有机化学实验论文

题目：对溴苯胺的全合成

论文著者：

专业名称： 化学

所在院系： 化学与环境学院

指导老师： 杨定乔

提交时间： 2012年5月

对溴苯胺的全合成

（华南师范大学化学与环境学院 2010级化学1班）

摘要 本实验以硝基苯为起始原料，在酸性条件下用锡将硝基苯还原为苯胺；苯胺在锌粉的催化下与乙酸发生酰基化反应合成乙酰苯胺；乙酰苯胺在乙酸催化下与溴发生卤代反应合成对溴乙酰苯胺；对溴乙酰苯胺在酸性条件下去保护生成对溴苯胺。本实验对溴苯胺的产率为40.7%，并测得熔点为66.5℃。

关键词 对溴苯胺；酰基化反应；溴代反应；对溴乙酰苯胺。

The Synthesis of 4-Bromoaniline

Abstract With nitrobenzene as starting material, under the acid conditions, the aniline is reduced by Tin to Aniline; In zinc catalytic, aniline and acetic acid acylation reaction synthesis of acetanilide; Halogenated synthetic reaction occurs in acid catalysis, acetanilide and bromine 4-Bromoacetanilide. Under acidic conditions, 4-Bromoacetanilide generated on 4-Bromoaniline. The yield of this experiment is 40.7%, and the melting point of 4-Bromoaniline is 66.5℃.

Keyword 4-Bromoaniline; acylation; Bromination; Bromoacetanilide.

引言

对溴苯胺是非常重要的有机化工原料，它是染料原料（如偶氮染料、喹啉染料等）、医药及有机合成中间体。而其合成方法具有多样性，查找文献可以得到以下几种合成对溴苯胺的常用方法。第一种是以对硝基苯胺为原料，在硫酸中与亚硝酸钠反应，生成重氮盐，再在溴化亚铜的作用下，与氢溴酸反应，生成硝基溴苯，进一步在氢溴酸中用铁粉还原而得；第二种是以苯为原料，在铁粉的作用下，与溴反应，生成溴苯，再与混酸（硫酸和硝酸）反应，生成邻硝基溴苯及对硝基溴苯（其中邻位占35%，对位占65%），使二者分离，再按第一种方法进行而得；第三种是以对溴乙酰苯胺为原料，在氢氧化钠溶液中，用水蒸气回流而得；第四种是以硝基苯为原料，通过还原、保护、溴代、去保护等多个步骤合成目标产物。

经过原料易得便宜、操作简单、可控制性强等多方面综合比较，决定采用第四种合成方法来制取对溴苯胺。

硝化反应是制备芳香硝基化合物的主要方法，也是重要的亲电取代反应之一，芳烃的硝化在浓硫酸与浓硝酸作用下较容易进行，芳烃的氢原子被硝基取代，生成相应的硝基化合物。芳香硝基化合物还原是制备芳胺的主要方法，实验室常用的方法是在酸性溶液中用金属进行化学还原，最常用的方法是使用锡-盐酸来还原简单的硝基化合物，也可以用铁-醋酸法。苯胺很容易进行酰基化反应，即氨基中的氢原子被酰基取代，这样可以保护芳胺的氨基。卤素对苯环上的取代反应属亲电取代反应，苯环上如有取代基，则按取代基的亲电取代定位规则进行反应。对溴乙酰苯胺在酸性条件下去保护生成目标产物。

本实验总反应如下：

实验

2.1实验目的

1.掌握芳香烃硝化、硝基的还原、氨基的保护与去保护、芳香烃卤代方法；

2.掌握重结晶及熔点测定技术；

3.初步掌握有机化合物全合成的概念；

4.掌握硝基苯还原成苯胺的实验原理和方法；

5.巩固水蒸气蒸馏和简单蒸馏的基本操作；

6.熟悉氨基酰化反应的原理及意义，掌握乙酰苯胺的制备方法；

7.掌握分馏装置的安装和操作；

8.熟练掌握重结晶、乘热过滤和减压过滤等操作技术；

9.掌握易氧化基团的保护方法；

10.学习芳烃卤化反应理论，掌握芳烃溴化方法；

11.熟悉溴的物理化学性质及其使用操作方法；

12.掌握脱保护基乙酰基的方法。

2.2实验原理

1.苯胺的实验室制备如果用直接的方法将酰基（—NH2）导入苯环上非常困难，因此常经过间接的方法来制取，芳香硝基化合物还原是制备芳胺的主要方法。实验室常用的方法是在酸性溶液中用金属进行化学还原。常用锡-盐酸来还原简单的硝基化合物，也可以用铁-醋酸法。

