第三章 硝化反应1

精细有机合成单元反应 第三章 硝化反应 学习目标： z结合磺化反应的相关知识，采用类比法学 习硝化反应的基本原理，以加深对硝化反 应历程、动力学和影响因素的理解。 z结合具体化合物对工业上常用的混酸硝化 法的基本计算和基本操作进行深入的学习 并加以掌握。 第一节 硝化慨述 z一、硝化概念 z1. 被取代基团。2. 硝化产物。 z二、硝化目的 z1. 硝基可以转化为其他取代基； z2. 利用硝基的强吸电性，使芳环上的其他 取代基活化，易于发生亲核置换反应； z3. 利用硝基的极性，赋予精细化工产品某 种特性。 z4. 某些芳族硝基化合物尚有一些其他用途。 例如，硝基苯或间硝基苯磺酸钠在某些生 产过程中可作为温和的氧化剂；2,4,6-三硝 基甲苯(TNT)，三硝基苯酚等是重要的炸药。 T N T 烈性炸药 浓农药 医药应用化妆品 军事应用 聚酰胺树脂 三、硝化反应的特点 z1. 在进行硝化反应的条件下，反应不可 逆； z2. 硝化反应速率快，是强烈放热反应，放 热量是126kJ / mol。 z3. 多数情况下，反应物和硝化剂不能完全 混溶，常分为有机层和酸层。 四、常用硝化 1. 稀硝酸硝化 z稀硝酸的硝化能力较低，常用于含有强的第一类 定位基的芳香族化合物的硝化。例如，酚类、酚 醚类、茜素和某些N-酰化芳胺等。这时所用的硝 酸约过量10~65%。 z反应在不锈钢或者搪瓷设备中进行。 2. 浓硝酸硝化 z反应中硝酸浓度降低，减缓了硝化反应速度，且 增加了氧化反应。只用于少数硝基化合物的制备。 z这种硝化一般要用过量许多倍的硝酸。 z3. 浓硫酸介质中的均相硝化 z当被硝化物或硝化产物在反应温度下是固 态时，多将被硝化物溶解在大量的浓硫酸 中，然后加入硝酸或混酸(硝酸和硫酸的混 合物)进行硝化。 z4. 非均相混酸硝化 z当被硝化物和硝化产物在反应温度下都呈 液态，且难溶或不溶于混酸时，常采用非 均相的混酸硝化法。 z5. 有机溶剂中硝化 z对在混酸中易被磺化的化合物，在溶剂中 用硝酸硝化。 z优点：避免使用大量的硫酸作溶剂；可用 不同的溶剂以改变硝化产物异构体的比例。 z常用的有机溶剂有二氯甲烷、二氯乙烷、 乙酸或乙酐等。 z6. 气相硝化法 z在较高温度下，反应物和硝化剂均在气态 下进行反应。 第二节 硝化反应基本原理 z一、硝化剂类型 硝化剂概念。 主要硝化剂： z硝酸、混酸、硝酸盐和硫酸、硝酸和醋酸 或醋酐的混合物、有机硝酸酯、氮的氧化 物。 1. 硝酸 （1）离解特点： 纯硝酸、发烟硝酸和浓硝酸很少离解，主要以分 子形态存在。 （2）离解方式： z水分多，如70％以下的硝酸，按下式离解。 2HNO3 H2NO3 + + NO3 H2NO3 + H2O + NO2 + NO3HNO3 H2O + H3O （3）氧化能力 硝酸在较高温度下分解而具有氧化能力。 +2HNO3 -H2O N2O5 N2O4 [O] （4）使用限制 单用硝酸作为硝化剂，浓度的变化及影响。 z2. 混酸 z（1）概念。 z（2）反应平衡式 H2SO4 + HNO3 HSO4 + H2 NO3 H2 NO3 H2O + NO2 H2O + H2SO4 H3O + HSO4 总式： 2H2SO4 + HNO3 2HSO4 + H3O + NO2 z（3）优点 z硫酸对水的亲和力比硝酸强，可减少或避 免硝酸被反应生成的水稀释，提高硝酸的 利用率。 z硝酸被硫酸稀释后，其氧化能力降低，不 易产生氧化副反应； z腐蚀性降低，可采用铸铁设备操作， z（4）混酸中水的影响 z加水增加了HSO4－和H3O＋离子，抑制了 NO2+的生成。稀释硫酸浓度至85％时， NO2+离子浓度开始下降。硫酸浓度为15～ 70％时，只存在NO3－和分子态硝酸。 z（5）混酸中硝酸比例的影响 z硝酸的百分含量对NO2+离子影响。 z硝酸浓度<11％，全部离解为NO2+离子。 