第八节　重氮化反应

芳香族伯胺在低温和无机酸存在下与亚硝酸钠作用，生成重氮化合物的反应称为重氮化反应。而重氮化产物常以盐的形式存在，故又称重氮盐。反应式如下：

其中，HX代表无机酸。

一、重氮化

1.重氮化剂

亚硝酸为重氮化剂，但由于亚硝酸不稳定，故实际生产时常用亚硝酸钠和盐酸（或硫酸）来生产，这样可避免重氮化反应时亚硝酸的分解。

2.反应原理

芳伯胺的重氮化反应可分为两步，首先，游离的芳伯胺与亚硝酸酐或亚硝酰氯等亚硝化试剂（Y—N＝O）发生亚硝化反应，生成不稳定的N-亚硝基芳胺中间产物（Ar—NH—NO）。然后在酸性介质中迅速地发生脱水反应，转化成重氮盐。

第一步N-亚硝基化反应为亲电子反应，由于反应速率较慢，故对整个重氮化反应起着决定作用。

3.反应特点

重氮化反应具有下列明显的特点。

（1）反应在低温下进行　重氮盐一般在低温下稳定，温度超过5℃就会引起重氮盐分解，即使在0℃时重氮盐的水溶液也只能保持数小时，因此，必须在应用时临时配制。一般苯环上具有—SO3H或—NO2的芳胺，由于所生成的重氮盐的热稳定性较好，所以，也可以在常温或较高一点的温度下进行重氮化。

（2）反应在强酸介质中进行　首先这是因为重氮试剂HNO2只有在酸性介质中才能产生。其次是反应生成的重氮盐只在酸性介质中稳定，否则重氮盐将与未反应的胺发生偶联反应。因此，在反应中酸的用量常为胺的2.25～4倍（摩尔比）。其中一份酸与苯胺结合成盐，一份酸与亚硝酸钠作用生成亚硝酸，其余的用来维持溶液的酸性。

（3）亚硝酸不能过量　亚硝酸与胺的用量比应为1:1，亚硝酸过量易使生成的重氮盐分解。当重氮化反应完成后，溶液中应有少量的亚硝酸存在。因此，常以碘化钾淀粉试纸来检验反应是否到达终点。当反应液使试纸变蓝时，表示反应液中已有过量的亚硝酸存在，此时重氮化反应已到达终点。

二、重氮化方法

根据胺类和所生成的重氮化合物的性质不同，可采用不同的重氮化方法，现简述如下。

1.碱性较强的一元胺的重氮化

碱性较强的一元胺，如苯胺、甲苯胺、α-萘胺、甲氧基苯胺、乙氧基苯胺等，分子本身不含有亲电子基，由于它们与无机酸能生成易溶于水且难于水解的胺盐，因而重氮化反应速率较小。

这种胺类的重氮化方法比较简单，通常都是先将胺类在适当温度下溶解于稀无机酸中，然后冷却至反应温度，再慢慢加入亚硝酸钠溶液，若有必要时加入溴化物以加速反应。

2.硝基和多氯苯胺类的重氮化

硝基和多氯苯胺类，如邻、间、对位硝基苯胺，2，5-二氯苯胺等，它们的特点是：①较难与无机酸生成胺盐；②它们的胺盐很容易水解为游离胺，因而重氮化过程进行得较快；③生成的重氮盐容易与未反应的游离胺生成重氮胺基化合物。

对于这种胺类，一般是先把它们溶于浓度较高的热无机酸中，而在重氮化之前再加冰，使胺盐溶液迅速冷却以形成极细的沉淀，然后迅速将需要量的亚硝酸钠溶液一次加入，使所有的芳胺都能很快地进行重氮化反应，以避免重氮胺基化合物的生成。为使反应顺利进行，亚硝酸钠的过剩量要比第一种情况多些，而且反应液中要有较多的无机酸，以阻止重氮胺基化合物的生成。在某些情况下，若加热也不能使芳胺完全溶解，则可将其研成微粒，放在稀无机酸中进行搅拌，制成悬浮体，再进行重氮化。

3.碱性很弱的胺类的重氮化

碱性很弱的胺类，如2，4-二硝基苯胺、4-氯-2-硝基苯胺、α-氨基蒽醌等，它们的特点是：碱性很弱、不溶于稀酸中，而能溶于含水很少的无机酸（H2SO4、HNO3、H3PO4）或有机溶剂（乙酸或吡啶等）中；它们与无机酸所生成的盐非常容易水解，所以它们在浓酸中的溶液不能用水稀释。

