如何把苯环上的硝基还原成氨基

如何把苯环上的硝基还原成氨基Fe粉还原自小虫进入本论坛以来，看见很多关于Fe还原的帖子，虽然这是一个简单的傻瓜反应，其机理与历程，通法与后处理都为广大科技工作者所熟知，但是其中或多或少存在着一些细节，本虫就本虫做过的几个Fe粉还原工业化对Fe粉还原进行简要的，以期和广大虫友交流，纯属抛砖引玉，妄论之处还请广大虫友不吝赐教（因为本人高中肄业，仅在一小化工厂当了10几年的操作工，目前处于失业状态，理论水平非常有限，参考书目给大家列出）。Fe还原反应是通过电子的转移而实现的［1］。即Fe是电子给体，被还原物的某个原子首先在Fe粉的面得到电子生成负离子自由基，后者再从质子给体（例如水）得到质子而生成产物。Fe的给电子能力比较弱，适用于容易被还原的基团的还原，是一种选择性还原剂，尤其是苯系硝基衍生物的还原，基本不影响苯环上其它基团（水不稳定性和热不稳定性基团除外）。以Fe为还原剂对苯系硝基衍生物的还原在工业上获得广泛应用，至今任然是在某些苯系硝基物的还原中使用，虽然国家发改委在2005年左右下达停止使用Fe还原的文件。加氢还原工艺非常好，但是面临的最大问题--本虫认为是氢源的问题，氢源解决好了，其它神马都是浮云。因为本虫做过一个加氢，理论上需要不到3瓶氢气即完活，结果用了15瓶氢气。其时本虫就茅塞顿开，换瓶子（每瓶大概只装2kg左右的氢气）的速度很难跟上呀，是个繁重的体力活。。。1.反应特点以金属Fe为还原剂，反应在弱酸性电解质溶液中进行，一般都选择回流温度。其优点为：选择性好，可以避免脱卤、氰基还原等副反应的发生，收率高（后处理得好的话，＞95%很容易达到），工艺简单、成熟，对设备要求低、可执行性好，常压反应。其缺点为：分离难，含胺废水不好处理且量大，产生大量固体Fe泥（现在有人收购，抢着要）。2.反应历程［1］硝基先被还原成亚硝基，亚硝基再变成胲（即羟胺），胲变成氨基。在Fe还原过程中，中间态存在时间很短，很难分离出来，不过可以通过动力学跟踪发现其存在。Fe粉还原反应式：4Ar-N02+9Fe+4H20―-4Ar-NH2+3Fe3043•应用范围［1］具体应用实例请见唐培堃老先生《精细有机合成化学与工艺学》，此书对一些基础反应有详实的论述与总结，最好把一版和二版（对一版有精简，更有补充）结合起来看。本小虫极其推崇此书，认为是国内少有的几本好书之一，屈指可数，足以扫盲。。。3.1芳环上的硝基还原成氨基3.2环羰基还原成环羟基3.3醛基还原成醇羟基芳磺酰氯还原成硫酚二芳基二硫化物还原成硫酚还原脱溴Fe还原的主要影响因素4.1Fe质量Fe还原的本质是一个微电池的反应，即必须在电解质溶液中有效地对Fe进行电化学腐蚀以释放出电子。因此使用高硅铸铁粉（含碳高，碳正极，Fe负极）有利于反应的进行，还原Fe粉采用60-80目为宜：太细易导致反应剧烈而冒锅（一冒锅，基本是控制不住的，人只能是思想有多远就滚多远的份了，如果你手脚熟练可以尝试控制一下，但以本虫的速度衡量，还是奉劝99.99%的虫友撒开脚丫子运用三十六计最上计。。。）；太粗就减少了与被还原物的接触面积，反应速率降低，但是有利于后处理。4.2Fe的用量从Fe粉还原反应式可知，1分子（mol）硝基理论上需要2.25分子Fe（9除以4,从配平即知），但是实际上基本要用3-4分子Fe。目前Fe粉价格高涨，建议使用2.8-3.0分子就足以（仅对苯系硝基物而言）。电解质Fe还原一般在水溶液中进行，因此需要有电解质增加水的导电性，而有效地使Fe释放出电子。为了维持体系中Fe离子的存在，体系需维持pH=3-5，—般是pH=4-5。可以加入氯化铵、盐酸、硫酸、低碳脂肪酸（如甲酸、乙酸）来调节体系pH。一般易溶于水的苯系硝基物宜使用氯化铵、盐酸，硫酸也能用，但有时反应速率较前二者大幅下降；不易溶于水的苯系硝基物可以使用低碳脂肪酸来调节体系pH，而且某些苯系硝基物必须使用低碳脂肪酸（氯化铵、盐酸根本就不反应，本虫在看某一苯系硝基物的一些国内文献时就发现很多文章在信口开河，实在让本小虫汗颜）。特别注明：苯系硝基物上有磺酸基的一定要先中和磺酸基，即使磺酸苯系硝基衍生物溶液pH=5-6。