z3－1 混酸中硝酸离解为NO2+的转化率随含量的变化 硝酸％ 5 10 15 20 40 60 80 90 100 转化率％ 100 100 80 62.5 28.8 16.7 9.8 5.9 1 z3. 硝酸的乙酸酐溶液 z（1）包含组分： zHNO3、H2NO3+、CH3COONO2、 CH3COONO2H+、NO2+、N2O5。 z（2）硝化特点： z①、硝化能力强，可在低温下进行硝化反 应，适用于易被氧化和为混酸分解的硝化 反应； z②、乙酸酐对有机物有良好的溶解性，可 使反应处于均相，其酸性很小。一些容易 被混酸中硫酸破坏的有机物，可在此硝化 剂中顺利的硝化。 z③、硝化反应生成的水可使乙酸酐水解生 成乙酸，所需要硝酸的量不必过量很多。 z（4）使用方法 z常用浓度：含硝酸10～30％的乙酸酐溶液。 z使用前临时配制。 z（3）硝化范围：广泛用于芳烃、杂环化合物、 不饱和烃、胺、醇以及肟的硝化。 4(CH3CO)2O + 4HNO3 6d C(NO2)4 + 7CH3COOH +CO2 z（5）其他溶剂 z乙酸、四氯化碳、二氯甲烷或硝基甲烷等。 z硝酸在这些有机溶剂中能缓慢产生NO2+，反 应比较温和。 z4. 有机硝酸酯 z（1）使用条件：在碱性介质或者酸性介质 中进行。 z（2）优点： z反应可在完全无水介质中进行。 z硝化不能在酸性条件下反应的化合物。如 酮、腈、酰胺、甲酸酯、磺酰酯以及杂环 化合物等。 z（3）常用试剂：硝酸乙酯。 z5. 氮的氧化物 z（1）三氧化二氮 z①制备：由一氧化氮和氧反应制得，或者 由一氧化氮与四氧化二氮反应制得。 z②适用条件： z在硫酸中对芳烃无硝化能力。 z主要在路易斯酸催化下进行亚硝化。 z（2）四氧化二氮 z①酸性条件下的离解 N2O4 + 3H2SO4 NO2 + NO + H3O + 3HSO4 z②水的影响 水/硫酸＝0.53（摩尔比）时，不产生NO2+。 z③使用条件 过量硫酸存在时，低温使芳烃硝化。一般在 常温（20～24℃）硝化苯、甲苯、氯苯等。 z（3）五氧化二氮 z①高介电常数溶剂中的离子化 z② N2O5在硝酸中的离解 N2O5 + 2H2SO4 2NO2 + H2O + 2HSO4 N2O5 NO2 + NO3 z6. 硝酸盐与硫酸 z（1）反应式 z（2）常用硝酸盐：硝酸钾、硝酸钠。 z（3）配比：硝酸盐：硫酸＝（0.1～0.4）：1 （质量比）。 z按照这种配比，硝酸盐几乎全部生成NO2+。 z（4）适用范围；适用于难硝化芳烃的硝化。 如苯甲酸、对氯苯甲酸等。 MNO3 + H2SO4 HNO3 + MHSO4 二、硝化剂的活泼质点 z1. 可以产生活泼质点的硝化剂 z（1）活泼质点的产生： z已经证实，多数硝化剂参加硝化反应的活性质 点为硝基阳离子。 z具有X-NO2通式的化合物，都可以产生NO2+。 X-NO2 X + NO2 HNO3 + 2H2SO4 NO2 + + H3O + + 2HSO4 - z（2）硝化能力： z分子中X的吸电能力越强，形成NO2+离子的 倾向越大，硝化能力也越强。 z各种硝化剂的硝化能力见103页表3－2。 2. 硝酸的活泼质点 z（1）无水硝酸产生活泼质点的特点 z纯硝酸，仅有1%的硝酸转化成NO2+，末解 离的硝酸分子约占97%，NO3-约1.5%， H2O约0.5%。 z（2）水分的影响 z当硝酸中水分增加时，硝化和氧化速度均 降低，但前者降低更多，氧化副反应相对 增加。浓硝酸在高温下氧化性特强。 （3）稀硝酸的活泼质点 z①活泼质点： z在稀硝酸中的活性质点不是NO2+，而是硝酸中存 在痕量(5×l0-4mol-1)的亚硝酸离解产生的NO+(亚硝 基阳离子)。 NO+ + OH -HNO2 z②反应历程： zNO+进攻芳环生成亚硝基化合物l，随即被 硝酸氧化成硝基化合物2，同时又产生 HNO2。 ③无亚硝酸的反应历程和特点： z只有待硝酸与此类化合物发生氧化反应， 生成少量的亚硝酸后，反应才能进行。 