对硝基苯胺的制备及纯化
对硝基苯胺的制备
段东斑
(武汉大学化学与分子科学学院 湖北武汉 430072)
目录
一、实验目的 -------------------------------------------------------3 二、实验原理 -------------------------------------------------------3
2.1合成 -----------------------------------------------------------3 2.2产品的分离与纯化 -------------------------------------------4
三、主要试剂及产物的物理常数 --------------------------------5 四、主要试剂规格、用量 -----------------------------------------6 五、实验装置图 -----------------------------------------------------6 六、实验步骤与现象 -----------------------------------------------6
6.1苯胺的乙酰化 --------------------------------------------------7 6.2乙酰苯胺的硝化 ---------------------------------------------7 6.3
硝
基
乙
酰
苯
胺
的
水
解
-----------------------------------------7
6.4柱层析与薄层层析 ------------------------------------------8 6.5蒸馏 -----------------------------------------------------------8
七、产品的表征与纯度分析 -------------------------------------9
7.1熔点的测定 --------------------------------------------------9 7.2薄层色谱（TLC）---------------------------------------------10 7.3核磁共振氢谱1HNMR -------------------------------------10
八、产率计算及分析 ---------------------------------------------11 九、讨论 ------------------------------------------------------------12 十、其他合成方法 ------------------------------------------------13
十一、参考文献 ---------------------------------------------------14 一、实验目的
1.以苯胺为初始原料，通过连续合成得到对硝基苯胺。 2.掌握乙酰苯胺的合成原理和方法。 3.掌握乙酰苯胺硝化的原理和条件控制。 4.进一步巩固重结晶、回流、过滤等基本操作。 5.了解熔点测定的意义，掌握测定熔点的操作。
6.掌握薄层色谱的分离原理和方法，通过薄层色谱判断溶液成分。 7.学习柱层析分离有机物的操作过程及其原理。 8.了解1HNMR的原理和应用，并分析产物的纯度。
9.体会有机合成的一般过程，进一步学习有机化合物的表征方法。
二、实验原理
2.1合成
对硝基苯胺是一种黄色针状晶体，易升华，有剧毒，可做染料、药物中间体和有机反应试剂，是一种常用的有机化合物。由于氨基很容易被氧化成硝基，不能通过直接硝化苯胺
[1]
得到对硝基苯胺。本实验中，先将苯胺乙酰化得到乙酰苯胺，乙酰苯胺进行硝化引入硝基，
得到的硝基乙酰苯胺经过水解后即可制得粗对硝基苯胺。通过柱层析，可以有效分离邻、对位产物，得到纯度很高的对硝基苯胺和邻硝基苯胺。
①苯胺乙酰化
苯胺上的氨基经乙酰化后，降低了氨基在亲电取代反应中的活化能力，使其由很强的第I类定位基变成中等强度的第Ⅰ类定位，使反应由多元取代变为有用的一元取代。苯胺乙酰化后，由于乙酰基的空间效应，邻位取代产物大大减少，反应的选择性显著提高。 本实验中采用乙酸酐作为乙酰化试剂。用乙酸酐作为酰化试剂，反应条件温，产物的纯度高，收率好。但相对于乙酸而言，更加昂贵且不易采购。苯胺乙酰化后，经过重结晶，
可以得到纯度很高的乙酰苯胺。
②乙酰苯胺硝化
由于乙酰基是中等强度的活化基团，若要使苯环只取代一个硝基，反应稳定必须严格控制。而且，随着温度的升高，邻位取代产物增加，在40℃以上硝化可以生成25%的邻硝基乙酰苯胺。综合考虑，乙酰苯胺的硝化反应的温度控制在25℃以下。由于混酸是过量的，反应时间不能超过1h，防止生成多硝基取代产物。
③硝基乙酰苯胺的水解
对硝基乙酰苯胺可在酸性或碱性条件下完全水解。在碱性条件下水解，沉淀容易凝聚成团，产物中包夹杂质，但试剂用量较少。本实验在酸性条件下水解，再中和多余的强酸即可得到粗对硝基苯胺。由于中和过程大量放热，产品溶解量过多。此时可用冷水降至温，但不能冰水浴，防止硫酸钠析出。由于产物易升华，不宜用红外灯干燥，室温下晾干即可。
2.2产品的分离与纯化
作为连续合成实验，每一步的合成都会有副反应，产物中都可能混有杂质。为了不影响
下一步反应，提高目标产物的纯度，需要对产品进行分离和纯化。本实验中使用到了2种常用的纯化分离方法：
方法1：重结晶
利用混合物中各组分在某种溶剂中的溶解度不同，或在同一溶剂中不同温度时的溶解度不同，而使它们相互分离。重结晶的一般过程包括：
（1）选择适宜的溶剂；（2）饱和溶液的配制； （3）热过滤除去杂质；
（4）晶体的析出 （5）晶体的收集和洗涤；（6）晶体的干燥.
