10 第十章 重氮化与重氮盐

第十章重氮化与重氮盐第一节概述一、重氮化反应及其特点1．重氮化合物定义：指分子中含有两个氮原子相连的基团，而这个基团只有一端与碳原子相连，而另一端则不与C原子相连。（与偶氮化合物相区别）•2.重氮化反应定义：ArNH2+NaNO2+2HXArN+2X+OH22+NaX将芳伯胺等胺基化合物在低温下及强酸（其中盐酸及硫酸最为常用）水溶液中，与亚硝酸作用生成重氮盐的反应，称为重氮化反应。•3.★重氮化反应在有机合成中的应用：用来合成与亲电取代反应相悖的化合物，尤其是各种偶氮染料、有机颜料和医药中间体的重要的基本的方法，在精细有机合成中被广泛应用。如：间氯甲苯的合成。•4．脂肪胺与芳胺的重氮化反应特点：脂肪伯胺得到的重氮化合物很不稳定，容易分解成醇类化合物，在有机合成上没有多少价值。由由芳伯胺制得的重氮化合物性质稳定，可用来制备许多重要的中间体。在精细化学品的合成中有着重要的意义。•二、重氮盐的结构与性质•1．重氮盐的结构重氮盐的结构为：ArNNClArNNClArNNCl+++重氮盐的反应一般是在强酸性到弱碱性介质中进行的。其pH值的高低与目的反应有关。•2．★重氮盐的性质（2）干燥的重氮盐极不稳定，受热爆炸。（1）重氮盐具有类似铵盐的性质，一般可溶于水，不溶于有机溶剂。重氮化后溶液是否澄清可作为反应正常与否的标志。（3）重氮盐在低温水溶液中比稳定且具有高反应活性。生产中常不必分离出重氮盐结晶，而用其水溶液进行下一步反应。8（4）重氮盐可发生两类反应：一类是重氮基转化为偶氮基（偶合）或肼基（还原），非脱落氮原子的反应；另一类是重氮基被其他取代基所置换，同时脱落两个氮原子放出氮气的反应。（5）重氮盐性质活泼，本身价值不高，但通过上述两类重氮盐的反应，可制得一系列重要的有机中间体。第二节重氮化反应•★复习：甲基橙的制备：•1．重氮化反应NH2SO3HNaOHNH2SO3NaH-OHNH2SO3NaH-ClHO3SN2ClNaClH-OHNaNO2+++30～5℃+2+20.01mol0.12mol•2．偶合反应•利用淀粉-KI试纸检验的过程。HO3SN2ClN(CH3)2CH3COOHHO3SNNN(CH3)2HCH3COO++0.01mol•一、重氮化反应历程NaNO2+HCl→HNO2+NaClHNO2+HCl→NOCl（亲电质点）+H2O（稀盐酸中）2HNO2→N2O3（亲电质点）+H2O（稀硫酸中）N2O3→NO+（亲电质点）+NO2（浓硫酸中）属于亲电取代反应。12ArNHHClNOArNHHNOCl-H-ClArNHNOArNNOHArN2ClH-ClH-OH：+：+互变异构++亲电质点活性ON+＞ON－Br＞ON－Cl机理•二、反应影响因素•1．无机酸的性质•在重氮化时常采用盐酸，硫酸则用得较少。当用盐酸难以重氮化时，则需要在浓硫酸中进行。•2．无机酸的用量和浓度理论上，酸的摩尔用量为芳伯胺的2倍，即1mol芳伯胺需2mol盐酸。对于碱性较弱的芳伯胺，其酸用量和浓度都应相对提高。无机酸的用量和浓度与参与反应的芳胺结构有关。•3．亚硝酸钠NaNO2+ClHHNO2+NaClNaNO2+H2SO4HNO2+NaHSO4（2）亚硝酸钠的加料进度：取决于重氮化反应速度的快慢，主要目的是保证整个反应过程自始至终不缺少亚硝酸钠，以防止产生重氮氨基物的黄色沉淀，加料速度不能太快，防止产生“黄烟”即NO2。（1）亚硝酸制备：通常新鲜亚硝酸是由亚硝酸钠与无机酸（盐酸或硫酸等）作用而得。16反应结束后，可以用KI淀粉试纸判断重氮化是否完成。过量的亚硝酸会促使重氮盐分解，可以用尿素或氨基磺酸去除。COH2NNH22HNO2CO22N23H2OH2NSO3HHNO2H2SO4N2H2O•4．芳胺碱性当芳伯胺的芳环上连有供电子基团时，芳伯胺碱性增强，反应速度加快；当芳伯胺的芳环上连有吸电子基团时，芳伯胺碱性减弱，反应速度变慢。•5．