z但NO+的亲电性比NO2+弱得多，只有活性 高的芳环才用稀硝酸硝化。这时硝化反应 速度与芳烃及亚硝酸的浓度成正比。 三、硝化反应动力学 z1. 均相硝化动力学 z（1）在有机溶剂中硝化 z①芳香族化合物的硝化历程： HNO3 + H H2 NO3 快 （1） NO2 + ArH Ar H NO2 慢 （3） Ar H NO2 ArNO2 +H 快 （4） H2 NO3 NO2 + H2O 慢 （2） ②无水条件下的反应 z对于活泼的芳香族化合物，当反应系统中 不含水的时候，硝化反应是零级反应。 ③有水的影响 z增加的水的含量，反应级数逐渐由零级变 成一级。当水和纯硝酸的摩尔比接近0.22 时，硝化反应速度与芳烃浓度的关系转变 为一级反应。 （2）在浓硝酸中硝化 z①反应级数： z当硝基苯、对硝基氯苯或1-硝基蒽醌在大大 过量的浓硝酸中硝化时，硝化速度服从一 级动力学方程式。 v ＝ k [ArH] ②亚硝酸杂质的影响 z在浓硝酸中常存在少量亚硝酸杂质，它常 以N2O4的形式存在，当其浓度增大或加入 水分时。将生成少量N2O3。 2N2O4 +H2O N2O3 + 2HNO3 z N2O4及N2O3均可发生离子化。 z NO3-和NO2-都可以使H2+NO3脱质子化，阻碍了反 应的进行。 N2O4 NO + NO3 N2O3 NO + NO2 z③尿素的使用 z在浓硝酸中硝化时，加入尿素可以破坏亚 硝酸，增加硝化速度： CO(NH2)2 + 2HNO2 + 3H2O + 2N2CO2 （3）在浓硫酸中硝化 z①反应速度与硫酸浓度的关系 z硝基苯或蒽醌在浓硫酸介质中的硝化是一 个二级反应。动力学方程式如下： zv ＝ k [ArH] [HNO3] zk值是表观反应速度常数，其大小与硫酸浓 度相关。对芳烃类进行硝化时，发现当硫 酸浓度在90％左右时，反应速度常数为最 大值。 表3－1 在不同浓度硫酸中的硝化速度常数 （25℃） 化合物 90%硫酸k 100%硫酸k k(90%)/k(100%) 苯基三甲基铵盐 2.08 0.55 3.8 对氯苯基三甲基铵 盐 0.333 0.084 4.0 对硝基氯苯 0.432 0.057 7.6 硝基苯 3.22 0.37 8.7 蒽醌 0.148 0.0053 47 2. 非均相硝化动力学 z（1）概念：被硝化物与硝化剂介质互不相 溶的液相硝化反应，称为非均相硝化反应。 例如，苯或甲苯等的混酸硝化就是典型的 非均相硝化反应。 z（2）反应环境：主要在两相的界面处或者 酸相中进行，在有机相中反应很少 （<0.001％），甚至可以忽略。 （3）甲苯的硝化反应 zA 甲苯由有机相扩散至两相的界面。 zB 甲苯由相界面扩散至酸相。 zC 在扩散至酸相的同时，甲苯与硝化剂反 应生成一硝基甲苯。 zD 一硝基甲苯通过酸相扩散返回至两相界 面。 zE 一硝基甲苯从相界面扩散至有机相。 zF 硝酸从酸相向有机相扩散，在扩散途中与 甲苯进行反应。 zG 生成的水扩散至酸相。 zH 部分硝酸从相界面扩散至有机相。 （4）混酸的硫酸浓度变化的影响 z甲苯一硝化的初始反应速度对logk作图得到的曲 线(k为反应速度常数) （25℃，2500r • min－1）。 ①缓慢型，也称动力学型。 z特点：芳烃主要在酸相中发生反应，在相界面上反 应的数量很少。化学反应的速度是整个反应的控制 阶段。 甲苯在62.4～66.6％硫酸中的硝化，动力学方程： Ra ＝ k [HNO3] [T]a zRa ：单位体积的反应速度，mol·L－1·s－1； z k：均相反应的反应速度常数，L·mol－1·s－1； z [HNO3] ，[T]a：硝酸浓度和酸相中的甲苯浓 度，mol·L－1。 ②快速型，也称慢速传质型。 z 特点：反应主要在酸膜中或者两相的边界 层上进行。芳烃向酸膜中的扩散速度成了 整个硝化反应过程的控制阶段。