第八章硝化与亚硝化反应-文档资料

下一页首页全国高职高专药品类专业卫生部“十一五”规划教材供化学制药技术专业用药物合成技术（配套光盘）2020/4/29第八章硝化反应和亚硝化反应第一节概述第二节硝化反应在药物合成中的应用第三节硝化反应技术第四节亚硝化反应学习小结目标检测2020/4/29学习目的通过学习硝化反应的基本原理、常用硝化剂的特性、反应条件及影响因素、安全操作等知识，掌握硝化在药物合成中的应用及限制，达到根据制备目的选择适宜硝化剂及反应条件，并能进行安全操作的目的。同时，学习亚硝化反应的特点、应用及安全操作方法。2020/4/29知识要求1．掌握硝化反应的类型和常用硝化试剂的特性及应用；2．理解硝化反应机制，掌握硝化反应的条件和主要影响因素；3．熟悉硝化反应的安全操作技术和硝化在药物及中间体合成中的应用及限制；4．熟悉亚硝化反应的条件和应用限制，了解亚硝化的操作方法及终点控制方法。2020/4/29能力要求1．熟练应用硝化反应理论解释混酸硝化反应的机制、反应条件的控制原理以及副产物产生的原因；2．学会实验室配制硝化剂，制备邻硝基乙酰苯胺的反应操作及分离纯化技术。下一页首页全国高职高专药品类专业卫生部“十一五”规划教材供化学制药技术专业用药物合成技术（配套光盘）2020/4/29第八章硝化反应和亚硝化反应一、硝化反应的概念二、常用硝化试剂第一节概述2020/4/29一、硝化反应的概念硝化反应（NitrationReaction）是指有机化合物分子中引入硝基（）的反应。硝基可与有机化合物中的碳原子相连，形成硝基化合物；也可以与氧原子相连，形成硝酸酯类化合物；还可以与氮原子相连，形成硝胺等。NO-22020/4/29一、硝化反应的概念1．C-硝化反应应用较多的是芳环上的硝化，以硝基取代芳环上的氢，形成芳香硝基化合物。例如：++H2ONO2HONO2除了苯及其衍生物可以发生硝化反应外，其他芳环或芳杂环同样能发生类似的硝化，活性亚甲基上也可以发生硝化反应。如丙二酸二乙酯的硝化。(92%)CH2(COOC2H5)2CH(COOC2H5)2O2N发烟HNO32020/4/29一、硝化反应的概念2．O-硝化反应氧硝化反应是指硝基与氧原子相联的硝化反应。硝基通常是与醇羟基的氧原子相连接，形成硝酸酯类化合物。如：抗心绞痛药硝酸异山梨酯的合成。这种硝化反应的本质是无机含氧酸与有机醇在酸性介质中进行的酯化反应。HHOOHOOHHONO2O2NOH(70%),1~2h10~20HNO3/H2SO4OO2020/4/29一、硝化反应的概念3．N-硝化反应即硝基与氮原子相连的硝化反应，如吗啉的硝化。NO2(CH3)2C(CN)ONO2NHONO因为氮原子上的硝化反应并不多见，氧硝化反应的本质又是酯化反应。所以本章所讨论的硝化反应主要是芳环上的硝化反应。2020/4/29硝化剂是以硝酸或氮的氧化物（）为主体，与强酸（多为硫酸）、有机溶剂（多用醋酸）等物质组成用以硝化反应的试剂。常用的硝化剂及其活性顺序是：硝酸﹤硝酸-醋酐﹤硝酸-硫酸﹤硝酸盐-硫酸工业上首选硝化剂：硝酸-硫酸，应用面最广的硝化剂：硝酸-醋酐。2524NONO和二、常用硝化试剂2020/4/29二、常用硝化试剂1.硝酸可分为浓硝酸和稀硝酸（1）浓硝酸•浓硝酸的硝化反应机制是典型的亲电取代反应，反应的第一步是亲电离子的形成。•当用浓硝酸、纯硝酸或发烟硝酸作硝化剂时，它们主要以分子状态存在，只有很少的分子按下列方式解离成硝酰离子。2020/4/29二、常用硝化试剂1.硝酸（1）浓硝酸HNO3H+NO3HNO3H+NO2+H2ONO2H2O+HNO3H2O+NO3H2O总式：2NO2+形成硝酰离子的平衡反应中，水分使平衡左移，不利于硝酰离子的生成。水分较多时，则按下式离解形成硝酸根。HNO3H3O+NO3H2O2020/4/29二、常用硝化试剂1.硝酸硝化反应的第二步是：解离出的硝酰离子作为亲电离子进攻芳环，形成π-络合物，进而形成σ-络合物，形成σ-络合物的反应速度最快，是限速步骤。