温度•反应温度常在低温0～10℃进行，在该温度范围内，亚硝酸的溶解度较大，而且生成的重氮盐也不致分解。•为保持此适宜温度范围，可采取直接加冰冷却或冷冻氯化钙水溶液或冷冻盐水间接冷却。•芳伯胺的碱性愈强，重氮化的适宜温度愈低，若生成的重氮盐较稳定（弱酸盐），亦可在较高的温度下进行重氮化。•三、重氮化操作方法、设备及安全生产（2）重氮化反应的终点控制要准确。过量的亚硝酸会促使重氮盐分解。（1）重氮化反应所用原料应纯净且不含异构体。在使用前应先进行精制（如蒸馏、重结晶等）。1．芳伯胺重氮化时应注意的共性问题20（3）亚硝酸过量的检测方法：用碘化钾淀粉试纸。当白色的试纸刚变成浅兰色时，即表示亚硝酸的量是适合的；若变成兰色，则亚硝酸已经过量了。2HNO2+2KI+2H2O→I2+2KCl+2H2O+2NO（4）过量的亚硝酸去除方法：加入氨基磺酸或尿素将过量的亚硝酸分解；也可以加入少量的芳胺，使之与过量的亚硝酸作用。H2N-SO3H+HNO2→H2SO4+N2↑+H2OH2N-CO-NH2+2HNO2→CO2↑+2N2↑+3H2O（6）防止重氮化合物受热和强光照射，并保持生产环境的潮湿。（5）反应的设备要有良好的传热措施•2.重氮化操作方法（1）直接法•本法适用于碱性较强的芳胺，即为含有给电子基团的芳胺，这些胺类可与无机酸生成易溶于水，但难以水解的稳定铵盐。•其操作方法是：将计算量（或稍过量）的亚硝酸钠水溶液在冷却搅拌下，先快后慢的滴加到芳胺的稀酸水溶液中，进行重氮化，直到亚硝酸钠稍微过量为止。此法亦称正加法，应用最为普遍。•反应温度一般在0～10℃进行。盐酸用量一般为芳伯胺的3～4mol为宜。水的用量一般应控制在到反应结束时，反应液总体积为胺量的10～12倍。应控制亚硝酸钠的加料速度，以确保反应正常进行。•连续操作法•本法适用于碱性较强芳伯胺的重氮化。由于反应过程的连续性，可较大地提高重氮化反应的温度以增加反应速率。•重氮化反应一般在低温下进行，目的是为避免生成的重氮盐发生分解和破坏。连续操作可以利用反应产生的热量提高温度，加快反应速度，缩短反应时间，适合于大规模生产。例如，由苯胺制备苯肼就是采用连续重氮化法，重氮化温度可提高到50～60℃。NH2NaNO2ClHN+2Cl(NH4)2SO3NNSO3NH4NH4HSO3NSO3NH4NSO3NH41.H2SO4OH22.NH3pH=2.5NHNH2H2SO455。C。C3070C。1/2.•（2）倒加料法（反重氮化法）•本法适用于一些两性化合物，即含－SO3H、－COOH等吸电子基团的芳伯胺，如对氨基苯磺酸和对氨基苯甲酸等，还适用于一些易于偶合的芳伯胺重氮化。此类胺盐在酸液中生成两性离子的内盐沉淀，故不溶于酸中，因而很难重氮化。•其操作方法是：将这类化合物先与碱作用制成钠盐以增加溶解度，并溶于水中，再加入需要量的NaNO2，然后将此混合液加入到预先经冷却的稀酸中进行重氮化。•（3）浓酸法•本法适用于碱性很弱的芳伯胺，如二硝基苯胺、杂环α－位胺等。因其碱性弱，在稀酸中几乎完全以游离胺存在，不溶于稀酸，反应难以进行。为此常在浓硫酸中进行重氮化。该重氮化方法是借助于最强的重氮化活泼质点（NO+），才使电子云密度显著降低的芳伯胺氮原子能够进行反应。•其操作方法是：将该类芳伯胺溶解在浓硫酸中，加入亚硝酸钠液或亚硝酸钠固体，在浓硫酸中的溶液中进行重氮化。由于亚硝酰硫酸放出亚硝酰正离子（NO+）较慢，可加入冰醋酸或磷酸以加快亚硝酰正离子的释放而使反应加速。如：NO2NH2NO2NaNO2H2SO4HOAc10～20℃NO2NO2N2HSO4-+–（4）亚硝酸酯法•本法是将芳伯胺盐溶于醇、冰醋酸或其他有机溶剂（如DMF、丙酮等）中，用亚硝酸酯进行重氮化。常用的亚硝酸酯有亚硝酸戊酯、亚硝酸丁酯等。此法制成的重氮盐，可在反应结束后加入大量乙醚，使其从有机溶剂中析出，再用水溶解，可得到纯度很高的重氮盐。•3．重氮化反应设备及安全生产–（1）重氮化反应设备•重氮化一般采用间歇操作，选择釜式反应器。