苯的硝化和亚硝化
经济学硝化和亚硝化

=
ω(H2SO4)
100-ω(H2SO4)-ω(HNO3)+2ω(HNO3)/7Φ
(Ф>1)
26
第27页/共63页
• Ф≤1时,可推出:
D.V.S. =
ω(H2SO4) 1- ω(H2SO4)-5/7 ω(HNO3)
注意:若为a﹪,则把a代入式中计算;若把式子中的 100改为1,则代入的是a﹪ )
废酸中硫酸的质量 废酸的总质量
×100%
=
ω(H2SO4)
100-5 ω(HNO3) / 7Φ
(或1)
×100%
(Ф>1)
29
第30页/共63页
• Ф≤1时,可推出:
F.N.A.
=
ω(H2SO4) 100-5ω(HNO3) / 7
×100%
30
第31页/共63页
以上公式表明,F.N.A.为常数时,ω(H2SO4)和 ω(HNO3)为线型关系。这表明 :满足相同废酸计算 含量的混酸组成是多种多样的。而真正具有实际意 义的混酸组成仅是直线中的一小段。
25
第26页/共63页
脱水值计算公式: ω(HNO3)和ω(H2SO4)——混酸中硝酸和硫酸的质量百分数, φ——硝酸比, 以100份质量混酸为计算基准: 混酸含水质量=100- ω(H2SO4)- ω(HNO3) 硝化生成水质量=(ω(HNO3)/φ)×18/63=2ω(HNO3)/7φ
D.V.S.
17
第18页/共63页
6.3 影响因素→ 6.3.4 搅拌
6.3.4 搅拌 良好的搅拌装置和冷却设备对提高传热和传质效
率非常重要。要求转数:小型设备:1100r/min; 工业生产:1~4m3硝化锅,转数400-100 r/min。 环式或泵式硝化器,2000-3000 r/min。 间歇硝化的开始阶段要严防停转,否则再启动时
第三章硝化反应

3.1
概述
硝化反应是最普遍和最早的有机反应 之一。
1834年,通过硝化将苯→硝基苯。 1842年,硝基苯还原为苯胺,硝化在有 机化学工业上的应用和研究开始发展。
3.1
概述
• • • •
3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4
定义 引入硝基的目的 硝化剂类型 硝化方法
3.1
概述
3.1.1 定义 • 硝化 ? 向有机化合物分子的C(或N、O)原子 上引入-NO2的反应。 硝基直接取代H:
3.2 硝化反应历程
• 结论: 用混酸硝化时,普遍认为硝化活性质点 是NO2+,尽管NO2+的含量很低。 随着混酸中含水量的增加,NO2+浓度 逐渐下降;当水摩尔分数50%,混酸中几乎 没有NO2+存在; HNO3中加入H2SO4,NO2+浓度增大。 NO2+浓度大小是硝化能力强弱的重要 标志。硝化速度与NO2+浓度成正比。
3.3 硝化反应动力学
⑴ 甲苯硝化反应步骤 Giles以甲苯的一硝化为例,提出了非 均相硝化的数学模型:8步
• 研究发现: 非均相混酸硝化,有机相中的反应极 少(<0.001%),且反应速度比酸相反应速 度小几个数量级,即反应主要在酸相和两 相界面处进行。
3.3 硝化反应动力学
⑵ 非均相反应体系的三种类型 H2SO4浓度变化对均相硝化反应速度 有明显的影响,非均相硝化反应速度同样 与混酸中H2SO4浓度密切相关。 甲苯在63~78% H2SO4浓度范围内非 均相硝化速度常数 k 变化幅度高达105。
