第二章 2精细有机合成的基本反应(硝化反应)

1 第二章第二章第二章第二章 精细有机合成的基本反应精细有机合成的基本反应精细有机合成的基本反应精细有机合成的基本反应 2.1 概概概概 述述述述 2.2 磺化磺化磺化磺化/硫酸化反应硫酸化反应硫酸化反应硫酸化反应 2.3 硝化和亚硝化反应硝化和亚硝化反应硝化和亚硝化反应硝化和亚硝化反应 2.4 卤化反应卤化反应卤化反应卤化反应 2.5 氧化反应氧化反应氧化反应氧化反应 2.6 氢化和还原反应氢化和还原反应氢化和还原反应氢化和还原反应 2.7 氨解和胺化反应氨解和胺化反应氨解和胺化反应氨解和胺化反应 2.8 酰化和酯化反应酰化和酯化反应酰化和酯化反应酰化和酯化反应 2.9 水解反应水解反应水解反应水解反应 2 3 2.3 硝化硝化硝化硝化/亚硝化反应亚硝化反应亚硝化反应亚硝化反应 2.3.5 亚硝化亚硝化亚硝化亚硝化 2.3.4 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 2.3.3 硝化硝化方法硝化方法硝化方法 2.3.2 硝化反应原理与副反应硝化反应原理与副反应硝化反应原理与副反应硝化反应原理与副反应 2.3.1 概概概概 述述述述 4 2.3.1 概概概概 述述述述 一一一一、、、、硝化反应类型硝化反应类型硝化反应类型硝化反应类型：：：： (1) C－－－－硝化硝化硝化硝化 指硝基与碳原子相连接的反应指硝基与碳原子相连接的反应指硝基与碳原子相连接的反应指硝基与碳原子相连接的反应，，，，得到得到得到得到 的产物称为硝基化合物的产物称为硝基化合物的产物称为硝基化合物的产物称为硝基化合物（（（（C－－－－NO2）；）；）；）； (2) O－－－－硝化硝化硝化硝化 指硝基与氧原子相连接的反应指硝基与氧原子相连接的反应指硝基与氧原子相连接的反应指硝基与氧原子相连接的反应，，，，得到的得到的得到的得到的 产物是硝酸酯产物是硝酸酯产物是硝酸酯产物是硝酸酯（（（（C－－－－ O－－－－ NO2））））,可看作酯化反应可看作酯化反应可看作酯化反应可看作酯化反应；；；； (3) N－－－－硝化硝化硝化硝化 指硝基与氮原子相连接的反应指硝基与氮原子相连接的反应指硝基与氮原子相连接的反应指硝基与氮原子相连接的反应，，，，得到得到得到得到 的产物是硝胺的产物是硝胺的产物是硝胺的产物是硝胺（（（（NH－－－－NO2）。）。）。）。 问问题问题问题：：：： 1. 硝化反应主要有哪些类型硝化反应主要有哪些类型硝化反应主要有哪些类型硝化反应主要有哪些类型？？？？ 2.芳环上引入硝基的有哪些方面的芳环上引入硝基的有哪些方面的芳环上引入硝基的有哪些方面的芳环上引入硝基的有哪些方面的 应用应用应用应用？？？？ 5 二二二二、、、、芳烃环上引入硝基的主要目的芳烃环上引入硝基的主要目的芳烃环上引入硝基的主要目的芳烃环上引入硝基的主要目的：：：： � (1) 将将将将-NO2转化为转化为转化为转化为-NH2 ；；；； � (2) 利用硝基的利用硝基的利用硝基的利用硝基的是一个强吸电子基团是一个强吸电子基团是一个强吸电子基团是一个强吸电子基团，，，，使芳环使芳环使芳环使芳环 上的亲核取代反应易于发生上的亲核取代反应易于发生上的亲核取代反应易于发生上的亲核取代反应易于发生。。。。 Cl 2NaOH+ ONa NaCl H2O+ + 10% NaOH 350-400℃℃℃℃,20-30MPa Cl NO2 2NaOH+ ONa NO2 NaCl H2O+ + 10% NaOH 160℃℃℃℃,0.6MPa Cl NO2 NO2 2NaOH+ ONa NO2 NO2 NaCl H2O+ + 10% NaOH 100℃℃℃℃,常压常压常压常压 6 (3) 将将将将-NO2转化为氧化偶氮化合物转化为氧化偶氮化合物转化为氧化偶氮化合物转化为氧化偶氮化合物、、、、偶氮化合物偶氮化合物偶氮化合物偶氮化合物 （（（（-N=N- ）、）、）、）、氢化偶氮化合物氢化偶氮化合物氢化偶氮化合物氢化偶氮化合物、、、、亚硝基化合物亚硝基化合物亚硝基化合物亚硝基化合物、、、、 羟胺羟胺羟胺羟胺（（（（-NHOH））））等等等等，，，，芳伯胺经重氮化后形成重氮芳伯胺经重氮化后形成重氮芳伯胺经重氮化后形成重氮芳伯胺经重氮化后形成重氮 盐盐盐盐，，，，用可发生一系列的变化用可发生一系列的变化用可发生一系列的变化用可发生一系列的变化，，，，实现官能团转换实现官能团转换实现官能团转换实现官能团转换。。。。 NO2 NaAsO3 NN O Fe,NaOH NN Zn+NaOH NHNH Fe,HCl Zn ,H2O NO Zn +NH4Cl NHOH NH2 Fe,or Sn+HCl Fe,or Sn+ HCl 7 H+N NCl + - -H H2O -OH -CN -COOH -Cl -Br -I -F N2Cl + - （（（（或或或或 ）））） （（（（ H3PO2或或或或 HCHO + NaOH）））） Cu2Cl2 + HCl Cu2Br2 + HCl KI 加热加热加热加热 HBF4 加热加热加热加热 H2O 加热加热加热加热 NO2 NaNO2 催化剂催化剂催化剂催化剂 NH2 N NCl + NaNO2 + - + NaCl + H2O HCl 0 ℃℃℃℃ ~5℃℃℃℃ 8 � (4) 硝基硝基硝基硝基是一个发色团是一个发色团是一个发色团是一个发色团，，，，影响染料色泽影响染料色泽影响染料色泽影响染料色泽。。。。 � (5) 硝基化合物还具有药理作用硝基化合物还具有药理作用硝基化合物还具有药理作用硝基化合物还具有药理作用，，，，影响药物的医疗效果影响药物的医疗效果影响药物的医疗效果影响药物的医疗效果。。。。 � (6) 引入硝基后能产生特殊的香味引入硝基后能产生特殊的香味引入硝基后能产生特殊的香味引入硝基后能产生特殊的香味，，，，增加溶解能力等增加溶解能力等增加溶解能力等增加溶解能力等。。。。 CH3 NO3 NO3 O3N CH3(H3C)3C 人造麝香人造麝香人造麝香人造麝香 3-叔丁基叔丁基叔丁基叔丁基-2,4,6-三硝基二甲苯三硝基二甲苯三硝基二甲苯三硝基二甲苯药物药物药物药物：：：：痢特灵痢特灵痢特灵痢特灵呋喃唑酮呋喃唑酮呋喃唑酮呋喃唑酮 9 1. 芳香族化合物芳香族化合物芳香族化合物芳香族化合物 (1) 硝化反应含义硝化反应含义硝化反应含义硝化反应含义 有机化合物碳上的氢被硝基取代的反应称为硝化反应有机化合物碳上的氢被硝基取代的反应称为硝化反应有机化合物碳上的氢被硝基取代的反应称为硝化反应有机化合物碳上的氢被硝基取代的反应称为硝化反应 。 2.3.2 硝化反应原理与副反应硝化反应原理与副反应硝化反应原理与副反应硝化反应原理与副反应 NO2 + 浓浓浓浓HNO3 +浓浓浓浓H2SO4 50~60oC, 98% + H2O 10 (2) 反应机理反应机理反应机理反应机理 O N H O O H2SO4 O N H H O O H2O N O O + + (1) HNO3 + 2H2SO4 H3O+ + +NO2 + 2 HSO4- H ++ +NO2 NO2(2) NO2H + + HSO4- + H2SO4(3) NO2 11 (3)硝化反应中的主要副反应硝化反应中的主要副反应硝化反应中的主要副反应硝化反应中的主要副反应：：：： ①①①① 芳环上氧化芳环上氧化芳环上氧化芳环上氧化 当芳环上有供电子基时当芳环上有供电子基时当芳环上有供电子基时当芳环上有供电子基时，，，，在硝化过程中比较容易生成在硝化过程中比较容易生成在硝化过程中比较容易生成在硝化过程中比较容易生成酚类酚类酚类酚类 副产物副产物副产物副产物，，，，为了减少酚的生成为了减少酚的生成为了减少酚的生成为了减少酚的生成，，，，应随时排出产生的应随时排出产生的应随时排出产生的应随时排出产生的二氧化氮二氧化氮二氧化氮二氧化氮。。。。 ②②②② 侧链上氧化侧链上氧化侧链上氧化侧链上氧化 在硝化过程中芳环上的烷基有可能被氧化在硝化过程中芳环上的烷基有可能被氧化在硝化过程中芳环上的烷基有可能被氧化在硝化过程中芳环上的烷基有可能被氧化。。。。例如例如例如例如，，，，当乙苯当乙苯当乙苯当乙苯 硝化时可生成的副产物有苯乙硝化时可生成的副产物有苯乙硝化时可生成的副产物有苯乙硝化时可生成的副产物有苯乙酮酮酮酮、、、、苯甲苯甲苯甲苯甲醛醛醛醛以及苯甲以及苯甲以及苯甲以及苯甲醇醇醇醇等化合等化合等化合等化合 物物物物。。。。实验证明实验证明实验证明实验证明，，，，二氧化氮二氧化氮二氧化氮二氧化氮是使烷基产生氧化的有效氧化剂是使烷基产生氧化的有效氧化剂是使烷基产生氧化的有效氧化剂是使烷基产生氧化的有效氧化剂。。。。 ③③③③ 多元酚或氨基酚在硝化时易氧化成醌类多元酚或氨基酚在硝化时易氧化成醌类多元酚或氨基酚在硝化时易氧化成醌类多元酚或氨基酚在硝化时易氧化成醌类。。。。 ④④④④ 多取代苯的烷基多取代苯的烷基多取代苯的烷基多取代苯的烷基、、、、卤基卤基卤基卤基、、、、烷氧基烷氧基烷氧基烷氧基、、、、羰基和磺酸基都可能羰基和磺酸基都可能羰基和磺酸基都可能羰基和磺酸基都可能 在硝化发生在硝化发生在硝化发生在硝化发生去烃基去烃基去烃基去烃基、、、、置换等副反应置换等副反应置换等副反应置换等副反应。。。。 12 (3) 硝化反应中副反应硝化反应中副反应硝化反应中副反应硝化反应中副反应：：：： � 硝酸分解硝酸分解硝酸分解硝酸分解 � 氧化氧化氧化氧化((((主要生成硝基酚类主要生成硝基酚类主要生成硝基酚类主要生成硝基酚类））））[[[[主要副反应主要副反应主要副反应主要副反应]]]] � 多硝化多硝化多硝化多硝化 � 烷基或多烷基苯消化时易形成黑色络合物烷基或多烷基苯消化时易形成黑色络合物烷基或多烷基苯消化时易形成黑色络合物烷基或多烷基苯消化时易形成黑色络合物 C6H5CH3•2ONOSO3H•3H2SO3）））） 13 2.3.3 硝化方法硝化方法硝化方法硝化方法 １１１１．．．．直接硝化法直接硝化法直接硝化法直接硝化法 (1) 稀硝酸硝化法稀硝酸硝化法稀硝酸硝化法稀硝酸硝化法 (2) 浓硝酸硝化法浓硝酸硝化法浓硝酸硝化法浓硝酸硝化法 (3) 混酸硝化法混酸硝化法混酸硝化法混酸硝化法 (4) 硝酸乙酰法硝酸乙酰法硝酸乙酰法硝酸乙酰法 ２２２２．．．．间接硝化法间接硝化法间接硝化法间接硝化法 (1) 磺基的取代硝化磺基的取代硝化磺基的取代硝化磺基的取代硝化 (2) 重氮基的取代硝化重氮基的取代硝化重氮基的取代硝化重氮基的取代硝化 问题问题问题问题：：：： 1. 