邻硝基苯胺的合成研究

王雅珍　庄苍伟　周源　刘琦琦

摘 要：以苯胺为原料，经过冰醋酸酰化，混酸硝化、酸性条件下水解合成邻硝基苯胺。对影响该产物合成的因素进行了考察。结果表明：酰化最佳反应条件，分馏温度103 ℃左右，苯胺：冰醋酸：锌粉=0.1mol：0.23mol：0.1g；硝化反应反应温度控制在35 ℃，乙酰苯胺：冰醋酸：浓硫酸=0.03 mol：0.085 mol：0.112 mol，混酸：硫酸=0.05 mol：0.17 mol；在酸性条件下水解：采用70%硫酸在空气浴的条件下，加热回流0.5 h至暗红色即可，产率为49.38%。该合成方法反应条件温和。

关键词：苯胺；酰化；硝化；水解；邻硝基苯胺

中图分类号： TQ226.37 文献标识码： A 文章编号： 2095-7394（2016）04-0029-05

邻硝基苯胺（o-Nitroaniline）是兽药喹乙醇、医药丙硫咪唑的主要化工原料，也是冰染染料色基-橙色基GC的中间体， 它还是橡胶防老剂MB，邻苯二胺生产的中间体。邻硝基苯胺经还原，可得邻苯二胺—用于合成多菌灵和甲基托布津。近年来，我国现代化农业养殖业迅速发展，国内兽药、高效低毒新农药多菌灵、甲基托布津产量成倍增加，邻硝基苯胺市场较为畅销，同时，国外市場大出口前景较好。[1]实验的合成方法如下：。

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

苯胺，锌粉，硝酸，乙醇， 冰醋酸和浓硫酸均为化学纯； 数字式熔点测定仪（WRS-1型）；红外光谱仪（sepctrum100系列），KBr压片

1.2 苯胺的纯化

苯胺为淡黄色或的无色液体，由于其易被空气氧化，变成红色或红棕色的液体，所以其纯度降低，使用前需要对其进行纯化处理：在圆底烧瓶中加入适量的锌粉和1～2粒沸石，再加入苯胺溶液，安装回流装置，用电热套加热，回流0.5h，苯胺液体变为无色或淡黄色液体时，然后改减压蒸馏装置，收集馏分。

1.3 N- 酰化反应

在圆底烧瓶中，加入的苯胺液体，冰醋酸和少量的锌粉，并加入2粒沸石，安装分馏装置。用电热套小火加热，持续微沸15～20 min后，然后逐渐升温进行分馏，温度控制在115 ℃以下，此时流出液的液体为水和部分冰醋酸，当温度的度数下降为止，表明该N-酰化反应结束。 将溶液趁热倒入的冰水中，边加入变剧烈搅拌，会有大量的白色或浅黄色固体析出，冷却后减压抽滤，用少量冰水洗涤粗产物，该粗产物用（乙醇：水=1：3）进行重结晶，得到纯品乙酰苯胺。称其重量，计算产率。[4]

1.4 乙酰苯胺的硝化反应

（1）配制乙酰苯胺的硫酸溶液：三口烧瓶中加入乙酰苯胺，再加入冰醋酸，溶解后，再加入浓硫酸，使混合物混合均匀。

（2）混合酸的配制：把锥形瓶中置于冰水中，先加入2.1 mL浓硝酸，然后缓缓滴加浓硫酸3.0 mL，混合均匀后备用。

（3）硝化反应：安装搅拌装置启动搅拌，混酸滴加完后，使反应温度控制在35℃左右，继续搅拌30 min，在室温下放置保温40 min。将粗产物倒入150 mL烧杯。加入20.0 g水和20.0 g碎冰的混合物。一边加料一边搅拌，即有固体沉淀析出。静置10min，减压抽滤得邻硝基苯胺的粗产品。[3]