a.分子结构
O
Π3
4
氢键 σ σ
H O
N
σ
O
中心N以SP2杂化轨道与3个O形 成3个σ 键,呈平面三角形分布; N上未参与杂化的P轨道与2个非 羟基O原子的P轨道重叠,在O-N-O 间形成大π 键∏34。 HNO3分子内还可形成氢键。
第03章 硝化和亚硝化

6.3 硝化机理及特征 6.3.1 硝化活性质点和反应机理
主要的硝化剂有不同活性硝酸、混酸、硝酸盐和硫酸、硝 酸和醋酸或醋酐的混合物。 已证实:多数硝化剂硝化反应的活性质点是NO2+(硝基阳 离子)。 当硝酸中水分增加,硝化和氧化速度均降低。但前者降低 更多,氧化副反应增加。
在稀硝酸中,硝化活性质点不是NO2+,而是硝酸中所 含微量HNO2离解生成的NO+。 在乙酐或乙酸中硝化是NO2+— CH3COOH或NO2+。
6.5.2
设S和N表示混酸中硫酸和硝酸的质量百分数,ф表示
硝酸比,则混酸含水量=100-S-N; 硝化生成水=N/ф×18/63=2N/7ф; 则脱水值公式如下: 6.5.2.2 硝化活性因数 Factor of Nitration Activity (F.N.A.) 废酸计算含量( F.N.A.)指混酸硝化终了时,废酸中硫酸 的计算含量(质量分数)若以100份混酸为计算基准,则 当Ф≤1
例如,利用二氯乙烷溶剂,可分离1,5或1,8-二硝基萘 或二硝基蒽醌。利用环丁砜,1-氯苯,甲苯,不同组分的 混酸和不同浓度的硝酸,均可比较好的分离1,5-或1,8 -二硝基蒽醌。
6.7
其它硝化方法
6.7.1 硝酸硝化 6.7.2 酸酐硝化 6.7.3 置换硝化
6.8
重要实例
6.8.1 邻、对硝基氯苯 6.8.2 1-硝基蒽醌 6.8.3 2-二乙氧基-4-硝基-N-苯甲酰苯胺
第03章 硝化和亚硝化
Nitration and Nitrosation 概 述 主要硝化方法 硝化机理及特征 硝化影响因素 混酸硝化 硝化异构产物的分离 硝基苯的生产 其他硝化实例 亚硝化
6.1 概述 6.1.1 硝化定义
精细有机合成化学以及工艺学 第六章 硝化以及亚硝化

15
6.3.6硝化副反应 (1)主要的硝化副反应:氧化、去烃基、置换、 脱羧、开环、聚合等。其中氧化影响最大,生成 硝基酚。 (2)烷基苯硝化时,硝化液颜色发黑变暗,说明 硝酸用量不足或硝化温度过高。 因 为 形 成 了 络 合 物 (C6H5CH3· 2ONOSO3H· 2SO4)。 3H 破坏方法:45~55℃时补加HNO3或混酸 (3)大多数副反应,与体系中存在的氮的氧化物 有关。
-8
1.210
-8
10
结论:苯环上有给电子基,硝化反应速度快,产物 主要是邻、对位 苯环上有吸电子基,硝化速度减慢,产物主要 是间位。 2.芳烃硝化异构产物 带有吸电子的取代芳烃硝化邻位异构体 的生成量比对位异构体多。原因是硝基易同 邻位取代基中带负电荷的原子形成络合物。
CHO 19 72 9 1.3 COOH 18.5 80.5 2.2 CN 17.1 80.7 1 NO 2 9 90 8.2 40.8 NO 2 51 OCH 3
F . N . A. D.V .S . 1 F . N . A. D.V .S . F . N . A. 100 % 1 D.V .S .