硝酸在硝化反应中硝酸在硝化反应中硝酸在硝化反应中硝酸在硝化反应中 有哪些作用有哪些作用有哪些作用有哪些作用？？？？ 2. 硝酸的氧化能力和硝酸的氧化能力和硝酸的氧化能力和硝酸的氧化能力和 硝化能力与浓度的关硝化能力与浓度的关硝化能力与浓度的关硝化能力与浓度的关 系系系系？？？？ 3. 不同的硝化方法各不同的硝化方法各不同的硝化方法各不同的硝化方法各 有什么特征有什么特征有什么特征有什么特征？？？？ 14 问题问题问题问题 1. 硝酸在硝化反应中有哪些作用硝酸在硝化反应中有哪些作用硝酸在硝化反应中有哪些作用硝酸在硝化反应中有哪些作用？？？？ 硝酸在硝化反应中既有硝酸在硝化反应中既有硝酸在硝化反应中既有硝酸在硝化反应中既有硝化剂硝化剂硝化剂硝化剂又有又有又有又有氧化剂氧化剂氧化剂氧化剂的作用的作用的作用的作用。。。。 问题问题问题问题 2. 硝酸的氧化能力和硝化能力与浓度的关系硝酸的氧化能力和硝化能力与浓度的关系硝酸的氧化能力和硝化能力与浓度的关系硝酸的氧化能力和硝化能力与浓度的关系？？？？ 硝酸的硝酸的硝酸的硝酸的氧化能力氧化能力氧化能力氧化能力随着硝酸随着硝酸随着硝酸随着硝酸浓度的降低而增强浓度的降低而增强浓度的降低而增强浓度的降低而增强（（（（直至直至直至直至 某一极限某一极限某一极限某一极限）；）；）；）； 硝化能力硝化能力硝化能力硝化能力则随其则随其则随其则随其浓度的降低而减弱浓度的降低而减弱浓度的降低而减弱浓度的降低而减弱。。。。 15 １１１１．．．．直接硝化法直接硝化法直接硝化法直接硝化法 (1)稀硝酸硝化法稀硝酸硝化法稀硝酸硝化法稀硝酸硝化法 适用与此法的有机物主要有适用与此法的有机物主要有适用与此法的有机物主要有适用与此法的有机物主要有：：：： NHCOCH 3 ①①①① 易被硝化的芳香族化合物易被硝化的芳香族化合物易被硝化的芳香族化合物易被硝化的芳香族化合物（（（（有使苯环活化的取代基有使苯环活化的取代基有使苯环活化的取代基有使苯环活化的取代基）））） CH3 CH2CH3 ②②②② 低级烷基取代苯亦可用稀硝酸进行侧链硝化低级烷基取代苯亦可用稀硝酸进行侧链硝化低级烷基取代苯亦可用稀硝酸进行侧链硝化低级烷基取代苯亦可用稀硝酸进行侧链硝化（（（（浓度相当浓度相当浓度相当浓度相当 稀时稀时稀时稀时，，，，亦将导致侧链氧化亦将导致侧链氧化亦将导致侧链氧化亦将导致侧链氧化。）。）。）。） OCH2CH3 ③③③③ 芳烃芳烃芳烃芳烃 16 (2) 浓硝酸硝化法浓硝酸硝化法浓硝酸硝化法浓硝酸硝化法 主要适用主要适用主要适用主要适用：：：：芳香族化合物的硝化芳香族化合物的硝化芳香族化合物的硝化芳香族化合物的硝化；；；； 主要特征主要特征主要特征主要特征：：：：硝酸过量很多倍硝酸过量很多倍硝酸过量很多倍硝酸过量很多倍，，，，需回收利用需回收利用需回收利用需回收利用；；；；应用不广应用不广应用不广应用不广。。。。 硝化硝化工艺硝化工艺硝化工艺：：：：蒽醌蒽醌蒽醌蒽醌与与与与98%硝酸硝酸硝酸硝酸的摩尔比为的摩尔比为的摩尔比为的摩尔比为1:15，，，，在在在在25℃℃℃℃下反下反下反下反 应应应应，，，，使未反应蒽醌量小于使未反应蒽醌量小于使未反应蒽醌量小于使未反应蒽醌量小于2%结束结束结束结束，，，，然后与副产物然后与副产物然后与副产物然后与副产物2－－－－硝基硝基硝基硝基 蒽醌蒽醌蒽醌蒽醌、、、、二硝基蒽醌分离精制二硝基蒽醌分离精制二硝基蒽醌分离精制二硝基蒽醌分离精制。。。。 在此例中在此例中在此例中在此例中硝酸的用量很大硝酸的用量很大硝酸的用量很大硝酸的用量很大的原因的原因的原因的原因：：：： ①①①①反应中生成的水使硝酸浓度降低反应中生成的水使硝酸浓度降低反应中生成的水使硝酸浓度降低反应中生成的水使硝酸浓度降低，，，，硝化反应速度不断下硝化反应速度不断下硝化反应速度不断下硝化反应速度不断下 降或终止降或终止降或终止降或终止；；；； ②②②②氧化反应显著增加氧化反应显著增加氧化反应显著增加氧化反应显著增加，，，，甚至有时会发生侧链氧化反应甚至有时会发生侧链氧化反应甚至有时会发生侧链氧化反应甚至有时会发生侧链氧化反应；；；； ③③③③ 硝酸浓度降低时硝酸浓度降低时硝酸浓度降低时硝酸浓度降低时，，，，硝化能力降低硝化能力降低硝化能力降低硝化能力降低，，，，不利于硝化不利于硝化不利于硝化不利于硝化。。。。 例如例如例如例如：：：： O O O O NO2 HNO3+ 98% + H2O 17 (3) 混酸硝化法混酸硝化法混酸硝化法混酸硝化法 不适用不适用不适用不适用：：：：易发生磺化的化合物易发生磺化的化合物易发生磺化的化合物易发生磺化的化合物 优点优点优点优点：：：： ①①①① 混酸比硝酸能产生更多的硝基正离子混酸比硝酸能产生更多的硝基正离子混酸比硝酸能产生更多的硝基正离子混酸比硝酸能产生更多的硝基正离子，，，，硝化能力强硝化能力强硝化能力强硝化能力强，，，，反应反应反应反应 速度快速度快速度快速度快、、、、产率高产率高产率高产率高。。。。 ②②②② 氧化能力降低氧化能力降低氧化能力降低氧化能力降低，，，，不易产生氧化的副反应不易产生氧化的副反应不易产生氧化的副反应不易产生氧化的副反应，，，，硝酸利用率高硝酸利用率高硝酸利用率高硝酸利用率高；；；； ③③③③ 混酸与有机物混酸与有机物混酸与有机物混酸与有机物混溶性好混溶性好混溶性好混溶性好，，，，使硝化易于进行使硝化易于进行使硝化易于进行使硝化易于进行，，，，混酸减少了硝混酸减少了硝混酸减少了硝混酸减少了硝 化热效应化热效应化热效应化热效应，，，，不至于局部过热而温度难于控制不至于局部过热而温度难于控制不至于局部过热而温度难于控制不至于局部过热而温度难于控制；；；； ④④④④ 混酸的混酸的混酸的混酸的腐蚀性小腐蚀性小腐蚀性小腐蚀性小。。。。 18 (4) 硝酸乙酰法硝酸乙酰法硝酸乙酰法硝酸乙酰法 硝酸乙酰为硝酸乙酰为硝酸乙酰为硝酸乙酰为强硝化剂强硝化剂强硝化剂强硝化剂，，，，反应速度快且无水生成反应速度快且无水生成反应速度快且无水生成反应速度快且无水生成，，，，反应条反应条反应条反应条 件缓和件缓和件缓和件缓和，，，，可在较低温度下进行反应可在较低温度下进行反应可在较低温度下进行反应可在较低温度下进行反应。。。。硝化时硝化时硝化时硝化时－－－－NO2主要主要主要主要 进入第一类取代基的邻位进入第一类取代基的邻位进入第一类取代基的邻位进入第一类取代基的邻位，，，，为邻位硝化剂为邻位硝化剂为邻位硝化剂为邻位硝化剂，，，，其硝化产物其硝化产物其硝化产物其硝化产物 几乎全为一硝基化合物几乎全为一硝基化合物几乎全为一硝基化合物几乎全为一硝基化合物。。。。 19 2．．．．间接硝化法间接硝化法间接硝化法间接硝化法 (1) 磺基的取代硝化磺基的取代硝化磺基的取代硝化磺基的取代硝化 适用与此法的有机物主要有适用与此法的有机物主要有适用与此法的有机物主要有适用与此法的有机物主要有：：：： OH ①①①① 芳香族化合物或杂环化合物上的芳香族化合物或杂环化合物上的芳香族化合物或杂环化合物上的芳香族化合物或杂环化合物上的－－－－SO3H，，，，用硝酸处用硝酸处用硝酸处用硝酸处 理理理理，，，，可被可被可被可被－－－－NO2置换生成硝基化合物置换生成硝基化合物置换生成硝基化合物置换生成硝基化合物：：：： ②②②② 酚或酚醚类直接硝化酚或酚醚类直接硝化酚或酚醚类直接硝化酚或酚醚类直接硝化，，，，易于氧化易于氧化易于氧化易于氧化。。。。 OCH3 ③③③③ 当苯环上同时存在羟基当苯环上同时存在羟基当苯环上同时存在羟基当苯环上同时存在羟基（（（（或烷氧基或烷氧基或烷氧基或烷氧基））））和醛基时和醛基时和醛基时和醛基时，，，，若采用若采用若采用若采用 先磺化后硝化的方法先磺化后硝化的方法先磺化后硝化的方法先磺化后硝化的方法，，，，则醛基不受影响则醛基不受影响则醛基不受影响则醛基不受影响。。。。 OH OH CHOCH3O OH CHOCH3O SO3H OH CHOCH3O NO2 H2SO4 HNO3 20 (2) 重氮基的取代硝化重氮基的取代硝化重氮基的取代硝化重氮基的取代硝化 芳香族重氮盐用亚硝酸钠处理芳香族重氮盐用亚硝酸钠处理芳香族重氮盐用亚硝酸钠处理芳香族重氮盐用亚硝酸钠处理，，，，然后分解成芳香族硝基然后分解成芳香族硝基然后分解成芳香族硝基然后分解成芳香族硝基 化合物化合物化合物化合物，，，，如如如如：：：： ArN2+Cl－－－－ + NaNO2 ArNO2 + N2 + NaCl NH2 N NCl + NaNO2 + - + NaCl + H2O HCl 0 ℃℃℃℃ ~5℃℃℃℃ 21 2.2.4 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素: 有机物结构有机物结构有机物结构有机物结构，，，，硝化剂硝化剂硝化剂硝化剂，，，，反应温反应温反应温反应温 度度度度及及及及溶剂溶剂溶剂溶剂等等等等，，，，均会影响硝化产物的结构和收率均会影响硝化产物的结构和收率均会影响硝化产物的结构和收率均会影响硝化产物的结构和收率。。。。 1. 被硝化物的结构被硝化物的结构被硝化物的结构被硝化物的结构 2. 硝化剂硝化剂硝化剂硝化剂 3. 温度温度温度温度 4. 溶剂溶剂溶剂溶剂 5. 相比与硝酸比相比与硝酸比相比与硝酸比相比与硝酸比 6. 搅拌搅拌搅拌搅拌 22 硝基进入芳环的位置和硝化速率与已有取代基团定硝基进入芳环的位置和硝化速率与已有取代基团定硝基进入芳环的位置和硝化速率与已有取代基团定硝基进入芳环的位置和硝化速率与已有取代基团定 位类型有关位类型有关位类型有关位类型有关：：：： 一类基团一类基团一类基团一类基团：：：：**如如如如－－－－R、－、－、－、－O－、－－、－－、－－、－NR2、－、－、－、－NHR、、、、 －－－－NH2、、、、 －－－－OH、－、－、－、－NHCOR等可使苯环活化等可使苯环活化等可使苯环活化等可使苯环活化，，，，硝化速度快硝化速度快硝化速度快硝化速度快；；；； **－－－－F、－、－、－、－Cl、－、－、－、－Br、－、－、－、－I 、－、－、－、－CH2Cl、－、－、－、－CH2F等可使苯环等可使苯环等可使苯环等可使苯环 钝化钝化钝化钝化，，，，但使硝基进入邻但使硝基进入邻但使硝基进入邻但使硝基进入邻、、、、对位对位对位对位；；；； 二类基团二类基团二类基团二类基团如如如如－－－－N+R3、－、－、－、－NO2、－、－、－、－CN、－、－、－、－SO3H、－、－、－、－CHO、－、－、－、－ COR、－、－、－、－COOR、－、－、－、－COOH、－、－、－、－CONH2、－、－、－、－CCl3、－、－、－、－NH3等等等等 可使苯环钝化可使苯环钝化可使苯环钝化可使苯环钝化，，，，硝化反应速度慢硝化反应速度慢硝化反应速度慢硝化反应速度慢，，，，使硝基将进入间位使硝基将进入间位使硝基将进入间位使硝基将进入间位。。。。 (1) 芳环上已有取代基团对的硝化反应影响芳环上已有取代基团对的硝化反应影响芳环上已有取代基团对的硝化反应影响芳环上已有取代基团对的硝化反应影响：：：： 1. 1. 1. 1. 被硝化物的结构被硝化物的结构被硝化物的结构被硝化物的结构 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 23 � 苯系苯系苯系苯系 � 萘系萘系萘系萘系 � 蒽醌蒽醌蒽醌蒽醌 NO2 O O NO 2 O O NO2 O O NO2 NO2 (((( )))) R取代基对取代基对取代基对取代基对 硝化反应速度的影响硝化反应速度的影响硝化反应速度的影响硝化反应速度的影响 10101010----777710101010----5555～～～～----777710101010----4444111124.524.524.524.51000100010001000vvvv相对相对相对相对 N+(CH3)3NO2CNHOCH3OHR 24 C 吡啶环吡啶环吡啶环吡啶环 (2) 杂环烃类化合物的硝化杂环烃类化合物的硝化杂环烃类化合物的硝化杂环烃类化合物的硝化 N H O S A 呋喃呋喃呋喃呋喃、、、、噻吩噻吩噻吩噻吩、、、、吡咯吡咯吡咯吡咯 B 咪唑环咪唑环咪唑环咪唑环 N H N N N CH3 D 喹啉环上引入硝基喹啉环上引入硝基喹啉环上引入硝基喹啉环上引入硝基，，，， 只能在苯环上引入只能在苯环上引入只能在苯环上引入只能在苯环上引入。。。。 N N 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 25 2.2.2.2.硝化剂硝化剂硝化剂硝化剂 （（（（1）））） 硝化剂种类硝化剂种类硝化剂种类硝化剂种类：：：： ①①①① 稀硝酸稀硝酸稀硝酸稀硝酸 ②②②② 浓硝酸浓硝酸浓硝酸浓硝酸 ③③③③ 混酸混酸混酸混酸(HNO3+H2SO4) ④④④④ 硝基阳离子结晶盐硝基阳离子结晶盐硝基阳离子结晶盐硝基阳离子结晶盐(NO2BF4) ⑤⑤⑤⑤ 硝酸硝酸硝酸硝酸+醋酐醋酐醋酐醋酐（（（（硝酸乙酰硝酸乙酰硝酸乙酰硝酸乙酰）））） ⑥⑥⑥⑥ 硝酸酯硝酸酯硝酸酯硝酸酯 问题问题问题问题：：：： 1. 硝化剂有哪些硝化剂有哪些硝化剂有哪些硝化剂有哪些？？？？ 2. 各种硝化剂适合于哪类有机各种硝化剂适合于哪类有机各种硝化剂适合于哪类有机各种硝化剂适合于哪类有机 物的硝化反应物的硝化反应物的硝化反应物的硝化反应？？？？ 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 26 （（（（2））））各种硝化剂的特征各种硝化剂的特征各种硝化剂的特征各种硝化剂的特征：：：： ①①①① 稀硝酸稀硝酸稀硝酸稀硝酸：：：：弱硝化剂弱硝化剂弱硝化剂弱硝化剂，，，，适用于易硝化的芳烃及取适用于易硝化的芳烃及取适用于易硝化的芳烃及取适用于易硝化的芳烃及取 代芳烃代芳烃代芳烃代芳烃。。。。 ②②②② 浓硝酸浓硝酸浓硝酸浓硝酸：：：：芳香族化合物的硝化芳香族化合物的硝化芳香族化合物的硝化芳香族化合物的硝化，，，，需用过量很多需用过量很多需用过量很多需用过量很多 倍的硝酸倍的硝酸倍的硝酸倍的硝酸。。。。 （（（（过量的硝酸需设法利用或回收过量的硝酸需设法利用或回收过量的硝酸需设法利用或回收过量的硝酸需设法利用或回收，，，，因因因因 而其应用受到限制而其应用受到限制而其应用受到限制而其应用受到限制。）。）。）。） ③③③③ 混酸混酸混酸混酸(HNO3+H2SO4)：：：：硝化能力较强硝化能力较强硝化能力较强硝化能力较强，，，，氧化能氧化能氧化能氧化能 力较低力较低力较低力较低，，，，适用于芳香族化合物的硝化适用于芳香族化合物的硝化适用于芳香族化合物的硝化适用于芳香族化合物的硝化，，，，不适用于不适用于不适用于不适用于 易发生磺化的化合物易发生磺化的化合物易发生磺化的化合物易发生磺化的化合物。。。。 应用最广泛应用最广泛应用最广泛应用最广泛 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 27 混酸硝化法还具有以下特点混酸硝化法还具有以下特点混酸硝化法还具有以下特点混酸硝化法还具有以下特点：：：： ⅠⅠⅠⅠ 被硝化物或硝化产物在反应温度下是液态的被硝化物或硝化产物在反应温度下是液态的被硝化物或硝化产物在反应温度下是液态的被硝化物或硝化产物在反应温度下是液态的，，，， 而且不溶于废硫酸中而且不溶于废硫酸中而且不溶于废硫酸中而且不溶于废硫酸中，，，，因此因此因此因此，，，，硝化后可用分层法硝化后可用分层法硝化后可用分层法硝化后可用分层法 回收废酸回收废酸回收废酸回收废酸；；；； ⅡⅡⅡⅡ 硝酸用量接近于理论量或过量不多硝酸用量接近于理论量或过量不多硝酸用量接近于理论量或过量不多硝酸用量接近于理论量或过量不多,废硫酸经浓废硫酸经浓废硫酸经浓废硫酸经浓 缩后可再用于配制混酸缩后可再用于配制混酸缩后可再用于配制混酸缩后可再用于配制混酸,即即即即硫酸的消耗量很小硫酸的消耗量很小硫酸的消耗量很小硫酸的消耗量很小；；；； ⅢⅢⅢⅢ 混酸硝化是混酸硝化是混酸硝化是混酸硝化是非均相过程非均相过程非均相过程非均相过程，，，，要求硝化反应器装有要求硝化反应器装有要求硝化反应器装有要求硝化反应器装有 良好的搅拌装置良好的搅拌装置良好的搅拌装置良好的搅拌装置，，，，使酸相与有机相充分接触使酸相与有机相充分接触使酸相与有机相充分接触使酸相与有机相充分接触。。。。 