重氮化和重氮盐的反应精细有机合成.ppt

第8章 重氮化和重氮盐的反应,概述重氮化(Diazotization)重氮盐的反应,本章教学基本内容,8-1 概述,重氮化反应及其特点,芳伯胺在无机酸存在下与亚硝酸作用，生成重氮盐的反应称为重氮化反应。工业上，常用亚硝酸钠作为亚硝酸的来源。反应通式为：式中X可以是Cl、Br、NO3、HSO4等。工业上常采用盐酸。,在重氮化过程中和反应终了，要始终保持反应介质对刚果红试纸呈强酸性（pH2)，如果酸量不足，可能导致生成的重氮盐与没有起反应的芳胺生成重氮氨基化合物：,ArN2X+ArNH2 ArN=NNHAr+HX,结构,用途,8-2 重氮化反应,重氮化反应历程重氮化反应影响因素重氮化方法,一、重氮化反应历程,芳伯胺重氮化反应历程是亲电的N-亚硝化-脱水反应。1、亲电质点：与反应体系所用无机酸种类和浓度有关。,(1)在稀盐酸中进行重氮化时，主要活泼质点是亚硝酰氯（ON-Cl），它是按以下反应生成：NaNO2+HCl ON-OH+NaCl（酸化）ON-OH+HCl ON-Cl+H2O（酰化,（2）在稀硫酸中进行重氮化时，主要活泼质点是亚硝酸酐（ON-NO2），它是按以下反应生成：2ON-OH ON-ON2+H2O,（3）在稀盐酸中进行重氮化时，如果加少量溴化钠或溴化钾，则主要活泼质点是亚硝酰溴（ON-Br），它是按以下反应生成：NaBr+HCl NaCl+HBr ON-OH+HBr ON-Br+H2O,（4）在浓硫酸中进行重氮化时，则主要活泼质点是亚硝基正离子（ON+），它是按以下反应生成：ON-OH+H2SO4 ON+2HSO4-+H3O+,上述各种活泼质点的活泼性次序是：ON+ON-BrON-ClON-ON2ON-OH,重氮化反应历程是N-亚硝化-脱水反应，可简要表示如下：,2、反应历程,二、一般反应条件,（1）低温反应：010,（2）无机酸的用量和浓度,酸要过量理论量：n(HX):n(ArNH2)=2:1 实际比:n(HX):n(ArNH2)=2.5-4:1,由于游离亚硝酸很不稳定，易发生分解，通常重氮化反应所需的新生态亚硝酸，是由亚硝酸钠与无机酸（盐酸或硫酸等）作用而得。由此可见，亚硝酸钠是重氮化反应中常用的重氮化剂。通常配成30%的亚硝酸钠溶液使用，其用量比理论量稍过量。,（3）亚硝酸钠,使淀粉碘化钾试纸变蓝,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。但亚硝酸钠加料太快，亚硝酸生成速度超过重氮化反应对其消耗速度，则使此部分亚硝酸分解损失。3HNO2 NO2+2NO+H2O2NO2+O2 2NO2 NO2+H2O HNO3 这样不仅浪费原料，且产生有毒、有刺激性气体，还会使设备腐蚀。因此，必须对亚硝酸钠的用量和加料速度进行控制。,（4）重氮化试剂的配制,1、在稀盐酸或稀硫酸中进行重氮化时，一般可用质量分数30%-40%的亚硝酸钠水溶液。,2、在浓硫酸中进行重氮化时，通常要将干燥的粉状亚硝酸钠慢慢加入到浓硫酸中配成亚硝酰硫酸溶液。,三、重氮化方法,1.碱性较强的芳胺特点：带供电基，铵盐稳定，不易水解为游离胺方法：,铵盐溶于水：慢速顺法铵盐不溶于水：快速顺法,即在室温将芳伯胺溶解于过量较少的稀盐酸或稀硫酸中，加冰冷却至一定温度，然后先快后慢地加入亚硝酸钠水溶液，直到亚硝酸钠过量为至。,2.