重氮盐合成实验的改进与拓展_刘义.pdf

284 Univ.Chem.2023,38(4),284290 收稿：2022-11-15；录用：2023-01-04；网络发表：2023-03-14*通讯作者，Email: 基金资助：烟台大学教学改革研究项目(jyxm2021014)化学实验 doi:10.3866/PKU.DXHX202211045 重氮盐合成实验的改进与拓展重氮盐合成实验的改进与拓展 刘义，雷清云，秦文玉，王珂，李家柱*烟台大学化学化工学院，山东 烟台 264005 摘要：摘要：有机化学实验是化学及相关专业学生的重要单列实验课程，其目的在于通过实验教学，使学生训练并掌握有机合成的基本技能，学会正确选择有机化合物的合成、分离、提纯和分析鉴定的方法。“重氮盐的制备及其反应”是有机化学实验课程中的经典实验项目，但在实验过程中发现很多问题，比如浓盐酸刺激性和腐蚀性强、产生强酸性废水、产物稳定性差、须严格控温和产率不稳定等。本项目旨在改进重氮盐的合成方法，提高反应效率和溶剂利用率，优化后处理过程，减少刺激性物质的使用和三废排放，使之更符合教学实验和绿色化学要求；同时，改进后的实验增加了偶氮染料合成和有机波谱表征内容，训练学生通过核磁共振谱和质谱对目标化合物进行表征，通过紫外可见吸收光谱对染料的吸收光谱性质进行研究，更有利于学生综合素质的培养。关键词：关键词：有机合成；重氮盐；偶氮染料；绿色化学 中图分类号：中图分类号：G64；O6 Improvement and Expansion of Diazonium Salt Synthesis Experiment Yi Liu,Qingyun Lei,Wenyu Qin,Ke Wang,Jiazhu Li*College of Chemistry and Chemical Engineering,Yantai University,Yantai 264005,Shandong Province,China.Abstract:Organic chemistry experiment is an important course for majoring in chemistry and related fields.Through experiment and laboratory training,students can learn and master the basic skills of organic synthesis and learn to select the correct methods for synthesis,separation,purification,analysis,and identification of organic compounds.“Preparation and Reaction of Diazonium Salts”is a classic experimental project in organic chemistry experimental textbooks but poses several challenges.For example,concentrated hydrochloric acid is corrosive and an irritant,highly acidic wastewater is produced,the product exhibits poor stability and yield,and a strict temperature control is required.This project aims to improve the synthesis method of diazonium salt by optimizing the reaction efficiency,solvent utilization rate,and the post-treatment process,thereby reducing the use of toxic substances and wastewater discharge.The improved experiment is more suitable for use in a teaching environment.Azo dye synthesis and corresponding organic