反应器不宜直接使用金属材料。大型重氮反应器通常为内衬耐酸砖的钢槽或直接选用塑料制反应器。小型重氮设备通常为钢制加内衬。用稀硫酸重氮化时，可用搪铅设备，其原因是铅与硫酸可形成硫酸铅保护模；若用浓硫酸，可用钢制反应器；若用盐酸，因其对金属腐蚀性较强，一般用搪玻璃设备。31–（2）安全生产•重氮盐性质活泼易爆炸，在进行重氮化反应时，要注意设备及附近环境的清洗，防止设备、器皿、工作环境等处残留的重氮盐干燥后发生爆炸事故。•重氮化反应中的酸有较强腐蚀性，特别是浓硫酸。应严格按工艺规程操作，避免灼伤、腐蚀等严重生产事故。•重氮化反应中，过量亚硝酸钠会使反应系统逸出NO、Cl2等有毒有害的刺激性气体。参加反应的芳伯胺亦具有毒性，特别是活泼的芳伯胺，毒性更强。所以反应设备应密闭，要求设备、环境、通风要有保证，以保障生产和环境的安全。•特别需要注意的是，通风管道中若残留干燥的胺，遇氮的氧化物也能重氮化并自动发热而自燃，因此要经常清理、冲刷通风管道。33•三、重氮化反应的应用重氮盐能发生置换、还原、偶合、加成等多种反应。341．制备偶氮染料例如：对氨基苯磺酸重氮化后得到的重氮盐与2－萘酚－6－磺酸钠偶合，得到食用色素6。NH2HO3SHO3SN2Cl-+NaNO2/ClHHO3SHO3SN2Cl-++NaO3SOHNNOHSO3Na食用色素6解释该产物结果35•2．还原制备苯肼•例如：重氮盐还原制备苯肼中间体：NH2NaNO2ClH低温Cl-1.(NH4)2SO3NH4HSO32.OH2H+NHNH2N+2（1）N－加成磺化反应：介质PH值6.5～8，反应温度0～80℃（2）水解反应：加入酸使PH值＜2，反应温度60～90℃36•3.重氮盐卤素置换1）被氯或溴置换SandmeyerNaNO2ClH低温NH2CH3N2Cl-+CH3Cu2Cl2ClHCH3Cl75%若用甲苯直接氯化，产物为邻氯甲苯（沸点159℃）和对氯甲苯（沸点160℃）的混合物。二者物理性质相近，很难分离37NH2NH2NaNO2/H-ClN2ClN2ClCuCl/HClClCl0～5℃0～5℃CH3NH2NaNO2/H-ClCH3N2ClCuBr/H-BrCH3BrCH3NO20～5℃[H]0～5℃38①反应是自由基历程，催化剂CuCl起电子转移作用。②HCl溶液浓度不宜过高，酸性不宜太强。注意：③反应速度与重氮盐结构有关，吸电子取代基加快反应速度。392）重氮盐被碘取代①反应可以采用Sandmeyer条件制备碘代物。②更简便方法是与碘化钾或碘化钠反应。HNO3-H2SO4NO2NO2[H]NH2NH2NaNO2/HClN2ClN2ClKIII403）重氮盐被氟置换SchiemannArN2+X－BF4－ArN2＋BF4－△Ar－F+N2+BF3注意：①盐的加热分解反应控制非常重要，防止发生爆炸。②产物收率与盐的沉淀效果有关，而其沉淀效果与环上取代基有关。41反应物取代氟苯收率（%）氟硼酸盐法锑络盐法磷络盐法邻硝基苯胺间硝基苯胺对硝基苯胺7～1731～5435～5840606010～205863芳香胺置换成取代氟苯收率比较42434.重氮盐被羟基置换－水解O2NClHONO2O2NONO2[H]H2NONH2NaNO2/H2SO4稀H2SO4HOOOH条件：1）最好是制备硫酸重氮盐。2）将重氮盐加入沸腾的稀硫酸水溶液中水解。445.重氮盐被氢置换1）重氮盐被氢置换是还原反应，故反应是在还原条件下进行的，可以选用的还原剂有很多：①醇还原有甲、乙、丙醇，甲、乙醇还原有醚生成，而丙醇则主要得到氢取代产物；②次磷酸(H3PO2)是好的还原剂；③其它的还原条件有：Cu2O、甲酸等2）重氮化时最好是用硫酸45NH2BrBrBrNaNO2/H-ClN2ClBrBrBrH3PO2H-OHBrBrBr0～5℃例466.重氮盐被氰基置换NH2FNO2BrFNO2FNO2CNNaNO2/H-BrCuBr/HBrCuCNNMP注意：反应必须在弱碱性条件下进行！47NO