情境4__2_4-二硝基苯酚的合成.ppt

1、情境4 2,4-二硝基苯酚的合成 （硝化、羟基化反应）,4.1 合成任务书 1、2,4-二硝基苯酚概述 2、 2,4-二硝基苯酚合成任务书解读,2,4-二硝基苯酚是一种重要的化工中间体，主要用于制染料（特别是硫化染料）、苦味酸和显影剂、农药、植物生长调节剂等。本品属爆炸品，易燃，有毒。,外观：淡黄色固体 熔点：112114； 溶解性：不溶于冷水、溶于乙醇、乙醚、丙酮、苯、氯仿； 密度（相对密度(水=1)）：1.7； 相对密度(空气=1)6.4 ； 稳定性：稳定，属爆炸品，易燃，有毒。能升华。,表12-1 产品开发项目任务书,注：一式三联。一联技术总监留存，一联交技术部经理，一联交项目负责人。,

2、编号：XXXXXX,2、2,4-二硝基苯酚合成任务书解读,1. 2,4-二硝基苯酚的分子结构分析,分子式：HOC6H3(NO2)2 结构式如下：,目标化合物基本结构为苯酚的结构，在芳环的2、4号位上接有硝基。从基团（官能团）的位置看，两个硝基分别处于酚羟基的邻位和对位。,合成路线设计思路：,1.顺合成分析法：即正向思维方法，从已知原料入手，找出合成所需的中间产物，逐步推向待合成的有机物。其思维程序是：,原料 中间产物 中间产物 产品,2.逆合成分析法：即采用逆向思维方法，从产品入手，逆推出合成该物质的前一步反应的物质，若该物质不是原料，再进一步逆推出此中间产物又是如何从另一有机物经一步反应而制

3、得，如此至推到题目给定的原料。,产品 中间产物 中间产物 原料,3.综合分析法：即采用顺逆向思维方法相结合，从两端推中间或中间推向两端。,5,2. 2,4-二硝基苯酚合成路线设计,逆向合成设计如两种：,FGR,或,FGR,第一种：,其中FGR为表示逆向官能团除去（antithetical functional group removal，简称FGR），即将硝基（NO2）除去。,第二种：,FGI,或,FGR,FGR,其中FGI为表示逆向官能团互换（antithetical functional group interconvertion，简称FGI），即将羟基（OH）换成氯基（Cl）。,2,4-

4、二硝基苯酚的合成路线,合成路线1：以苯酚为原料,合成路线2：以氯苯为原料,合成路线3：以硝基氯苯为原料，按路线2合成。,向有机化合物分子中引入硝基（-NO2）的反应称为硝化反应。,硝化反应可作为合成氨基化合物的重要途径。,（一）硝化反应,硝化作用,在亲核取代反应中，在芳环上引入硝基，可使其它取代基活化。,利用硝基的极性，可使染料的颜色加深。,通过的硝化反应制得的多硝基化合物具有强氧化性。,硝化反应方法,稀硝酸硝化法。,浓硝酸硝化法。,浓硫酸介质中的均相硝化法。,非均相混酸硝化法。,有机溶剂中的硝化法。,工业上常见的硝化试剂有各种浓度的硝酸、混酸、硝酸盐和过量硫酸、硝酸与乙酸或乙酸酐的混合物等。

5、 混酸是浓硝酸与浓硫酸的混合物，常用的比例为13（质量比），是工业上应用最广泛的硝化剂。,1 硝化反应试剂,硝 酸,硝酸在硝化反应的同时，在较高温度下常因分解而具有氧化性：,单用硝酸作硝化剂，硝化反应速度不断下降。故一般很少采用单一的硝酸用硝化剂，除非是硝化反应活性较高的酚、酚醚、芳胺及稠环芳烃。,硝化能力强，反应速率快，生产能力高；硝酸用量接近于理论用量，几乎全被利用；硫酸的热容量大，可使硝化反应平稳进行；浓硫酸可以溶解多数有机物，以增加有机物与硝酸的接触，使硝化反应易于进行；混酸对铁的腐蚀性小，可采用普通碳钢或铸铁作为反应器，不过对于连续化装置则需采用不锈钢材质。 缺点是：酸度大，对某些芳