NO2NO2H慢NO2+π-络合物σ-络合物（1）浓硝酸2020/4/29二、常用硝化试剂1.硝酸硝化反应的第三步是：σ-络合物消除质子，恢复稳定芳香体系，形成苯型硝化产物。NO2NO2HHNO3+NO3+快（1）浓硝酸2020/4/29二、常用硝化试剂1.硝酸单用浓硝酸作为硝化剂时，由于反应中产生的水而使硝酸的浓度降低，随着硝酸浓度的降低，产生了两个后果，一是硝酸的硝化能力大为减弱，甚至失去硝化能力；二是硝酸的氧化活性相对增加。为了保证硝酸有足够的浓度，则需应用大大过量的硝酸，这在经济上是不合算的。所以生产上单纯用硝酸作硝化剂进行硝化的例子并不多。（1）浓硝酸2020/4/29二、常用硝化试剂1.硝酸稀硝酸主要用于芳环上具有较大电子密度的强活化的酚类、酚醚类、芳胺以及稠环化合物的硝化。硝酸的浓度一般为30%左右，常用水作溶剂，芳烃与稀硝酸的摩尔比为1：1.4~1.9。当用稀硝酸进行硝化时，硝基主要进入强致活基团的对位；对位被占据时，则进入邻位。（2）稀硝酸2020/4/29二、常用硝化试剂1.硝酸反应机制：机制与浓硝酸不同，进攻芳环的亲电离子已不是硝酰离子，而是硝酸中存在的痕量的亚硝酸所解离出的亚硝酰离子进攻芳环，生成的亚硝基化合物随即被硝酸氧化成硝基化合物，同时又产生亚硝酸。亚硝酸在此起到的是催化剂的作用。（2）稀硝酸H2O+HNO2+HOHONONO2+HONO+HNO3HNO2HO2020/4/29二、常用硝化试剂2.硝酸-硫酸混酸：浓硝酸（或发烟硝酸）与浓硫酸按一定比例组成的硝化剂俗称为混酸。混酸的主要优点：（1）混酸的硝化活性强：在混酸中硝酸几乎全部解离成硝酰离子，从而增加硝酸解离成硝酰离子浓度，硝化活性比硝酸大大增强。2020/4/29二、常用硝化试剂2.硝酸-硫酸混酸的主要优点：（2）硝酸的利用率高：混酸中硝酸的用量接近理论量或过量不多。硝酸以下列方式解离成硝酰离子。HONO2+H2ONO2HSO4H2SO4+H2ONO2H2ONO2++HSO4H3O+H2OH2SO4H3O总式：+H2SO4HSO4HNO3NO2++222020/4/29二、常用硝化试剂2.硝酸-硫酸混酸的主要优点：（3）降低了硝酸的氧化能力和腐蚀性：硝酸中加入硫酸后，相当于硝酸被硫酸所稀释，氧化能力降低，氧化副反应发生的可能性减少。（4）易于控制硝化进程：硫酸的比热较大，能吸收硝化反应中放出的热量，可避免硝化反应时的局部过热现象。2020/4/29二、常用硝化试剂2.硝酸-硫酸混酸的主要优点：（5）硝化能力可以调节：通过调节混酸中硝酸与硫酸的比例可调节硝化剂的硝化能力。混酸硝化能力的大小可以用“硫酸脱水值”（简称DVS）表示，DVS是混酸中的硝酸完全硝化生成水后，废硫酸中硫酸和水的计算质量比。2020/4/29二、常用硝化试剂2.硝酸-硫酸混酸的主要优点：（5）硝化能力可以调节一般DVS越大，硝化能力越强，通常根据被硝化物的活性和引入硝基的多少选择适宜的DVS。混酸的最大缺点是：①酸度大：某些对酸敏感的化合物如吡咯、呋喃和噻吩等在其中极易遭破坏；②极性强：极性小的有机反应物在其中的溶解度差，反应多为非均相反应，要求硝化反应器装有良好的搅拌装置，使酸相与有机相充分接触。2020/4/29二、常用硝化试剂3.硝酸盐-硫酸硝酸盐与硫酸反应生成硝酸与硫酸盐，它实际上相当于无水硝酸与硫酸组成的硝化剂。MHSO4HNO3H2SO4MNO3++常用的硝酸盐有硝酸钾和硝酸钠，硝酸盐与硫酸的配比是(0.1~0.4)：1.0（重量比）左右。按这种比例，硝酸盐几乎全部解离成硝酰离子，所以硝化能力强大，最适合于难以硝化的有机物的硝化和多硝化反应。需要说明的是，使用该硝化剂时反应混合物粘度较大，搅拌条件要求较高。2020/4/29二、常用硝化试剂4.硝酸-醋酐特点（1）硝酸-醋酐硝化剂是硝酸的醋酐溶液，醋酐可起到吸水作用和溶剂作用，硝酸的利用率高。（2）硝化剂的酸性小，极性小，某些不耐酸的有机物可以用硝酸-醋酐硝化。