对于这种胺类，一般是先将它们溶解于4～5倍的浓硫酸中，然后再加入亚硝基硫酸（亚硝酸钠在浓硫酸中的溶液）或将研磨得很细的胺类加入亚硝基硫酸中进行重氮化。

对于氨基蒽醌类，也可将它们溶于浓硫酸中，然后加入干燥的亚硝酸钠，或是先将这类氨基蒽醌转变为其隐色体的酸性硫酸酯，然后在盐酸介质中进行重氮化。

4.难溶于水的氨基二苯胺衍生物的重氮化

难溶于水的氨基二苯胺，如对氨基二苯胺、4-烷氧基-4'-氨基二苯胺等，它们的特点是：胺盐的溶解度不大，水解困难，因此分子中的氨基难于重氮化；而分子中的仲胺基在遇到亚硝酸时却能发生亚硝化反应。对于这种胺类，可以将胺盐在浓盐酸中研成细粉末状态，然后将胺盐的悬浮体用冰和水稀释，再加入亚硝酸钠溶液进行重氮化。

5.氨基磺酸和氨基羧酸的重氮化

氨基磺酸和氨基羧酸，如氨基苯磺酸、氨基萘磺酸等。对于大多数的氨基单磺酸以及某些氨基二磺酸来讲，它们本身都难溶于水，但其钠盐则很容易溶解，因此可以先将它们溶解于碳酸钠溶液中，然后加入盐酸，使氨基磺酸成为极细的沉淀析出，最后再加入亚硝酸钠溶液进行重氮化。

对于某些溶解度极小的氨基磺酸，如1-氨基萘磺酸，则可以先将氨基磺酸钠盐溶液与亚硝酸钠溶液混合在一起，然后将该混合液慢慢地加到冷的稀盐酸中进行重氮化。

某些氨基二磺酸以及氨基羧酸能溶解于稀无机酸中，这就可以采用通常的方法进行重氮化反应。

三、重氮基的转化

1.重氮基被氢取代的反应

重氮化合物在还原时可以放出氮原子而使重氮基被氢所取代。

在使用乙醇时，重氮基除被氢原子所取代外还会被乙氧基取代：

由于乙醇作还原剂的不可靠性，以及受必须使用干燥的或含水很少的重氮化合物等的限制，该反应还可以使用其他的还原剂：在酸性介质中的还原剂有次亚磷酸（H3PO2）、甲酸、氧化亚铜等；在碱性介质中的还原剂有亚锡酸钠（Na2SnO2）、甲醛、甲酸盐、氢氧化亚铁、硫化碱及葡萄糖等。

重氮基被氢原子所取代的反应具有实际意义，例如，将1-氨基-2-羟基萘-4-磺酸的重氮氧化物在碱性水溶液中用葡萄糖进行还原，2-羟基萘-4-磺酸的产率可超过90％。

2.重氮基被羟基取代的反应

先将芳胺在稀硫酸中进行重氮化，然后将重氮化合物的酸性水溶液加热或煮沸。其反应式如下：

当重氮盐分解时，必须避免有氢卤酸的存在，否则将会有一部分重氮化合物转变成卤素衍生物。实验证明，纯重氮苯的酸性硫酸盐在稀水溶液中将完全分解，并几乎定量地生成苯酚；而在浓溶液中则会生成对羟基联苯、二苯醚、对羟基偶氮苯等产物。当大量的重氮化合物溶液加热时，尚未分解的重氮化合物还会与生成的酚类进行偶联，生成相当多的偶氮染料。为了避免这些副反应，可以将冷的重氮盐溶液慢慢地加到适当浓度的沸腾稀硫酸中，使重氮化合物在反应区域的浓度很低，并随时把生成的酚类随水蒸气蒸出。为了从反应介质中分出所生成的酚类，可以加入既不起反应又不与水互溶但能溶解酚类的有机溶剂，例如，芳烃及其氯代衍生物、醚类和酯类等。

由重氮基转化为羟基所得到的重要产品还有：

3.重氮基被卤原子取代的反应

在该类反应中，重氮基被氯取代最有实际意义，某些不能用直接氯化法制得的氯衍生物可用该法制备。在亚铜盐存在下将重氮基转化成其他取代基的反应叫桑德迈耶尔（Sandmeyer）反应。