2.乙酰苯胺为无色晶体，具有退热镇痛的作用，是较早使用的解热镇痛药，因此俗称“退热冰”。乙酰苯胺也是磺胺类药物合成中重要的中间体。

胺的酰基化在有机合成中有着重要的作用。作为一种保护措施，一级和二级芳胺在合成中通常被转化为它们的乙酰基衍生物，以降低胺对氧化降解的敏感性，使其不被反应试剂破坏；同时氨基酰化后降低了氨基在亲电取代反应（特别是卤化）中的活化能力，使其由很强的第Ⅰ类定位基变为中等强度的第Ⅱ类定位基，使反应由多元取代变为有用的一元取代，由于乙酰基的空间位阻很大，往往选择性地生成对位取代物。

伯胺、仲胺可用酰氯、酸酐或与冰醋酸加热来进行酰化，使用冰醋酸试剂易得，价格便宜，但需要较长的反应时间，适合于规模较大的设备。酸酐一般来说是比酰氯更好的酰化试剂。如果在醋酸-醋酸钠的缓冲溶液中进行酰化，由于酸酐的水解速率比酰化速率慢得多，可以得到高纯度的产物。

乙酰苯胺可由苯胺与乙酰化试剂，如乙酰氯、乙酐或乙酸等直接作用来制备。反应活性是乙酰氯>乙酸酐>乙酸。由于乙酰氯和乙酸酐的价格较贵，本实验选用纯的乙酸（俗称冰醋酸）作为乙酰化试剂。反应式如下：

冰醋酸与苯胺的反应速率较慢，且反应是可逆的，为了提高乙酰苯胺的产率，一般采用冰醋酸过量的方法，同时利用分馏柱将反应中生成的水从平衡中移去。由于苯胺易氧化，加入少量锌粉，防止苯胺在反应过程中氧化。

3.苯环卤代反应：卤素对苯环上的取代反应属亲电取代反应。常用的催化剂有铁、铝、磷及其卤化物等。苯环上如有取代基，则按取代基的亲电取代定位规则进行反应。

4.对溴乙酰苯胺在酸性条件下去保护生成对溴苯胺，这是常见的去保护基的方法。其反应式如下：

2.3实验试剂和仪器

1.实验试剂：锡粒，硝基苯，浓盐酸，氢氧化钠，氯化钠，乙醚，冰醋酸，锌粉，活性炭，溴，乙醇，亚硫酸氢钠。

2.实验仪器：锥形瓶，圆底烧瓶，回流冷凝管，水蒸气蒸馏装置，直形冷凝管，接液管，量筒，温度计，烧杯，吸滤瓶，布氏漏斗，小水泵，保湿漏斗，电热套，电动搅拌器，水浴锅，250ml三口烧瓶，恒压滴液漏斗，量杯抽滤瓶，刮刀，尾接管，pH试纸。

2.4实验步骤

2．4.1 中间体苯胺的制备：在一个1 00mL圆底烧瓶中，放置36g锡粒，16mL（约19.68g）硝基苯，装上回流装置，量取80mL浓硫酸，分数次从冷凝管口加入烧瓶内并不断摇动反应混合物（如图1）。若反应太激烈，瓶内混合物沸腾时，将圆底烧瓶浸入冷水中片刻，使反应缓慢。当所有的盐酸加完后，将烧瓶置于沸腾的热水浴中加热40min，使还原趋于安全，然后将反应瓶改为水蒸气蒸馏装置（如图2），进行水蒸气蒸馏直到蒸出澄清液为止，将馏出液放入分液漏斗中，分出粗苯胺。水层加入氯化钠12g使其饱和后，用80mL乙醚分两次萃取，合并粗苯胺和乙醚萃取液，用粒状氢氧化钠干燥。

将干燥后的混合液小心地倾入干燥的50mL蒸馏烧瓶中，在热水浴上蒸去乙醚，然后改用空气冷凝管，在石棉网上加热，收集180 ~185℃的馏分，得到9.25g的产物，产率为62.2%。

2.4.2 中间体乙酰苯胺的制备：在50mL圆底烧瓶中，放置9.25 g新蒸馏过的苯胺，15mL冰醋酸（15.7g，0.26mol）及少许锌粒（约0.1g），装上一分馏柱，插上温度计，用小量筒收集蒸出的水和乙酸（如图3）。圆底烧瓶放在石棉网上用小火加热回流，保持温度计读数于105℃约1小时，反应生成的水及少量醋酸被蒸出，当温度下降则表明反应已经完成（如图4）。在搅拌下趁热将反应物倒入盛有100mL冷水的烧杯中，冷却后抽滤，用冷水洗涤粗产品。将粗产品移至500mL烧杯中，加入300mL水，置烧杯于石棉网上，加热使粗产品溶解，稍冷后，加入0.7 g活性炭，并煮沸10mL（如图5）。在保温漏斗中趁热过滤除去活性炭，滤液冷却，乙酰苯胺结晶析出，抽滤（如图6）。晾干后称量，产量10.21g，产率76.0%。