重结晶过程中，溶剂的选择是重结晶的关键。一般情况下，溶剂在较高温度下能溶解较多被提纯物质，而在室温或更低温度时只能溶解少量，被提纯物质在冷却时便可结晶析出而得以纯化。本实验中得到的三种产物及重结晶溶剂如下表：
重结晶物质 乙酰苯胺 对硝基乙酰苯胺 对硝基苯胺 溶剂 水 95%乙醇 75%乙醇
表一:三种产物的重结晶溶剂
方法2：柱层析
硅胶层析法的分离原理是根据物质在硅胶上的吸附力不同而得到分离。一般情况下极性较大的物质易被硅胶吸附，极性较弱的物质不易被硅胶吸附，整个层析过程即是吸附、解吸、再吸附、再解吸过程。通过柱层析，可将邻位和对位产物有效分离。
三、主要试剂及产物的物理常数
四、主要试剂规格、用量（未注明的药品均为分析纯）
乙酰化：苯胺5ml、冰醋酸10ml、乙酸酐6ml；
硝化：浓硫酸7ml、浓硝酸1.5ml、冰醋酸4ml、乙酰苯胺2.40g（自制）；
水解：1:1硫酸10ml、5mol/L氢氧化钠溶液50ml、75%乙醇30ml、对硝基乙酰苯胺（自制）； 薄层层析与柱层析：乙酸乙酯150ml、石油醚450ml；20g左右100-200目硅胶粉，石英砂； 样品1HNMR的测定：0.5mL氘代二甲基亚砜、0.5mL重水。
五、实验装置图
图1：冷凝回流 图3：简单蒸
图2：抽滤 馏
图图
45薄层：柱层层析 析
图6：旋转蒸发仪
六、实验步骤与现象
6.1苯胺的乙酰化
6.2乙酰苯胺的硝化
6.3硝基乙酰苯胺的水解
6.4柱层析与薄层层析
1) 装柱：本实验采用湿法装柱。将层析柱竖直固定在铁支架上，关闭活塞，下方放置一个小烧杯。向柱中加入配置好的淋洗剂至1/4高度处，用一支干净的长玻璃棒将少量脱脂棉轻轻推入柱底狭窄部位，挤出其中的气泡，打开活塞检查淋洗剂是否能顺畅流出。向柱内加入少量石英砂，玻璃棒轻敲使其水平。称取20g左右100-200目硅胶，加入适量淋洗剂浸润，搅拌，无气泡冒出后打开柱下活塞，调节流出速度为每秒钟1滴，将调好的吸附剂在搅拌下沿三角漏斗自柱顶缓缓注入柱中，同时用玻璃棒轻轻敲击柱身，使吸附剂在淋洗剂中均匀沉降，尽量一次加完。
2） 制样、加样：本实验采用干法加样。称取0.40g粗产品于小烧杯中，加入约1mL丙酮溶解，然后加入约1g硅胶粉，用玻璃棒充分搅拌均匀，待丙酮完全挥发即可将干粉直接加在吸附剂上端（淋洗剂高于硅胶 1cm），打开活塞使液面降到与样品相齐，用滴管沿壁加入少量溶剂冲洗，放液，直至加入溶剂呈无色。
3） 洗脱：样品加入后即可用大量淋洗剂淋洗。随着流动相向下移动，混合物逐渐分成若干个不同的色带，继续淋洗，各色带间距离拉开，最终被一个个淋洗下来。当第一色带即将流出时，开始用编号的试管在下方接收，连续接收至色带全部洗脱。
4） TLC 鉴定：在薄板上用铅笔划线，用不同的毛细管依次蘸取试样点板，溶液较稀可以多点几次，仍点不出则认为含量很少可以弃去不用。将薄板放入层析液中展开。本次柱层析分离后TLC鉴定情况如图7所示。
图7 样品进层析分离后TLC检测情况
由图可知， 7、8、9、10四组接收液基本不含任何样品，这表明本次柱层析空白带很宽，分离效果较好。2～6号为第一组分，均为邻硝基苯胺，合并为一组。11～22号为第二组分，均为对硝基苯胺，合并为一组。
6.5蒸馏
