对硝基苯胺的合成与纯化研究

1对硝基苯胺的合成与纯化研究陆文心（2012301040179）武汉大学化学与分子科学学院化学弘毅班430072指导老师：熊英一、实验目的1.以苯胺为原料，经乙酰化、硝化、水解制得对硝基苯胺。2.了解乙酰化反应可采取的途径，知道反应机理及反应条件。3.认识芳香环上的亲电取代反应，了解其类型和本实验中涉及到的亲电取代反应——硝化反应的机理；理解先将氨基乙酰化的原因，了解苯环上取代基的定位效应。4.会配制硝化试剂，理解硝鎓离子产生的机理。5.学会用熔点仪测定固体物质的熔点，认识晶体化合物熔点测定的重要性及作用；熟练进行重结晶操作。6.认识酰胺在酸催化条件下水解反应的机理，了解本实验中强酸和强碱的作用。7.了解薄层层析的原理及操作，并用该方法分析产品的纯度。8.了解柱层析的基本原理，掌握柱层析实验的基本操作，用柱层析分离对硝基苯胺和邻硝基苯胺，得到其溶液；初步学会使用旋转蒸发仪，了解旋转蒸发的实质和优点，用该方法获得对硝基苯胺固体。9.在老师的指导下对产品对硝基苯胺和邻硝基苯胺进行核磁共振表征，了解化学位移等概念，初步学会分析NMR图谱。二、实验原理芳香环上的硝化反应是有机合成中的常见反应，它是一种亲电取代反应。芳香环上常见的亲电取代反应还有卤化、磺化、以及傅-克烷基化和酰基化反应。亲电取代反应由亲电试剂（多为带正电荷的缺电子基团如NO2+等路易斯酸）启动，进攻芳香环上的离域π电子云，将氢原子取代。本实验为连续合成实验，分三个主要步骤，从苯胺出发，合成对硝基苯胺。每步的反应式如下：第一步：苯胺乙酸酐乙酰苯胺乙酸第二步：乙酰苯胺对硝基乙酰苯胺（大量）邻硝基乙酰苯胺（少量）2第三步：对硝基乙酰苯胺（大量）邻硝基乙酰苯胺（少量）对硝基苯胺（大量）邻硝基苯胺（少量）第一步：苯胺的乙酰化硝化之前，需要往氨基上加上乙酰基作为保护，这种吸电子基团能使仲胺上的氮原子上的孤对电子稳定化，不易被氧化或质子化。因第二部硝化中使用到的混合酸具有很强的酸性和氧化性，能使氨基质子化成—NH3+，大大降低了其反应活性；—NH2变为—NH3+后也由致活基团变为致钝基团，使苯环反应活性降低，也使产物中含有较多量的间位取代产物。且乙酰基具有较大的空间位阻，能使反应中对位取代的机会相对增加，从而使产物中含有更多的对位取代产物。乙酰化反应的具体机理如下，其中乙酸酐被冰乙酸部分质子化后生成碳正离子，亲电性增强，更利于反应发生：剩余未反应的乙酸酐可在加热条件下水解，反应如下：第二步：乙酰苯胺的硝化硝化试剂（混合酸）中，在浓硫酸的作用下，硝酸经质子化后脱水，形成具有强亲电性的3硝鎓离子NO2+，进攻苯环，于邻对位（主要在对位）发生硝化反应：第三步：对硝基乙酰苯胺的水解酰胺类化合物在强酸和强碱溶液中均能发生水解反应，生成羧酸和铵根离子（酸性水解）或羧酸根离子和氨（碱性水解），反应如下：在本实验中，将对硝基乙酰苯胺在酸性条件下水解，其反应过程如下：酸性水解得到的质子化的氨基正离子能溶于水，要得到产品对硝基苯胺，须加入NaOH溶液碱化，反应为：薄层层析原理4薄层层析（thinlayerchromatography），也叫薄层色谱、薄板色谱或薄板层析，属层析技术中的一类，常用TLC代表。其原理与柱层析类似，将粒度细小（通常为200目）的吸附剂（硅胶或氧化铝）均匀涂布于玻璃板、塑料板或金属箔上形成一定厚度的薄层，此为固定相。被分离鉴定的样品制成溶液，用毛细管点在薄层上靠近某一端处，则样品中各种物质都会受到吸附剂或强或弱的吸附而附着在表面。将薄板样品点下端浸入展开剂（某一种溶剂或混合溶剂，作为流动相）中，溶剂靠毛细作用从点有样品的一端向另一端运动并带动样品点前进，各组分分子即在展开剂中发生溶解竞争。经过反复多次的吸附和溶解竞争后，受吸附力较弱而溶解度较大的组分将行进较长的路程；反之受吸附较强或溶解度较小的组分行进的距离则较短，从而使各组分间在板上拉开距离。