6、香族化合物的溶解性差，从而影响硝化结果。,工业混酸硝化的特点,硝酸与醋酐 硝酸与醋酐组成的硝化体系硝化能力较强，可在低温下进行硝化反应，适用于易被氧化和被混酸分解的硝化反应。 醋酐是溶剂，对有机物有良好的溶解性。因此，一些容易被混酸破坏的有机物可在此硝化剂中顺利地硝化。,(2)硝化反应机理,硝化是典型的亲电取代反应。,-配合物,-配合物,反应的第一步是硝化剂的离解，产生硝酰正离子NO2+；第二步是亲电活泼质点NO2+向芳环上电子云密度较高的碳原子进攻，首先形成-配合物，而后转变成-配合物，这是慢的一步；第三步-配合物脱去一个质子，形成稳定的硝基化合物，这一步是很快的。其中形成-配合物是硝化反应

7、速率的控制步骤。 二硝化的反应机理与一硝化反应机理类似。,反应历程,3、典型硝化反应,苯与混酸的混合物于50-60反应，生成硝基苯。,硝基苯不容易继续硝化，要在更高的温度或用硝化能力更强的硝化剂才能发生反应，且主要生成间二硝基苯。,烷基苯较苯容易发生硝化反应，在混酸作用下，得到邻位和对位硝基苯。,萘的硝化较苯容易进行，萘用混酸硝化时，在常温下即可进行，且主要生成是-硝基萘。,酚很容易硝化，与稀硝酸在室温下作用，即生成邻硝基苯酚和对硝基苯酚的混合物。如用浓硝酸硝化，则生成2，4-二硝基苯酚和2，4，6-三硝基苯酚。,由于酚羟基和环易被浓硝酸氧化，产量很低，一般用间接方法制备,（4）影响硝化反应的

8、因素,被硝化物氯苯的反应性质 硝化试剂的影响 温度的影响 相比与硝酸比 硝化反应的加料方式 硝化的副反应,被硝化物氯苯的反应性质,氯苯为无色透明液体，具有不愉快的苦杏仁味，熔点：-45.2，沸点：132.2，相对密度(水=1)：1.10。 从反应的机理看，硝化反应是亲电取代反应，被硝化物分子（苯环）结构上电子云密度增加对亲电反应有利，即越有利于硝化反应的进行；反之，对硝化反应不利。由于氯苯中氯原子的电负性较大，苯环上引入氯原子后可使苯环钝化，会导致硝化反应速率降低。 氯苯一硝化后，由于硝基是强烈的钝化基团，使得苯环的亲核活性显著下降，故氯苯二硝化较一硝化困难。同理，氯苯的三硝化比二硝化更困难。

9、 由于芳环上的卤素为邻、对位定位基，故氯苯的一硝化产品几乎都是邻、对位异构体，二硝化的产品几乎全部为2，4-二硝基物。,硝化试剂的影响,不同的硝化对象，往往需要采用不同的硝化试剂。,相同的硝化对象，采用不同的硝化方法，则常常得到不同的产物组成。,温度的影响,通常硝化反应要在较低温度下进行。由于一硝化后，硝基为吸电子基团，可使苯环钝化，因此二硝化温度通常要比一硝化反应温度高；依此类推，引入的硝基个数越多，硝化温度逐渐增高。 硝化温度较高时，往往会造成一些副反应的反应速率也大大加快硝化反应是强烈的放热反应， 硝化反应放出的热量也大，如不及时移出，势必又会使反应温度迅速上升（俗称“飞温”），引起更多

10、副反应，还使硝酸分解产生大量红棕色的二氧化氮气体，轻则冲料，重则发生爆炸，因此温度要严格控制在规定的范围内。 资料表明，氯苯一硝化的温度在40左右，二硝化的温度则需要达到100105。,相比和硝酸比,相比也称为酸油比，是指混酸与被硝化物的重量比。,硝酸比是指硝酸和被硝化物的物质的量的比。实际生产中硝酸的用量常常高于理论量。,增加相比就能增大被硝化物在酸相中的溶解量，对于加快反应速率是有利的。但相比过大，将使设备生产能力下降。,硝化反应的加料方式,正加法是将混酸逐渐加入到被硝化物中，其优点是反应比较缓和，可避免多硝化；缺点是反应速率比较慢。此法常用于被硝化物易硝化的过程。 反加法是将被硝化物逐渐

11、加入到混酸中，其优点是在反应过程中始终保持过量的硝酸与不足量的被硝化物，反应速率快。这种加料方式适用于制备多硝基化合物和难硝化的过程。 并加法是将被硝化物与混酸按一定的比例同时加入到硝化反应器，常用于连续硝化的过程。,硝化的副反应,最常见的副反应有多硝化、氧化、生成有色配合物，另外还有脱烷基、置换、脱羧、开环和聚合等。在所有的副反应中，影响最大的是氧化副反应，常表现为生成一定量的硝基酚。 化过程中硝酸用量不足时，硝化液颜色常常会发黑发暗，这是由于烷基苯与亚硝基、硫酸形成配合物的缘故。在4555以下可及时补加一些硝酸就能将其破坏 ；但当温度高于65时，配合物就会自动产生沸腾，使温度上升到8590