1.5 乙酰苯胺的水解反应

在100 mL的圆底烧瓶中加入邻硝基苯胺的粗产品3.5 g，用20.0 mL70%的硫酸溶液，加入沸石2粒，安装回流装置，简单的空气浴加热，加热回流时间0.5h，当溶液的颜色变成暗红色，停止加热，冷却至室温。在搅拌的条件下，将暗红色的溶液倒入冰水中，析出固体，减压抽滤，滤纸上即为邻硝基苯胺的粗品。将母液中逐渐加入20%的氢氧化钠溶液调节pH在8～9，使对硝基苯胺游离析出。减压抽滤，冷水洗涤，抽干晶体。称量粗产品对硝基苯胺。

1.6 邻硝基苯胺的纯化

粗产品在乙醇：水=1：3的混合溶剂中进行重结晶，干燥后得纯品。得到4.1 g，产率为49.47%。

2 实验结果及讨论

本实验的主要实验步骤有三步：N-酰化反应、酰胺的硝化反应、酰胺的水解反应。其中影响这三步反应产率的因素有很多。

影响N-酰化反应产率因素有：苯胺的纯度、苯胺和冰醋酸的摩尔比、锌粉的用量、反应温度等；影响硝化反应产率的因素有：硝化剂的选择、反应温度、溶剂的选择等；影响水解反应产率的因素有：反应温度、反应时间等。对这些影响因素做了多次平行实验，具体内容如下。

2.1 影响酰化反应产率的因素

影响N-酰化反应的因素有很多：酰化试剂的选择；实验环境；反应温度；锌粉的用量和冰醋酸的用量等方面。

酰化试剂的选择，常用的酰化试剂有酸酐、酰氯、苯磺酰氯、烯酮、有机酸等，本实验酰化是用的酰化剂是冰醋酸，也可以用乙酸酐做酰化剂，用乙酸酐做酰化剂不但产率高，而且得到的酰化物的纯度高，可以不用重结晶直接用于下一步的合成，但由于乙酸酐属于冰毒溶剂，本实验未用乙酸酐做酰化剂。进行酰化反应苯胺的纯度：久置的苯胺色深有杂质，会影响乙酰苯胺的质量。[9]

本文主要对影响酰化反应的因素—反应温度、锌粉的用量、冰醋酸的用量这些因素做了多组平行实验，并对实验的结果进行了对比，得出以下几组数据。

2.1.1 分馏温度对N-酰化反应的产率的影响

温度对酰化反应的产率的影响比较大，因为本文是以冰醋酸做为酰化剂的，该N-酰化反应是可逆的，为了提高产率，我们采用反应物冰醋酸过量和降低生成物的含量，即把生成的水蒸出脱离反应体系来改变可逆平衡以提高产率。主要讨论以苯胺与冰醋酸的摩尔比不变，在锌粉用量不变的情况下，来考查分馏温度对酰化反应的影响[10]，结果见表1。

从表1可以看出：N-酰化反应的最佳分馏温度在100～105 ℃时，该温度下的产率比较高。再在100～105 ℃的条件下做几个平行实验，得出分馏温度在103℃时产率是最高。由于分馏温度过高时，分水的同时，分出去的醋酸会越多，接近冰醋酸的沸点时，分出去的醋酸更多，N-酰化反应来不及进行，直接把醋酸分离出去，这样会浪费的原料。

2.1.2 冰醋酸的用量对N-酰化反应产率的影响

醋酸的用量对N-酰化反应有很大影响，在酰化反应分馏温度控制103 ℃，且锌粉用量为不变，苯胺为9.3g/0.1mol时，来考查冰醋酸的用量对酰化反应产率的影响，结果见表2～3。

从表3可知：冰醋酸的用量必须过量，保证苯胺的酰化完全反应。但冰醋酸的用量不宜过多，用量太多浪费原料。经过多次实验的对比发现，苯胺与冰醋酸的摩尔比为0.1：0.23为最佳。酰化产物（乙酰苯胺）白色有光泽片状结晶或白色结晶粉末。