22
6.4.2 混算配制 配酸工艺:水、硫酸、硝酸如何混合? 先将浓硫酸先缓慢、后渐快加入到水中, 在40度以下先慢后快加入硝酸。
23
6.4.3硝化操作
(4)非均相混酸硝化
被硝化物和硝化产物在反应温度下都呈液态,且 难溶于混酸时,常采用非均相的混酸硝化。这时 需剧烈搅拌,使有机相充分地分散到酸相中以完 成硝化反应。
(5)有机溶剂中硝化
可避免大量使用硫酸作溶剂。 (6)气相硝化 NO2与苯于80~190℃通过分子筛处理便转化为 硝基苯。
5
6.2硝化理论解释
精细化工 第五章 硝化反应

1
5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9
概述 硝化反应历程 混酸硝化 硫酸介质中的硝化 有机溶剂-混酸硝化 在乙酐或乙酸中的硝化 稀硝酸硝化 臵换硝化 亚硝化
2
5.1
概述
一、定义
向有机物分子的碳原子上引入硝基生成C-NO2键的反 应称硝化反应。 Ar-H + HO-NO2 →Ar-NO2 + H2O 硝化反应是最普遍,最早的有机反应之一1834年 在脂肪族碳原子上的硝化反应,因难于控制,工业 上很少应用。芳族硝化反应像磺化反应一样是非常 重要的一类化学过程,其应用十分广泛。
21
例如:在采用多锅串联法对甲苯进行混酸 硝化时在第一硝化锅中,酸相中的硝酸浓 度较大,硫酸浓度也较高,反应受传质控 制。
而在第二锅中,由于酸度降低和硝酸含量 减少,反应速率将转变为受动力学控制, 即受化学反应速度控制。
22
二、混酸的硝化能力 对于每个具体硝化过程用的混酸都要求具有适当的 硝化能力。 硝化能力太强,虽然反应快,但容易产生多硝化副 反应; 硝化能力太弱,反应缓慢,甚至硝化不完全。 工业上通常利用硫酸脱水值(D.V.S)和废酸计算浓 度(F.N.A)来表示混酸的硝化能力。 混酸的硝化能力,只适用于混酸硝化,不适用于在 浓硫酸介质中的硝化。
时所用的硝酸约过量10~65%。
5、臵换硝化
11
5.2
硝化反应历程
一、硝化剂的活性质点
已经证实,多数硝化剂参加硝化反应的活性质点 为硝基阳离子。
HNO3 2H2 SO4 NO2 H3O 2HSO4
苯的硝化反应机理

苯的硝化反应机理
苯的硝化反应是一种同位素交换反应,它在有氧化环境下通过酶促发生。
当硫酸盐酶(SCE)与胞壁内锌离子结合形成的复合物(ZnSO4)相互作用时,苯中氮氧化物及磷氧化物同样会受到影响,产生苯基硝酸酯(PNT)。
此外,Zn2+离子及硫酸根离子也可与苯进行反应,生成指定的亚硝酸酯(XNT)。
上述反应机制的关键在于硫酸盐酶,它可结合多种离子(如锌离子),依赖脂质双层和精细结构,调节促进苯硝化反应的发生率。
在室温条件下,在硫酸盐酶活性范围内,苯的硝化反应可均衡反应,但高温可增加反应速率。
由于游离铁离子(Fe2+)也可催化苯硝化反应,尽管其活性比较低,但结合硫酸盐酶可以提高反应效率。
因此,苯的硝化反应是一个复杂的过程,其机理主要是氮氧化物在结合Zn2+和正硫酸根离子的作用下被氧化,通过硫酸盐酶的调节促进苯的氧化,形成PNT。
它不仅涉及一系列酶反应,而且受多种因素影响,还受到脂质双层结构的调控。
由于它可被用于研究中分子间联系及其重要性,所以苯的硝化反应正在不断发展。
苯的硝化化学方程式

苯的硝化化学方程式苯是一种著名的有机化合物,其化学式为C6H6。
苯具有较高的稳定性和反应性,是有机合成中不可或缺的重要原料。
苯能够进行多种反应,其中最常见和重要的就是硝化反应。
苯的硝化反应是一种重要的有机合成反应。
在实验室中,我们可以通过硝酸和浓硫酸的混合物(称为“硝化混合酸”)来实现苯的硝化反应。
反应的化学方程式如下:C6H6 + HNO3 → C6H5NO2 + H2O硝化反应是一种亲电取代反应,其反应机理如下:1. 初始步骤:硝酸分解产生NO2+和NO3-离子。