12、，此时即使再补加硝酸也难以挽救 。,(二) 混酸硝化过程,1、工业硝化法,浓硝酸硝化法主要适用于芳香族化合物的硝化。,（1） 浓硝酸硝化法,稀硝酸是较弱的硝化剂，硝化过程中因生成水而被稀释，因而用稀硝酸作为硝化剂时必须过量。,（1）稀硝酸硝化法,稀硝酸只适用于容易被硝化的芳香族化合物的硝化。,浓硝酸或发烟硝酸与醋酐混合即生成硝酸乙酰，硝酸乙酰为强硝化剂，反应速度快且无水生成（硝化反应中生成的水与醋酐结合成醋酸），反应条件缓和，可在较低温度下进行反应。,（4）硝酸乙酰法,硝酸和硫酸的混合物（混酸）是最常用的有效硝化剂，因为用混酸硝化能克服单用浓硝酸硝化的部分缺点，所以在工业在广为应用。,（3）混

13、酸硝化法,（5）磺基的取代硝化,芳香族重氮盐用亚硝酸钠处理，即可分解并生成芳香族硝基化合物。本法适用于合成特殊取代位置的硝基化合物。,（6）重氮基的取代硝化,芳香族化合物或杂环化合物上的-SO3H，用硝酸处理，可被-NO2置换生成硝基化合物。,混酸硝化能力的表示,i 硫酸的脱水值: 简称脱水值，常用DVS表示(即Dehydrating value of Sulfuric Acid的缩写)，指硝化终了时，废酸中硫酸和水的计算质量之比。即,ii 废酸计算浓度:也称硝化活性因数，常用符号F.N.A表示(即Factor of Nitration Activity的缩写)。指混酸硝化终了时，废酸中硫酸的

14、计算浓度。,2、混酸硝化,若以100份混酸为计算基准则当l时，,废酸量,或,当1时，可得出D.V.S与F.N.A的互换关系式：,或,反应生成的水=,氯苯一硝化时采用三种不同混酸的计算数据,选样第一种混酸时硫酸用量最省，但是相比太小，而且在开始阶段反应过于激烈，容易发生多硝化和其他副反应；选择第三种混酸则生产能力低，废酸量大；因此只有实用价值的是第二种混酸。,实际生产中，对每一个被硝化对象，其适宜的D.V.S值或F.N.A值都由实验得出,（三）混酸配制,（1）配酸计算 用几种不同的原料酸配制混酸时，可根据物料平衡的原理，即各种组分的酸在配制前后总量不变，建立物量平衡联立方程式，即可求出各原料酸的

15、用量。 例4-1 由硝基苯制备间二硝基苯时，需配制组成为H2SO472，HNO326，H2O 2的混酸6000kg，需要20发烟硫酸，85废酸及98的硝酸各多少公斤。,解：设发烟硫酸、废酸与硝酸的需要量分别为x、y、zkg。,三种酸总重：x十y十z6000 ,硝酸的平衡：0.98z60000.26 ,硫酸的平衡：(0.8十0.29880)x十0.85y60000.72 ,解、联立方程式，得x2938.6kg，y1469.6kg，z1591.8kg。,例4-2 已知萘二硝化的D.V.S3，2.2，相比6.5，试计算应采用的混酸的组成。,解；以lkmol分子纯萘为计算基准。萘的千摩尔质量为128k

16、g/kmol，于是 混酸重：G混1286.5832k gG(HNO3)十G(H2SO4)十G(H2O) 硝酸重：G(HNO3)632.2138.6k g 硫酸重：G(H2SO4)D.V.S(G(H2O)十218)3 G(H2O)十l08 僻、得G(H2SO4)547kg，G(H2O)146.4kg。,故混酸组成为：H2SO4G(H2SO4)100G混65.75，HNO3G(HNO3)100G混16.65，H2OG(H2O)100G混17.60。,（3）配酸工艺,配制混酸时，应考虑设备的防腐能力；有效的混合装置；及时导出混合热和烯释热的冷却方法；严格控制原料酸的加料顺序和加料速度；配酸温度在40

