常用的偶合组分有酚类, 如苯酚 萘酚及其衍生物 ; 芳胺如苯胺 萘胺及其衍生物 其他还有各种氨基萘酚磺酸和含活泼亚甲基化合物, 如丙二酸及其酯类, 吡唑啉酮等 偶合反应的机理为亲电取代反应 重氮盐作为亲电试剂, 对芳环进行取代 由于重氮盐的亲电能力较弱, 它只能与芳环上电子云密度较大的化合物进行偶合

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1 一 偶合反应 1. 偶合反应及其特点重氮盐与酚类 芳胺作用生成偶氮化合物的反应称为偶合反应 它是制备偶氮染料必不可少的反应, 制备有机中间体时也常用到偶合反应 参与偶合反应的重氮盐称为重氮组分 ; 酚类和胺类称为偶合组分

2 常用的偶合组分有酚类, 如苯酚 萘酚及其衍生物 ; 芳胺如苯胺 萘胺及其衍生物 其他还有各种氨基萘酚磺酸和含活泼亚甲基化合物, 如丙二酸及其酯类, 吡唑啉酮等 偶合反应的机理为亲电取代反应 重氮盐作为亲电试剂, 对芳环进行取代 由于重氮盐的亲电能力较弱, 它只能与芳环上电子云密度较大的化合物进行偶合

3 2. 偶合反应影响因素 (1) 重氮盐的结构偶合反应为亲电取代反应, 在重氮盐分子中, 芳环上连有吸电子基时, 能增加重氮盐的亲电性 使反应活性增大 ; 反之芳环上连有供电子基时, 减弱了重氮盐的亲电性, 使反应活性降低 (2) 偶合组分的结构偶合组分主要是酚类和芳伯胺类 若芳环上连有吸电子基时, 反应不易进行 ; 相反若连有供电子基时, 可增加芳环上的电子云密度, 使偶合反应容易进行 重氮盐的偶合位置主要在酚羟基或氨基的对位 若对位已被占据, 则反应发生在邻位 对于多羟基或多氨基化合物, 可进行多偶合取代反应 分子中兼有酚羟基及氨基者, 可根据 ph 值的不同, 进行选择性偶合

4 (3) 介质酸碱度 (ph 值 ) 重氮盐与酚类或芳伯胺的偶合对 ph 值的要求不同 与酚类的偶合宜在偏碱性介质中进行 (ph 约为 8~10),pH 值增加, 偶合速度加快, ph 增至 9 左右时, 偶合速度最大 这是因为在碱性介质中有利于偶合组分的活泼形态酚氧负离子的生成, 但当 ph>10 时, 偶合停止 这显然因为重氮盐在碱性介质中转变为重氮酸钠而失去偶合能力

5 重氮盐与芳伯胺偶合时, 应在弱酸性或中性介质中进行, 一般 ph 为 5~7 这是因为重氮盐在酸性条件下较稳定, 而芳伯胺是以游离胺形式参与偶合 在弱酸性或中性介质中, 游离胺浓度大, 同时重氮盐也不致分解, 故有利于偶合反应

6 3. 偶合反应应用实例 (1) 酸性嫩黄 G 的合成路线其合成反应式如下 : (2) 操作方法 1 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 0~2, 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

7 2 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 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 2~3, 把重氮液过筛放置 40min 在整个过程中, 保持 ph=8~8.4, 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%)

8 二 重氮盐的置换重氮盐在合成中最重要的应用就是重氮基可以被多种基团所置换 这一反应的优点, 不仅收率好, 操作简便, 最主要的是可以得到具有确知位置的取代化合物 置换基团进入的位置即在重氮基处, 也就是原来的氨基处 Y 基团主要有 X CN OH H OR SH S S NO 2 等

9 1. 重氮基被卤素置换 (1) 重氮基被氯或溴置换在氯化亚铜或溴化亚铜催化下将重氮盐置换成氯 溴化合物的反应称为桑德迈尔 (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 例如 : 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 ;

10 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 CuCl 2 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 1/5~1/10( 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 40~80, 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

11 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

12 (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 :

13 (3) 重氮基被氟置换重氮盐与氟硼酸盐反应, 或芳伯胺直接用亚硝酸钠和氟硼酸进行重氮化反应, 均能生成不溶于水的重氮氟硼酸盐 ( 复盐 ) 此重氮盐性质稳定, 过滤干燥后, 再经加热分解 ( 有时在氟化钠或铜盐存在下加热 ), 可得氟代芳烃 此反应称为希曼 (Schiemann) 反应