28 ④④④④ 硝基阳离子结晶盐硝基阳离子结晶盐硝基阳离子结晶盐硝基阳离子结晶盐(NO2BF4)：：：：强硝化剂强硝化剂强硝化剂强硝化剂，，，，用于用于用于用于 难于硝化的物质难于硝化的物质难于硝化的物质难于硝化的物质。。。。 ⑤⑤⑤⑤ 硝酸硝酸硝酸硝酸+醋酐醋酐醋酐醋酐：：：：无氧化作用的强硝化剂无氧化作用的强硝化剂无氧化作用的强硝化剂无氧化作用的强硝化剂，，，，适用于易适用于易适用于易适用于易 被氧化或被混酸分解的芳烃硝化被氧化或被混酸分解的芳烃硝化被氧化或被混酸分解的芳烃硝化被氧化或被混酸分解的芳烃硝化。（。（。（。（如如如如：：：：乙酰苯乙酰苯乙酰苯乙酰苯 胺的硝化胺的硝化胺的硝化胺的硝化。）。）。）。） ⑥⑥⑥⑥ 硝酸酯硝酸酯硝酸酯硝酸酯：：：：适用于某些对酸不稳定的化合物适用于某些对酸不稳定的化合物适用于某些对酸不稳定的化合物适用于某些对酸不稳定的化合物 ，，，， 如如如如：：：：吡咯或吲哚的硝化吡咯或吲哚的硝化吡咯或吲哚的硝化吡咯或吲哚的硝化。。。。 29 （（（（3）））） 硝化试剂的选择与应用硝化试剂的选择与应用硝化试剂的选择与应用硝化试剂的选择与应用 OH NO2 OH NO2 ++ HNO3（（（（稀稀稀稀）））） + HNO3 H2SO4 （（（（60oC) NO2 Br Br NO2 + NO2 NO2 O2N + NO2BF4 FSO3H(氟代硫酸氟代硫酸氟代硫酸氟代硫酸) 150oC 实例一实例一实例一实例一 实例二实例二实例二实例二 实例三实例三实例三实例三 实例四实例四实例四实例四 Br OH NO2 NO2 N H C2H5ONa C2H5ONO2 N H NO2 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 30 3 3 3 3 温度温度温度温度 温度主要影响温度主要影响温度主要影响温度主要影响反应速率反应速率反应速率反应速率、、、、产物的组成产物的组成产物的组成产物的组成 和和和和安全生产安全生产安全生产安全生产。。。。 问题问题问题问题：：：： 硝化反应温度对硝化反应有何影响硝化反应温度对硝化反应有何影响硝化反应温度对硝化反应有何影响硝化反应温度对硝化反应有何影响？？？？ 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 �①①①①对硝化对硝化对硝化对硝化反应速率反应速率反应速率反应速率的影响的影响的影响的影响：：：：反应温度升高反应温度升高反应温度升高反应温度升高，，，，硝化硝化硝化硝化 反应速度加快反应速度加快反应速度加快反应速度加快。。。。 3.153.153.153.151.231.231.231.230.390.390.390.39 2.612.612.612.610.470.470.470.470.180.180.180.18 kkkk35353535℃℃℃℃////kkkk25252525℃℃℃℃kkkk35353535℃℃℃℃kkkk25252525℃℃℃℃硝化产物硝化产物硝化产物硝化产物 表表表表 温度对硝化反应速度的影响温度对硝化反应速度的影响温度对硝化反应速度的影响温度对硝化反应速度的影响 Cl NO2 NO2 Cl 31 ⅡⅡⅡⅡ反应温度升高反应温度升高反应温度升高反应温度升高，，，，反应选择性下降反应选择性下降反应选择性下降反应选择性下降。。。。 表表表表 氯苯硝化氯苯硝化氯苯硝化氯苯硝化温度对反应选择性的影响温度对反应选择性的影响温度对反应选择性的影响温度对反应选择性的影响 35.335.335.335.37.17.17.17.157.657.657.657.660606060 39.339.339.339.33.53.53.53.557.257.257.257.230303030 p,%p,%p,%p,%m,%m,%m,%m,%o,%o,%o,%o,%温度温度温度温度，，，，℃℃℃℃ 容易进行的硝化反应容易进行的硝化反应容易进行的硝化反应容易进行的硝化反应：：：：10～～～～90℃℃℃℃ 较难进行的硝化反应较难进行的硝化反应较难进行的硝化反应较难进行的硝化反应：：：：30～～～～130℃℃℃℃ �②②②②对硝化对硝化对硝化对硝化产物的组成产物的组成产物的组成产物的组成的影响的影响的影响的影响：：：： ⅠⅠⅠⅠ反应温度升高反应温度升高反应温度升高反应温度升高，，，，硝酸分解和氧化副反应速度加快硝酸分解和氧化副反应速度加快硝酸分解和氧化副反应速度加快硝酸分解和氧化副反应速度加快。。。。 