第一节　重氮化反应

一、重氮化反应及其机理

芳伯胺与亚硝酸作用生成重氮盐的反应叫重氮化反应。可以表示如下：

ArNH2+2HX+NaNO2→Ar—N=N+X-+NaX+2H2O

X为—Cl、—Br、—NO3、—HSO4；HX常为HCl、H2SO4。

HX指的是无机酸，在无机酸介质中进行的重氮化反应的机理属于亲电取代反应。常用的无机酸通常有稀硫酸、盐酸和浓硫酸等。在不同的酸性介质中，亲电质点不同，亲电质点的亲电能力不同，重氮化反应的速率也不同。

在稀硫酸介质中，亚硝酸与亚硝酸反应生成的亲电质点三氧化二氮（O=N—NO2）进攻游离的芳伯胺，发生亲电的N-亚硝化反应，生成的N-亚硝基胺在酸性条件下迅速发生重排，经过重氮氢氧化物后转化为重氮盐。生成N-亚硝基胺的反应进行得很慢，是决定重氮化反应速率的主要步骤。其反应过程可以表示如下：

HNO2+H+→H2O—N=O，

H2O—N=O+NO2-→H2O+N2O3（N=O—O—N=O）

ArNH2+N=O—O—N=O⇐⇒Ar—NH—N=O（—HNO2很慢）⇐⇒（H+很快）

Ar—N=N—OH⇐⇒（H+很快）Ar—N+2+H2O

在盐酸介质中，亚硝酸与盐酸之间生成的亲电质点亚硝酰氯（O=N—Cl），进攻游离的芳伯胺，发生亲电的N-亚硝化反应，生成的N-亚硝基胺在酸性条件下迅速发生重排，经过重氮氢氧化物后转化为重氮盐。生成N-亚硝基胺的反应进行得很慢，是决定重氮化反应速率的主要步骤。其反应过程可以表示如下：

HNO2+HCl→H2O+NOCl（NOCl即O=N—Cl，是一个比N2O3更强的亲电质点）

或

H3O++Cl-+HNO2→NOCl+2H2O

ArNH2+N=O—Cl⇐⇒Ar—NH—N=O（—HCl很慢）⇐⇒

（H+很快）Ar—N=N—OH⇐⇒（H+很快）Ar—N2++H2O

由于氯的吸电性，使亚硝酰氯（O=N—Cl）的亲电能力要比三氧化二氮（O=N—NO2）的亲电能力强。因此，在盐酸介质中进行重氮化反应的速率比在稀硫酸介质中的速率快。

在溴氢酸介质中，会生成亚硝酰溴（O=N—Br），是一个比亚硝酰氯更强的亲电质点。

在浓硫酸介质中，亚硝酸与浓硫酸反应生成的亲电质点亚硝酰硫酸（O=N—SO4H），进攻游离的芳伯胺，发生亲电的N-亚硝化反应，生成的N-亚硝基胺在酸性条件下迅速发生重排，经过重氮氢氧化物后转化为重氮盐。生成N-亚硝基胺的反应进行得很慢，是决定重氮化反应速率的主要步骤。其反应过程可以表示如下：

HO—NO+H—SO4H→H2O+O=N—SO4H

ArNH2+O=N—SO4H⇐⇒Ar—NH—N=O（—H2SO4很慢）⇐⇒

（H+很快）Ar—N=N—OH⇐⇒（H+很快）Ar—N2++H2O

生成的亚硝酰硫酸O=N—SO4H是一种比亚硝酰氯（O=N—Cl）和亚硝酰溴（O=N—Br）更强的亲电质点，一般适用于含有多个强吸电子基的芳伯胺的重氮化。

可见，在不同酸性介质中的亲电质点不同，其亲电能力不同，重氮化反应的速率不同，如表4-1所示。

表4-1　不同酸性介质中的亲电质点及亲电能力

无论是在哪种酸性介质中，所进行的重氮化反应的机理都分为以下两个步骤：

第一步：发生亲电的N-亚硝化反应。

此步反应的速率很慢，是决定重氮化反应速率的主要步骤。可以表示如下：

ArNH2+O=N—X⇐⇒Ar—NH—N=O（—HX很慢）

第二步：发生重排反应。N-亚硝基胺在酸性条件下很快发生重排，通过重氮氢氧化物，最终转化为重氮化合物即重氮盐。此步反应的速率很快。可以表示如下：

Ar—NH—N=O⇐⇒（H+很快）Ar—N=N—OH⇐⇒（H+很快）Ar—N2++H2O

综上所述，浓硫酸介质中进行的重氮化反应的速率过于剧烈，稀硫酸介质中进行的重氮化反应速率缓慢。因此通常重氮化反应都是在盐酸介质中进行的。有时为了提高在盐酸介质中的重氮化反应速率，可以在盐酸介质中加点溴化氢。

重氮化反应制备的重氮盐性质不稳定，为了使芳伯胺生成的重氮盐能成功应用于合成偶氮染料，有必要了解一下重氮盐的性质。

二、重氮化合物的性质

（1）重氮盐对PH的稳定性。重氮盐只有在PH≤3的强酸介质中才能稳定存在。重氮盐在当量碱存在的条件下，能变成易电离的重氮氢氧化合物，之后顺利地转变成顺式重氮酸，遇到过量碱和加热的条件，最后变成失去偶合能力的反式重氮盐。而且该反应是可逆的。可以表示如下：