spectroscopy contents are also included in the improved experiment;therefore,students can learn to characterize target compounds using nuclear magnetic resonance and mass spectroscopy as well as the absorption properties of dyes,which is more conducive to the cultivation of comprehension quality.Key Words:Organic synthesis;Diazonium salt;Azo dye;Green chemistry 1 引言引言 2021年，国家在关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见中提出的生态环保、绿色生产、可持续化生产理念，不仅为未来化学化工行业发展提供了重要原则，也为新No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202211045 285时代的高等学校人才培养指明了方向1。有机合成实验是提高化学及相关专业学生实验操作技能、融会基础实验单元、衔接本科毕业论文的重要综合性实践课程。如何更好地对接国家化工行业发展战略规划、满足化学化工行业发展需求，仍是高等学校开展综合、创新型实验教学改革，培养高素质、复合型化学人才的重要课题2。中国染料工业历经百年发展，取得了辉煌的成就，生产和出口一直位列世界第一，年产量的全球占比超过七成，且种类繁多，仅分散染料和活性染料的品种均已超过100个3。偶氮染料作为一个重要分支，在分散染料中的占比达到75%。本实验选择市售典型偶氮染料溶剂黄7、苏丹1和对位红作为合成目标，在提高学生的民族自豪感和自信心的同时，还可以提高学生的学习兴趣。实验将引导学生思考、比较工业制备方法和本实验制备方法之间的差异，加深对基础知识、实验操作综合理解，培养学生的创新意识。以“精细化学品”为导向，融合绿色化学元素的综合性有机合成实验设计或实验教学内容，是引导学生思考化学品开发过程、培养创新意识的好途径。“重氮盐的合成和性质”和“甲基橙的制备”实验一直都是现行有机化学经典实验教材的内容，以“酸碱指示剂”甲基橙的制备为目标，加强学生对芳香胺重氮化反应、重氮盐偶联两个基元反应的掌握4。然而，重氮盐合成过程中，浓盐酸刺激性强、反应温度严苛、产物稳定性差、产生酸性废水、产率低，特别是生成的亚硝酸不能完全重氮化，氮氧化物扩散挥发影响学生身体健康等问题，制约了其在实际本科实验教学中的深入应用5。本文将基于“绿色化学”的理念，以溶剂黄7、苏丹1、对位红等市售染料合成为导向，开发一个有机合成综合性实验。实验中用乙酸乙酯替换浓盐酸、亚硝酸叔丁酯替换亚硝酸钠，不仅使反应的安全性和可操作性大大改善，而且更加绿色环保，避免了刺激性浓酸的使用及大量废酸的生成6。学生在对反应条件的学习、比较中，可以深刻体会到绿色合成对化学品生产的重要性。此外，实验通过加入化合物表征环节，训练学生解析核磁共振谱和质谱等波谱数据的能力，通过对新反应机理的探讨，巩固课本知识、扩宽学生视野。2 实验部分实验部分 2.1 实验原理实验原理 本实验以多种芳胺3为起始原料，在乙酸乙酯(EA)为溶剂、对甲苯磺酸(TsOH)的催化条件下，与亚硝酸叔丁酯4常温反应制备得到芳基重氮对甲苯磺酸盐1ab，并通过简单抽滤等手段，完成化合物分离。最后，重氮盐与苯酚或2-萘酚在碱性条件下，通过偶联反应完成目标偶氮染料的制备。改进后合成路线如图1所示。图图1 改进后偶氮染料的合成路线改进后偶氮染料的合成路线 286 大 学 化 学 Vol.38反应机理如图2所示，亚硝酸叔丁酯4在酸催化下首先生成亚硝酸7，酸催化脱水后得到关键中间体亚硝基正离子9，与芳胺反应后生成N-亚硝基芳胺10，经多步质子化-去质子化步骤脱水后得到芳基重氮盐1，在碱性条件下苯酚5a或2-萘酚5b去质子化后作为亲核试剂，进攻重氮基完成偶联，最后经互变异构回到芳环结构，从而生成相应偶氮染料2。图图2 亚硝酸叔丁酯重氮化和偶氮染料合成反应机理亚硝酸叔丁酯重氮化和偶氮染料合成反应机理 2.2 试剂或材料试剂或材料 苯胺、对硝基苯胺、2,6-二甲基苯胺、2,6-二氟苯胺、亚硝酸叔丁酯、对甲苯磺酸、乙酸乙酯、丙酮、苯酚、2-萘酚、氢氧化钠、乙醇，均为国药分析纯。