硝基化合物的合成.docx

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硝基化合物的合成

经典化学合成反应标准操作

硝基化合物的合成

目录

1．前言………………………………………………………………2

2．芳香族硝基化合物的合成………………………………………4

2.1HNO3作为硝化试剂反应示例…………………………………………4

2.2HNO3/H2SO4作为硝化试剂反应示例…………………………………5

2.3硝酸盐/H2SO4作为硝化试剂反应示例…………………………………6

2.4HNO3/Ac2O作为硝化试剂反应示例……………………………………6

2.5硝酸/三氟乙酸酐作为硝化试剂反应示例………………………………7

2.62,3,5,6-四溴-4-甲基-4-硝基-环己-2,5-二烯酮为硝化试剂反应示例……8

2.7NO2BF4，NO2PF6作为硝化试剂反应示例……………………………9

2.8NO2Cl（硝酰氯）作为硝化试剂反应示例……………………………11

2.9硝酸酯作为硝化试剂反应示例…………………………………………12

2.10硝基吡啶鎓盐作为硝化试剂反应示例…………………………………12

2.11金属催化的计量硝化反应示例………………………………………13

2.12氧化氮类作为硝化试剂反应示例……………………………………14

2.13重氮盐被硝基取代生成硝基化合物反应示例………………………14

2.14硼酸被硝基取代生成硝基化合物反应示例…………………………15

2.15苯胺氧化生成硝基化合物反应示例…………………………………16

3．脂肪族硝基化合物的合成……………………………………17

3.1硝基取代反应示例………………………………………………………17

3.2含活泼亚甲基化合物的硝基取代反应示例……………………………18

3.3胺和肟的氧化反应示例…………………………………………………18

3.4烯烃硝化反应示例………………………………………………………19

1．前言

硝基化合物，特别是芳香族硝基化合物，是具有悠久历史的一类化合物。

硝基化合物是合成染料，香料，药物，和炸药的重要中间体，广泛应用于化学工业，制药和有机合成的各个领域中。

因此，硝基化合物的制备是研究地最多，应用也最为广泛的一类有机反应。

同时，由于硝化，特别是芳香类化合物的硝化，需要过量的硝酸及硫酸等强酸，产生大量的废气和废酸，使之成为污染环境的一大因素。

硝基化合物的制备有多种途径，烃类的直接硝化，卤素取代及胺，肟的氧化等，如下图所示：

其中芳烃或脂肪烃的直接硝化是制备硝基化合物最简捷的途径。

常见的硝化试剂归纳如下：

•硝酸Nitricacid

AloneorincombinationwithH2SO4,H3PO4,HClO4,HF（BF3）,（CH3CO）2O,（CF3CO）2O,CF3CO2H,MeSO3H,CF3SO3H,FSO3H（SbF5）,Nafion-H,sulfonatedresins,clays,molecularsieves,graphite

•硝酸盐Nitratesalts

AgNO3/BF3,KNO3/H2SO4,K（Na）NO3/TMSCl/AlCl3,Cu（NO3）2/（CH3CO）2O,NH4NO3/（CF3CO）2O,（NH4）2Ce（NO3）

•硝酸酯Nitrateesters

BuONO2/Nafion-H,MeONO2/BF3,Me3SiONO2,acetonecyanohydrinnitrate

•硝酰化合物Nitrylcompounds

NO2BF4,NO2PF6,NO2ClO4,NO2Cl（F）,MeCO2NO2,CF3CO2NO2,PhCO2NO2,N-nitropyridiniumnitrate

•氧化氮Nitrogenoxides

NO2－O3,N2O3/BF3,N2O4/H2SO4,N2O4/AlCl3,nBuLi/N2O4,N2O5,N2O5/HNO3，N2O5/SO2

•硝烷Nitroalkanes

C（NO2）4,CH（NO2）3,（O2N）3CC（NO2）

在有机合成中，通过硝基化合物可以实现多种转换，如下图所示：

2．芳香族硝基化合物的合成

芳烃的直接硝化是合成芳香族硝基化合物最重要的方法。

可使芳烃硝化的试剂很多，最常用的硝酸及其盐、以及硝酸酯、硝酸鎓盐、氧化氮类等。

通常，硝化试剂的选择取决于硝化试剂及芳香族化合物的反应活性、硝化的区域选择性和一元硝化及多硝化的控制等因素。

另外，重氮盐、硼酸被硝基取代，苯胺氧化，也能合成芳香族硝基化合物。

2.1HNO3作为硝化试剂反应示例

硝酸是最常用的硝化试剂之一，它能使许多芳香族化合物发生硝化，普通硝酸和发烟硝酸都能用于硝化。

Awide-mouth1-Lflaskissupportedinsideawaterbath.Theflaskisfittedwithamoderate-speedstainless-steelpropeller-typestirrer,andnitricacid（sp.gr.1.4,350mL.）at20°ispouredintoit.Veratraldehyde（70g,0.42mole）iscrushedatleastasfineasricegrainsandisslowlyaddedinsmallportionstotheacid.Therateofadditionshouldbesuchthatitrequiresabout1hourtoaddallthealdehyde.Theinternaltemperatureischeckedfromtimetotimeandshouldbeheldbetween18°and22°.Themixtureisstirredfor10minutesaftertheadditionofthelastofthealdehyde.