HNO3 → H+ + NO3-2. 电荷转移步骤:NO2+离子和苯分子发生电荷转移反应,在仲碳原子上形成负电荷。
NO2+ + C6H6 → C6H6+• + NO23. 取代步骤:负电荷中间体利用硝酸的一个过量贡献的氢离子进行取代,得到C6H5NO2,即硝基苯。
C6H6+• + HNO3 → C6H5NO2 + H2O硝化反应中硝酸的浓度、温度和反应时间等因素均对反应的速率和产物产率有着重要的影响。
苯的硝化反应除了能够生成硝基苯这一有机合成重要原料外,还能够提供深入理解有机化学反应的机理,为有机化学研究提供了有益的参考。
在工业上,苯的硝化反应是广泛应用于火药、染料、医药等领域的有机反应过程。
同时,硝化反应也是环境污染的主要源头之一。
因此,减少硝化反应所产生的废弃物和有害物质对环境的危害也成为了化学工业向环保化方向发展的重要一步。
综上所述,苯的硝化反应是一种重要的有机合成反应,具有广泛的应用和理论意义,但也需要环境保护的重视。
化学工作者应该在实验中严格遵循安全操作规程,以减少对环境的危害。
同时,应积极研究和推广环保型有机反应方法,为人类可持续发展贡献力量。
第五讲 硝化反应

一般来说,带有吸电子基如-NO2、-CHO、 -SO3H、-COOH等取代基的芳烃在进行硝化时, 硝基易同邻位取代基中带负电荷的原子形成σ络合物 ,所以硝化产品中邻位异构体生成量往往远比对位 异构体多。当然主产物是间位异构体。
3.2
硝化剂
不同的硝化对象往往需要采用不同的硝化方 法。相同的硝化对象如果采用不同的硝化方法则常 常得到不同的产物组成。因此硝化剂的选择是硝化 反应必须考虑的。例如乙酰苯胺在采用不同的硝化 剂硝化时所得到的产物组成出入很大,见下表。
(3)浓硫酸介质中的均相硝化法 当被硝化物或硝化产物在反应温度下是固态 时,常常将被硝化物溶解于大量的浓硫酸中,然 后加入硫酸和硝酸的混合物进行硝化,这种方法 只需要使用过量很少的硝酸,一般产率较高,所 以应用范围较广。 (4)非均相混酸硝化法 当被硝化物和硝化产物在反应温度下都是液 态时,常常采用非均相混酸硝化的方法,通过剧 烈的搅拌,有机相被分散到酸相中而完成硝化反 应。这种硝化方法有很多优点是目前工业上最常 用、最重要的硝化方法也是本章讨论的重点。
(2)活泼芳烃用硝基盐硝化
硝基硼氟酸盐NO2+BF4-的硝化能力要比混酸强得 多,可以不必考虑NO2+的生成速度对整个反应的 影响:
(3)稀硝酸硝化
芳烃首先与亚硝酸作用生成亚硝基化合物,而 后硝酸再将亚硝基化合物氧化成硝基化合物, 硝酸本身则被还原,又生成新的亚硝酸:
决定步
(4)其他硝化 (A)在醋酐中硝化 硝酸在醋酐中可发生如下反应:
3.5
相比和硝酸比
相比也称酸油比,是指混酸与被硝化物的质量 比。在固定相比的条件下,剧烈的搅拌最多只能使 被硝化物在酸相中达到饱和溶解。增加相比能使更 多量的被硝化物溶解在酸相中,这对于加快反应速 度常常是有利的。 生产上常用的方法是向硝化锅中加入一定量上 批硝化的废酸(也称为循环酸),其优点不仅是可以 增加相比,也有利于反应热的分散和传递。
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对选择性的影响 特殊硝化剂 (1)HNO3-H2SO4(H3PO4):增加p-位异构体收率。 (2)NaNO3(KNO3)-H2SO4:可良好控制硝化剂量, 减少水的积累,用于苯甲醛、苯甲酸等的硝化。 (3)HNO3-(CH3CO)2O:无氧化性,与酚醚或N-酰 芳胺反应,可提高o/p。 (4)RONO2:碱性条件的硝化剂。
5.2.1 被硝化物的性质
苯系
表 取代基对
R
硝化反应速度的影响
R v相对
OH 1000
OCH3 24.5
H 1
CN 10-4
NO2 10-5~-7
N+(CH3)3 10-7