重氮盐在PH＞3的酸性条件下，会生成氮气和卤代烃。利用该反应可以在萘和蒽醌环上引入卤基。可以表示如下：

重氮盐在中性或在弱碱条件下，发生分解，生成氮气和酚。利用该反应可以在芳环上引入羟基。可以表示如下：

可见，在重氮化反应时，无机酸的用量应过量，以保持反应后的溶液为强酸性，使生成的重氮盐能稳定地存在。

（2）重氮盐对热和光的稳定性。重氮化合物受热易发生分解，根据所处的酸碱条件，容易发生上述的C—N键断裂。一般含有供电子基的重氮盐热稳定性好；含有吸电子基的重氮盐热稳定性差。重氮盐在光照的情况下也会发生分解。一般含有吸电子基的重氮盐光稳定性好；含有供电子基的重氮盐光稳定性差。

（3）重氮盐对金属和金属盐的稳定性。某些金属如铜、铁能加速重氮化合物的分解，因此重氮化反应一般都在木桶或陶瓷中进行，并在塑料容器中保存。

因此，重氮化反应过程要考虑诸多因素，既要保证重氮化反应的顺利进行，又要保证生成的重氮盐能稳定存在。其中影响重氮化反应的因素主要有酸的用量、无机酸的浓度、无机酸的性质以及芳伯胺的碱性。

三、影响重氮化反应的因素

1.酸用量的影响

酸用量的影响包括无机酸的用量和亚硝酸的用量。

（1）无机酸用量的影响。在重氮化反应中，无机酸的量应适当地过量。因为无机酸的作用主要有以下的三个方面：

第一，与亚硝酸钠作用。产生和代替亚硝酸；

第二，与芳伯胺作用产生可以发生重氮化反应的芳伯胺。可以表示如下：

ArNH3+X-⇐⇒ArNH2（游离的可以发生重氮化反应的芳伯胺）+HCl

第三，维持反应后的溶液保持强酸性，使生成的重氮盐能够稳定地存在。

因此，尽管重氮化反应中芳伯胺与无机酸的理论用量比为1:2，但在实际重氮化反应过程中无机酸的用量要比理论用量多。一般对于碱性较强的芳伯胺进行重氮化时，芳伯胺与无机酸的用量比为1:2.5；对于碱性较弱的芳伯胺进行重氮化时，芳伯胺与无机酸的用量比为1:3.5。

（2）亚硝酸用量的影响。在重氮化反应过程中，亚硝酸的用量通常是由亚硝酸钠加入的速度来控制的。亚硝酸的量要适当控制。如果亚硝酸的量太大，会使芳伯胺环上发生一些副反应；如果亚硝酸的量不足，溶液中有过量的游离胺来不及发生重氮化反应，就会与生成的重氮盐发生不可逆的自偶反应，生成黄色沉淀。可以表示如下：

Ar—NH2+Ar—N2+⇐⇒→Ar—NH—N=N—Ar↓（黄色沉淀）

因此，在重氮化反应时，亚硝酸的量应自始至终维持稍过量，以使湿润的淀粉碘化钾试纸始终呈现微蓝色。

2.无机酸浓度的影响

这一影响可从铵盐电离反应式（1）以及亚硝酸电离反应式（2）两方面考虑。涉及的反应如下：

ArNH2+H3O+⇐⇒ArNH3++H2O

（1）

HNO2⇐⇒H++NO2-

（2）

当无机酸浓度小时，反应式（2）的影响是主要的，随酸浓度的增大，反应速率加快；当无机酸浓度大时，反应式（1）的影响是主要的，随酸浓度的增大，反应速率变慢。

3.无机酸性质的影响

由前面的反应机理可知，在不同的酸性介质中生成的亲电质点不同，亲电质点的亲电能力不同，重氮化反应速率也不同。

4.反应温度的影响

反应温度一般控制在0～5℃的低温下。一方面是由于该反应为放热反应；另一方面生成的重氮盐的热稳定性差，容易发生分解。稳定性高的重氮盐反应温度可以适度提高。

5.芳胺碱性的影响

这一影响可以从铵盐的电离反应式（3）以及重氮化反应机理式（4）两个方面来考虑。涉及的反应如下：

ArNH3+⇐⇒ArNH2+H+（芳胺的碱性）

（3）

ArNH2+O=N—X⇐⇒Ar—NH—N=O（—HX很慢）（亲电反应）

（4）

当酸浓度较大时，反应式（1）的影响是主要的。随芳胺碱性的增强，反应速率变慢；当酸浓度较小时，反应式（2）的影响是主要的，随芳胺碱性的增强，反应速率加快。

为了保证重氮化反应顺利地进行，使生成的重氮盐能稳定地存在，除了考虑上述影响因素，还要选取适当的重氮化方法。

四、重氮化的方法

按照三种反应物加入的先后顺序将重氮化反应分为顺法重氮化、逆法重氮化和亚硝酰硫酸重氮化三种方法。

所谓的顺法（直接法）重氮化就是将芳伯胺加入稀酸中，之后边搅拌边慢慢地加入30%的冷的亚硝酸钠水溶液。碱性较强的芳伯胺应注意两点：第一，酸的用量不能太大，胺与酸的用量比为1:2.5；第二，亚硝酸钠水溶液的加入速度不能过快。碱性较弱的芳伯胺应注意两点：第一，酸的用量应多一些，一般胺与酸的用量比为1:3.5；第二，亚硝酸钠水溶液的加入速度要快。

所谓的逆法重氮化就是将等分子的芳伯胺与亚硝酸钠的中性或碱性混合物倒入已冷至3～5℃的无机酸中。该方法适用于分子中氨基的对位含有—COOH、—SO3H的芳伯胺。

所谓的亚硝酰硫酸重氮化方法就是将亚硝酸钠粉末倒入相对重氮化溶液10～13倍浓的浓硫酸中，再慢慢加入芳伯胺。该方法适用于芳环上含有多个强吸电子基的芳伯胺。

重氮化反应通常都采用顺法重氮化。