盐，在水中的溶解性较小。在重氮化时，可以把它们和稀酸一起加热使之溶解，随即迅速搅拌冷却到0℃，这样可得到铵盐的细结晶，便于进行重氮化。还可以把这些胺和亚硝酸钠在水中调成糊状，慢慢加入到冰冷的稀酸中来进行重氮化，这些重氮化物的稳定性相对好一些。

例如氨基苯甲酸或氨基萘磺酸等的重氮化，可以将它们的铵盐先溶于水里，和等当量的亚硝酸钠水溶液混合起来，慢慢滴加到冰冷的无机酸里。此时无机酸的用量，当然要在四个当量以上。

对于碱性很弱的芳胺，如2，4-二硝基苯胺、2，4，6-三溴苯胺，以及杂环α-位胺等，重氮化必须在强酸中进行。既把它们溶解在浓硫酸或浓磷酸中，用固体亚硫酸氢钠或亚硫酰硫酸进行重氮化，再稀释后使用。另一个方法是以冰醋酸（或甲醇、乙醇）为溶剂，加入二当量的浓硫酸，用亚硝酸乙酯（丁酯、戊酯）进行重氮化，用这个方法制成的重氮盐，可以加入大量乙醚，使其从醋酸溶液中析出，再用水溶解，能得到较纯的重氮盐。二元芳伯胺的重氮化，要看两个氨基的相对位置不同而发生不同的反应。

羟基苯胺也与二元苯胺类似，邻位异构体也是环状偶合体，但这个环不如三唑环稳定。间位对位的酚胺与亚硝酸反应，不易得到可用的重氮盐。间羟基苯胺可在氟硼酸中重氮化。

与羟基类似的巯基，对氨基重氮化的影响，也和羟基类似。

由上可见对于不同的反应物，其重氮化的难易程度也不同，对于相同的反应物，其重氮化反应还要考虑浓度和加料速度的影响。若反应物浓度太大，反应激烈，温度难控制，容易因为局部温度高而造成部分重氮化合物分解；若太小，反应速度过慢，反应不完全。一般情况是，反应完毕溶液总体积为胺量的10~12倍。加料速度影响反应温度和反应液中亚硝酸的量。亚硝酸量太多促使重氮化合物分解；加料太慢，生成重氮胺基化合物的可能性增加。

(3).芳胺的碱性

在重氮化反应中，芳胺存在以下两种碱性平衡：

当酸度一定时，碱性较强的芳胺，一方面较易生成Ar-NH-N=O,对重氮化有利；另一方面，由于ArNH3+较稳定，较难解离出ArNH2,游离胺浓度低，不利于重氮化。芳胺的碱性对Ar-NH-N=O的生成和游离胺的影响是矛盾的，统一的方法是调节酸度。酸度较低时，平衡以上式为主，碱性强的芳胺易反应；酸度较高时,平衡以下式为主，碱性弱的芳胺易解离出胺，对重氮化有利，碱性很弱的芳胺易在浓硫酸中反应。

(4).温度

由于重氮化反应是放热反应，而重氮盐的热稳性很差，重氮化反应大多在低温下进行，重氮化反应的温度主要决定于芳胺的碱性和重氮盐的稳定性。一般来说，碱性较强的芳胺，重氮化反应温度低；碱性弱，其重氮盐较稳定的芳胺，可适当提高温度以加速反应。重氮化反应一般在较低温度下进行这一原则不是绝对的。在间歇反应锅中重氮化反应时间长，应保持较低的温度，但在管道中进行的重氮化时，反应中生成的重氮盐很快转化，因此重氮化反应可在较高温度下进行。

2.重氮化反应的分析

重氮化反应的分析主要是采用化学法来控制反应进程，由于重氮化反应必须有少量亚硝酸的存在，检验亚硝酸的方法是碘化钾-淀粉法：在无机酸存在下，亚硝酸和碘化钾反应，析出的碘使淀粉变蓝。

实验结果显蓝色为好，若为褐色，说明亚硝酸的量太多。实验要在加完最后一次亚硝酸钠10~15分钟后进行。

3.重氮化合物

重氮化合物具有以下性质

(1).水溶性和电离性

重氮盐多半溶于水只有少数杂酸盐和复盐不溶，溶于水的重氮盐电离出ArN=N+正离子和酸根负离子。重氮化后，水溶液是否清亮作为反应正常与否的标志。也有一些重氮盐难溶于水，如氟硼酸盐、氟磷酸盐、1，5-萘二磺酸盐、氯化锌复盐、氯化汞复盐等。重氮盐与氢氧化银作用，生成碱性与苛性碱相当的重氮碱。

(2).稳定性

重氮盐的稳定性与芳环中的取代的基团有关，未取代的或有烷基取代的重氮盐很不稳定，遇热或摩擦、冲撞，都能引起爆炸，只可用它们的水溶液在0℃左右进行合成。具有吸电子基团的重氮盐，虽然它们比较难于形成，但是稳定性却较好，重氮化时温度可较高，使用时也可在室温进行。但仍使用它们的水溶液进行反应，这是由于光和热都能促进重氮盐分解，大多数干品在受热或震动时易爆炸，所以不用干燥盐类。只有那些稳定的杂酸盐和复盐，才能在合成上直接应用。