2.3 仪器和表征方法仪器和表征方法 圆底烧瓶、翻口塞、注射器、锥形瓶、玻璃棒、磁子、布氏漏斗、抽滤瓶、磁力搅拌器、循环水式真空泵、WRS-2A型显微熔点测定仪、A-560紫外可见光谱仪、Bruker 400-MR型核磁共振波谱仪、AB SCIEX API 4000液质联用仪。2.4 实验步骤实验步骤/方法方法 2.4.1 芳基重氮盐的合成芳基重氮盐的合成 称取对甲苯磺酸一水合物(4.0 mmol)加入到圆底烧瓶(50 mL)中，放入磁子，加入乙酸乙酯(10 mL)使对甲苯磺酸一水合物溶解，分批加入相应芳胺3(4.0 mmol)后边搅拌边缓慢滴加亚硝酸叔丁酯(1.4 mL，12 mmol)，反应混合物室温搅拌反应1520 min后有大量固体生成，TLC监测反应进程直至反应结束。反应混合液减压抽滤，滤饼用少量乙酸乙酯洗涤、抽干后即得目标产物芳基重氮对甲苯磺酸盐1，产率88%96%，无须进一步纯化即可直接用于下一步反应。用丙酮重结晶可得纯品化合物用于结构表征。代表性化合物对硝基苯基重氮对甲苯磺酸盐(1b)：灰色固体，产率96%。Mp：132133 C(lit.5 132.4133.9 C)。1H NMR(500 MHz,DMSO-d6)：8.968.92(m,2H)，8.718.67(m,2H)，7.487.45(m,2H)，7.127.08(m,2H)，2.28(s,3H)。2.4.2 偶氮染料的合成偶氮染料的合成 将相应酚5(2.2 mmol)悬浮于水(20 mL)中，水浴、搅拌条件下缓慢滴加NaOH水溶液(10%，w)至体系pH=1011，然后相同条件下分批加入相应重氮盐1(2 mmol)，约20 min加完，保持体系pH=1011，体系颜色发生明显变化，继续搅拌反应30 min，减压抽滤，滤饼水洗、抽干，用60%95%乙醇水溶液重结晶，即得目标产物纯品2。溶剂黄7(2a)：黄色固体，产率96%。mp:155156 C(lit.7 155157 C)。1H NMR(600 MHz,No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202211045 287Chloroform-d)：7.927.86(m,4H)，7.50(dd,J=8.4,6.6 Hz,2H)，7.477.41(m,1H)，6.986.92(m,2H)。MS(ESI)：calcd.for C12H11N2O 199.2；found m/z 199.3(MH+)。苏丹1(2b)：橙色固体，产率72%。Mp：133134 C(lit.8 131133 C)。1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)：8.49(d,J=8.4 Hz,1H)，7.90(d,J=9.2 Hz,1H)，7.81(d,J=8.0 Hz,2H)，7.73(d,J=7.6 Hz,1H)，7.56(t,J=7.6 Hz,1H)，7.50(t,J=7.6 Hz,2H)，7.41(t,J=7.6 Hz,1H)，7.34(t,J=7.2 Hz,1H)，6.87(d,J=9.2 Hz,1H)。MS(ESI)：calcd.for C16H13N2O 249.3；found m/z 249.3(MH+)。对位红(2c)：红色固体，产率95%。Mp：252253 C(lit.8 250252 C)。1H NMR(600 MHz,Chloroform-d)：8.42(d,J=7.8 Hz,1H)，8.33(d,J=9.0 Hz,2H)，7.70(d,J=9.0 Hz,3H)，7.56(t,J=8.4 Hz,1H)，7.54(d,J=7.8 Hz,1H)，7.44(t,J=7.2 Hz,1H)，6.70(d,J=9.6 Hz,1H)。MS(ESI)：calcd.for C16H12N3O3 294.3；found m/z 294.4(MH+)。3 结果与讨论结果与讨论 3.1 改进前合成路线改进前合成路线 改进前重氮盐合成方法一般是：将芳胺溶解或悬浮于浓盐酸，冰水冷却至05 C缓慢滴加亚硝酸钠水溶液。该方法作为有机化学教学实验在大量学生实际教学实施过程中存在以下问题：(1)具有刺激性、挥发性和腐蚀性的浓盐酸，容易引起安全事故和腐蚀实验室设施；(2)须使用过量浓盐酸以抑制生成的重氮盐与原料胺的偶联副反应，且反应后产生大量酸性废水；(3)反应条件需要低温，操作时间长，产率不稳定；(4)产物在常温条件下不稳定，实际教学过程中，易引起后续反应产率和纯度降低，纯化比较困难。