第九章 硝化反应

1、第九章,硝化反应,硝化(Nitration)系指有机化合物分子中的氢原子或基团为硝基取代的反应。硝化是极为重要的单元反应之一，硝基化合物在燃料、溶剂、炸药、染料、香料、医药、杀虫剂等许多化工领域广泛应用。应用还原的方法可将硝基化合物还原为亚硝基化合物、胺、氧化偶氮化合物、偶氮化合物、氢化偶氮化合物及氨基化合物，芳伯胺经重氮化生成的重氮盐可发生一系列反应。因此，它是有机合成的重要中间体。 多硝基化合物为最重要的一类炸药，例如TNT、高级军用烈性炸药特屈儿(Tetryl，2,4,6,N四硝基N甲苯胺)、黑索金(Hexagon,环三亚甲基三硝胺)等。某些硝基化合物还具有药理作用，从而成为具有医疗价值

2、的药物，如氯霉素(Chloromycetin)为含硝基的抗菌素。,9.1 概 述,许多药物除去硝基后，其抗菌效力急剧降低。作为表面消毒药的呋喃西啉(Furacine)、口服抗血吸虫病药物的呋喃丙胺(Furapzomidonum)以及治疗细菌性痢疾和肠炎的痢特灵(学名呋喃唑酮Furazolidonum)等均为含有硝基的药物。若干硝基化合物还兼具挥发性与香味的特点而成为香料，例如人造麝香(3叔丁基-2,4,6-三硝基甲苯) 。在染料方面，例如红色冰染染料系由纳夫妥As(3羟基2苯胺基甲酰萘)与硝基化合物硝基苯胺的重氮盐偶联而得。双偶氮染料酸性蓝黑为先由对硝基苯胺的重氮盐与H酸(1氨基8萘酚3,6二

3、磺酸)偶联，继而再与氯化重氮苯偶联而得。它们均为含硝基的染料。二苦胺(六硝基二苯胺)为重量法测定钾或由海水中提取钾的重要试剂，它也是硝基化合物。,硝化的方法很多，主要为下列两类： (1)直接硝化法 即化合物中的氢原子用硝基直接取代的方法。 (2)间接硝化法 即化合物中的原子或基团(如一C1、一R、一SO3H、一COOH、一NN一等)用硝基置换的方法。 不同反应物硝化有难易之别。芳烃，尤其芳环上有邻、对位取代基的芳烃容易发生硝化反应，因而常用直接硝化法，脂肪烃较难直接进行硝化，因而脂肪族硝基化合物大多经由间接硝化法制备。 直接硝化法所用的硝化剂主要有：硝酸(稀、浓、发烟)，硝硫混酸，氮的氧化物(

4、N2O4，N2O5)，碱金属硝酸盐与硫酸，有机硝化剂(如有机硝酸酯EtONO2、AcONO2有机硝酸盐)。根据需要亦使用较为昂贵的硝化剂，如硝酸在惰性溶剂(如CHCl3、CCl4、Et20、MeN02等)中的溶液，或硝酸在H3PO4、HOAc或Ac2O中的溶液。 间接硝化法常用亚硝酸盐(如NaN02、KNO2、AgNO2、HgNO2等)、硝酸等为硝化剂。前者用于卤化物中卤素的置换后者用于磺酸基化合物中磺酸基的置换。,芳烃硝化是最重要的一类硝化反应。它又是研究最多的亲电取代反应，这一方面由于它是完全不可逆的反应，另一方面是由于硝基使苯环钝化，因而可防止苯环上进一步取代反应的发生。 本世纪初Eul

5、e提出+NO2为有效硝化剂的见解,此后有关芳烃硝化反应的机理，许多工作者相继进行过大量富有成效的研究。反应动力学、同位素效应和结构与反应性能关系方面的大量数据，以及Raman光谱等物理学方法所提供的一系列信息，使人们对这类反应机理有了相当完善的了解。 应用硝硫混酸硝化时，浓硫酸的作用曾被解释为吸收硝化过程中生成的水，然而，实验证明硫酸不仅起脱水剂的作用，更重要的是与硝酸作用产生有效的硝化剂硝酰阳离子：,9.2 硝 化 反 应 机 理,9.2.1芳烃硝化反应的机理,芳烃的硝化反应符合芳环上亲电取代反应的一般规律。当芳环上已有某种活化基团时，苯环上的电子云密度较大，反应形成的 - 络合物将较稳定而

6、易于形成，于是将加速整个硝化反应的进行。反之，当某种钝化基团与苯环相连时，络合物将难以形成，从而使硝化反应减缓。,对于如苯酚一类具有高度反应性能的芳烃衍生物，即使稀硝酸亦可实现硝化的过程。其硝化已被证实系先经由亚硝酰阳离子+NO对芳环进行亚硝化继而亚硝化产物迅速为硝酸所氧化得到硝化产物：,在酚类的硝化中，HN02在这里实际上起催化剂的作用，设法除去反应体系中的HNO2、则难以实现上述反应。 9.2.2芳烃硝化反应级数（略） 9.2.3芳烃硝化反应中底物选择性和位置选择性（略）,1.底物结构的影响 2.硝化剂的影响 3.溶剂的影响 4.温度的影响 5.搅拌的影响,9.3 影响硝化反应的因素（略）

