第二节　硝化反应

向有机分子中的碳原子上引入硝基的反应称为硝化反应，生成的产物为硝基化合物。

在硝化反应中，硝基往往取代有机化合物中的氢原子，除氢原子外，有机化合物中的卤素、磺基、酰基和羧基等也可以被硝基取代。这些产物中有C-硝基、N-硝基、O-硝基化合物。

在精细化工生产中，芳香族化合物的硝化反应得到广泛的应用，对其理论和生产工艺的研究也比较深入。故本节将重点讨论芳香族化合物的硝化反应。

一、硝化

1.硝化剂

硝酸是主要的硝化剂，单独使用硝酸作硝化剂时，硝化反应产生的水会使硝酸稀释，甚至失去硝化能力。除非是反应活性较高的酚、酚醚、芳胺及稠环芳烃的硝化，一般很少采用单一的硝酸作硝化剂。

由于被硝化物的性质和活泼性不同，硝化剂常是硝酸与各种质子酸、有机酸、酸酐及各种路易斯酸的混合物。如混酸是浓硝酸或发烟硝酸与浓硫酸按一定比例组成的混合物，混酸是应用得最为广泛的硝化剂。

氮的氧化物除NO2以外，都可以作为硝化剂。如三氧化二氮（N2O3）在路易斯酸存在的情况下，在一定条件下具有硝化能力，能将硝基引入芳环；四氧化二氮（N2O4）在45％的发烟硫酸中能将苯硝化为二硝基苯，将2，4-二硝基甲苯硝化为2，4，6-三硝基甲苯；五氧化二氮（N2O5）在高介电常数的溶剂（如硫酸）中会离子化，其溶液是很有效的硝化剂。

用硝酸的醋酐溶液作硝化剂，硝化反应可在低温下进行，适用于易被氧化和易被混酸所分解的物质的硝化。一些容易被混酸中的硫酸破坏的有机物，可用此硝化剂进行硝化。硝化反应生成的水可使醋酐水解生成醋酸，所需硝酸不必过量很多。这种硝化剂既保留了混酸的优点，又弥补了混酸的不足。它广泛用于芳烃、杂环化合物、不饱和烃、胺、醇等的硝化，是仅次于硝酸和混酸的常用硝化剂。

在酸性或碱性条件下，用有机硝酸酯（通常使用硝酸乙酯）作为硝化剂进行芳香族化合物的硝化，反应可在非水介质中进行。如在碱性介质中用硝酸乙酯硝化那些在酸性条件下不能进行硝化的酮、腈、酰胺、甲酸酯等有机物。

自20世纪60年代以来，对以硝酸-磺酸离子交换树脂的混合物作硝化剂的研究逐渐增多。例如当甲苯用硝酸-磺酸聚苯乙烯硝化时，可制得一硝基甲苯。表1-2为几种硝化剂的硝化能力顺序表。

2.反应原理

硝化反应中必须存在一个活泼的进攻质点，依靠该质点与芳香族化合物反应，才能完成硝化。前面所介绍的硝化剂都是可以生成这种质点的试剂。最常见的活泼质点是：

硝化剂的离解能力越大，硝化能力越强。而离解能力的大小取决于硝化剂分子中X的吸电子能力的大小，即X部分形成共轭酸后的酸度强弱。

当用浓硝酸或混酸作硝化剂时，以苯的硝化为例，其反应机理如下：

在芳烃硝化过程中，首先是向芳烃进行亲电攻击生成π络合物，然后再转变为σ络合物，最后脱去质子得到硝化产物。其中转变成σ络合物的一步速率最慢，是反应速率的控制步骤。

3.反应影响因素

影响硝化反应的因素较多，主要有反应物的性质、介质的性质、催化剂、反应温度、硝化剂、副反应的发生等。对于非均相硝化，搅拌也是主要的影响因素之一。为了控制反应顺利进行，应了解上述各因素对硝化反应的影响。

（1）被硝化物的性质　被硝化物的性质和结构对硝化剂的选择、硝化反应速率大小以及产物组成有十分重要的影响。例如，芳烃硝化的难易程度就取决于芳核上取代基的性质。当苯环上存在供电子基时，硝化反应速率快，较易进行，可选择较温和的硝化剂和反应条件，其产物分布常以邻、对位硝基化合物为主；而当苯环上存在强吸电子基时，则硝化速度慢，需选择较强的硝化剂和剧烈的硝化条件，产物分布常以间位异构体为主，其次是邻位异构体。这是由于带有—NO2、—CHO、—SO3H等吸电子取代基的芳烃，其间位上的原子更易与硝基形成σ络合物。但卤苯的情况例外，引入卤素虽使苯环钝化，得到的产品却几乎都是邻、对位异构体。