将同一组分的溶液合并到一起，含有对硝基苯胺的组分用旋转蒸发仪蒸出溶剂，直接得到干燥的产物。由于邻硝基苯胺易升华，含有邻硝基苯胺的组分用水浴蒸出大部分溶剂，最后利用减压蒸馏法将溶剂完全抽干得干燥产物。两种方法的差异如下表所示。
比较可知，旋转蒸发仪蒸发溶剂方便快捷，分离出的溶剂更加纯净，易于回收。由于产物残余量小，产品的收率得到提高。
七、产品的表征与纯度分析
本次实验使用了熔点测定和1HNMR测定2种表征方法，利用TLC 鉴定辅助定性分析产品的纯度和组成。
7.1熔点的测定
晶体化合物的固、液两态在大气压力下成平衡时的温度称为该化合物的熔点。也可简单理解为固体物质在大气压力下加热熔化的温度。纯粹的固体有机化合物一般都有固定的熔点，熔点测定具以下作用： ①粗略地鉴定晶体样品 ②定性地确定化合物是否纯净
③确定两个晶体样品是否为同一化合物。
实验中各样品熔点测定的结果如下表（使用同一台熔点仪，温度计未校准）：
由熔点测定结果可知，各物质的测定熔点与文献值比较接近，可以粗略地鉴定出样品中的主要成分。对于重结晶后的样品和柱层析分离得到的样品，熔程明显缩短，纯度大大提高。在实际科研或生产中，重结晶和柱层析往往一起使用，进一步提高产品的纯度。
7.2薄层色谱（TLC)
在薄层色谱中，常用比移值（Rf）衡量各组分的分离情况，它反映出各种化合物对固定相和流动相的亲和力大小。不同化合物的比移值一般不同，由此可以利用薄层色谱鉴定化合物的纯度或确定两种性质相似的化合物是否为同一物质。
本实验中，邻硝基苯胺和对硝基苯胺是TLC分析的对象。在硅胶板为固定相，乙酸乙酯和石油醚体积比为1：3的层析液中，两种物质的比移值有较大差异。
1.基准对硝基苯胺 2.基准邻硝基苯胺 3.粗对硝基苯胺 4.重结晶对硝基苯胺 5.柱层析对硝基苯胺 6.柱层析邻硝基苯胺
由TLC鉴定可知,粗产品中，邻位和对位两种产物均被检出。经过重结晶，邻位产物明显减少，这是因为邻硝基苯胺在75%的乙醇溶液中溶解度更大，大部分留在母液中。但是由于邻位产物较多，重结晶效果有限（杂质少于5%效果较好),产物中依然可检出少量邻位产物，因此需要利用柱层析分离得到产物。粗产品经过柱层析后，两种产物完全分开，纯度很高。
7.3核磁共振氢谱1HNMR
对硝基苯胺1HNMR图谱 邻硝基苯胺1HNMR图谱
从图谱中可以看出，对硝基苯胺含有3种不同化学环境的氢，比例为1：1：1，这与理论分析相符。实验得到的邻硝基苯胺的图谱出现了异常，只显色出4种氢，比例为3：1：1：1，与理论值2：1：1：1：1有很大差异，可能是样品或是操作出现了问题。
化学位移取决于核外电子云密度，影响电子云密度的各种因素都会对化学位移产生影响。本实验中的待测物均为芳香化合物，由于苯环π电子环电流产生的感应磁场，苯分子的整个空间划分为屏蔽区和非屏蔽区，而苯环上的氢恰好都处于去屏蔽区，化学位移在低场，δ值较大，一般为6-8.5。
在苯环π电子的影响基础下，基团的共轭效应和诱导效应成为化学位移的主要影响因素。吸电子诱导效应降低电子云密度，使质子峰向低场和移动，δ值变大。但由于诱导效应传递距离有限，一般只考虑苯环邻位的影响。共轭效应可以影响整个π体系，并且主要对苯环的邻位和对位产生相应的影响。硝基具有强吸电子诱导效应和共轭效应，氨基具有强给电子诱导效应和共轭效应，可以由此分析苯环氢的化学位移。
有机课本上给予了芳环氢上的化学位移的经验公式：