Themixtureisthenpouredinto4Lofvigorouslyagitatedcoldwater.Fromthispointonwardtheprotectionoftheproductfromlightisextremelyimportant.Thestirringiscontinuedforafewminutes;thenthebatchisfilteredthroughBüchnerfunnel.Thefiltercakeisrecrystallizedfrom95%ethanoltogive55–60gofpurematerial,meltingat132–133°.1

2.2HNO3/H2SO4作为硝化试剂反应示例

硝酸与硫酸组成的混酸是比硝酸更强的硝化剂，根据底物活性的高低可以使用普通的硝酸或发烟硝酸，这个方法可以顺利地得到多硝基取代的产物。

A5-Lthree-neckedflaskfittedwithanall-glassadditionfunnelandtwocondensersischargedwith770mLofconcentratedsulfuricacidand1.3Lof90%fumingnitricacid.Thesolutionisheatedundergentlereflux,andasolutionof（73g,0.4mol）of9-fluorenonein840mLofconcentratedsulfuricacidisaddedfromthedroppingfunnelovera1-hourperiod.Afterthefluorenoneadditioniscomplete,asolutionof950mLoffumingnitricacidin1120mLofconcentratedsulfuricacidisaddeddropwiseduring8.5hourstothegentlyrefluxingreactionmixture.Theheatingjacketisturnedoffandthesolutionisallowedtostandfor10hours.Thereactionmixtureispouredinto5gallonsofwaterintwo5-galCrocks.Thelightyellowprecipitateiswashedwithwater,twicebydecantation,filtered,washedseveraltimeswithwaterandsuckeddry,andfinallyisdriedinavacuumovenat80°for10hours.Theyieldofcrude2,4,5,7-tetranitrofluorenone,mp249–253°,is105–117g（72–80%）.Thissolidisrecrystallizedfrom1.6Lofaceticacidcontaining100mLofaceticanhydride.Thehotsolutionisfilteredthroughaflutedfilterandcooledrapidlytoyield80–86g（51–54%）of2,4,5,7-tetranitrofluorenone,mp253.0–254.5°.2

2.3硝酸盐/H2SO4作为硝化试剂反应示例

硝酸盐/H2SO4是硝化常用的试剂，通常使用的硝酸盐是硝酸钾，反应条件温和，操作方便，反应迅速，通常在0oC进行，缺点是选择性不好。

4-bromo-2-tert-butylphenylmethylcarbonate（470g,1.67mol）isdissolvedinconc.H2SO4（1000mL）at0℃.KNO3（253g,2.5mol）wasaddedinportionsover90minutestotheabovesolutionandthereactionmixtureissequentiallystirredfor2hoursat0℃.Themixtureispouredinto20Lice-water.Theresultingprecipitateiscollectedandwashedwithwaterthoroughly,driedandrecrystallizedfromethertogivethepureproduct（332g,yield60%）。

2.4HNO3/Ac2O作为硝化试剂反应示例

硝酸和醋酐混和，生成醋酸和硝酸的混酐（CH3COONO2），是一个良好的硝化试剂，反应条件比较温和。

A1Lthree-neckedround-bottomedflask,fittedwithadroppingfunnelandamechanicalstirrer,iscooledinanice-saltmixture.Totheflaskareaddedfreshlydistilledcinnamaldehyde（55.5g,50mL,0.42mole）andofaceticanhydride（225mL）.Whenthetemperatureofthesolutionhasreached0–5°C,asolutionofconcentratednitricacid（sp.gr.1.42,18mL）inglacialaceticacid（50mL）isaddedslowlythroughthedroppingfunnelwhilethemixtureisstirred.Thetimeofadditionis3–4hours,duringwhichthetemperatureiskeptbelow5°.Aftertheadditioniscomplete,themixtureisallowedtowarmslowlytoroomtemperature.Thereactionflaskisthendismantledandstoppered,andthereactionmixtureisallowedtostand2days.