（2）硝化剂　不同的被硝化物质，所采用的硝化剂亦不同。而当相同的被硝化物质采用不同硝化剂时，则会得到不同的产物组成。例如乙酰苯胺用不同的硝化剂硝化时，产物组成相差很大，如表1-3所示。

在用混酸作硝化剂时，混酸的组成是重要的影响因素，其中含硫酸越多，硝化能力越强。对于极难硝化的物质，可采用三氧化硫与硝酸的混合物作硝化剂，以提高硝化反应速率，用三氧化硫代替硫酸，可使硝化废酸量大幅度下降。

不同的硝化介质，常常能够改变异构体组成的比例。例如，1，5-萘二磺酸在浓硫酸中硝化，其主要产品是1-硝基萘-4，8-二磺酸；在发烟硫酸中硝化，其主要产品则是2-硝基萘-4，8-二磺酸。带有强供电子基的芳烃，如苯甲醚、乙酰苯胺，在非质子化溶剂中硝化时，常生成较多的邻位异构体；而在可质子化的溶剂中硝化时，则得到较多的对位异构体。这是由于在可质子化溶剂中硝化时，电子富有的原子容易被溶剂化，从而增大了取代基的体积，使邻位进攻受到空间障碍。

某些添加剂也能够改变异构体的组成比例，如甲苯硝化时，向混酸中加入适量的磷酸，可增加对位异构体的比例。

（3）温度　对于均相硝化反应，温度不仅影响生成异构体的相对比例和反应速率，而且还涉及安全生产问题。一般对于易硝化和易被氧化的活泼芳烃，如酚、酚醚、乙酰芳胺可在低温下硝化；而不易硝化的稳定芳烃，如硝基芳烃、磺基芳烃则应在较高温度下硝化。

对于非均相硝化反应，温度对芳烃在酸相中的溶解度、乳化液的黏度、界面张力和总反应速率都有影响。但由于非均相反应过程复杂，温度对其影响是不规则的。

硝化反应是强放热反应。用混酸硝化时，反应生成的水稀释硫酸还有稀释热放出。例如苯的一硝化反应，其总热效应达134kJ/mol。所以在生产中要及时移出热量，严格控制硝化反应温度，这一点至关重要。否则温度过高会引起多硝化、氧化等副反应，严重时会发生硝酸大量分解，造成生产事故。因此在硝化设备中一般都带有夹套或蛇管等大面积的换热装置。

（4）搅拌　大多数硝化过程属于非均相硝化，搅拌对非均相硝化十分重要。良好的搅拌不仅有利于两相的分散，增大两相接触面积，减少传质阻力，而且可以提高转化率。

在硝化过程中，特别是在间歇硝化反应的加料阶段，停止搅拌或由于搅拌器桨叶脱落而导致搅拌失效是非常危险的。因为这时两相会很快分层，大量活泼的硝化剂在酸相积累，一旦搅拌再次开动，就会发生激烈反应，瞬间释放大量的热，使温度失去控制，从而导致事故发生。因此要求在硝化设备上配有自控装置，一旦设备停止搅拌或温度超过规定范围就报警，并自动停止加料。

（5）相比与硝酸比　相比是指混酸与被硝化物的质量比，也称酸油比。非均相硝化选择适当的相比十分重要。增大相比，被硝化物在酸相中的溶解量增大而容易分散，有利于提高反应速率；但是相比过大，设备生产能力下降，废酸量增多，相比太大时反应初期酸的浓度太高，导致反应激烈，温度不易控制。在生产中采用定量循环部分废酸的办法来调节相比，有利于反应热的分散和传递。

硝酸比是指硝酸和被硝化物的物质的量，也叫硝酸过量百分率。若使硝化反应进行完全，硝酸的实际用量往往高于理论量。通常，当用混酸作硝化剂时，对于易硝化的物质硝酸过量1％～5％，对于难硝化的物质则应过量10％～20％。20世纪70年代开发的绝热硝化法是使芳烃过量的一种方法，其特点是硝酸利用率高，并且能降低多硝基物的生成，该工艺已越来越受到人们的重视。

（6）硝化的副反应　硝化过程若副反应多，则产品收率低，分离精制费用增加，产品质量低，同时还会增加不安全生产因素和造成环境污染。

在副反应中，影响最大的是氧化副反应。活泼芳烃较易发生氧化副反应，主要生成硝基酚。例如，甲苯硝化时副产硝基甲酚，萘硝化时副产2，4-二硝基萘酚等。硝化过程中另一主要的副反应是生成有色络合物，该络合物的生成可使反应在后期接近终点时，出现硝化液颜色变深、发黑发暗的现象。其原因一般是硝酸用量不足。这可用在45～55℃下及时补加硝酸的办法将络合物破坏掉。