选择适当的操作条件，如在过量的氯离子存在下以及在适当的浓度和温度下，可以提高氯衍生物的产率。对于具有第二类取代基的重氮化合物来讲，实际产率可达到理论量，而对于对位重氮甲苯则可达到理论量的85％。

氯化亚铜最好是在桑德迈耶尔反应之前临时制成。可将硫酸铜与氯化钠的混合溶液与亚硫酸钠共热，或是使金属与氯化钠及盐酸作用而成。每1mol胺通常要用0.2～0.3mol的氯化亚铜。在氯化亚铜中，铁、铅、锡等杂质的存在对氯衍生物的产率不利。反应温度一般都在室温以上至反应液的沸点以下（40～80℃）。

4.重氮基被氰基取代的反应

该反应是在氢氰酸的亚铜盐络合物（例如，Na［Cu（CN）2］或Na2［Cu（CN）3］）存在下进行的。这种络合物在生产中是由过量的金属氰化物与氯化亚铜起作用而制得的。

通过重氮化合物引入氰基的方法，被广泛应用于靛族染料的合成中。另外，利用这一反应还可以制1-氰基萘-8-磺酸、3，4-二氰基联苯以及其他的一些化合物。

5.重氮基被含硫基取代的反应

这种转化可采用许多反应剂来完成，二硫化钠是最实用的一种，其中最有意义的是重氮基被氢硫基所取代的反应。

当二硫化钠作用于重氮盐时，可以生成Ar—S—S—Ar，后者经还原反应即可生成硫酚。

硫酚被用来制备硫靛染料，它们也可以由磺酰氯基被还原或卤基被取代等方法来制备。

6.重氮基被含碳基取代的反应

对于某些重氮化合物来讲，若选择适当的还原剂和操作条件，可以使联芳基衍生物的生成反应成为主体。在实际生产中，利用这一方法从1-重氮基萘甲酸来制备1，1'-联萘二甲酸（Ⅰ）。后者在浓硫酸中进行环化缩合，可制得稠二蒽二酮（Ⅱ），而（Ⅱ）是制备一系列蒽醌还原染料的母体原料。

7.在重氮化合物的芳核上引入新取代基

由于重氮基具有很大的反应活性，因此在对重氮化合物进行核上取代反应的过程中，重氮基也常常发生了化学变化。但是，足够稳定的重氮化合物（主要是重氮氧化物）在强酸溶液中也能发生核上取代反应，而并不引起重氮基的显著分解，其中进行得较多的是硝化反应。

例如，把从1-氨基-2-羟基萘-4-磺酸所得到的重氮氧化物（Ⅰ）溶于浓硫酸中，然后用混酸进行硝化，可以得到6-硝基-1-重氮基-2-羟基萘-4-磺酸（Ⅱ）：

将（Ⅰ）溶于氯磺酸中，然后通入氯气进行氯化，可以制得5-氯-1-重氮基-2-羟基萘-4-磺酸：

以上两种产品都可用来制备铬媒偶氮染料的重氮组分。

四、重氮化反应在精细化学品生产中的应用

重氮化反应和重氮基的转化对中间体的合成具有十分重要的意义。由重氮化反应制备的重氮化合物通过偶合反应可合成一系列偶氮染料，同时重氮化合物通过重氮基的转化反应可以制备许多重要的中间体。重氮化反应广泛用于染料、感光材料等领域。

芳伯胺经重氮化生成重氮盐的反应是染料工业中最重要的反应，将重氮化合物与酚、芳胺偶合可制得各种各样的偶氮染料。在偶氮染料合成过程中，重氮化合物是主要组成，重氮化反应则是基本反应之一。

利用桑德迈耶尔反应制得的重要氯衍生物有1-氯萘-8-磺酸，医药工业的抗疟类药“米帕林”的中间体2，4-二氯甲苯，间氯甲苯和碱性染料的中间体2，6-二氯甲苯。制备1-氯萘-8-磺酸时的产率可达到91％，它是制备硫靛黑的中间体。

在感光材料工业中，重氮成像材料是一种开发早、应用广的非银盐感光材料，广泛用于印刷、复印、微缩等领域。如以重氮基作为感光基团的树脂称为重氮树脂，就是印刷行业中使用的PS（presensitized plate）版上感光涂层的主要材料。