萘系
蒽醌
NO 2
O
NO2
O NO2
O
NO2
(
O O
)
NO2 O
杂环化合物
N H
4
NO2
O
NO 2
S
NO 2
HNO3-(CH3CO)2O
10% NaOH 160℃,0.6MPa
NO2
+ NaCl + H2O
ONa
10% NaOH 100℃,常压
NO2
NO2 + NaCl + H2O
满足产品性能要求
CH3 CH3 NO3 O3 N (H3C)3C NO3 NO3 NO3 CH3
NO2
O3 N
满足产品性能要求
NO2 COCH3 N N CH CONH NO2 H3C COCH3 CONH
N N H
NO2
O2N
5
N
N
5.2.2 硝化剂
对硝化产物异构体比例的影响
NHCOCH 3
硝化
NHCOCH 3 NO2
NHCOCH 3
+
NO2
表 硝化剂对乙酰苯胺一硝化产物的影响 硝化剂 80%HNO3 90%HNO3 HNO3- H2SO4 HNO3- (CH3CO)2O o,% 40.7 23.5 19.4 67.8 m,% 0 0 2.1 2.5 p,% 59.3 76.5 78.5 29.7 o/p 0.69 0.31 0.25 2.28
有机溶剂中硝化 (1)避免使用大量硫酸作溶剂,减少或消除 了废酸量; (2)选择合适的溶剂可以得到特定异构体的 产品。 (3)溶剂:二氯甲烷、二氯乙烷、乙酸、乙 酸酐等。
5.2 硝化反应影响因素
被硝化物的性质 硝化剂 反应介质 温度 搅拌 相比和硝酸比 加料方式 硝化副反应
H3C
NH N C
(m.p.=254~257℃)
O H H 3C C C C N N H O N O H 3C O N
CH3 O2N
COCH3 N N CH CONH
(m.p.=210℃)
5.1.3 硝化反应的特点
反应不可逆
反应速度快,无需高温 放热量大,需要及时移除反应热 多数为非均相反应,需要加强传质 空间位阻效应不明显
5.2.3 反应介质
SO3H
硝化 浓硫酸
SO3H
1-硝基萘-4,8-二磺酸 SO3H NO2 SO3H
SO3H 1,5-萘二磺酸
硝化
盐酸
SO3H
烟酸
2-硝基萘-4,8-二磺酸 NO2
表 反应介质对硝化产物异构体比例的影响 被硝化物 硝化剂-介质 温度,℃ o,% m,% p,% o/p
HNO3-H2SO4
(1)使用耐酸设备; (2)有良好搅拌; (3)需要冷却设备; (4)注意加料顺序。
配酸计算 (1)用已知浓度的原料酸配制混酸; (2)调整混酸浓度; (3)已知D.V.S.、相比、Φ,计算混酸组成。
5.3.3 硝化工艺和设备
图 混酸硝化的流程示意图
工艺过程 连续法:大批量生产 间歇法:灵活性高
5.3.1 混酸的硝化能力
硫酸脱水值(D.V.S.,简称脱水值)
硝化终了时废酸中硫酸和水的质量比,叫做硫
酸脱水值(Dehydrating Value of Sulfuric
acid)。
D.V.S.=
废酸中硫酸的质量 废酸中水的质量
混酸中硫酸的质量 = 混酸中水的质量+反应生成水的质量
w(H2SO4) = 100-w(H2SO4)-w(HNO3)+2w(HNO3)/7Φ
ArH + HNO3 ArNO2 + H2O
5.1.2 硝化的目的
将硝基转化为其它基团(-NH2)
提高亲核置换反应活性
Cl + 2NaOH
Cl + 2NaOH NO2 Cl NO2 + 2NaOH NO2
ONa
10% NaOH 350-400℃,20-30MPa
ONa
+ NaCl + H2O
浓硝酸硝化
(1)硝酸过量很多倍,需回收利用;
(2)应用范围不广。
浓硫酸介质中的均相硝化
(1)只需使用过量很少的HNO3; (2)产品收率高,应用广(反应温度下为固态); (3)有废酸产生。
非均相混酸硝化 (1)反应温度下为互不相溶的两相; (2)反应活性高,应用范围广; (3)有废酸产生。