许多副反应的发生是因为体系中存在氮的氧化物，因此生产中应设法减少氮氧化物的含量，严格控制反应条件，以防止硝酸分解，减少副反应的发生。

二、硝化方法

硝化方法按不同的分类方法有间歇和连续方法或气相、气-液相、液相硝化方法。对每一个工艺过程，根据生产方式和被硝化物的性质不同，都有不同的工艺要求和操作方法。

1.混酸硝化

工业上芳烃的硝化常用混酸作硝化剂。其优点是硝化能力弱，反应速率快，产率高；硝酸用量接近理论量，硝化后废酸可回收利用；硫酸的比热容大，可吸收硝化反应热，且硫酸还能溶解有机物，使硝酸与被硝化物接触好，有利于反应顺利进行。

对不同的硝化过程，要求混酸有适当的硝化能力。硝化能力弱，反应慢且反应不完全；硝化能力太强，易发生多硝化副反应，且硫酸耗量增大。目前常用来表示混酸硝化能力的技术指标有两种，即硫酸脱水值和废酸计算浓度。有关计算方法可参阅其他文献，此处不作赘述。混酸硝化的过程如图1-1所示。妥善处理硝化后的废酸是硝化生产要解决的重要问题。废酸中含有大量硫酸及少量未反应的硝酸和硝基化合物，通常是利用原料芳烃先在一定温度下对废酸进行萃取，再加以脱硝，然后蒸发浓缩，使硫酸的质量分数增到92.5％～95％后，再用于配制混酸。

2.硝酸硝化

硝酸硝化的优点是不需要处理废酸，且硝酸浓度越高，硝化反应进行得越好，副反应越少，但反应生成的水会使硝酸浓度降低，故生产上必须解决保持硝酸浓度的问题。常采用的方法是让硝酸过量许多倍。硝酸硝化的方法有气相法、液相法和高分子薄膜法。由于单独使用硝酸硝化对设备要求高，设备投资大，故目前工业上应用得并不普遍。

3.氮的氧化物硝化

由于传统的混酸硝化存在废酸浓缩问题，硝酸硝化又存在设备腐蚀和安全问题，近来以氮的氧化物为硝化剂的研究很受重视，并已取得一定成绩，只是目前还未能付诸工业化生产。

4.有机硝酸酯硝化

单一的有机硝酸酯没有硝化能力，硝化反应必须在酸性介质或碱性介质中进行。例如甲苯与乙酰硝酸酯混合，在搅拌下逐渐加入浓硫酸，保持反应温度在40℃，得到一硝基甲苯的收率接近理论量。但应注意的是纯乙酰硝酸酯易发生剧烈爆炸，故严禁制取和使用纯乙酰硝酸酯。

5.硝酸与磺酸离子交换树脂硝化

该法是以硝酸和磺酸离子交换树脂混合物为硝化剂。例如，甲苯用该法硝化，与其他方法相比，所得到的对硝基甲苯比例更高。

6.间接硝化法

（1）磺酸基的取代硝化　处在活化位置的磺酸基很容易被硝基取代，利用此性质来制备所需要的硝基化合物，比无磺酸基的直接硝化法更为有利。酚类化合物用该法可以减少副产物。例如，2，4-二硝基萘酚的制备。

当由α-萘酚直接硝化时，很难获得质量好的二硝基萘酚，主要是容易发生氧化副反应。

（2）重氮基取代硝化　芳烃的重氮盐用亚硝酸钠处理，可分解生成芳烃硝基化合物。

一些特殊取代位的硝基化合物可采用此法硝化，如邻二硝基苯和对二硝基苯的制取均可用此法。

三、硝化反应在精细化学品生产中的应用

硝化反应是精细化学品生产中重要的单元反应之一，其应用范围极广，芳烃、烷烃、烯烃及它们的胺、酰胺、醇等衍生物可在适当的条件下进行硝化。其主要用于以下方面。

硝化反应是制备氨基化合物的一条主要途径。例如由苯硝化制硝基苯，硝基苯再还原制取苯胺，苯胺在农药、医药和染料工业中都有广泛的应用；用混酸进行甲苯的连续二硝化，制二硝基甲苯，二硝基甲苯是制二异氰酸酯的重要中间体，后者用于制聚氨酯泡沫塑料。

利用硝基的极性，使芳环上的其他取代基活化（如卤原子），促进亲核取代反应。例如由2，4-二硝基氯苯制2，4-二硝基苯酚，后者是合成染料的重要中间体。

利用硝基的极性，可赋予精细化工产品某种特性，如在染料合成中引入硝基，常常可以加深染料的颜色。

此外，有的芳香族多硝基化合物，如三硝基甲苯（TNT）或三硝基苯酚是烈性炸药。有的硝基化合物还可用作氧化剂或溶剂。