32 硝化反应是强烈的放热反应硝化反应是强烈的放热反应硝化反应是强烈的放热反应硝化反应是强烈的放热反应，，，，升高温度使反应升高温度使反应升高温度使反应升高温度使反应 速度提高速度提高速度提高速度提高，，，，放出的热量也增大放出的热量也增大放出的热量也增大放出的热量也增大，，，，如不及时移出如不及时移出如不及时移出如不及时移出，，，，又又又又 会使反应温度迅速上升会使反应温度迅速上升会使反应温度迅速上升会使反应温度迅速上升，，，，引起更多副反应引起更多副反应引起更多副反应引起更多副反应，，，，还使硝还使硝还使硝还使硝 酸分解产生大量红棕色的二氧化氮气体酸分解产生大量红棕色的二氧化氮气体酸分解产生大量红棕色的二氧化氮气体酸分解产生大量红棕色的二氧化氮气体，，，，轻则冲轻则冲轻则冲轻则冲 料料料料，，，，重则发生爆炸重则发生爆炸重则发生爆炸重则发生爆炸。。。。 �③③③③温度对硝化温度对硝化温度对硝化温度对硝化安全生产问题安全生产问题安全生产问题安全生产问题的影响的影响的影响的影响：：：： 33 有机溶剂中硝化的主要作用有机溶剂中硝化的主要作用有机溶剂中硝化的主要作用有机溶剂中硝化的主要作用是改变所得到的是改变所得到的是改变所得到的是改变所得到的硝基硝基硝基硝基 异构产物的比例异构产物的比例异构产物的比例异构产物的比例，，，，避免使用大量硫酸作溶剂避免使用大量硫酸作溶剂避免使用大量硫酸作溶剂避免使用大量硫酸作溶剂，，，，以及以及以及以及 使用接近理论量的硝酸使用接近理论量的硝酸使用接近理论量的硝酸使用接近理论量的硝酸。。。。 各种硝化方法适用的溶剂有各种硝化方法适用的溶剂有各种硝化方法适用的溶剂有各种硝化方法适用的溶剂有：：：： ①①①① 混酸硝化混酸硝化混酸硝化混酸硝化：：：：二氯甲烷二氯甲烷二氯甲烷二氯甲烷、、、、二氯乙烷二氯乙烷二氯乙烷二氯乙烷；；；； ②②②② 稀硝酸硝化稀硝酸硝化稀硝酸硝化稀硝酸硝化：：：：氯苯氯苯氯苯氯苯、、、、邻二氯苯邻二氯苯邻二氯苯邻二氯苯；；；； ③③③③ 均相硝化均相硝化均相硝化均相硝化：：：：浓硫酸浓硫酸浓硫酸浓硫酸、、、、醋酸醋酸醋酸醋酸、、、、过量浓硝酸过量浓硝酸过量浓硝酸过量浓硝酸。。。。 4. 4. 4. 4. 溶剂溶剂溶剂溶剂 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 34 ①①①① 相比相比相比相比 指混酸与被硝化物的指混酸与被硝化物的指混酸与被硝化物的指混酸与被硝化物的质量比质量比质量比质量比，，，，也叫也叫也叫也叫酸油比酸油比酸油比酸油比。。。。 5. 相比与硝酸比相比与硝酸比相比与硝酸比相比与硝酸比 问题问题问题问题：：：： 什么是相比什么是相比什么是相比什么是相比？？？？什么是硝酸比什么是硝酸比什么是硝酸比什么是硝酸比？？？？ 被硝化物的溶解和分散被硝化物的溶解和分散被硝化物的溶解和分散被硝化物的溶解和分散；；；； 增加反应界面增加反应界面增加反应界面增加反应界面，，，，加快反应加快反应加快反应加快反应；；；； 反应热和稀释热的分散与传递反应热和稀释热的分散与传递反应热和稀释热的分散与传递反应热和稀释热的分散与传递，，，，便于控制反应便于控制反应便于控制反应便于控制反应 温度温度温度温度，，，，使反应平稳使反应平稳使反应平稳使反应平稳。。。。 提高相比有利于提高相比有利于提高相比有利于提高相比有利于：：：： 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 35 非均相反应非均相反应非均相反应非均相反应 � 混酸硝化是两相反应混酸硝化是两相反应混酸硝化是两相反应混酸硝化是两相反应，，，，以甲苯的一硝化为例以甲苯的一硝化为例以甲苯的一硝化为例以甲苯的一硝化为例。。。。 反应主要发生在酸相反应主要发生在酸相反应主要发生在酸相反应主要发生在酸相 � 甲苯从有机相向相界面扩散甲苯从有机相向相界面扩散甲苯从有机相向相界面扩散甲苯从有机相向相界面扩散；；；； � 甲苯从相界面扩散进人酸相甲苯从相界面扩散进人酸相甲苯从相界面扩散进人酸相甲苯从相界面扩散进人酸相；；；； � 甲苯在扩散进入酸相的同时生成一硝基甲苯甲苯在扩散进入酸相的同时生成一硝基甲苯甲苯在扩散进入酸相的同时生成一硝基甲苯甲苯在扩散进入酸相的同时生成一硝基甲苯；；；； � 生成的一硝基甲苯从酸相扩散返回相界面生成的一硝基甲苯从酸相扩散返回相界面生成的一硝基甲苯从酸相扩散返回相界面生成的一硝基甲苯从酸相扩散返回相界面；；；； � 一硝基甲苯从相界面扩散进入有机相一硝基甲苯从相界面扩散进入有机相一硝基甲苯从相界面扩散进入有机相一硝基甲苯从相界面扩散进入有机相；；；； � 硝酸从酸相向相界面扩散硝酸从酸相向相界面扩散硝酸从酸相向相界面扩散硝酸从酸相向相界面扩散，，，，在扩散途中与甲苯进行反应在扩散途中与甲苯进行反应在扩散途中与甲苯进行反应在扩散途中与甲苯进行反应;;;; � 硝化生成的水从相界面扩散返回到酸相硝化生成的水从相界面扩散返回到酸相硝化生成的水从相界面扩散返回到酸相硝化生成的水从相界面扩散返回到酸相；；；； � 有些硝酸从相界面扩散进入有机相有些硝酸从相界面扩散进入有机相有些硝酸从相界面扩散进入有机相有些硝酸从相界面扩散进入有机相。。。。 36 ②②②② 硝酸比硝酸比硝酸比硝酸比 是硝酸和被硝化物的是硝酸和被硝化物的是硝酸和被硝化物的是硝酸和被硝化物的摩尔比摩尔比摩尔比摩尔比。。。。 