Attheendofthistime,hydrochloricacid（20%）isaddedcautiouslytothecooledsolutionuntilaprecipitatebeginstoappear.Theadditionofacidisthenstopped,andthesolutionisallowedtocoolinanicebathorrefrigeratoruntilprecipitationofthesolidiscompleted.Thelight-yellowneedlesarecollectedonaBüchnerfunnelanddriedinair.About24gofo-nitrocinnamaldehyde,mp125–127°,isobtained.Additionalproductcanbeisolatedbycautiouslyaddingwatertothemotherliquoruntilprecipitationisobservedandthencoolingtheresultantmixtureforseveralhoursinanicebath.Recrystallizationfrom95%ethanolgives5–10g.ofo-nitrocinnamaldehyde,mp126–127°.Thetotalyieldis27–34g（36–46%）.3

2.5硝酸或硝酸铵/三氟乙酸酐作为硝化试剂反应示例

硝酸和三氟乙酸酐也是一个类似的硝化试剂，硝酸也可用硝酸铵代替。

Amixtureoftrifluoroaceticanhydride（10mL）andfumingnitricacid（2.4mL）waschilledat–15ºCandafter1hasolutionoffuran-2-carbaldehyde（0.96g,10mmol）intrifluoroaceticanhydride（2mL）wasslowlyaddedtothereactionmixturekeepingthetemperatureat-15ºC.Thereactionmixturewasstirredat-15ºCfor2handthenthesolventswereremovedandpyridine（2mL）wasaddedtothereactionmixture,stirredfor15min.Andthenthesolventwasagainremovedandtheoilyresiduewaspourediniceandextractedwithdiethylether.Thecrudeproductwasthenpurifiedoverasilicagelcolumntogivethepureproduct（0.96g,68%）.4

5-Methylisoxazole（8.31g,0.1mol）wasdissolvedintrifluoroacaticanhydride（74g,0.35mol=50mL,d=-1.487g/mL）,andammoniumnitrate（8.00g,0.100mol）wasaddedin0.5-gportions,keepingthereactiontemperaturebetween25and30"C.Aftercompleteaddition,'HNMRofaneataliquotshowedthemixturetocontain65%productand35%startingisoxazole.Thus,anotherportionofammoniumnitrate（3.60g,0.045mol）wasaddedasabove.Aftercompleteaddition,'HNMRanalysisindicatedthatlessthan5%ofstartingmaterialremained.Themixturewaspouredontoicewaterandextractedwithchloroform（4X50mL）.Theextractswerewashedwithwater（250mL）,andthisaqueouswashwasextractedwithchloroform（3X25mL）.Thecombinedchloroformextractsweredriedovermagnesiumsulfateandfiltered,andthefiltratewasconcentratedgivingayellowoil[12.34g（96%）],whichwasvirtuallypureasdeterminedby'HNMR.Theoilwasdistilledtogivetheproduct（8.04g,63%）asapaleyellowliquid:

bp88-90"C（18Torr）.5

2.62,3,5,6-四溴-4-甲基-4-硝基-环己-2,5-二烯酮为硝化试剂反应示例

一般情况下，在芳环上有游离的氨基存在时，由于许多硝化试剂具有较强的氧化性使得在硝化的同时，氨基也会被氧化成一系列复杂的副产物，有文献报道2,3,5,6-四溴-4-甲基-4-硝基-环己-2,5-二烯酮是一种基本上没有氧化性的一种温和的硝化试剂，其可用于带有游离氨基的芳香化合物的硝化。

其制法备和使用方法如下：

6

Asolutioncontaining2.1mLofnitricacid（d=1.52）in10mLofaceticacidwereaddedover10mintoasolutionof2,3,5,6-Tetrabromo-4-methyl-phenol（4.23g,10mmol）inpureaceticacid（30mL）at10oC.Thesuspensionwasallowedtoreactfor2hat5oCandprecipitatedbyadded30mLofwater.Thecrystallizedsolidwerefilteredandwashedwithwaterandheptane,driedundervacuumtogivetheproduct（4.21g,90%）.

2,3,5,6-Tetrabromo-4-methyl-4-nitro-2,5-cyclohexadien-1-one（2.34g,5mmol）wasaddedtothesolutionof2-Bromo-4-fluoro-phenylamine（0.95g,5mmol）indryTHF（40mL）.Themixturewasstirredfor2hatroomtemperature.Thesolventwasremovedunderreducedpressureandtheresiduewaspurifiedbycolumnchromatographytogivethedesiredproduct（0.82g,70%）.

2.7NO2BF4，NO2PF6作为硝化试剂反应示例

NO2BF4，NO2PF6是一类很强的硝化试剂，但是其制备不方便，如NO2BF4是由硝酸，氢氟酸和三氟化硼反应制得。

当苯环被吸电子基团钝化，用一般的方法难以硝化，而此类试剂则能顺利实现硝化，这种方法对合成多硝基取代的化合物比较有效。

SynthesisofNitroniumtetrafluoroborate:

Caution!

Hydrogenfluorideisveryhazardous.Alloperationsmustbecarriedoutinahood,andtheprecautionsoutlinedinshouldbefollowed.A1-Lthree-neckedpolyolefinflaskisprovidedwithashortinlettubefornitrogen,alonginlettubeforgaseousborontrifluoride,adryingtube,andamagneticstirringbar.Theflaskisimmersedinanice-saltbathandflushedwithdrynitrogen.Underagentlestreamofnitrogen