2.1.3 Zn粉的用量对N-酰化反应产率的影响

锌粉的用量对N-酰化反应影响很大，加锌粉的目的是防止苯胺在冰醋酸反应过程中被-NH2被氧化，生成有色的杂质。但是锌粉的量不能过多，因为锌粉会和冰醋酸反应生成醋酸锌，醋酸锌水解成氢氧化锌，氢氧化锌的颜色为白色固体，重结晶很难把乙酰苯胺和氢氧化锌的分离开。另一方面，醋酸与锌粉反应会减少醋酸的量，则与苯胺反应的醋酸就不够，也会降低酰化的产率。苯胺与冰醋酸的摩尔比为0.10.：0.23，分馏温度控制在103 ℃左右。考查锌粉的用量对N-酰化反应的影响[9]，结果见表2。

从表2可以看出：0.1 mol的苯胺中加0.05 g的锌粉时的产率比较高。但在实验中发现只加0.05 g的锌粉，反应得到的产品的颜色为粉红色，产品被氧化，故酰化反应中锌粉的最佳用量为0.1 mol 苯胺：0.1 g锌粉，此条件下N-酰化反应的产率比较高。

2.2 影响硝化反应产率的因素

影响硝化反应产率的因素有很多，比如硝化剂的选择（即混酸的摩尔比）、反应温度、溶剂的选择等方面，对这些因素做了多次平行实验，并对实验的结果进行了对比，得出以下几个方面的数据。

2.2.1 浓硝酸与浓硫酸的摩尔比对硝化反应的影响

硝酸与浓硫酸的摩尔比对硝化反应产率的影响很大，先加入0.03mol的乙酰苯胺，溶解到0.085mol冰醋酸中，硝化温度控制在30 ℃左右时，然后滴加混酸进行硝化反应，考查硝酸与浓硫酸的摩尔比对硝化反应产率的影响，结果见表4。[5]

從表4可知：混酸的摩尔比为 n（HNO3）：n（H2SO4）=0.05：0.17，此时的硝化产率比较高。生成硝基化合物的反应是脱水的反应，这里的浓硫酸强脱水剂。

2.2.2反应温度对硝化反应产率的影响

温度对硝化反应产率的影响很大，0.03 mol的乙酰苯胺，混酸作硝化剂，且n（HNO3）：n（H2SO4）= 0.05：0.17。考查反应温度对硝化反应产率的影响，结果见表5。

从表5可以看出：在温度在30～35 ℃时，产率最高，得到的硝化产品的颜色为柠檬黄，此产物为邻硝基苯胺。而温度比较低的情况下，10～12 ℃时对硝基苯胺的产率就比较高。温度比较低时，硝化反应的硝化产物的对位多于邻位产物，经过数次平行实验，发现在0～5 ℃的时，对位的硝化产量是最高的。

2.2.3 硝化溶剂对硝化反应产率的影响

溶剂对于硝化产率的影响很大，0.03mol的乙酰苯胺，温度控制在35 ℃左右混酸作硝化剂好，且n（HNO3）：n（H2SO4）=0.05：0.17。本实验用冰醋酸和浓硫酸做溶剂，考察冰醋酸和浓硫酸用量对本实验的影响，结果见表6和表7。[6]

从表格6和7中可以看出：冰醋酸的用量控制在5.0 mL左右最好，浓硫酸的用量控制在6.0 mL时硝化产率最好。

2.3 影响酰胺的水解反应的因素

影响酰胺的水解的因素有很多：如酸和碱，反应时间，反应温度等。

本实验水解采取的是用空气浴加热回流的方法，水解大约30 min左右，待溶液为暗红色，如果溶液颜色淡，可以稍微延长回流时间，因为回流时间太短，水解会不彻底。

2.4 最佳实验条件验证

从以上实验数据得到酰化反应最佳条件为：反应温度103 ℃，苯胺冰：醋酸：锌粉=0.10 mol：0.23 mol：0.1 g。硝化反应最佳条件为：反应温度35 ℃左右乙酰苯胺与冰醋酸、浓硫酸的摩尔比0.030：0.085：0.112，在混酸中HNO3：H2SO4摩尔比为0.05：0.17。