薄层层析主要应用于化合物的鉴定和其它分离手段的效果检测，并可监测反应进程、作为柱层析的先导，它作为常用分离方法之一，具有微量、快速、操作简便等优点，通常可分离的量在0.5g以下，最低可达10-9g。作为检测手段，其理论依据为同种分子在记性、溶解度、分子大小和形状等方面完全相同，因而在同一块板上随展开剂爬升的高度亦应相同；不同种分子在这些方面总会有一些差别，因而其爬升高度不会完全相同。若用其它分离手段所得的某一个组分在薄层板上经样点展开后仍为一个点，则说明该组分为同种分子，即原来的分离方法达到了预期效果；如果展开后变成了几个斑点，则说明该组分中仍有数种分子，即原分离手段未达到预期效果。作为化合物鉴定的手段，其理论依据是每种化合物都有自己特定的比移值（Rf）。比移值的定义为：𝑅f=化合物样点移动的距离展开剂前沿移动的距离影响Rf值的因素很多，如薄层厚度，吸附剂的种类、粒度、活性，展开剂的纯度（或配比的准确度）及外界温度等。因此，同一化合物在板上重现Rf值比较困难，不能仅凭Rf值作判断。在鉴定未知样品时用已知化合物在同一块板上点样做对照才比较可靠。本实验中以涂布于玻璃板上的二氧化硅为固定相，石油醚和乙酸乙酯混合溶剂（体积比3∶1）为流动相，分离对硝基苯胺和邻硝基苯胺，并检验重结晶的分离效果。柱层析原理本实验中使用的柱层析属于吸附柱层析。将吸附剂均匀致密得装填在层析柱中，使其呈一圆柱状，为固定相；将待分离的样品制成溶液，从柱顶加入，混合物各组分即吸附在吸附剂颗粒表面。选取合适的溶剂自柱顶向下均匀淋洗，对样品中的各组分分子，溶解度大的易分配进入流动相，而极性小者易被其它分子替换。同种分子各方面相同，下行速率也应相同，不同分子下行思速率不同，即在柱上拉开距离。用不同的接受容器分别接收各组分的溶液，蒸除溶剂即可得到纯品。旋转蒸发原理旋转蒸发实质上属于减压蒸馏。通过电动机械控制，烧瓶在最合适的速度下恒速旋转，液体样品在瓶内表面形成一层液体薄膜，增大了蒸发面积。真空泵使烧瓶内处于负压状态。烧瓶在旋转的同时置于水浴锅中恒温加热，瓶内溶液在负压下在烧瓶中进行加热扩散蒸发，蒸气通过双层蛇形冷凝管充分冷却，落入收集瓶。取下烧瓶即可从内壁刮出产品。核磁共振（氢谱）原理原子核是带正电的粒子，不能自旋的核没有磁矩，能自旋的核有循环的电流，会产生磁场，5形成磁矩。当自旋核处于某一外加磁场中，两不同自旋的原子核的能量具有一定差异，且磁场强度越强，差异越大。使用某一频率的光入射，当光子能量与两自旋情况的原子核能量之差相同时，电磁波就会被吸收，以此来检测两能态的能量差值。而由于分子内电子屏蔽的作用，不同化学环境的氢原子自旋基态与激发态能量差值不同，在固定的照射频率时，不同的氢原子核会在不同的磁场强度下显示吸收峰，即不同化学环境的氢原子化学位移不同。根据吸收峰的化学位移值来推断该峰对应的氢原子的化学环境，从而判断待测样品中官能团的种类；通过积分计算不同峰的面积来计算不同氢原子的数量比，从而推断出待测分子具体的结构。三、主要有机化学品的理化常数表1主要有机化学品的理化常数名称分子量性状相对密度熔点（℃）沸点（℃）溶解度（g/100mL）水醇醚苯胺93.13无色至浅黄色透明液体，有强烈气味。1.02-6.2184.43.50∞∞冰乙酸60.05无色透明液体，有刺激性酸臭。1.0516.6118.1∞∞∞乙酸酐102.09无色透明液体，有刺激气味。1.08-73.1138.6∞(缓慢)反应∞乙酰苯胺135.16白色片状或叶状晶体。1.22155~156280~290（分解）0.54(冷水)5(沸水)29.41(乙醇)33.33(甲醇)166.67(沸乙醇)5.56对硝基乙酰苯胺180.16无色或带浅黄色叶状结晶。无资料215.6无资料无资料无资料无资料邻硝基乙酰苯胺180.16淡黄色片状或棱状结晶。1.4194100无资料无资料无资料对硝基苯胺138.12黄色结晶或粉末。1.42148.5331.70.08(冷水)2.22(沸水)43.33邻硝基苯胺138.12橙黄色针状结晶。