7、,9.4.1 稀硝酸硝化法 硝酸兼具硝化剂与氧化剂的双重功能，其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。稀硝酸是较弱的硝化剂，硝化过程中生成水又使其硝化能力不断减弱，因而用其为硝化剂时必须过量。 稀硝酸只适用于活泼芳烃的硝化。例如含一0H、一NH2的化合物可用20%的稀硝酸硝化，易被氧化的NH2化合物往往于硝化前预先保护，即将其与羧酸、酸酐或酰氯作用使氨基转变为酰氨基，然后再行硝化。低级烷基取代苯也可用稀硝酸进行硝化，但浓度相当稀时，亦将导致侧链氧化。 烷烃较难硝化，在加热加压条件下可由稀硝酸硝化，此为液相硝化。较为重要的是烷烃的气相硝化，将烷烃与硝酸

8、的混合蒸汽，在400一5000C时进行反应。气相硝化伴有碳链的断裂及氧化反应，因而除一系列异构物外，尚生成含碳原子较少的硝基烷烃及些含氧化合物(醇、醛、酮、羧酸、 CO、CO2等)。简单的烷烃只生成,9.4 直接硝化法,硝基化合物，分子量高的烷烃亦生成多硝基化合物。 气相硝化在实验室中无制备价值，但工业上可将所得硝基烷烃不经分离直接作为溶剂使用。,1.以苯为原料合成苯甲胺,浓硝酸硝化法主要适用于芳香族化合物的硝化。实际上以浓硝酸为硝化剂有许多缺点，主要为 (1)反应中生成的水使硝酸浓度降低，以致硝化反应速度不断下降或终止。 (2)硝酸浓度降低，不仅减缓硝化反应速度，而且使氧化反应显著增加，有时

9、会发生侧链氧化反应。 (3)硝酸浓度降低到一定浓度时，则无硝化能力，加之浓硝酸生成的+NO2少，因而硝酸的利用率较低。,9.4. 2 浓硝酸硝化法,1.以苯为原料合成对硝基苯乙酸。,硝酸和硫酸的混合物是最常用的有效硝化剂(混酸硝化剂)混酸能克服单用浓硝酸法中的部分缺点，在工业上广为应用： (1)浓硫酸吸收反应中生成的水，使硝酸保持必须的浓度。 (2)硝酸浓度无显著降低，因此硝酸的氧化现象亦不明显。 (3)混酸中硝酸的比例一般为1.011.10，这些硝酸几乎可全部被利用，其利用率几乎达100%。 混酸硝化还具有如下优点： (1)产生较单用硝酸更多的+NO2因而硝化能力更强； (2)浓硫酸能溶解多

10、数有机化合物（尤其芳香族化合物)，增加了底物与硝酸的接触面，使硝化易于进行。 (3)硫酸比热大(0999Jg)，能吸收硝化反应中放出的热量，避免硝化时的局部过热现象，使反应容易控制，有利于完全生产；,9.4.3 混酸硝化法,(4)混酸对铁不起腐蚀作用，因而可使用铁质反应器，使用方便，可降低生产成本。 为提高经济效益，混酸硝化中废酸的利用是一个重要的问题。 一般说来，硝化过程的废酸通常再用于硝化。,由于活泼一NH2的影响，能发生氧化或缩合等副反应，因而硝化前宜经酰化保护。,可先使苯胺与H2S04作用，再行硝化与中和得到一NO2处于一NH2间位的硝化产物. 例如：,9.4.4苯胺的硝化,思考题,1

11、.以苯为原料合成对硝基苯胺。,2.以苯为原料合成4-硝基-2-胺基甲苯,3.以苯为原料合成4-硝基-2-氰基甲苯,苯酚用混酸硝化制备苦味酸时,由于苯酚极易氧化，因而应先经磺化。,混酸虽为良好的硝化剂，在有些场合仍不能使用。例如，有些化合物用混酸硝化时易发生磺化生成磺酸等。因此有时采用下列硝化剂进行硝化：HNO3-HF;Cu(NO3)2-Ac2O; HN03-冰HOAc；N2O5Ac2O; EtON02H2S04；N204H2S04;N205H2SO4 等。,9.4.5苯酚的硝化,1.以苯为原料合成2.4.6-三硝基苯酚。,浓硝酸或发烟硝酸与醋酐混合即生成硝酸乙酰，勿需经过分离即可用于硝化反应。

12、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。硝化时一N02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物，多硝基化物甚少。,9.4.6 硝酸乙酰法,此为以硝酸为硝化剂、醋酸为溶剂的硝化法。HNO3-HOAc为邻位硝化剂，硝化反应中一NO2亦主要进入第一类取代基的邻位。,9.4.7硝酸醋酸法,1.以苯为原料合成3-氯-2-硝基苯胺。,脂肪族化合物较难直接硝化，其卤化物经由一NO2置换则可得到相应的硝基化合物。例如脂肪族卤代物(MeI、EtI、n-C3H7I、i-C3H7I)与AgN03、NaN02(KN02)或HgNO2等作用，卤素即被NO2所置换。侧链卤代物亦可发生同样的变化。,9.5简直硝化法,9.5.1 卤素置换硝化法,1.用C2以下的有机物为原料合成硝基丙烷。,本法生成的硝基化合物与亚硝酸酯两种异构物间沸点悬殊可容易地将两者分离。但本法只有实验室制备的价值并无工业意义。它仅适于制备伯硝基烷烃，以仲、叔卤代物为反应物时产率很低，前者约15%，后者仅O5%。并且所用的卤代物宜为碘代物或溴代物，后者则需较高的温度。据载，反应体系中加入尿素可抑制生成亚硝酸酯的副反应。,1.设计硝基甲烷、硝基乙烷的合成路线,芳香族化合物(杂环化合物)上的-SO3H在经由HNO3处理时，可为N02置换生