=7.27-S S表示所以取代基对芳氢化学位移的影响
取代基 S邻 S间 S对 硝基 -0.95 -0.17 -0.33 氨基 0.75 0.24 0.63
该经验公式进一步验证了电子效应对化学位移的影响。邻位和对位产物的电子效应、各个原子的电荷分布以及它们1HNMR图谱的δ值如下：
H
H
6.787
H
6.66
8.006
6.66
8.006
H
6.787
8.097
H6.823
6.1
H
6.1
注：对硝基苯胺的核磁数据为本次实验做出的数据。邻硝基苯胺的数据为文献值（CDCl3做溶剂）。电子云密度图为理论计算值[7]，因为考虑了邻硝基苯胺分子内的氢键，氨基上的两个氢存在较大差异。
图中对硝基苯胺中靠近硝基的两个氢δ值较大，而靠近氨基的两个氢δ值较小。邻硝基苯胺1HNMR图片的δ值与此类似，氢的δ值与电子效应分析结果吻合的很好。对于氨基上的两个活泼氢，可以利用重水交换的方法确定归属。由电荷密度分布图可知，对硝基苯胺氨基的氮原子带0.103个正电荷，邻硝基苯胺的氮原子带0.094个正点荷，则对位产物氨基上的氢电子云密度更低，δ值更大。除样品的峰，在δ=2.546处还有DMSO的溶剂峰和δ=0处硅油的峰。
八、产率计算及分析
总产率 =123468.33%92.21%90.19%80%45.46%
比较各步产率，发现苯胺乙酰化的产率最低，只有68.33%。工业上使用乙酸作为乙酰
化试剂，反应程度不及乙酸酐，但产率可达95%甚至更高。本实验使用乙酸酐作为酰化试剂，可以认为反应进行的比较完全。所以，产品的损失主要发生重结晶过程。用水做溶剂重结晶时，需要大量的水才能完全溶解粗品。在冷却析出晶体后，母液中留有大量产品，导致收率较低。若能回收母液，产率会显著提高。此外，由于苯胺容易被氧化，加热反应过程中会有损失，若向反应液中加入少量锌粉防止苯胺氧化，可以提高产率，但不宜加入过多，因为生成的Zn(OH)2会吸附产品。
实验中柱层析分离产率只有80%，这是因为产品的纯度低，含有较多邻硝基苯胺和其他杂质，若要提高产率，必须提高产品的纯度。实验中硝化反应过程副反应较多，反应温度、混酸的比例、反应时间等因素均会对反应造成影响。可以探究这些因素，找到最佳反应条件，尽量减少邻位产物和多硝基取代产物的生成。
在水解反应中，基本不存在副反应，但产物中容易混有Na2SO4杂质，可以用蒸馏水洗涤产品除去Na2SO4。
九、讨论
1.实验中观察到苯胺乙酰化过程中反应液颜色逐渐加深，由黄色变为橙色。过滤时，得到的粗产物乙酰苯胺略显粉红色，而不是纯白色。这主要是由于苯胺不纯，可能混有苯酚、苯醌、二苯醌等杂质，因而呈黄色。这些物质在反应过程中可能被乙酸酐酯化，共轭体系加大，HOMO与LUMO的能极差减小，使得颜色红移且加深。可以在实验前通过蒸馏纯化，得到比较纯净的苯胺。[2]
2.本次实验中，我们选用了乙酸酐作为乙酰化试剂，并加入了一定量的乙酸。实际上，乙酸、乙酸酐、乙酰氯都可作为此反应的乙酰化试剂，且反应活性依次增强。使用乙酸酰化，反应
O
O2
速度过慢，且需要分馏除水；使用纯乙酸酐反应，反应速率较快，且易生成二乙酰基苯胺，加入少量乙酸可以使反应更稳温和；乙酰氯反应较剧烈，有一定危险性，价格也较贵。因此实验中选择了乙酸酐来进行第一步的乙酰化反应。