3.2 文献调研与改进思路文献调研与改进思路 考虑到一般的重氮盐在干燥状态下容易爆炸，危险性高，因此寻找稳定、安全的重氮盐，进而绿色、高效地完成偶氮化合物的制备，成为实验改进的关键。文献调研后，我们发现，芳基重氮四氟硼酸盐9、1,5-萘二磺酸盐10和对甲苯磺酸盐5等一些重氮盐可以在室温常规条件下稳定存在。其中，芳基重氮四氟硼酸盐具有很好的稳定性，但其合成原料四氟硼酸的毒性和刺激性较强，不适用于本科有机化学实验教学；而同样稳定性较好的芳基重氮-1,5-萘二磺酸盐，不仅需要使用价格昂贵的合成原料-1,5-萘二磺酸，而且制备产物中常包含二芳基重氮和单芳基重氮-1,5-萘二磺酸盐两种产物，不利于后续偶氮反应的定量投料，因而也不适合实验教学；相对而言，芳基重氮对甲苯磺酸盐具有产物稳定、原料易得、反应条件温，以及后处理简单等优势5，更适合作为本科有机化学实验教学使用。因此，本论文最终确定采用芳胺在乙酸乙酯(EA)溶剂中，对甲苯磺酸(TsOH)催化的条件下，与亚硝酸叔丁酯反应生成芳基重氮对甲苯磺酸盐，进而完成偶氮化合物制备的策略。3.3 改进后合成路线改进后合成路线 改进后的合成路线如图1所示，将各种芳胺3溶解在乙酸乙酯(EA)溶液中，在对甲苯磺酸(TsOH)的催化下，室温条件下与亚硝酸叔丁酯反应生成相应芳基重氮对甲苯磺酸盐。为了验证该重氮盐合成新法的普适性和应用于本科实验教学的可行性，我们分别选择苯胺、对硝基苯胺、2,6-二氟苯胺和2,6-二甲基苯胺为原料，在乙酸乙酯作溶剂、对甲苯磺酸催化的条件下，与亚硝酸叔丁酯反应，最后经减压抽滤，以87%96%的产率得到稳定的固体产物。结果如表1所示，可以发现苯环上有无取代基、取代基的电子性质和位置对重氮盐合成产率均无明显影响。反应可重复性高，适合用于本科有机化学实验教学。表表1 不同芳胺原料生成重氮盐产率对比不同芳胺原料生成重氮盐产率对比 原料 产物 产率 原料 产物 产率 苯胺 1a 88%2,6-二氟苯胺 1c 87%对硝基苯胺 1b 96%2,6-二甲基苯胺 1d 94%288 大 学 化 学 Vol.38考虑到重氮化反应完成后的减压抽滤获得固体产物过程中，会伴生大量乙酸乙酯滤液，我们设想，是否可以实现滤液的重复利用，提高环保效能？无疑，滤液的重复使用，将会极大减少废弃物产生，且更符合绿色化学理念，适应时代主题，增强学生的环保意识，充分体现素质教育的目标。于是，我们尝试使用未经任何处理的滤液作为溶剂，二次进行苯胺的重氮化实验，结果表明，尽管获得产物的纯度降低(85%)，颜色加深，但仍能保持较高的产率(91%)获得目标重氮盐。重氮盐经过重结晶纯化后，对后续反应并无影响。我们继续对滤液进行简单蒸馏处理后，再次进行实验，惊喜发现，蒸馏处理后的溶剂与使用分析纯溶剂的产率、纯度结果相近。重氮盐合成方法改进前后对比效果如表2所示。改进后的实验方案不仅避免了刺激性浓盐酸的使用，而且整个过程在室温下操作，具有反应时间短、产率和纯度高，后处理过程简单等优势。此外，该方法还具有重氮盐产物在常温条件下可稳定存在、乙酸乙酯经简单蒸馏可重复使用，三废排放少等绿色化学特点和优势。表表2 重氮盐合成改进前后对比重氮盐合成改进前后对比对比项 改进前 改进后 溶剂 浓盐酸、不可回收 乙酸乙酯、可回收 温度 05 C 室温 时间 2 h 0.5 h 产率 中等 高 后处理 不处理 易处理 3.4 偶氮染料的合成与表征偶氮染料的合成与表征 考虑到重氮盐生成过程时间从2 h减少到0.5 h，不足以支撑一个教学实验所需的4学时。我们又增加了重氮盐与2-萘酚或苯酚在碱性条件下偶联制备偶氮染料的教学内容，并引入了偶氮染料的结构表征环节，从而建立了一个可考查学生有机合成综合能力的教学实验。如图1所示，我们以芳基重氮对甲苯磺酸盐为原料，与苯酚或2-萘酚在弱碱性(pH=1011)条件下发生偶联反应，顺利完成了三种偶氮染料溶剂黄7(2a，黄色)、苏丹1(2b，橙红色)和对位红(2c，红色)的合成。溶剂黄(2a)、苏丹1(2b)和对位红(2c)的波谱数均与文献报道相同。数据分析的教学环节以对位红2c为例：重结晶后测得熔点为252253 C，与文献数据8相符。核磁共振氢谱如图3所示，在8.33和7.70处出现的两组积分为2的双重峰可归属为连有吸电子硝基的苯环上4个氢质子吸收，7.70和6.70处出现的两组积分为2的双重峰则可归属为连有羟基的萘环上两个氢质子吸收。