反应温度Fe还原反应温度大都采用回流温度即100-105°C（有些虫子认为水的沸点就100°C，常压升到105C是件难事，但是本虫要说，基本都可以到那个温度，其中原理还望虫友们自己推敲），温度越高越有利于Fe释放出电子，加快还原速率。一般都采用直接蒸汽加热，也有采用夹套汽加热的方式。实验室直接用电加热套就足以了，如果需要模拟工业化，可以自制水蒸气直接通入反应瓶。特别注明：关于本方法，本虫未见实验室用油浴加热（除非那人脑袋被驴踢了）。对于某些带酰胺基的苯系硝基物，为了避免酰胺基的水解，反应温度控制在75-80C为宜[1],甚至更低，但不能低于60°C。反应时间一般反应时间为加毕原料保温4-6h即可，有的因为Fe目数高（100-120目以上）还原速率超快，20-30min即完成。水量由于水是质子给体，从反应式知：一分子硝基只要一分子水。但是为了有利于搅拌，一般都采用80-100mol水：1mol硝基，也有采用50-80：1的。水量多废水就多，因此需要虫友们根据反应优化。反应器反应釜工业上一般采用碳钢衬瓷砖的反应釜，贴瓷砖的树脂最好用呋喃树脂（能有效避免瓷砖脱落）。可以采用平底釜形式，一般釜上是侧出放料，有两个或三个不同位差的侧出口（其原因请虫友们自己推敲）。也有采用搪瓷釜的特例，但需要定期检查搪瓷是否爆瓷或被Fe磨损，尤其是釜底即釜底截门处，因为那里有弧度（基本都是从弧度开始爆瓷或损坏），有一定应力。搅拌Fe粉重，只有充分地把Fe粉搅拌起来，才能增大接触面，有利于反应的进行。本小虫在工业上遇到过因搅拌效果不好而使反应进行了24h的情况，多亏小虫练就一双火眼金睛，一看就没反应完全，其时未放料（虽然到了工艺规定的反应时间），要不小虫就会被罚得几月啃馒头就咸菜，反之，小厂奖励本小虫一笔可观收入（也就几百元，还不够诸位大神潇洒一回的）。碳钢衬瓷砖釜一般都使用不锈钢多层桨式搅拌，距釜底10cm左右（小试的话就直接贴着四口瓶底部即可），转数在95-120r/min。当然也能直接用碳钢，就是要定期检查搅拌而已。搪瓷釜最好采用推进式搅拌，不锈钢材质，转数在200-240r/min。因为推进式搅拌产生的是轴向流，可以大幅减少Fe对搪瓷釜壁的摩擦而造成的损坏。有时还需要在釜内增加挡板（一定要好的不锈钢材质）减弱循环流。当然也能采用锚式或框式搅拌，转数在75-85r/min。但Fe粉粒径最好控制在80-100目。冷凝器大多数Fe还原都没有冷凝器，但极少数除外，可以使用不锈钢或碳钢冷凝器（此类材质不太适用，仅可以救急），最好是搪瓷或石墨冷凝器（换热效果不好）。过滤装置抽滤槽：一般都是碳钢抽滤槽，现在大都用增强聚丙，也有自己拿砖垒一个，上贴瓷砖，使用耐酸多孔瓷砖做滤板的。压滤机：聚丙材质，有广大压滤机厂为虫友们服务。压滤包：本人独创，过滤速率较上两种快5-8倍，甚至10倍不止。结构独特，付费咨询，本虫在这里窃笑。。。离心机：这是本虫的又一大创举（不要以为是台离心机即可），方法新颖，付费咨询，本虫又一次在此窃笑。。。滤布在使用前必须与目标化合物一起沸煮一下（如需加溶剂萃取就得和溶剂沸煮），以验证该型滤布是否可用。滤纸一般采用过油滤纸，其厚，可以阻隔微小铁泥。一般是先铺一层钢丝网在滤板上，然后铺滤纸，滤纸上铺滤网（这个是对于抽滤装置来说）。压滤机直接用滤布即可。蒸馏装置有些产品可以通过水蒸汽蒸馏得到，即可以边反应边出料，而水汽偏酸，所以一般采用石墨、搪瓷或玻璃冷凝器，蒸馏管道采用玻璃或碳钢衬玻璃。4.7.6电机和减速机因为Fe粉重，阻力大，因此还原釜电机一定要配功率稍大的电机，对于桨式搅拌可以配5.5-7.5kw电机，锚式和框式搅拌配7.5kw电机，推进式搅拌最好配置llkw的电机（以上电机配置均为3000L搪瓷釜为例）。减速机最好采用涡轮涡杆减速机，一句话：皮实。不过要定期检查皮带的松紧程度（定期打点皮带蜡），避免丢速。涡轮涡杆减速机还有一个优点是：可以通过换轮（电机轮或减速机轮）而调整搅拌转速。它的缺点是：不太美观；不防爆，那是因为皮带与轮的高速摩擦生热。