1.4473~76284.5无资料无资料无资料乙醇95%46.07无色液体，有酒香。0.79-114.178.3∞∞∞丙酮58.08无色透明易流动液体，有芳0.80-9556.5∞∞∞6香气味，极易挥发。乙酸乙酯88.11无色澄清液体，有芳香气味，易挥发。0.90-83.677.20.09∞∞石油醚—无色液体。0.67无资料60~80≈0∞∞四、主要化学试剂及仪器苯胺（A.R.），冰乙酸（A.R.），乙酸酐（A.R.），活性炭，硫酸（A.R.），硝酸（A.R.），乙醇95%（A.R.），氢氧化钠（A.R.），丙酮（A.R.），邻硝基苯胺（C.P.），对硝基苯胺（A.R.），石油醚（60~90℃，A.R.），乙酸乙酯（A.R.）。圆底烧瓶（50mL/14#、25mL/14#），锥形瓶（50mL/14#、25mL/14#），球形冷凝管（14#×2），空气冷凝管（14#×2），空心塞（14#），抽滤瓶（150mL），布氏漏斗，三角漏斗，烧杯（250mL、100mL、50mL），量筒（50mL、10mL），温度计（150℃），试管，滴管，表面皿，玻璃棒，pH试纸，层析板（8cm×2.5cm），展开槽，层析柱（2cm×35cm），封口熔点毛细管，点样毛细管，不锈钢铲，搅拌磁子，铁夹，水浴锅，台秤，直尺。恒温磁力加热搅拌器，加热套，RY-1熔点仪（编号08000236），红外灯，RE-52AA旋转蒸发仪。五、实验装置图图1回流装置图2抽滤（趁热过滤）装置六、实验内容（实验现象用楷体注明在括号中）1.苯胺的乙酰化量取5.0mL苯胺，加入50mL圆底烧瓶中，加入10mL冰乙酸将其溶解。在不断搅拌下，逐滴加入6mL乙酸酐。放入磁子，搭建回流装置，缓缓加热回流15min。（加入反应原料以后反应液呈浅黄色，加热后颜色加深，变为红色；回流时冷凝管第一球处出现回流圈，回流接近结束时反应液颜色稍变浅，最终颜色为橙色）停止加热，移去热源，使装置缓慢冷却。从冷凝管上端管口小心加入5mL冷水，再次煮沸5min。7停止加热，缓缓冷却，将反应液慢慢倒入30mL冰水中并不断搅拌（产生淡黄色沉淀）。在冰水浴中冷却15min，抽滤，获得沉淀，用冰水洗涤沉淀，尽量抽干。留一小匙固体在干净的小烧杯中，待其自然干燥，用熔点仪测定其熔点（数据如下表）。表2乙酰苯胺粗品的熔点测定测定次数T初/℃T全/℃ΔT/℃T熔/℃𝑇/℃11151172116116.2521151183116.5未经重结晶的乙酰苯胺粗品熔点为：116.25℃。剩余固体转移到250mL烧杯中，加入100mL水，加热煮沸，搅拌加速溶解。待液体澄清，冷却1min，加入一小匙活性炭，充分搅拌，再次煮沸2min。同时将布氏漏斗放在烘箱中预热，准备热过滤。取出漏斗，迅速搭建抽滤装置，用几滴沸水润湿滤纸，开泵抽气使滤纸紧贴。倒入正沸腾的溶液，同时开启真空泵抽滤。如有晶体在漏斗中析出，用少量沸水洗掉。关闭真空泵，取下抽滤瓶在加热器上加热，使滤液澄清，迅速转移入250mL烧杯，盖上表面皿，在室温中缓慢冷却，观察晶体的形成。冷却至室温后，抽滤得晶体，用真空塞压紧，尽量抽干。转移至表面皿，待其自然干燥，称重（3.30g），测定熔点（数据如下表）。表3重结晶乙酰苯胺的熔点测定测定次数T初/℃T全/℃ΔT/℃T熔/℃𝑇/℃1114.51183.5116.25116.252114118.54.5116.25经重结晶后的乙酰苯胺熔点为：116.25℃。2.乙酰苯胺的硝化称取2.4g上一步骤制备的乙酰苯胺，加入50mL锥形瓶中，加入4mL冰乙酸，稍加热溶解（颜色稍变深）。待乙酰苯胺完全溶解后，将锥形瓶放在冰水浴中冷却。逐滴滴入5mL预先冷却的浓硫酸，继续冷却至0℃。另取一25mL的锥形瓶，加入2mL冰浓硫酸。将锥形瓶浸在冰水浴中，逐滴缓缓加入1.5mL浓硝酸，冷却10min。（刚加入浓硫酸并冷却时有白色固体出现，加完浓硫酸过一段时间后白色固体消失，液体再次变得透明）取出盛有乙酰苯胺和硫酸的锥形瓶，在不断