碱性较弱的芳胺 特点：（1）带一个强吸电基或多个-Cl；（2）难成铵盐，且铵盐难溶于水；（3）易生成游离胺；（4）反应速度快。方法：加热溶解，冷却析出；快速顺法,即先将芳伯胺溶解于过量较多、浓度较高的热的稀盐酸或稀硫酸中，然后加冰冷却至一定温度，使大部分胺盐以很细地沉淀析出，然后迅速加入亚硝酸钠水溶液，以避免生成重氮氨基化合物。,3.碱性很弱的芳胺 特点：（1）有两个或两个以上强吸电基；（2）不溶于稀酸，但能溶解于浓硫酸。方法：以浓H2SO4为介质；亚硝基硫酸法（NO+HSO4-)。,即先将芳伯胺溶解于4-5倍质量的浓硫酸中，然后在一定温度下加入微过量的亚硝酰硫酸溶液。为了节省硫酸用量，简化工艺，也可以向芳伯胺的浓硫酸溶液中直接加入干燥的粉状亚硝酸钠。,4.氨基芳磺酸或氨基芳羧酸的重氮化 特点：（1）易形成内盐，在酸性介质下不溶；（2）可以溶于碱。方法：碱溶酸析;顺式重氮化法,即先将芳伯胺悬浮在水中，加入微过量的氢氧化钠或氨水，使氨基磺酸转变成钠盐或铵盐而溶解，然后加入稀盐酸或稀硫酸使氨基磺酸以很细的颗粒沉淀析出，接着立即加入微过量的亚硝酸钠水溶液。,5.氨基酚类的重氮化,容易被氧化的氨基酚类（苯系、萘系邻、对氨基酚）。该类中的某些芳胺在无机酸中易被亚硝酸氧化成醌亚胺型化合物。方法：可在中性到弱酸性介质中，在硫酸铜存在下重氮化。,例如：2-氨基-4,6-二硝基苯酚，其重氮化是先将其溶于苛性钠水溶液中，然后加盐酸以细颗粒形式析出，再加亚硝酸钠进行重氮化。l-氨基-2-萘酚-4-磺酸的重氮化是在中性水溶液中加入少量硫酸铜作催化剂来进行的：,二胺类化合物的重氮化可分为三种情况。邻二胺类：它和亚硝酸作用时一个氨基先被重氮化，然后该重氮基又与未重氮化的氨基作用，生成不具有偶合能力的三氮化合物。但邻苯二胺可在乙酸中用亚硝酰硫酸双重氮化。,6、二胺类的重氮化,间二胺类：其特点是极易重氮化及与重氮化合物偶合。例如，一个分子中的两个氨基同时被重氮化，接着与未起作用的二胺发生自身偶合，如俾士麦棕G偶氮染料的制备。,为避免耦合副反应，可用反法双重氮化，即先将间苯二胺在弱碱性至中性条件下与稍过量的亚硝酸钠配成混合水溶液，在良好搅拌下，将混合液快速加到过量较多的冷的稀盐酸中进行反法重氮化。,对二胺类：该类化合物用正法重氮化可顺利地将其中一个氨基重氮化，得到对氨基重氮苯。重氮基为强吸电基，它与氨基共处于共扼体系中时，将使未被重氮化的氨基的碱性减弱，从而使进一步的重氮化产生困难。如果将两个氨基都重氮化则需在浓硫酸中进行。,四、重氮化设备,重氮化一般采用间歇操作，选择釜式反应器。因重氮化水溶液体积很大，反应器的容积可达1020M3。某些金属或金属盐，如Fe、Cu、Zn、Ni等能加速重氮盐分解，因此重氮反应器不易直接使用金属材料。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。,重氮化反应所用原料应纯净且不含异构体。若原料颜色过深或含树脂状物，说明原料中含较多氧化物或已部分分解，在使用前应先进行精制（如蒸馏、重结晶等）。原料中含无机盐、如氯化钠，一般不会产生有害影响，但在计量时必须扣除。,芳伯胺重氮化时应注意的共性问题：,重氮化反应的终点控制要准确。由于重氮化反应是定量进行的，亚硝酸钠用量不足或过量均严重影响产品质量。因此事先必须进行纯度分析，并精确计算用量，以确保终点的准确。,重氮化反应的设备要有良好的传热措施。