Факторы, влияющие на скорость диазотирования

Как видно из схемы, лимитирующей стадией в цепи превращений амина в диазосоединение является реакция нитрозирования, т.е. электрофильное замещение водорода в аминогруппе на нитрозогруппу (-NО). В этой реакции амин принимает участие в форме свободного основания, а не в виде соли. Между тем, в водных растворах минеральных кислот ароматические амины образуют соли, и равновесие:

ArNH₂ + H₃O⁺ ArNH₃⁺ + H₂O

обычно сильно сдвинуто вправо. Однако диазотирование идет только за счет свободного основания ArNH₂. Поскольку медленной стадией является реакция электрофильного замещения водорода у азота аминогруппы, скорость диазотирования больше для тех аминов, у которых электронная плотность на атоме азота больше, т.е. выше основность.

Амины, основность которых сильно понижена под действием электроноакцепторных заместителей (например, 2,4-динитроанилин), приходится диазотировать в концентрированной серной кислоте, где, как уже указывалось, действует чрезвычайно активный нитрозокатион. Таким образом, роль кислоты в процессе диазотирования является двоякой. С одной стороны, ее избыток уменьшает концентрацию свободного амина и тем самым замедляет реакцию, а с другой – способствует образованию более энергичного диазотирующего агента. Обычно ускорение, обусловленное увеличением концентрации диазотирующего агента, превосходит то замедление, которое связано с уменьшением концентрации свободного амина.

Необходимость избытка кислоты при диазотировании обусловлена также тем, что в нейтральной среде (в процессе диазотирования кислота расходуется) соль диазония взаимодействует с непрореагировавшим амином; при этом образуются нерастворимые в воде диазоаминосоединения, имеющие вид желтого творожистого осадка:

Ar-N⁺ºN·X^- + H₂N-Ar Ar-N=N-NH-Ar + HX

В практике диазотирования берут обычно от 2,5 до 5 моль кислоты на 1 моль амина при теоретически необходимом количестве в 2 моля. Нитрит обычно берут точно в эквимолярном соотношении с амином, так как избыток азотистой кислоты, равно как и недостаток ее, в реакционной смеси приводят к уменьшению выхода получаемого соединения.

Очень важным фактором при диазотировании является температурный режим. Диазосоединения отличаются очень высокой реакционной способностью, поэтому, как правило, процесс проводится при низкой температуре, чаще всего от 0 до +5 °С. Диазотирование – экзотермический процесс. При повышении температуры диазосоединения в водной среде разрушаются с выделением азота и замещением диазогруппы на гидроксил:

Получающиеся оксисоединения могут дальше вступать в реакцию с диазосоединением; это приводит к загрязненным реакционным смесям.

Присутствие в молекуле амина электроноакцепторных заместителей (R = -NO₂, -COOH, -SO₃H и т.п.) повышает устойчивость солей диазония и позволяет вести диазотирование при более высокой температуре (до +10 °С).

Для поддержания низкой температуры в ходе диазотирования реакционный сосуд обычно охлаждают в смеси снега или размельченного льда с водой. Иногда кусочки льда вносят непосредственно в реакционную смесь.

Скорость реакции диазотирования зависит от растворимости амина: если он растворим, то вследствие гомогенности среды процесс идет быстро; малорастворимые амины диазотируются медленно.

Иногда при диазотировании трудно растворимых аминов изменяют порядок смешивания реагентов. Например, сульфаниловая кислота в кислой среде не растворяется, как не растворяется и ее диазосоединение. В этом случае удобно вводить в минеральную кислоту водный раствор натриевой соли сульфаниловой кислоты в смеси с нитритом натрия:

Реакция диазотирования в этом случае успевает пройти в гомогенной среде при смешивании водных растворов I и II.

Большое значение для ускорения реакции диазотирования имеет интенсивное перемешивание реакционной массы.

Контроль диазотирования

При диазотировании тщательно контролируют избыток азотистой кислоты и, как только будет обнаружено, что она присутствует в растворе и больше уже не расходуется, приливание водного раствора нитрита прекращают.