即反应速 度受传质控制。 z甲苯在66.6～71.6％硫酸中硝化，动力学方 程如下： zRa ＝αK [T]a zα: 单位酸相容积的交界面积，cm2； zK: 总传质系数，cm·s－1。 z [T]a：酸相中的甲苯浓度，mol·L－1。 ③瞬间型，也称快速传质型。 z 特点：反应速度快，反应在两相界面上发生。 z甲苯在71.6－77.4％硫酸中硝化，动力学方程 如下（与传质和化学反应速度有关）： zRa ＝α（Dk [HNO3] ）1/2 [T]a zα：单位酸相容积的交界面积，cm2； z k：均相反应的反应速度常数，L·mol－1·s－1； zD：甲苯在酸相中的扩散系数，cm2·s－1。 z一般来说，芳烃在酸相中的溶解度越大， 反应速度受动力学控制的可能性就越大。 在影响非均相硝化反应速度的因素中，硫 酸浓度是重要的。 四、硝化反应历程 z1. 混酸硝化 NO2 NO2 П络合物 NO2 H 快 NO2＋ H σ络合物 慢 z2. 稀硝酸硝化 z硝化反应速度与芳烃和亚硝酸的浓度成正 比。 zv ＝ k [ArH] [HNO2] z由此推出亚硝化反应历程如下： ArH + HNO2 ArNO + H2O ArNO + HNO3 ArNO2 + HNO2 z3. 在酸酐中硝化 z除了NO2+正离子外，质子化的硝酰乙酸也 可发生亲电取代。 + CH3COONO2H O2N + CH3COOH + H z4. 芳烃的自位硝化 z概念：在已有取代基位置上，除氢以外对 其他基团的取代硝化反应。 R + Y R Y Y + R z5. 汞存在时的氧化硝化 z苯在汞的存在下，用稀硝酸硝化，反应历 程如下： Hg(NO3)2 HgNO3 + HNO3 HgNO3 N2O4 NO + Hg(NO3)2 NO NO N N + NO3 N N H2O OH + N2 + H OH HNO3 OHO2N + H2O 五、影响因素 z1. 被硝化物的性质 z（1）苯环取代基的影响 z①苯环上有供电子基。 z②苯环上连有吸电子基。 z③一般来说，带有吸电子基，主要生成 间位异构体，同时硝化产品中邻位异构 体的生成量往往远比对位异构体多。 （2）稠环硝化 ①萘的一硝化主要得1-硝基萘。蒽醌环一硝化时 硝基主要进入α位，少部分进入β位，同时生成 部分二硝基蒽醌。 O O z②吡咯、呋喃和噻吩 z在硝酸-醋酐中，硝基进入电子密度较高的α 位。 O S N H 呋喃 噻吩 吡咯 硝酸-乙酸酐溶液 z③咪唑环混酸硝化时，硝基进入4或5位。 氮原子上有甲基时，硝基主要进入5位。 N N CH3 4 5 1 2 3N N H 4 5 1 2 3 z④吡啶环硝基进入β位。喹啉不易在吡啶 环上引入硝基，只在苯环上引入。 N N 2. 硝化剂 （1）硝化剂的选择 z易于硝化的有机物可选用活性较低的硝化剂。 难于硝化的有机物适合选用强硝化剂进行硝化。 （2）硝化剂浓度的影响 z在浓度低和配比小的情况下，硝化反应不易发 生。反之，则易于进行，甚至生成多硝基化合 物。 （3）混酸组成的影响 z混酸内硫酸的浓度越大，其硝化能力越强。 z对于极难硝化的物质，还可采用三氧化硫与硝 酸的混合物作硝化剂，以提高硝化速度。 z混酸的硝化能力越强，则硝化产物的邻、对位 (或间位)选择性越低。如加适量水，使NO2+变成NO2－H2O+，后者活性低，位置选择性增强。 z向混酸中加入适量磷酸，可增加对位异构体的 收率。 （4）硝化介质的影响 z①带有强供电基的芳烃化合物在非质子溶剂中 硝化，得到较多邻位异构体。在质子化溶剂中 硝化得到较多对位异构体。 z②原因：在质子化试剂中反应，富电子原子易 被氢键溶剂化，增加取代基的体积，使邻位取 代受到空间位阻的影响。 3. 温度 （1）均相硝化反应中温度的影响 z影响反应速度和生成物异构体的比例。 z一般易于硝化和易发生氧化副反应的芳烃（如： 酚，酚醚等）可采用低温硝化，含有硝基或磺 基等较稳定的芳烃应在较高温度下硝化。 （2）在非均相系统中温度影响 z硝化温度升高，对扩散系数增高、被硝化物和 产物在酸相中的溶解度增加、由HNO3离解成 NO2+的量增多、硝化反应速度常数增大等都 将影响。正因如此，硝化速度常数随温度的变 化是不规则的。 z（3）安全影响 z混酸中的硫酸被反应生成的水稀释还将产生稀释 热，稀释热量约为反应热的7.5~10%。苯的一硝 化反应热可达142kJ/mol。一般芳环一硝化的反 应热也有约126kJ/mol。 z如热量不能及时移除，势必会使反应温度迅速上 升，引起副反应；同时还将造成硝酸的大量分 解，产生大量红棕色二氧化氮气体。 4. 搅拌 z（1）搅拌的作用 z甲苯在小型设备中进行非均相硝化，转数从 300r·min-1提高到1100 r·min-1，转化率快速增 加，转数超过1100 r·min-1时，转化率即无明 显变化。 z工业生产中的转数，随硝化锅体积(1~4m3)或 直径(约0.5~2m)的大小而定，通常要求在 100~400 r·min-1范围内。 z环式或泵式硝化器的转数：2000~3000 r·min-1。 z（2）搅拌的安全操作 5. 相比与硝酸比 z（1）相比概念：相比是指混酸与被硝化物 的重量比，有时也称酸油比。 z（2）相比的影响 z相比在一定范围内增大时，不仅有利于反 应热和稀释热的分散和传递，同时可明显 加快硝化速度，大大提高设备的生产能力。 z工业上常用的一种方法是向硝化器中加入 一定量上批硝化的废酸来增加相比。 （3）硝酸比的概念：硝酸和被硝化物的摩尔 比。 z理论上两者应是等当量的，但实际上硝酸的 用量往往高于理论量。 z采用混酸为硝化剂时，易硝化的物质硝酸过 量1~5%，难硝化的物质需要过量10~20%或 更多。 6. 硝化副反应 z（1）主要副反应：多硝化，氧化和生成配 合物。 z（2）避免多硝化方法：控制混酸的硝化能 力、硝酸比、循环废酸的用量、反应温度 和采用低硝酸含量的混酸。 （3）氧化 ①氧化的发生 z主要是在芳环上引入羟基。如甲苯一硝化 生成硝基酚类。 ②处理手段 z硝化后分离出的粗产品硝基物异构体混合 物必须用稀碱液充分洗涤，除去硝基酚 类，否则，在粗产品脱水和用精馏法分离 异构体时有爆炸危险； z在生产中要严格控制硝化条件，防止硝酸分解， 必要时可加入适量的尿素破坏硝酸分解产生的二 氧化氮。 z硝化器上应配有良好的排气装置和吸收二氧化氮 的装置，以利于二氧化氮气体的及时排出。此 外，硝化器安装防爆孔以防意外。 4CO(NH2)2 + 3N2O4 + 8H2O + 7N24CO2 （3）有色配合物的生成 z①配合物结构式： z②相应现象：硝化液往往出现颜色变深、 发黑发暗现象。 C6H5CH3 2ONOSO3H 3H2SO4 z③原因：硝酸用量不足。 z④处理方法：45－55℃补加硝酸以破坏配 合物。若温度高于65℃，因体系放热使温 度上升至85－90℃，生成深褐色树脂状物 质，则无法处理。 精细有机合成单元反应 学习目标： 第一节 硝化慨述 三、硝化反应的特点 四、常用硝化方法 第二节 硝化反应基本原理 1. 硝酸�（1）离解特点：�纯硝酸、发烟硝酸和浓硝酸很少离解，主要以分子形态存在。�（2）离解方式： 二 、硝化剂的活泼质点 ③无亚硝酸的反应历程和特点： 三 、硝化反应动力学 （2）在浓硝酸中硝化 （3）在浓硫酸中硝化� 表3－1 在不同浓度硫酸中的硝化速度常数（25℃） 2. 非均相硝化动力学 （3）甲苯的硝化反应步骤 （4）混酸的硫酸浓度变化的影响 四 、硝化反应历程 五、影响因素 （2）稠环硝化�①萘的一硝化主要得1-硝基萘。蒽醌环一硝化时硝基主要进入α位，少部分进入β位，同时生成部分二硝基蒽醌。 2. 硝化剂 （3）混酸组成的影响� （4）硝化介质的影响� 3. 温度 （2）在非均相系统中温度影响 4. 搅拌 5. 相比与硝酸比� 6. 硝化副反应