在实验得出的最佳条件下再次进行三次验证性实验，酰化反应在反应温度103℃，苯胺和醋酸的摩尔比0.10 mol：0.23 mol；硝化反应在反应温度35 ℃乙酰苯胺与冰醋酸、浓硫酸的摩尔比为0.030：0.085：0.112，在与HNO3：H2SO4摩尔比为0.05：0.17的条件下进行，邻硝基苯胺和对硝基苯胺的平均产率分别为49.47%和26.31%，实验数据与结果见表8。

从表2-8可以看出验证实验结果表明重复性较好，上述所列出的条件较为合适。

2.5 物质的表征

2.5.1 乙酰苯胺的鉴定

在合成邻硝基苯胺过程中，对中间产物乙酰苯胺的纯度和结构进行了熔点和红外谱图测定。

2.5.1.1 乙酰苯胺熔点的测定

产品经过烘干后，经熔点测定仪WS-1测定：

纯品乙酰苯胺的熔点为113.0～113.9 ℃（文献值114℃）

2.5.1.2 乙酰苯胺红外光谱数据分析

实验所合成物质经红外分析，见图1所示：

乙酰苯胺的红外谱图分析：氨基：3 294.29cm-1，3 195.67cm-1；羰基：1 664.26cm-1；苯环震动：

3 022.53cm-1，1 600.59cm-1，1 500.94cm-1；苯环单取代 755.81cm-1，699.51cm-1。[7]

经红外分析与乙酰苯胺标准见图2比对，与标准谱图完全一致，表明实验所得物质为乙酰苯胺。

2.5.2 纯品邻硝基苯胺的鉴定

对合成出的邻硝基苯胺的纯度和成分进行熔点和红外谱图测定。

2.5.2.1 邻硝基苯胺熔点的测定

产品经过烘干后，经熔点测定仪（WS-1）测定：

纯品邻硝基苯胺的熔点为69.9～72℃（文献值70～73℃）。

2.5.2.2 邻硝基苯胺红外光谱数据分析

邻硝基苯胺的红外谱图分析见图3：

氨基：3 478.62cm-1，3 349.04cm-1；硝基：

1 284.12cm-1；苯环的震动：3 174.95 cm-1， 1 512.12 cm-1；苯环邻取代：742.35cm-1。[7]

3 结论

以苯胺为原料，冰醋酸为原料合成乙酰苯胺。再以乙酰苯胺、混酸、冰醋酸合成邻硝基苯胺，该反应实验条件比较温和，产率为49.38%，得到以下结论。

（1）N-酰化反应的分馏温度控制在100 ℃～105 ℃，最好控制在103 ℃左右，超过110 ℃，冰醋酸会被蒸出去，醋酸的量减少，产率下降，温度控制在103 ℃下反应时产率最高。锌粉的用量为苯胺：锌粉=0.10 mol：0.10 g，锌粉太多会和醋酸反应，会使产率下降。

（2）冰醋酸作为酰化剂，原料易得，反应也控制，用乙酸酐和酰氯作为酰化试剂，原料难求，反应剧烈，不易于控制反应。

（3）硝化反應的温度一定要控制在35 ℃为宜。温度过低有助于对位硝化产物的生成，注意滴加混酸的速度，滴加速度要慢，如果滴加过快，反应剧烈，将失去控制，甚至引起爆炸；同时，硝基易被氧化。要随时注意烧瓶内的温度变化，在35 ℃左右为最佳硝化反应温度。

（4）硝化反应时，溶剂的选择也非常重要，如果酰化产品很难溶解在所选溶剂中，那么与混酸反应的反应物的量降低，产率下降。本人选择了硫酸做溶剂，与反应物溶解良好。

（5）水解反应时，回流的时候需要空气浴的方式，回流到溶液成暗红色。趁热将溶液倒出，放入冰水中，析出邻硝基苯胺。得到的粗品再经过乙醇：水=3：1的溶剂进行重结晶，得出的便是纯的邻硝基苯胺。

参考文献：

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