17、以下等安全措施，以减少硝酸的分解和挥发以及避免意外事故的发生。 混酸的配制有间歇和连续两种方式。,（a）间歇式配酸,在无良好混合的条件下，严禁将水突然加入大量浓酸中，因易引起局部瞬间剧烈放热而造成喷酸或爆炸事故。通常应在有效地混合与冷却下，将浓硫酸先缓慢后渐快地加入水或废稀酸中，在40以下，最后先慢后快地加入硝酸，这种配酸方法是比较安全的。 生产效率较低，适于多品种小批量的生产,(b)连续式配酸,同样遵循先慢后快的原则 连续式的生产能力大，适用于大吨位的生产品种,工业上采用混酸硝化的流程,苯环上的取代基及其亲电取代定位规律,1一元取代苯的亲电取代定位规律和定位基的分类 2二元取代苯的亲电取代定

18、位规律,1.一元取代苯的亲电取代定位规律和定位基的分类,第一类为邻、对位定位基，使新引入的取代基主要进入其邻位和对位（邻、对位产物的总和大于60%），属于这类定位基的主要有： 此类定位基的特点是：（1）定位基与苯环直接相连的原子上，一般只具有单键，有的带负电荷(CH2=CH- 例如)或具有孤电子对；（2）除卤原子外，一般是斥电子基，能使苯环上电子云密度增大，有利于亲电取代反应，即它有活化苯环的作用，所以称为活化基。,第二类为间位定位基，使新引入的取代基主要进入它的间位（间位取代产物大于40%），属于这一类定位基的主要有： 此类定位基的特点是： 定位基与苯环直接相连的原子有不饱和键（-CCl3例

19、外）或带有正电荷； 是吸电子基，能使苯环上的电子云密度降低，不利于亲电取代反应，即它有钝化苯环的作用，所以称为钝化基。,1）定位基的定位效应是指它们使新引入的基团主要进入苯环上的某个位置，而不是只进入这个位置； 2）同一个一元取代苯在不同亲电取代反应中，得到的二元取代产物异构体的比例不同； 3）同一个一元取代苯，进行同样的亲电取代反应，当反应条件不同时，二元取代产物异构体的比例也不同，但只要是苯环的亲电取代反应，一般不会改变原有取代基的定位效应。,必须注意：,各种一元取代苯在亲电取代反应中二元取代产物异构体的比例,2二元取代苯的亲电取代定位规律,二元取代苯指苯环上已经具有两个取代基。当苯环上已

20、有两个取代基存在时，第三个取代基进入苯环的位置，由原来两个取代基的类型、它们的相对位置和定位能力的相对强弱来决定。,（1） 两个取代基的定位作用一致时，第三个取代基进入苯环的位置（用箭头表示）按定位规律定位。,两个取代基属于同一类型时，第三个取代基进入苯环的位置，主要由原有两个取代基中定位能力较强的取代基决定；如果原有两个取代基定位能力的强弱相差较小时，则得到多种异构产物的混合物。,（2）两个取代基的定位作用不一致时,两个取代基属于不同类型时，第三个取代基进入苯环的位置主要由邻、对位定位基决定。,例4-3 由对硝基甲苯合成2，4-二硝基苯甲酸。,羟基化反应,1羟基化反应 2常见羟基化反应的形式

21、,1羟基化反应,在有机化合物分子引入羟基（OH）制取醇、酚、烯醇体的化学反应称为羟基化反应。 工业生产中向有机物分子中引入羟基的方法主要有：芳磺酸盐的碱熔、卤素化合物的水解、芳伯胺的水解、重氮盐的水解、硝基化合物的水解，另外还有烷基芳烃过氧化氢物的酸解、环烷的氧化脱氢、芳羧酸的氧化脱羧、芳环上直接引入羟基以及其他的一些方法等。,2常见羟基化反应的形式,（1）卤化物的水解 （2）羟基化反应的其他形式,（1）卤化物的水解,卤化物中羟基置换卤素原子的反应简称水解。卤化物可以是脂肪族卤化物或芳香族卤化物。卤化物水解的通式可以简单表示为：,水解反应的方法很多最常用的方法是碱性水解，其次是酸性水解，另外还

22、有气固相接触催化水解和酶催化水解等方法。,卤化物的水解是亲核置换反应。脂肪族卤代烃水解的活泼次序是RIRBrRCl，这是因为碳卤键键能C-IC-BrC-Cl，碳卤键键能越小越易断裂，键的可极化性越大，越易受亲核试剂H2O分子的进攻。 脂肪族氟代烃RF的C-F键非常稳定，很难水解；而氯基则相当活泼，水解可得相应的醇或环醚；由于氯比溴价廉易得，所以工业上主要采用氯基水解引入羟基，仅在个别情况下使用溴基水解。 氯化物常用的水解试剂是氢氧化钠及碳酸钠的水溶液或石灰乳。,卤化物的水解,卤代烷烃水解时，可能发生碱性脱氯化氢生成烯烃的副反应。,卤化物水解的副反应,（2）羟基化反应的其他形式,（一）醇羟基化,