萘环上其他4个氢质子吸收分别出现在8.42、7.56、7.54和7.44处，为典型的邻二取代苯类型吸收特征，而酚羟基质子属于活泼质子，在核磁共振氢谱中未出现。目标产物2c的质谱如图4所示，m/z 294.4是该化合物的质子化分子离子峰(MH+)，验证了产物结构的正确性。3.5 偶氮染料的光谱性质分析偶氮染料的光谱性质分析三种偶氮染料在乙醇中的紫外-可见吸收光谱如图5所示，数据如表3所示。溶剂黄7(2a)最大吸收波长(max)为349 nm，根据朗伯比尔定律计算其摩尔消光系数()为1.93 104 molL1cm1，处于紫光区，因此肉眼可见其互补色黄色。苏丹1(2b)含共轭体系更大的萘环，max为478 nm，相比2a强烈红移了129 nm，摩尔消光系数略有降低(=1.75 104 molL1cm1)，处于蓝光区，因此肉眼可见橙色。而对位红(2c)相比2b多了一个吸电子的硝基，由于吸电子基的增色效应，其摩尔消光系数相比2a和2c显著增加(=2.28 104 molL1cm1)，同时其最大吸收波长出现轻微红移(max=484 nm)，进入蓝/绿光区，因此肉眼可见红色。通过吸收光谱研究，可使学生训练并掌握紫外可见吸收光谱的基本概念和研究方法，学习结构、吸收光谱与化合物颜色之间的关系，促使学生主动发现化学之美，提高学习兴趣，增强专业认同感。No.4 doi:10.3866/PKU.DXHX202211045 289 图图3 偶氮染料对位红偶氮染料对位红(2c)的核磁共振氢谱的核磁共振氢谱 图图4 对位红对位红(2c)的质谱的质谱 3003504004505005506000.00.10.20.3(105 molL-1cm-1)Wavelength(nm)2a 2b 2c图图5 溶剂黄溶剂黄7(2a)、苏丹、苏丹1(2b)和对位红和对位红(2c)乙醇溶液乙醇溶液(10 molL1)的紫外的紫外-可见吸收光谱对比图可见吸收光谱对比图 290 大 学 化 学 Vol.38表表3 三种偶氮染料在乙醇中的吸收光谱数据三种偶氮染料在乙醇中的吸收光谱数据编号 max(nm)(104 molL1cm1)颜色 2a 349 1.93 黄 2b 478 1.75 橙红 2c 484 2.28 红 4 结语结语 针对传统重氮盐合成实验方案的缺陷，本项目对其进行了绿色化学改进，使用乙酸乙酯/对甲苯磺酸/亚硝酸叔丁酯体系代替浓盐酸/亚硝酸钠体系进行重氮化反应，改进后的方法避免了强刺激性、腐蚀性试剂的使用，缩短了反应时间、提高了反应产率，简化了后处理过程。更为重要的是，本实验采用的溶剂乙酸乙酯经简单蒸馏后可重复使用，减少了三废排放，更符合教学实验和绿色化学要求。同时，为引导学生发现化学之美，增强专业认同感，改进后的实验增加了各种不同颜色偶氮染料合成、结构表征及吸收光谱性质研究内容，涵盖了有机化合物合成的整个研究过程，更有利于学生综合素质的培养。在教学实施过程中，教师可以选择重氮盐和偶氮染料合成和重结晶纯化作为一个基础教学实验(4学时)，也可增加目标化合物波谱解析和吸收光谱性质研究部分作为综合教学实验(8学时)使用。参参 考考 文文 献献 1 王兰芝,郝振芳.化学教育,2016,37(18),28.2 李家柱,洪莹莹,满英秀,李英豪,李庆忠,何涛.大学化学,2022,37(5),2110030.3 韩永奇.染整技术,2021,43(2),6.4 王乾晓,李诗勉,王琨,周金梅.林丽榕.大学化学,2020,35(9),132.5 王建平,田欣哲,王建革,范雪娥.洛阳师范学院学报,2003,No.5,127.6 Mihelac,M.;Siljanovska,A.;Kosmrlj,J.Dyes Pigments 2021,184,108726.7 Bahulayan,D.;John L.;Lalithambika M.Synth.Commun.2003,33(6),863.8 Valizadeh,H.;Shomali,A.Dyes Pigments 2012,92,1138.9 Hanson,P.;Jones,J.R.;Taylor,A.B.;Walton,P.H.;Timms,A.W.J.Chem.Soc.Perkin Trans.2 2002,6,1135.10 Qiu,J.;Tang,B.;Ju,B.;Xu,Y.;Zhang,S.Dyes Pigments 2017,136,63.