由于重氮化是放热反应，无论是间歇法还是连续法，强烈的搅拌都是必需的，以利于传质和传热，同时反应设备应有足够的传热面积和良好的移热措施，以确保重氮化反应安全进行。,重氮化过程必须注意生产安全。重氮化合物对热和光都极不稳定，因此必须防止其受热和强光照射，并保持生产环境的潮湿。,8-3 重氮盐的反应,保留氮的重氮基转化反应放出氮的重氮基转化反应,+,一、保留氮的重氮基转化反应,重氮盐还原为芳肼偶合反应,（一）重氮盐还原为芳肼,在亚硫酸盐和亚硫酸氢盐1:1的混合物的作用下，重氮盐可以还原芳肼。,P222 8-1（1）,P222 8-1（2）,（二）偶合反应,定义,重氮盐与芳环、杂环或具有活泼亚甲基的化合物反应，生成偶氮化合物的反应叫做偶合反应。,重氮组分,偶合组分,（1）酚类：（2）胺类,偶合组分：,偶合组分中同时含有氨基和羟基时，则在酸性偶合时，偶氮基进入氨基的邻对位；在碱性偶合时，偶氮基进入羟基的邻对位。,重氮组分：,偶合反应应用实例酸性嫩黄G的合成,操作方法 重氮化。重氮桶中放水560L，加30%盐酸163kg，再加入100%苯胺55.8 kg，搅拌溶解，加冰降温至0，自液面下加入相当于100%亚酸钠41.4 kg的30%亚硝酸钠溶液，重氮温度02,时间30Min，此时刚果红试纸呈蓝色，碘化钾淀粉试纸呈微蓝色，最后调整体积至1100L。,1-(4-磺酸基苯基)-3-甲基-5-吡唑啉酮,偶合。铁锅中放水900L，加热至40，加入纯碱60kg，搅拌全溶，然后加入1-(4-磺酸基苯基)-3-甲基-5-吡唑啉酮154.2 kg，溶解完全后再加入10%纯碱溶液（相当于100%48kg）。加冰及水调整体积至2400L，温度23，把重氮液过筛放置40min。在整个过程中，保持pH=88.4，温度不超过5。偶合完毕，1-(4-磺酸基苯基)-3-甲基-5-吡唑啉酮应过量，pH在8.0以上。如pH值低，则需补加纯碱液。继续搅拌2h，升温至80，体积约4000L，按体积20%21%计算加入食盐量，进行盐析，搅拌冷却至40以下过滤。在80干燥，得产品460 kg（100%）。,二、放出氮的重氮基转化反应,(一)重氮基被氢原子置换脱氨基反应,反应条件：重氮盐水溶液和乙醇、丙醇等弱还原剂反应，可使-N2+基团被-H置换（脱-NH2）还原剂：乙醇、丙醇、次磷酸（H3PO2）,当-N2+邻位有卤基、-COOH、-NO2时，还原效果更好。Zn粉、Cu粉的存在有利于反应。用途：用于有机合成中，用一般反应不能得到目的产物时。,重氮盐与还原剂乙醇或甲醇的反应属游离基反应：,脱氨基反应的用途：先利用氨基的定位作用将某些取代基引入到芳环上的指定位置，然后再脱去氨基，以制备某些不能用简单的取代反应制备的化合物。,P222 8-1（11）,(二)重氮基被羟基置换重氮盐的水解,反应历程：SN1历程重氮盐首先分解为芳阳离子，然后受到亲核试剂H2O的进攻，快速形成中间体阳离子(I)，再脱质子生成酚类：,注意一：由于芳正离子非常活泼，可与反应液中其他亲核试剂相反应。为避免生成氯化副产物，芳伯胺重氮化要在稀硫酸介质中进行。为避免芳正离子与生成的酚氧负子反应生成二芳基醚等副产物，最好将生成的可挥发性酚，立即用水蒸气蒸出。或向反应液中加入氯苯等惰性溶剂，使生成的酚立即转入到有机相中。注意二：为避免重氮盐与水解生成的酚发生偶合反应生成羟基偶氮染料，水解反应要在40%50%浓度的硫酸中进行。通常是将冷的重氮盐水溶液滴加到沸腾的稀硫酸中。温度一般在102145。