2.4.3 中间体对溴乙酰苯胺的合成：在250mL三口烧瓶上配置电动搅拌器，温度计，恒压滴液漏斗，并在恒压滴液漏斗上连接气体吸收装置，以吸收反应中产生的溴化氢（如图7）。在100mL锥形瓶中，将10.21g乙酰苯胺溶解于43.8mL乙醇中，将3.82g溴溶解于9mL冰醋酸中，一边搅拌一边慢慢地将溴—冰醋酸溶液滴加至乙酰苯胺的醇溶液中，滴加速度以棕红色的溴色较快褪去为宜。滴加完毕，在45℃浴温下，继续搅拌反应1h，然后将浴温提高至60℃，在搅拌一段时间，直到反应混合物液面不再有红棕色蒸气溢出为止。在搅拌下将反应物慢慢加至100mL水中，此时即有固体析出。若有黄色，可加入饱和的亚硫酸氢钠水溶液洗涤，使溶液黄色恰好褪去。减压过滤收集产物（如图6），并用冷水充分洗涤，干燥，用乙醇重结晶，得到白色针状晶体。产量12.65g,产率78.2%。

2.4.4 目标产物对溴苯胺的合成：在100mL三口烧瓶上，配置回流冷凝管和恒压滴液漏斗（如图7），向三口烧瓶中加入12.65g对溴乙酰苯胺，31mL95%乙醇和三粒沸石，加热至沸，自滴液漏斗慢慢滴加16.8mL浓盐酸。加毕，回流30min，加入25mL水使反应混合物稀释。将回流装置改为蒸馏装置，加热蒸馏。将残余物对溴苯胺盐酸盐倒入盛有50mL冰水的烧杯中，在搅拌下滴加20%氢氧化钠溶液，使之刚好呈碱性。抽滤，水洗，抽干后，用乙醇—水重结晶，抽干。产量4.15g，产率40.7%。

结果与讨论

3.1数据记录与计算

表1各中间体和最终产物实验数据

Figure 1 The intermediates and final products of the experimental data

表2熔点的测定

Figure 2 Determination of the melting point

3.2 思考与讨论

3.2.1制备苯胺时，根据什么原理，选择水蒸气蒸馏把苯胺从反应混合物中分离出来？

①水蒸气蒸馏原理：水蒸气蒸馏是纯化分离有机化合物的重要方法之一。当水和不溶于水的化合物一起存在时，整个体系的蒸汽压力，根据道尔顿分压定律，应为各组分蒸汽压力之和。即：P=P水+PA（PA为与不溶化合物的蒸汽压）。当P与外界大气压相等时，混合物就沸腾。这时的温度即为它们的沸点，所以混合物的沸点将比任何一组分的沸点都要低一些。而且在低于100℃的情况下随水蒸气一起蒸馏出来。这样叫做水蒸气蒸馏。

②水蒸气蒸馏的条件：一，不溶于水或者难溶于水；二，共沸时不与水发生化学反应；三，在100℃左右时，必须具有一定的蒸汽压。

③苯胺符合②的所有条件，因此采用水蒸气蒸馏法。

3.2.2制备的苯胺中混有硝基苯该怎样提纯？

可将混合物置于分液漏斗中，再加适量的酸，静置分层，分液去除有机层，保留水层，在水层中加氢氧化钠，将苯胺蒸馏出来即可除去硝基苯。

3.2.3制备苯胺时，为什么要往馏出液中加入食盐？

由于产物苯胺在水中有一定的溶解度。加入精盐使水层饱和，这样溶解在水中的大部分苯胺就成油状物析出，可减少损失。

3.2.4制备苯胺时，为什么采用粒状NaOH干燥而不用CaCl2?

因为镁离子和钙离子都具有一定的形成配合物的趋势，虽然不能形成组成和固定的配合物，但是会导致干燥剂吸附大量的苯胺，使得过滤的时候苯胺损失很大。因此必须使用氢氧化钠或者无水硫酸钠等干燥剂。

3.2.5制备苯胺时，反应完后，圆底烧瓶壁上黏附的黑褐色物质怎么处理？

可以用1:1盐酸水溶液温热除去。

3.2.6用乙酸酰化制备乙酰苯胺的方法应如何提高效率？

①加入冰醋酸使之与苯胺反应最慢易于控制；

②增加乙酸的用量减少可逆反应，得到较高产率；

③保持沸腾不断除去生成的水，有效的使平衡向正方向移动；

④为防止苯胺被氧化加入锌粉。

3.2.7制备乙酰苯胺时，反应温度控制在105℃左右，过高过低有何影响？

主要由原料CH3COOH(b.p.118℃)和生成物水(b.p.100℃)的沸点所决定控制在105℃,这样既可以保证原料CH3COOH充分反应而不被蒸出，又可以使生成的水立即移走，促使反应向生成物方向移动，也能使水被蒸馏出去而乙酸不会，进而既除了水，又减少反应物醋酸的损失。反应温度过低，反应会较慢；反应温度过高，会导致大量乙酸蒸出而降低产率。

