重氮化反应历程是 N- 亚硝化 - 脱水反应, 可简要表示如下 : 上式中重氮化的各种活泼质点都是亚硝酰正离子的供给体, 均可与游离芳胺进行亲电取代反应, 形成中间体亚硝胺, 经脱水最后转化为重氮盐

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1 一 重氮化反应历程一般认为, 重氮化反应历程是亚硝酰正离子 (NO + ) 对芳伯胺的亲电取代反应, 其反应历程和反应速度与酸浓度以及形成亚硝酰正离子的试剂种类有关 可见重氮化的活泼质点是亲电性的, 所以要求被重氮化的芳伯胺是以游离态来参加反应, 而不是以芳伯胺盐或芳伯胺合氢正离子态参加反应的 因为游离芳伯胺氮原子上的孤对电子较裸露, 具有较强亲核性, 而芳伯胺盐和芳伯胺合氢正离子中, 氮原子上的孤对电子已被酸或质子所占据, 失去亲核性, 反应活性极低

2 重氮化反应历程是 N- 亚硝化 - 脱水反应, 可简要表示如下 : 上式中重氮化的各种活泼质点都是亚硝酰正离子的供给体, 均可与游离芳胺进行亲电取代反应, 形成中间体亚硝胺, 经脱水最后转化为重氮盐

3 由反应历程可知, 在稀硫酸中重氮化时, 亚硝酸酐的亲电性弱, 重氮化速度较慢, 所以重氮化反应一般是在稀盐酸中进行的 有时为加速反应, 可在稀盐酸中加入少量的溴化钠或溴化钾 当芳伯胺在稀盐酸中难于重氮化时, 则需要在浓硫酸介质中进行重氮化 显然, 对不同的芳伯胺因其反应活性不同需要采用不同的重氮化方法, 这将在后继内容中详述

4 二 反应影响因素 1. 无机酸的性质芳伯胺重氮化的反应速度主要取决于重氮化活泼质点的种类和活性, 无机酸的性质 浓度在此起决定作用 在稀盐酸中进行重氮化时, 主要活泼质点是亚硝酰氯 (ON Cl), 按以下反应生成 : 在稀硫酸中进行重氮化时, 主要活泼质点是亚硝酸酐 ( 即三氧化二氮 ON NO 2 ), 按以下反应生成 :

5 在浓硫酸中进行重氮化时, 主要的活泼质点是亚硝酰正离子 (NO + ), 按以下反应生成 : 上述各种重氮化活泼质点的活性次序是 : 显然, 越活泼的质点其发生重氮化反应的速度越快, 如 : 用 HBr 作用的速率较用 HCl 快 50 倍

6 2. 无机酸的用量和浓度无机酸的用量和浓度与参与反应的芳胺结构有关 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 实际上, 对于碱性较强的芳伯胺, 酸的摩尔用量为芳伯胺的 2.5 倍左右 ; 对于碱性较弱的芳伯胺, 其酸用量和浓度都应相对提高, 其摩尔用量可达 3~4 倍或更高 盐酸过量对反应有如下好处 : 1 可加速重氮化反应速度, 又能使重氮化合物以盐的形式存在而不易发生分解

7 2 保持反应液酸性, 抑制亚硝酸离子化, 防止重氮盐分解, 阻止偶合副反应 同时必须指出, 因亚硝酸具有氧化性, 当无机酸为盐酸时, 不可使用浓盐酸, 其浓度一般不超过 20%, 否则会生成氯气而破坏重氮化合物 :

8 3. 亚硝酸钠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

9 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 3HNO 2 NO 2 + 2NO + H 2 O 2NO 2 + O 2 2NO 2 NO 2 + H 2 O HNO 3 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

10 4. 芳胺碱性芳伯胺的重氮化是靠活泼质点 (NO + ) 对芳伯胺氮原子孤对电子的进攻来完成的 显然, 芳伯胺氮原子上的部分负电荷越高 ( 芳伯胺的碱性越强 ), 则重氮化反应速度就越快, 反之则相反 从芳伯胺的结构来看, 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

11 5. 温度重氮化反应速度随温度升高而加快, 如在 10 时反应速度较之 0 时的反应速度增加 3~4 倍 但因重氮化反应是放热反应, 生成的重氮盐对热不稳定, 亚硝酸在较高温度下亦易分解, 因此反应温度常在低温 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, 通常在稀盐酸或稀硫酸介质中重氮化时, 可采取直接加冰冷却法 ; 在浓硫酸介质中重氮化时, 则需要用冷冻氯化钙水溶液或冷冻盐水间接冷却 一般说来, 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, 亦可在较高的温度下进行重氮化

12 三 重氮化操作方法 设备及安全生产 1. 芳伯胺重氮化时应注意的共性问题经重氮化反应制备的产物众多, 其反应条件 操作方法也不尽相同, 但在进行重氮化时, 以下几个方面却是其共同具有的, 应给予足够的重视 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

13 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

14 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, 包括苯胺 甲苯胺 甲氧基苯胺 二甲苯胺 甲基萘胺 联苯胺和联甲氧苯胺等 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

15 (2) 连续操作法本法也是适用于碱性较强芳伯胺的重氮化 工业上以重氮盐为合成中间体时多采用这一方法 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 采用连续化操作时, 可使生成的重氮盐立即进入下步反应系统中, 而转变为较稳定的化合物 这种转化反应的速度常大于重氮盐的分解速度 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

16 又如 : 对氨基偶氮苯的生产中, 由于苯胺重氮化反应及产物与苯胺进行偶合反应相继进行, 可使重氮化反应的温度提高到 90 左右而不至引起重氮盐的分解, 大大提高生产效率

17 (3) 倒加料法本法适用于一些两性化合物, 即含 SO 3 H 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 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 NaNO 2, 然后将此混合液加入到预先经冷却的稀酸中进行重氮化 此法还适用于一些易于偶合的芳伯胺重氮化, 使重氮盐处于过量酸中而难于偶合

18 (4) 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 :

19 (5) 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

20 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 因重氮化水溶液体积很大, 反应器的容积可达 10~20M 3 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 图 11-1 是重氮化锅示意图 这种设备的特点除了可安装搅拌装置外, 适合直接向设备中投碎冰块降温 底部略呈倾斜, 下方侧部有出料口, 以利于物料放尽

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22 连续重氮化反应可采用多釜串联或管式反应器, 其重氮化温度高, 反应物停留时间短, 生产效率高 对难溶芳伯胺可在砂磨机中进行连续重氮化 近年来各大公司相继开发成功自动分析等先进仪器装置安装在连续重氮化和偶合的设备上并实现联动, 自动调节重氮化反应时的亚硝酸钠加入速度以及控制反应的 ph 值及终点, 从而提高了生产能力 产品收率和质量 图 11-2 是汽巴 - 嘉基公司推荐的连续重氮化工艺装置 贮槽 1 为芳胺的盐酸溶液, 贮槽 2 是水, 按规定速度分别将其用泵打到反应器中 亚硝酸钠溶液则由贮槽 3 进入反应器 4 9~ 12 是极性电压控制系统 反应器 4 中的温度由一个循环装置控制 反应物料由反应器 4 经过滤器 16 溢流至反应器 5 重氮化反应在带有夹套的反应器 5 中完成 重氮化液用泵压料经过滤装置送往贮槽 是反应器 5 的液面高度控制装置

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24 (2) 安全生产重氮盐性质活泼, 特别是干燥的重氮盐, 受热 撞击 磨擦易发生爆炸 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 Cl 2 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

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