D.V.S.与F.N.A.的关系(Φ=1)
D.V.S.= F.N.A. 100-F.N.A. D.V.S. 1+D.V.S. ×100%
F.N.A.=
5.3.2 混酸组成的选择和配制
表 氯苯一硝化时采用三种不同混酸的计算数据
硝酸比Φ=1 H2SO4 混酸 HNO3 组成 % H2O D.V.S. F.N.A. 所需混酸,kg 所需100%H2SO4,kg 废酸量,kg
第5章 硝化和亚硝化
(Nitration and Nitrosation)
硝化概述 硝化反应影响因素 混酸硝化 硝化实例 亚硝化
硝化甘油
5.1 硝化概述
定义 硝化的目的 硝化反应的特点 硝化试剂及性质 硝化方法
硝化纤维素
5.1.1 定义
向有机物分子的原子上引入硝基,生成 C-NO2键的反应叫做硝化。
HNO3-(CH3CO)2O HNO3-H2SO4 HNO3-(CH3CO)2O HNO3(d. 1.47) HNO3-(CH3CO)2O
25
25 25 25 30 25
29
51 32 62 57 56
18
7 9 4 3 3
53
42 59 34 40 41
0.55
1.21 0.54 1.82 1.43 1.37
5.2.8 硝化副反应
硝酸分解 氧化:生成硝基酚类 多硝化 形成黑色络合物 (C6H5CH3•2ONOSO3H•3H2SO3)
5.3 混酸硝化
优点: (1)硝化能力强,反应速度快,生产能力高; (2)硝酸用量接近理论量,硝化废酸可回收利 用; (3)硝化反应可以平稳地进行; (4)可采用普通碳钢、不锈钢或铸铁设备。
5.1.4.2 稀硝酸(稀HNO3)
HNO3 + H2O HNO2
OH + NO+ H NO NO HO NO2 + HNO2 OH
NO3- + H3O+ NO+ + H2O
OH + H+
微量的亚硝酸
HO
NO +HNO3
5.1.4.3 混酸(H2SO4-HNO3-H20)
HNO3 + 2H2SO4 NO2+ + H3O+ + 2HSO4-
硝化产物的分离 废酸处理 (1)作为硝化底酸直接循环套用; (2)用被硝化物萃取有机物后浓缩至90~95% 的硫酸用于配酸; (3)多硝化的废酸用于下一批单硝化生产中; (4)净化后加氨水制化肥。
硝化异构产物的分离 (1)化学精制法
NO 2 NO 2
NO2
Na2SO3 NaOH
NO2 SO3Na
废酸计算含量(F.N.A.,废酸计算质量分数)
硝化终了时废酸中硫酸的质量百分数叫做
废酸计算含量(质量分数),也叫做硝化活性
因数(Factor of Nitrating Activity)。
F.N.A.=
废酸中硫酸的质量 废酸的总质量
×100%
w(H2SO4) = ×100% 100-5w(HNO3)/7Φ
绝热硝化优点:
(1)反应温度高,硝化速度快; (2)硝酸反应完全,副产物少; (3)混酸含水量高,酸浓度低,酸量大,安全性好; (4)利用反应热浓缩废酸并循环利用,无需加热、冷 却,能耗低; (5)设备密封,原料消耗少; (6)废水和污染少。
存在的问题:对设备要求高(密封、防腐)
5.5 亚硝化
向有机物分子的碳原子上引入亚硝基, 生产C-NO键的反应叫做亚硝化反应。
5.2.4 温度
反应温度升高,硝化反应速度加快。
表 温度对硝化反应速度的影响
硝化产物
Cl NO2
k25℃
0.18
0.39
k35℃
0.47
1.23
k35℃/k25℃
2.61
3.15
Cl NO2
反应温度升高,硝酸分解和氧化副反应速 度加快。
反应温度升高,反应选择性下降。
表 氯苯硝化温度对反应选择性的影响 温度,℃ 30 o,% 57.2 m,% 3.5 p,% 39.3
混酸Ⅰ 44.5
混酸Ⅱ 49.0
混酸Ⅲ 59.0
55.5
0
46.9
4.1 73.7 2.80