摆线式减速机优点是防爆、美观、噪音小、不丢速。但是缺点一大堆：减速机不能缺油，一缺油就很快烧电机；减速机油温过高膨胀易喷溅，会导致整个釜盖脏兮兮；工厂自己不能调速，调速需换里面的牙（就是控制齿轮，小虫管其叫牙，小虫打开过，一牙一牙的，并且成功调速，在没有减速机厂家技术人员在场下）。因此不建议使用摆线式减速机，但是如果采用推进式搅拌，必须使用摆线式减速机，因为涡轮涡杆减速机达不到推进式搅拌的转速（理论上可以达到，但是传动皮带受不了那么高速的摩擦及釜内的大阻力，除非你一批几次更换皮带，但是一停电机，再启动时容易影响推进式搅拌的动平衡）。通法硝基物:Fe:水=1:3.0-3.5:60-80（分子比是对一个硝基而言），先把依次加入水和Fe，快速搅拌，醋酸（大部分用盐酸或氯化铵，但有部分底物必须用有机酸）调pH=4-5，加热升温至100度，作用1h（活化Fe，这是Fe还原的一个非常必要的过程），然后加入硝基物，不能加快，加快了可能冒锅。加毕作用4-5h（中间如果渗圈检测Fe离子少，可以补加点酸），渗圈法（Fe还原的一个最常见中控方法）检测Fe离子是否大量存在，如果大量存在则反应结束。降温至80-90°C用碳酸钠中和pH=9-10,待后处理。切记一定要用碳酸钠中和，否则过滤不干净Fe离子或会有凝胶（用氢氧化钠就是如此）。注：渗圈法即是点样（还原体系水溶液）于滤纸，然后在样点旁，点一小滴硫化钠溶液，两者渗圈交集处发黑（Fe2S），即证明Fe存在，越黑越多。后处理Fe粉还原的后处理有以下方法：1）产物溶于水，那在一定温度下过滤即可，滤饼用热水洗涤；2）产物不溶于水，但能水蒸汽蒸馏，即水蒸汽蒸馏得到产品；3）产物不溶于水，且不能水蒸汽蒸馏，加入疏水性溶剂（如甲苯、二甲苯、氯苯）萃取，过滤，滤饼用热溶剂洗涤即可，也有用低级脂肪醇助溶的，但是那样醇消耗量高，成本大，且不易回收。最简单常见的方法是铁酸还原法。原料溶于50%左右的乙醇中加入还原铁粉滴加盐酸或醋酸加热反应然后加入氨水或氢氧化钠等碱调PH值到碱性萃取或水蒸气蒸馏得到产品。缺点是后处理很麻烦，生成的铁泥不易过滤，且废渣污染环境。也有用氯化铵作为酸的。还有用金属锌作为还原剂的。催化氢化原料溶于溶剂用Ranry镍、钯碳、铂碳等为催化剂通入氢气作为还原剂。反应结束过滤掉钯炭就可以了。最简单，工业生产，有时需要加些压力。硫化物为还原剂的。用硫化钠或二硫化钠作为还原剂。在苯环上有两个硝基时可以通过控制还原剂的用量来选择性地之还原其中一个硝基成氨基令一个硝基不变。（硫酸亚铁加氨水试过可以）（加保险粉，甲醇和水作溶剂，室温搅拌，反应后，过滤下，就好了。）金属的氢化盐。比如四氢铝锂，硼氢化钠等。但是比较昂贵。特殊催化剂催化用一氧化碳还原。不仅需要Ru3（CO）9（TS）3这样的特殊催化剂，还需加入十六烷基三甲基溴化铵为相转移催化剂。然后通入一氧化碳。苯环上硝基还原成氨基用的是氯化亚锡和浓盐酸，没有有机溶剂，把硝基化合物研碎，最好成粉状，加入氯化亚锡，盐酸加热反应，一个半小时后处理。产率挺高，可以用非均相反应，效果也不错。锌粉加氢氧化钠很好，至少一些钯碳无法还原的，它可以。用铁粉在盐类电解质低铁盐和氯化铵等，的水溶液中还原。可将芳香族硝基、脂肪族硝基或其他含氧氮功能基，如亚硝基、羟胺等还原成相应的氨基。一般对卤素、烯基等基团无影响，可用于选择性还原。还原用的铁粉应选用含硅的铸铁粉、熟铁粉、钢粉及化学纯度的铁粉效果差。实验室SnCI2还原，乙醇溶剂，80度回流，不加盐酸也行。反应完加40%的NaOH,然后用乙酸乙酯萃取。硝基还原成氨基后，怎么保证不被氧化1）过滤的时候，用氮气压滤，浓缩的时候在放真空时充入氮气，注意避光；2）要想不氧化可以试试用酸使其成盐，成盐就稳定多了。3）用保护基也可以，保护胺最常用叔丁氧羰基（BOC）铁粉还原后处理1）离心分离2）加入助滤剂（硅藻土、层析硅胶）3）掺和上硅藻土4）直接萃取5）选择铁粉目数稍微大点6）把铁盐转化为溶于水的配合物刀压滤8）直接垫层厚棉花粗过滤一次9）建议用另一种方法，比如说用锌+甲酸铵（过量）10）生成的氢氧化铁难过滤，可以考虑用Zn来代替