11 第十一章 重氮化与重氮盐的转化

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• 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
0.01mol
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• 一、重氮化反应历程 • ★属于亲电取代反应。
NaNO2 + HCl → HNO2 + NaCl 2HNO2 → N2O3（亲电质点） + H2O N2O3 → NO+（亲电质点） + NO2 HNO2 + H3O+ + Cl2 → NOCl（亲电质点） + 2H2O
H Ar N： H Ar N N OH H-Cl O H O N Cl -H-Cl Ar N H N O 互变异构
第十一章 重氮化与重氮 盐的转化
化学工业出版社
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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）
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• 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。
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3
– （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。
CH3 CuBr / H-Br N2Cl 0～5℃
CH3
Br
1
1
CH3 NaNO2/ H-Cl NH2 0～5℃
CH3 KI N2Cl
CH3
I
NH2 F
Br
CN F
NaNO2 / H-Br CuBr / HBr
CuCN NMP
F
NO2
NH2 Br Br
NO2
N2Cl
NO2
NaNO2/ H-Cl 0 ～ 5℃
• 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。
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• 二、重氮盐的结构与性质 • 1．重氮盐的结构
• 重氮盐的结构为：
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• 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：
NO2 NH2 NO2
NaNO2 H2SO4 HOAc
NO2
10～ 20℃
+ N2 HSO4
NO2
3
– （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。
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• 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。
NaNO2 + HCl NaNO2 + H2SO4 HNO2 + NaCl HNO2 + NaHSO4
– （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NO2。
+
NaOH
H2N
SO3Na
+
H-OH
0.01mol
H2N SO3Na
+
3 H-Cl
0 ～ 5℃ NaNO2 0.12mol
HO3S
N2Cl
+
2 NaCl
+
2 H-OH
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• 2．偶合反应 • 利用淀粉-KI试纸检验的过程。
+
HO3S N2Cl
+
N(CH3)2
CH3COOH
HO3S
N
N
N(CH3)2 CH3COO H
NH2
+Cl N2
Cl
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。
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NH2
N2Cl
Cl
NaNO2/H-Cl
NH2
CuCl / HCl
N2Cl
0～5℃
0～5℃
Cl
CH3 [H] NO2
CH3 NaNO2/ H-Cl NH2 0～5℃
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• 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。
Br
Br
H3PO2 H-OH
Br
Br
Br
Br
Br
但发生以上重氮化反应时，因重氮盐较活泼，所以经常会发生副反应。 如：采用2，6-二氟苯胺为原料合成2，6-二氟氯苯时，会生成间二氟苯、 2，6-二氟苯酚，以及联苯系等副产。
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第二节 重氮化反应
• ★复习：甲基橙的制备： • 1．重氮化反应
H2N SO3H
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OH
Baidu Nhomakorabea
SO3Na
食用色素6
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• 2．制备中间体
• 例如：重氮盐还原制备苯肼中间体：
NH2
NaNO2 低温 HCl
N 2 Cl
+
-
1. (NH4)2SO3 NH4HSO3 2. H2O H+
NH
NH2
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• 又如：重氮盐置换得对氯甲苯中间体：
CH3
NaNO2 HCl
CH3
Cu2Cl2 HCl
CH3
低温
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• （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。
+
Cl
N：
+ +
Ar
N H
ArN2Cl
+
H-OH
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• 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。
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• 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。
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• （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
• （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。
Ar
Ar
N
N
+
+
N Cl
N Cl Ar N N Cl
+
• 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。
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• 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有机中间体。
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• 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。
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• 5．温度
• 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。
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• 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。
HO3S
-
NH2
NaNO2 / HCl
HO3S
HO3S N N
N2+ ClOH
HO3S
N2 Cl
+
+ NaO3S
Ar NH2 + NaNO2 + 2 HX Ar N 2 X + 2 H2O + NaX
+
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• 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、有机颜料和医药中间体的重要的 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。
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3
• 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。
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NH2
NaNO2 HCl 55。 C
N 2 Cl
+
(NH4)2SO3 。 30 C H2 O pH=2.5
N N SO3NH4
NH4HSO3 。 70 C
N
N
SO3NH4
1. H2SO4 2. NH3
NHNH2
SO3NH4
. 1/2 H2SO4
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• （3）倒加料法
• 本法适用于一些两性化合物，即含－ SO3H 、－ 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 NaNO2，然后将此混合液加入到预先经冷却的稀 酸中进行重氮化。
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• （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℃。