（3）该硝化剂对有机化合物有良好的溶解性，使硝化反应在均相条件下进行，反应缓和，易于操作。2020/4/29二、常用硝化试剂4.硝酸-醋酐硝酸与醋酐作用主要是生成硝酸乙酸，它是有效的硝化剂。+++HCH3COOHNO2NO2CH3COOH硝酸在醋酐中能以任意比例溶解，常用的浓度是含硝酸10%~30%的醋酐溶液，在使用前临时配制：在充分冷却和搅拌下将硝酸缓慢加至醋酐中。下一页首页全国高职高专药品类专业卫生部“十一五”规划教材供化学制药技术专业用药物合成技术（配套光盘）2020/4/29第八章硝化反应一、硝酸硝化二、混酸硝化三、硝酸盐-硫酸硝化四、硝酸-醋酐硝化五、硝化的应用实例─乙苯的硝化第二节硝化反应在药物合成中的应用2020/4/291．稀硝酸硝化一、硝酸硝化稀硝酸只用于用于含有强的第一类定位基的芳香族化合物的硝化。反应在不锈钢或搪瓷设备中进行，硝酸约过量10%~65%。例如：对苯二酚二乙醚可用稀硝酸进行硝化。OC2H5C2H5OOC2H5C2H5O7034%HNO3NO22020/4/292．浓硝酸硝化一、硝酸硝化浓硝酸进行的硝化往往要用浓硝酸过量很多倍。过量的硝酸必须设法利用或回收，因而使它的实际应用受到限制。例如，邻乙酰氨基苯甲醚用浓硝酸硝化，可制得药物安痢平的中间体。OC2H5C2H5OOC2H5C2H5O7034%HNO3NO22020/4/291．均相混酸硝化二、混酸硝化是指在浓硫酸介质中的均相硝化。当被硝化物或硝化产物在反应温度下为固体时，常常将被硝化物溶解于大量浓硫酸中，然后加入硫酸和硝酸的混合物进行硝化。特点：这种方法只需要使用过量很少的硝酸，一般产率较高，缺点时硫酸用量大。2020/4/292．非均相混酸硝化二、混酸硝化当被硝化物或硝化产物在反应温度下都是液体时，常常采用非均相混酸硝化的方法。通过强烈的搅拌，使有机相被分散到混酸相中而完成硝化反应。例1．非甾类抗炎药甲灭酸中间体的合成，活化的苯环在低温下反应，引入一个硝基。℃CH3CH3NO2CH3CH3HNO3/H2SO410~15℃2020/4/292．非均相混酸硝化二、混酸硝化例2．三氟甲苯用混酸硝化，因三氟甲基使苯环钝化，反应温度比邻二甲苯的硝化要高一些，硝基进入间位，产物是利尿药苄氟噻嗪的中间体。℃50~55℃CF3HNO3/H2SO4,3h(92.7%)CF3NO22020/4/292．非均相混酸硝化二、混酸硝化例3．利尿药氯噻酮中间体的合成。分子中有两个苯环，硝基优先进入连有氯原子的苯环，且进入氯原子的邻位，恰巧也是羰基的间位。NO2HNO3/H2SO4OCClCOOHCOOHClCO2020/4/29三、硝酸盐-硫酸硝化硝酸盐-硫酸是活性最强的硝化剂，主要用于有吸电子基取代的芳环的硝化或多硝化反应。例1．苯甲酸用硝酸钠-硫酸硝化，生成的间硝基苯甲酸是胆影酸的中间体。℃NO2COOH(60%),1h90NaNO3/H2SO4COOH2020/4/29三、硝酸盐-硫酸硝化例2．2,4,5-三甲基苯磺酸用硝酸钾-硫酸硝化，分子中引入两个硝基，产物是合成维生素E的中间体。3025~℃CH3CH3(65%)KNO3/H2SO4H3CSO3HSO3HH3CCH3CH3O2NNO2℃2020/4/29四、硝酸-醋酐硝化硝酸-醋酐硝化中醋酐是有机溶剂，用该硝化剂时，硝酸的用量接近理论量。硝化剂中的醋酐也可以用其他有机溶剂代替，常用的有乙酸、二氯乙烷等。例如：抗菌药呋喃唑酮中间体的合成中，原料糠醛若用混酸硝化易被破坏。O2N(85%)60Na2CO3/H2OOO,5h-7~7HNO3/Ac2O/H2SO4CHOCH(OCOCH3)2CH(OCOCH3)2OO2NOCOCH3℃℃℃2020/4/29五、硝化的应用实例——乙苯的硝化对硝基乙苯是氯霉素的重要中间体，它是由乙苯硝化制得。由于乙苯是致活的邻对位定位基，用混酸硝化时，反应速度比苯快23倍，主要生成邻硝基乙苯和间硝基乙苯，还有少量间位