Наиболее совершенным способом определения содержания свободной азотистой кислоты в реакционной массе в лабораторных условиях и на производстве является измерение окислительно-восстанови­тельного потенциала системы с помощью платинового индикаторного электрода в паре с каломельным или хлорсеребряным электродом сравнения.

Более простой способ контроля – проба по йодкрахмальной бумажке, которая представляет собой полоску фильтровальной бумаги, пропитанную йодистым калием и водорастворимым крахмалом. Если в растворе присутствует свободная азотистая кислота, она окисляет иодид калия, и выделяющийся молекулярный йод, взаимодействуя с крахмалом, окрашивает индикаторную бумагу в синий цвет:

2 KI + 2 HNO₂ + H₂SO₄ = I₂ + K₂SO₄ + 2 H₂O + 2 NO

Реакция диазотирования проходит сравнительно медленно, поэтому пробу на присутствие избытка азотистой кислоты следует делать не тотчас же после прибавления последней порции нитрита, а спустя 5 – 10 мин после этого.

Если после диазотирования в реакционном растворе остается небольшой избыток азотистой кислоты, его уничтожают, вводя в раствор вещества, легко реагирующие с НNО₂. Обычно используют мочевину (H₂N-CO-NH₂) или сульфаминовую кислоту (H₂N-SO₃H):

H₂N-CO-NH₂ + 2 HNO₂ = 2 N₂ + CO₂ + 3 H₂O

H₂N-SO₃H + HNO₂ = H₂SO₄ + N₂ + H₂O

В процессе диазотирования необходимо проверять наличие минеральной кислоты в реакционной массе по индикаторной бумажке.

Как правило, соли диазония с такими анионами как Сl^-, НSО₄^-, Вr^- и т.п. в свободном виде не выделяют, так как в сухом виде они являются взрывчатыми веществами (во влажном состоянии не опасны). Гораздо большей термической устойчивостью обладают тетрафторбораты диазония [ArN₂]⁺[BF₄]^-. Они могут быть получены в сухом состоянии и храниться продолжительное время. Значительной устойчивостью обладают также двойные соли диазония и ряда металлов. Например, практическое значение имеют двойные соли диазония с хлористым цинком ArN₂⁺·ZnCl₃^-, которые могут быть выделены в сухом состоянии. Диазосоединения иногда выделяют из реакционных смесей в виде их устойчивых форм – диазотатов Ar-N=N-ONa.

Формы диазосоединений

При добавлении щелочи к раствору соли диазония гидроксильный ион связывается с крайним атомом азота и образуется диазогидрат, обладающий слабыми кислотными свойствами. Диазогидрат нейтрализует еще один гидроксильный ион, превращаясь в диазотат:

Константы равновесия реакций (1, 2) почти одинаковы и обычно имеют величину 10^-9 ¸ 10^-10 л/моль. Поэтому диазогидрат ни при каких условиях не бывает доминирующей формой. В кислых растворах диазосоединения существуют в основном в виде катионов диазония, в щелочных при рН > 10 – в форме диазотат-анионов. Максимальная доля диазогидрата (≤ 25 %) достигается в интервале рН от 9 до 10.

Если только что полученный раствор диазотата снова подкислить, то он быстро превратится в исходную соль диазония. Однако, когда этот раствор постоит или если его нагреть со щелочью, то диазотат превращается в более стабильную форму, которая при подкислении лишь очень медленно переходит в соль диазония. Это явление объясняется тем, что образующийся вначале анион диазотата имеет Z-конфи­гурацию, а более стабильный продукт его изомеризации представляет собой E-изомер. (обозначения Z и E рекомендованы ИЮПАК вместо устаревших цис-транс- и син-анти-).

Обратное превращение Е-изомера в Z- осуществляется лишь в специальных условиях при действии ультрафиолетового света. Превращение Е-диазотата в соль диазония при подкислении проходит через стадию образования нитрозоамина Ar-NH-NO.

Е-диазотаты – стабильные соединения, не способные вступать в реакцию азосочетания. Они используются в технике как удобный для хранения и транспортировки источник получения солей диазония.