3.硝化反应进行时，溶液呈黄色，且逐渐加深。这主要是由硝化反应的反应中间体造成的，这种σ-络合物一般有色。此外，体系中可能产生的NO2也会使其变黄。
4.副产物邻硝基苯胺是热力学产物，温度升高会使副反应加剧，所以硝化温度需要控制在25℃以下。但由于乙酰基是中等强度的活化基团，即使是在低温下，硝化反应速率也很快，所以必须缓慢滴加混酸，防止反应过快使溶液温度快速上升失去控制。
5.乙酰苯胺易于水解，硝化时尽量保证无水。若有少量水混入，也不会造成太大影响，因为反应液中含有浓硫酸和冰乙酸，都具有一定的吸水作用。
6.实验中发现，经过充分淋洗后，层析柱的加样区域呈深褐色，且不随淋洗剂的流出下移。这说明粗品中含有杂质，且极性强于乙酸乙酯，在被硅胶吸附后，不能被其洗脱。这些杂质可能是硝化反应的副产物，经过水解和中和依然存在，和产物混在一起。
P-Nitroaniline
o-Nitroaniline
O
8.水浴蒸除邻硝基苯胺中的溶剂时，发现接收瓶中液体呈淡黄色。这是由于邻硝基苯胺的熔沸点低，饱和蒸汽压大，蒸馏时与溶剂一同蒸馏出，使溶剂呈淡黄色，旋转蒸发仪蒸发溶剂可以减少产物的升华，提高产率。
十、其他合成方法
1、沿用本实验的合成路线，可以考虑一锅法反应提高产率。在苯胺乙酰化反应后，冷却烧瓶，在低温下加入混酸进行硝化，硝化后的反应液滴至热碱中水解，调节pH，冷却结晶后即可得到对硝基苯胺。使用一锅法反应，由于反应步骤大大减少，可以有效减少产品转移时的损失，并缩短了实验时间，提高了产率和效率。
2、工业上，以对硝基氯苯和氨水为原料，在高压下一步反应得到产物，该方法制备的产率和纯度都很高。[3]
NH2
NO2
NO2
3、利用芳环亲核取代机理，硝基活化邻对位，尿素负离子在位阻影响下主要进攻硝基对位进行取代，得到中间体，再经水解得到产物,此反应用于制备对苯二胺。[4]
NHCONH2
CO(NH)NaOH/DMSO
NO2
NO2
2
【5】
2
4、对硝基苯甲酸与氨反应，加热脱水得到对硝基苯甲酰胺。在溴和碱的作用下，发生霍夫曼重排，一级酰胺变为少一个碳原子的伯胺，得到产物。[6][7]
2
NO
2
NO2
2
2
十一、参考文献
[1]吴新坚，褚德芬．相转移催化法合成对硝基苯胺[J]．宁夏化工，1996，(4)：2—4． [2]邹绍国．对硝基苯胺制备实验的改进[J]．成都纺织高等专科学校学报，2007，24(1)：46—48． [3]张树斌，陈珂，刘建华．邻氯对硝基苯胺合成工艺研究[J]．化工生产与技术，2004，11(6)：20—28．
[3] 崔天放，朱沧，苏燕. 对苯二胺新型合成工艺研究进展，精细化工中间体，2007,37（4）：5-8.
[4] Joo Y J, Kim J E, Won J I , et al. Manufacturing Method for 4 - Nitrosoaniline fromUrea and
Nitrobenzene [ P] . US: 6 198 001, 2001- 03- 06.
[5] 储政. 高纯度对硝基苯胺制备工艺研究，现代化工，2002,32（3）：33-35 [6].Joo Y J;Kim J E;Won J I Method for Preparing High-purity p-Phenylenediamine 2001