,重氮盐的水解反应的用途：用其他方法不易在芳环上的指定位置引入羟基时，可考虑采用重氮盐的水解。,例如：,解：,P222 8-1（14）,另外，在萘系酚类中，只有1-萘酚-8-磺酸的制备采用重氮盐的水解法。,(三)重氮基被卤原子置换(X=F、Cl、Br、I),1、重氮基被氯或溴置换 Sandmeyer反应,要求芳伯胺重氮化时所用氢卤酸和卤化亚铜中的卤原子都与要引入芳环上的卤原子相同。,桑德迈尔反应是自由基型的置换反应。一般认为重氮盐正离子先与亚铜盐负离子形成配合物；,然后配合物经电子转移生成芳自由基Ar；,最后芳自由基Ar与CuCl2反应生成氯代产物并重新生成催化剂CuCl。,反应所需卤化铜催化剂通常需要新鲜制备，用量一般为重氮盐的1/51/10（化学计算量）。也可用铜粉与卤化氢代替卤化亚铜，这种改良反应称为盖特曼（Gatterman）反应。反应温度一般要求4080，有些反应也可在室温下进行。反应中常加入适量无机卤化物，使卤离子浓度增加，但需保持较高酸性，以加速卤置换反应，提高收率，减少偶氮、联芳烃及氢化副产物。,根据重氮盐的性质不同，桑德迈尔反应有两种操作方法。一种是将亚铜盐的氢卤酸盐溶液加热至适当温度，然后缓慢滴入冷的重氮盐溶液，滴入速度以立即分解放出氮气为宜。这一操作使亚铜盐始终对重氮盐处于过量状态。适用于反应速度较快的重氮盐。另一种是将重氮盐溶液一次加入到冷却的亚铜盐与氢卤酸溶液中，低温反应一定时间后，再缓慢加热使反应完全。这种方法使重氮盐处于过量，适用于一些配位和电子转移速度较慢的重氮盐。另外，也可以将铜粉加入到冷的重氮盐的氢卤酸水溶液中进行重氮基被氯或溴的置换反应，这个反应称盖特曼（Gattermann）反应。,2、重氮基被碘置换,由重氮盐置换成碘代芳烃，可直接用碘化钾或碘和重氮盐在酸性溶液中加热即可。用碘置换的重氮盐制备，一般在稀硫酸或盐酸中进行，用稀硫酸效果较好；若用盐酸，其粗品中会有少量氯化物杂质。例如：,3、重氮基被氟置换（制备氟化物的一种重要方法）通常用希曼（Schiemann）反应，即将芳伯胺在盐酸中重氮化加入氟硼酸，过滤出水溶性很小的重氮氟硼酸盐，在无水条件下加热分解氟化。,P222 8-1（6）,用途：制备一系列芳香族卤化物。,例：,（四）重氮基被氰基置换,重氮盐与氰化亚铜的配合物在水介质中反应，重氮基可被氰基（-CN）置换，生成芳腈。氰化亚铜的配位盐水溶液是由氯化亚铜或氰化亚铜与氰化钠溶液制得：,氰化反应一般表示为：,例：,解：,P222 8-1（12）,（五）重氮基被巯基置换,重氮盐与一些低价含硫化合物相作用可使重氮基被巯基置换。,将冷重氮盐酸盐水溶液倒入冷的Na2S2-NaOH水溶液中，然后将生成的二硫化物Ar-S-S-Ar进行还原，也可制得相应的硫酚。,（六）重氮基被含碳基置换（自学）,-,练习：以间甲苯胺为原料经重氮化-卤化可以合成间氟甲苯和间氯甲苯，如下图所示。（1）图中3个反应条件代表3个人名反应：Schiemann反应、Sandmeyer反应和Gattermann反应，请将反应条件与人名反应进行一一对应。（2）芳烃反应有双分子亲核、单分子亲核、双分子亲电、苯炔机理和自由基机理等几种反应历程，请说明图中3个条件对应的反应历程。（3）以条件2为例，试画出重氮盐氯化反应的机理。,芳基重氮氟硼酸盐受热时，首先分解放出氮气，形成芳基碳正离子（Ar+）；芳基碳正离子立即从氟硼酸根离子（BF4-）中夺取一个氟离子（F-）形成芳基氟。