23、特点：1.氢加到含氢较少的双键碳原子上；2.顺式加成(指H和OH加在同一边），选择性好；3.产率高；4.反应条件温和。,1.由烯烃制备,2. 由羰基化合物制备,格氏试剂与环氧乙烷作用,2) 炔化物与醛、酮反应,3)醛、酮的还原,多元羟基化,1）烯烃氧化氧化,2）醛、酮的还原,（二）酚羟基化,1、磺酸盐碱熔法,2.氯苯水解法,3.异丙苯氧化法,二、终点判断,1、硝化反应（TLC法） 2、羟基化反应油状物消失,合成步骤,（1）2,4-二硝基氯苯的合成 在装有搅拌器、温度计、滴液漏斗和回流冷凝器的四口瓶中加入混酸(组成为H2SO467、HNO330、H2O3)113g，控制温度为4050。在1.5h

24、内滴加氯苯25.5m1(0.25mol)，加完后在此温度下搅拌15min。升温至105，搅拌1h后，冷却至7080，把反应物倒入250m1冷水中，在30以下静置，分去废酸，用0.1碳酸钠溶液在6070下洗涤多次，再水洗至中性。冷却至10，过滤后得到产品45g至48g。收率9095。熔点4851。,合成步骤,2）2,4-二硝基苯酚的合成 在装有搅拌器、球形冷凝管，滴掖漏斗和温度计的250毫升三口烧瓶中，加入50毫升水与30克2,4-二硝基氯苯。在搅拌下加热到90。然后在2小时内滴加35克35苛性钠溶液，并且在l00左右继续反应。经常取样检验，直到样品溶于水中，得到澄清的溶液为止。必要时可补加少量

25、的碱，水解的持续时间为34小时。 反应完毕，将物料冷却至2025。然后倒入烧杯中，以浓盐酸酸化反应至对刚果红试纸呈酸性。过滤析出2,4-二硝基苯酚，水洗，在50左右干燥之。,三、分离提纯,在常温下硝化物为液体或低熔点的固体情况下，可利用硝化产物与废酸有较大密度差而实现分层分离。,如果硝化产物是异构混合物，则往往需要通过化学法和物理法进行分离提纯。,在废酸中的硝基物有时也可用有机溶剂萃取回收。除去废酸后的硝化产物，还含有少量的无机酸和一些氧化副产物，通常经过中和、水洗后成为产品。,大多数硝基化合物在浓硫酸中有一定的溶解度，而且硫酸浓度越高，溶解度就越大。为了减少溶解，有时在静置分层前可先加入少量

26、水稀释。,1、硝化产物的分离,（一）、分离,1、硝化产物,加水稀释，保温6070 ，分液,水相（废酸）,用6070稀碱水洗至中性，分液,水相（废液）,粗产物（2，4-二硝基氯苯）,油相（含2，4-二硝基氯苯）,二硝化产物,硝化产物的分析,用混酸硝化时主要是控制酸层中硝酸的含量。目前生产中应用得较多的方法是，先取一定量酸，以酚酞为指示剂，用NaOH标准溶液滴定，从二者的差值计算混酸中硝酸的含量。,废酸中硝酸的含量常用龙氏定氮计测定。硝酸在硫酸的存在下与汞定量地作用生成氧化氮气体，从生成氧化氮的体积可以测定硝酸的含量。,也可以根据硝化产物的密度或熔点是否达到预定的数值来确定硝化是否达到终点。,2H

27、NO3 + 6Hg + 3H2SO4 2NO + 3Hg2SO4 + 4H2O,硝基化合物大都是黄色的，而且具有特殊的气味（大多数有杏仁味），可以根据这些外表性质来初步判断一种物质是否引入了硝基。,硝基化合物一般用氯化亚锡、三氯化钛为还原剂，利用还原滴定法进行定量分析。,红外光谱分析也用于分析及控制硝化过程；极谱常用于硝基还原后生成的氨基化合物中硝基余量的分析。,气-液色谱由于分析速度快，准确度高，且前已用于硝化过程的控制。,薄层色谱和柱色谱同样也用于分析硝基化合物的异构体。,色层分析可用来鉴定硝化产物。,使用过量的锌粉，在酸性介质中将硝基还原为氨基，然后用重氮化法测定氨基的含量，从而计算出硝基的含量