3.2.8制备乙酰苯胺时，温度计的温度为何下降？

反应终点时温度计读数会下降,因为在反应到达终点时水已经被大部分蒸干,而此时还没有到达乙酰苯胺的沸点,所以会下降。

3.2.9用醋酸直接酰化和用醋酸酐进行酰化各有什么优缺点？除此之外，还有哪些乙酰化试剂？

用醋酸直接酰化的优点有操作简便，试剂便宜易得；缺点有酰化反应活性较低，反应速率慢，反应可逆。用醋酸酐进行酰化的优点有酰化反应活性较高，反应速率较快，无需采用加入过量试剂、从平衡体系中移去水等方法加快反应速率；缺点是试剂较昂贵。乙酰化试剂还有乙酰氯、N,N-二甲基乙酰胺等。

3.2.10乙酰苯胺的一溴代物为什么以对位异构体为主？

因为-NHC=OCH3属于第一类定位基，定位效应为邻对位，由于-NH=OCH3的空间位阻较大，导致邻位的位阻比对位的位阻要大，因此以对位取代为主。

3.2.11制取对溴乙酰苯胺时，溴化反应温度的高低对反应结果有何影响？

温度太低会使反应速率变慢；温度太高会使一溴取代的邻位的产物更多、也有可能生成二溴取代物，造成杂质较多。

3.2.12制取对溴乙酰苯胺时，加入亚硫酸氢钠的目的是什么？

为了除去溴单质杂质，使产品纯度升高。

3.2.13用活性炭脱色为什单要待固体物质完全溶解后才加入？为什么不能在溶液沸腾时加入？是否可以直接向热的溶液中加入活性炭？

活性炭可吸附有色杂质、树脂状物质以及均匀分散的物质。因为有色杂质虽可溶于沸腾的溶剂中，但当冷却析出结晶体时，部分杂质又会被结晶吸附，使得产物带色。所以用活性炭脱色要待固体物质完全溶解后才加入，并煮沸5~10min。要注意活性炭不能加入已沸腾的溶液中，以一免溶液暴沸而从容器中冲出。

3.3结论

以硝基苯为原料，通过还原、保护、溴代、去保护等多个步骤合成目标产物对溴苯胺，实验操作简单，原料易得，但合成的产率只有40.7%，综合原料的使用率很低。而通过测定熔点，产品在62.5℃开始熔化，66.5℃已经完全熔化，与文献值接近，熔程在一个小范围内，说明产物的纯度比较高。

3.4个人小结

本次实验，我刚好分配到1个人做实验，没有搭档。本来想向老师申请和其他一组三人一起做实验，但最终在老师的鼓励下，毅然选择自己一人做实验。从资料查阅、仪器准备、实验操作、后期总结大都依靠自己一个人来的，比较辛苦。但是，本次实验逼了自己一把，让平时比较依赖同学的我变得自主，实验过程中出现了哪些问题，自己都很清楚，而且在问题得以解决的时候，是那么的开心。如，在还原制取苯胺的时候，书上写的是加入Fe作为还原剂，而我当时误拿了Sn粉直接加进去，后来和同学一起发现了，当我想重新做实验的时候，老师跟我说加入Sn也是没有问题的，因为都是起到防止氧化的功能，茅塞顿开，原来条条大路通罗马；再者，在用水蒸气蒸馏法制取苯胺的时候，蒸了两个小时，三口烧瓶里边的溶液都在沸腾了，而且溶液也差不多被蒸干了，但就是没有产物出来。后来用pH试纸一检验才发现溶液原来还都是酸性，之前检验碱性只是局部碱性，没有摇匀，因此做不出产品。于是往三口烧瓶里边重新加入了原料，在滴加氢氧化钠溶液至碱性，果不其然，做出了产品。

此次实验的时间之长，也考验着我的耐心，最终坚持了下来，也做出了产品，实验报告更是严格对待，总体上个人对此次实验过程比较满意，而自己也收获很多。

参考文献

[1]杨定乔，朱育林，龙玉华. 有机化学实验. 北京：化学工业出版社，2011

[2]徐家宁，门瑞芝，张寒琦. 基础化学实验. 北京：高等教育出版社，2006

[3]郭玲香，曹健. 有机化学实验. 南京：南京大学出版社，2009

[4]曹正根. 有机化学实验. 合肥：中国科学技术大学出版社，2010