,本 章 作 业,P222：8-1 8-3。,答：由苯的环上亲电取代二氯化、混酸硝化、硝基还原成氨基、过量发烟硫酸磺化、氨基重氮化、重氮盐加成磺化、最后酸性水解脱N，N两个磺酸基等反应而得。其合成路线如下：,重氮化时，将2,5-二氯苯胺-4-磺酸的酸性硫酸盐湿滤饼在水中打浆，然后加冰，于810在液面下加入稍过量的35亚硝酸钠水溶液进行重氮化，产品2,5-二氯重氮苯-4-磺酸以内盐折出。将上述重氮磺酸内盐混滤饼慢慢加入到Na2SO3-NaHSO3混合盐水溶液中，控制PH值为6.8-7.1，温度2025，进行N,N加成二磺化生成N，N-芳肼二磺酸二钠盐，将加成磺化还原液过滤，除去不溶物，向澄清滤液中加入质量分数为98%硫酸，在8090进行酸性水解，脱去N,N-两个磺酸基，并抽真空排出SO2，水解液冷却后，2，5-二氯苯肼4-磺酸内盐即结晶析出，过滤得内盐湿滤饼作为成品。说明：2，5-二氯苯胺在用过量发烟硫酸磺化后，将磺化物放入水中稀释至硫酸浓度约30时，磺化产物以2,5-二氯苯胺-4-磺酸的酸性硫酸盐的形式析出其分子已经有1molH2SO4和一个-SO3H，因此它在重氯化时不需要再加硫酸或盐酸。,邻甲苯胺经烘焙磺化、N-乙酰化、环上亲电取代氯化、酸性水解脱N-乙酰基、氨基重氨化、重氮盐N,N-加成二磺化，最后酸性水解脱去N,N两个磺酸基等反应而得。其合成路线如下：,重氮化时，将2-甲基6-氯苯胺-4-磺酸内盐湿滤饼在稀硫酸中打浆，加冰，在8 以下慢慢加入稍过量40亚硝酸钠水溶液进行重氮化，得重氮磺酸内盐浆状液，将它加入到含Na2SO3-NaHSO3混合盐水溶液中，加料温度8，控制PH值近中性，在2530 搅拌过夜进行N，N加成二磺化生成N，N-芳肼二磺酸二钠盐，然后向其中加入适量浓硫酸，在沸腾温度下进行酸性水解，脱去N,N-两个磺酸基，然后冷却过夜水解后，2-甲基-6-氯苯肼-4-磺酸内盐即结晶析出，过滤得内盐湿滤饼作为成品。,答：甲苯经混酸硝化、高效精馏得副产品间硝基甲苯，再经硝基还原成氨基、烘焙磺化、氨基重氮化和重氮基转化为氯等反应而得。其合成路线如下：,重氮化时，将2-甲基-4-氨基苯磺酸内盐在稀盐酸中打浆，加冰，企低温加入稍过量的亚硝酸钠水溶液进行重氮化，生成2-甲基-4-重氮苯磺酸内盐悬浮液，将悬浮液倒入冷的氯化亚铜的盐酸溶液中，温热进行重氮基转为氯的反应，生成2-甲基-4-氯苯磺酸，经中和、过滤脱铜，将滤液盐析、即得到2-甲基-4-氯苯磺酸钠。说明：因为重氮磺酸内盐在水中的溶解度很小，将重氮盐一次加入到冷的CuCl-HCl溶液中，其放氮速度也不会太快，即不会溢料。,甲苯经混酸硝化，高效精馏分离得对硝基甲苯，再经硝基还原成氨基、N-乙酰化、环上亲电取代溴化、酸性水解脱N-乙酰基、氨基重氮化和重氮基置换为氟等反应而得。共合成路线如下：,重氮化时，将3-溴-4-氨基甲苯溶于过量较少的稀盐酸中，加冰，在0-10先快后慢地加入稍过量的亚硝酸钠水溶液进行重氮化，生成重氮盐酸盐，加入氟硼酸(或氟氢酸和硼酸)的水溶液，过滤出重氮氟硼酸盐，水洗、乙醇洗，在不太高的温度下干燥，然后加热至一定温度即分解为3-溴4-氟甲苯。,由2,6二氯苯胺的重氮化和重氮基转化为氟而制得。所用2，6二氯苯胺是由苯胺用尿素的碳酰化得二苯脲，后者再经过量硫酸磺化、环上亲电取代二氯化、酸性水解脱碳酰基和酸性水解脱磺酸基等反应而得。其合成路线如下：,