14 重氮氟硼酸盐的分解必须在无水无醇条件下进行, 其热分解是快速强烈放热反应, 一旦超过分解温度, 会发生爆炸事故 重氮氟硼酸盐从水中析出的收率与苯环上的取代基有关 (1) 一般来说, 在重氮氟硼酸盐邻位有取代基时, 重氮氟硼酸盐溶解度较大, 收率低 (2) 对位有取代基时, 溶解度小, 收率高 (3) 苯环上有羟基或羧基时, 使重氮氟硼酸盐溶解度增加, 收率降低 必要时可以用芳伯胺相应的醚 ( 或羧酸酯 ) 为原料, 以降低重氮氟硼酸盐的溶解度

15 2. 重氮基被氰基置换重氮盐与氰化亚铜的复盐反应, 重氮基可被氰基 ( CN) 置换, 生成芳腈 氰化亚铜的复盐是由氯化亚铜与氰化钠溶液制得 : 或 氰化反应一般表示为 :

16 由上式可看出 : 亚铜离子并不消耗, 仅起催化作用 反应时, 采用的投料比为 :NaCN/CuCl/ArNH 2 的摩尔比约为 1.8~2.6/0.25~0.44/1;NaCN/CuCl 的摩尔比约为 4~7:1, 最低为 2.5~3:1 由于氰化物有剧毒, 在制备腈化合物时, 重氮盐溶液必须先中和到中性, 然后加到氰化亚铜的复盐溶液中, 以免有氰氢酸逸出 反应操作时务必注意防护 反应后的废酸应用 FeSO 4 彻底消毒后再妥善处理

17 3. 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 将冷的重氮酸盐水溶液倒入 40~45 的乙基磺原酸钠水溶液中, 分离出乙基磺原酸芳基酯, 将后者在氢氧化钠水溶液中或稀硫酸中水解即得到相应的硫酚 另一种方法是将冷重氮盐酸盐水溶液倒入冷的 Na 2 S 2 -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

18 4. 重氮基被含氧基置换重氮基被羟基置换的反应称为重氮盐的水解反应 其反应属于 S N 1 历程, 当将重氮盐在酸性水溶液中加热煮沸时, 重氮盐首先分解为芳正离子, 后者受到水的亲核进攻, 而在芳环上引入羟基 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

19 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 102~145

20 三 重氮盐的还原对重氮盐中的两个氮原子进行还原可制得芳肼化合物 还原剂有氯化亚锡 锌粉及亚硫酸盐等 工业生产中主要用亚硫酸盐为还原剂 方法是将芳伯胺制成重氮盐后, 用亚硫酸盐 [(NH 4 ) 2 SO 3 ] 及亚硫酸氢盐 (NH 4 HSO 3 ) 的混合液还原, 然后进行酸性水解而得芳肼盐类 此法实际是亚硫酸盐的硫原子上一对孤对电子向氮正离子的亲核进攻, 生成偶氮磺酸盐, 该反应在较低温度即可很快进行, 故称冷还原

21 随后, 偶氮磺酸盐与亚硫酸氢盐进行亲核加成而得芳肼二磺酸盐 此步反应温度较高, 称为热还原 显然还原液中 (NH 4 ) 2 SO 3 与 NH 4 HSO 3 的配比应为 1:1, 否则影响收率 芳肼二磺酸的水解反应, 是在 ph<2 的强酸性水介质中, 在 60~90 加热数小时而完成的

22 重氮盐还原成芳肼的操作大致如下 : 在反应器中先加入水 亚硫酸氢钠和碳酸钠配成的混合液, 保持 ph=6~8, 在一定温度下向其中加入重氮盐的酸性水溶液 酸性水悬浮液或湿滤饼, 保持一定的 ph 值 ; 然后逐渐升温至一定温度, 保持一定时间 ; 最后加入浓盐酸或硫酸, 再升至一定温度, 保持一定时间, 进行水解 - 脱磺基反应, 即可得芳肼 芳肼可以盐酸盐或硫酸盐的形式析出, 也可以芳肼磺酸内盐形式析出 或二者以水溶液形式直接进行下一步反应

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