实际生产中实际生产中实际生产中实际生产中: 易硝化的物质硝酸过量易硝化的物质硝酸过量易硝化的物质硝酸过量易硝化的物质硝酸过量1%~5%; 难硝化的物质需过量难硝化的物质需过量难硝化的物质需过量难硝化的物质需过量10%~20%或更多或更多或更多或更多。。。。 37 提高传热提高传热提高传热提高传热：：：：及时移除反应热及时移除反应热及时移除反应热及时移除反应热 提高传质提高传质提高传质提高传质：：：：增加反应界面增加反应界面增加反应界面增加反应界面 （（（（由于硝化过程中芳烃与混酸属于由于硝化过程中芳烃与混酸属于由于硝化过程中芳烃与混酸属于由于硝化过程中芳烃与混酸属于非均相的非均相的非均相的非均相的 硝化反应硝化反应硝化反应硝化反应，，，，因此必须具有良好的搅拌装置因此必须具有良好的搅拌装置因此必须具有良好的搅拌装置因此必须具有良好的搅拌装置。。。。 ）））） 6. 搅拌搅拌搅拌搅拌 影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素影响硝化反应的因素 38 图图图图 硝化锅硝化锅硝化锅硝化锅 1-锅体锅体锅体锅体；；；； 2-锅套锅套锅套锅套；；；； 3-盖盖盖盖；；；； 4-传动装置传动装置传动装置传动装置；；；； 5-带搅拌器的轴带搅拌器的轴带搅拌器的轴带搅拌器的轴 6-圆筒圆筒圆筒圆筒；；；； 7-蛇管蛇管蛇管蛇管；；；； 8-保护套保护套保护套保护套 39 补充补充补充补充：：：： 硝化工艺和设备硝化工艺和设备硝化工艺和设备硝化工艺和设备 图图图图 混酸硝化的流程示意图混酸硝化的流程示意图混酸硝化的流程示意图混酸硝化的流程示意图 40 连续法连续法连续法连续法：：：：大批量生产大批量生产大批量生产大批量生产 间歇法间歇法间歇法间歇法：：：：灵活性高灵活性高灵活性高灵活性高 设备设备设备设备 （（（（1111））））材质材质材质材质：：：：不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢、、、、钢板钢板钢板钢板；；；； （（（（2222））））冷却装置冷却装置冷却装置冷却装置：：：：夹套夹套夹套夹套、、、、蛇管蛇管蛇管蛇管；；；； （（（（3333））））搅拌搅拌搅拌搅拌：：：：推进式推进式推进式推进式、、、、涡轮式涡轮式涡轮式涡轮式、、、、 浆式浆式浆式浆式 （（（（4444））））导流桶导流桶导流桶导流桶 图图图图 连续硝化釜连续硝化釜连续硝化釜连续硝化釜 图图图图 间歇硝化釜间歇硝化釜间歇硝化釜间歇硝化釜 工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程 41 2.3.5亚硝化亚硝化亚硝化亚硝化 亚硝化反应亚硝化反应亚硝化反应亚硝化反应：：：： 1. 含义含义含义含义：：：： 向有机物分子的碳原子上引入亚硝基向有机物分子的碳原子上引入亚硝基向有机物分子的碳原子上引入亚硝基向有机物分子的碳原子上引入亚硝基，，，，生成生成生成生成 C－－－－NO键的反应称为键的反应称为键的反应称为键的反应称为亚硝化反应亚硝化反应亚硝化反应亚硝化反应。。。。 2. 特征特征特征特征：：：：①①①① 活泼质点是亚硝基离子活泼质点是亚硝基离子活泼质点是亚硝基离子活泼质点是亚硝基离子（（（（NO+））））的亲电能力较的亲电能力较的亲电能力较的亲电能力较 弱弱弱弱，，，，只能向芳环或酚类只能向芳环或酚类只能向芳环或酚类只能向芳环或酚类、、、、芳香族叔胺等电子密度大的碳芳香族叔胺等电子密度大的碳芳香族叔胺等电子密度大的碳芳香族叔胺等电子密度大的碳 原子进攻发生反应原子进攻发生反应原子进攻发生反应原子进攻发生反应，，，，生成亚硝基化合物生成亚硝基化合物生成亚硝基化合物生成亚硝基化合物。。。。 ②②②② 亚硝化反应通常在较低温的条件下进行亚硝化反应通常在较低温的条件下进行亚硝化反应通常在较低温的条件下进行亚硝化反应通常在较低温的条件下进行。（。（。（。（因亚硝酸因亚硝酸因亚硝酸因亚硝酸 不稳定不稳定不稳定不稳定，，，，以分解以分解以分解以分解。）。）。）。） 3. 应用应用应用应用：：：：亚硝基化合物具有不饱和键的性质亚硝基化合物具有不饱和键的性质亚硝基化合物具有不饱和键的性质亚硝基化合物具有不饱和键的性质，，，，可以进行缩可以进行缩可以进行缩可以进行缩 合合合合、、、、加成加成加成加成、、、、氧化和还原等反应氧化和还原等反应氧化和还原等反应氧化和还原等反应，，，，用以制备各类中间体用以制备各类中间体用以制备各类中间体用以制备各类中间体。。。。 42 � 酚类的亚硝化酚类的亚硝化酚类的亚硝化酚类的亚硝化 OH OH N O N O OH O O 0000℃℃℃℃,,,,----H2O NaNO2,H2SO4 NH2OH ----H2O OH OH NO NaNO2,H2SO4 OHCl2 Cl N O Cu O O NO Cl CH3COOH,NaNO2,Cu 2+ 43 � 仲芳胺的亚硝化仲芳胺的亚硝化仲芳胺的亚硝化仲芳胺的亚硝化 H N N NO ----26262626℃℃℃℃ NaNO2,H2SO4 亚硝化亚硝化亚硝化亚硝化 H N NO H N NH2 HCl 重排重排重排重排 Na2S2 还原还原还原还原 � 叔芳胺的亚硝化叔芳胺的亚硝化叔芳胺的亚硝化叔芳胺的亚硝化 N(CH3)2 N(CH3)2 NO .HCl 0000℃℃℃℃ NaNO2,H2SO4