苯胺

最简单的一级芳香胺

苯胺(Aniline),苯分子中的一个氢原子被 氨基 取代而生成的化合物,是最简单的一级 芳香胺 。 其 分子式 为C 6 H 7 N或C 6 H 5 NH 2 , 摩尔质量 为93.13g/ 摩尔 , 它是一种无色或浅黄色油状液体,具芳香及焦灼臭味。在光和空气的作用下,颜色加深,微溶于水,并能与 蒸汽 同挥发,能与 乙醇 、 乙醚 、苯等有机 溶剂 相混合。 苯胺呈碱性,与酸作用成盐。它的化学性质活泼,易发生氧化、重氮化、烷基化以及酰化( 食用醋酸 、 乙酸酐 、 酰卤 )等 取代反应 , 在酸性条件下,苯胺还可与(NH 4 ) 2 S 2 O 8 等 氧化剂 反应,生成 聚苯胺 。

苯胺在是生产酸性墨水蓝G、酸性媒介灰BS、酸性嫩黄和直接橙S等染料的重要中间体。 苯胺本身也可作为黑色染料使用。其衍生物甲基橙可作为酸碱滴定用的指示剂。它也是生产农药的重要原料,可用于生产许多杀虫剂、 杀菌剂 ,如 敌敌畏 、 除草醚 、毒草胺等。 在医药领域,苯胺主要用于合成药物,如 乙酰苯胺 和 对乙酰氨基酚 等。 同时,苯胺也是 橡胶助剂 和 防老剂 的原料,并可用于生产香料、塑料、 清漆 和胶片等,还可用作炸药 稳定剂 、汽油防爆剂以及 溶剂 等。

合成苯胺的方法包括铁粉还原法、 硝基苯 催化 加氢法、 苯酚氨化法、 氯苯氨化法 和直接胺化法等。 苯胺有毒,主要经 呼吸道 、皮肤和 消化道 吸收,其中间代谢产物苯基羟胺,有很强的形成 高铁血红蛋白 的能力,使血红蛋白失去携氧功能,造成机体组织缺氧,引起 中枢神经系统 、心血管系统及其他器官系统的一系列损害。若发生中毒,需立即将中毒患者撤离中毒现场,脱去污染的衣服、鞋、袜,并对症治疗。 2017年10月27日,世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考,苯胺在3类致癌物清单中。3类致癌物为对人类致癌性证据不足的物质。

 相关历史

在1826年, 德国 化学家昂维尔多本(O.Unverdorben)在 干馏 靛蓝 的过程中,首次成功分离出了苯胺,这种物质当时因其盐类易于结晶而被称为“晶状物”。到了1834年,龙格(F.Runge)在煤焦油中发现了一种叫做“蓝晶物”的碱性物质,也是苯胺。1842年, 齐宁 (Nikolal Nikolaevich Zinin)完成了将 1-溴-2-硝基苯 还原为苯胺的著名反应。随后,在1843年, 霍夫曼 (Hofmann)证实了上述学者得到的苯胺化学结构是相同的,所以霍夫曼建议只用苯胺这一个名称。

苯胺的工业生产始于1857年,最初采用 硝基苯 铁粉还原法,20世纪50年代后逐渐被先进的硝基苯 催化 加氢法所取代,1962年成功开发出 苯酚 氨化法,并于1970年实现工业化生产。

从1875年人们发现苯胺有强的解热镇痛作用,到1887年的非那西丁,研究人员一直在探索如何获得更有效、更安全的解热镇痛药物。这一过程中,毒性问题一直是一个障碍。直到在研究非那西丁和 乙酰苯胺 的体内代谢时发现,二者在体内大部分转化为 对乙酰氨基酚 而呈现药效。这一发现使得对乙酰氨基酚在1893年得以应用于临床,它以较毒副作用小、疗效好的特点,成为了理想的解热镇痛药物。

理化性质

物理性质

苯胺为无色或浅黄色油状液体,具芳香及焦灼臭味。在光和空气的作用下,颜色加深,尚溶于水,并能与水蒸气同挥发,能与 乙醇 、 乙醚 、苯等有机溶剂相混合。 它的 分子式 为C 6 H 7 N或C 6 H 5 NH 2 , 摩尔质量 为93.13g/mol,相对密度(水=1)为1.02, 熔点 :-6.2℃, 沸点 184.1℃,脂水分配系数(logP)为0.9,酸碱度(pH)为8.1,闪点(闭口杯)76℃,自燃温度为615°C, 爆炸极限 1.3%~11.0%。

化学性质

苯胺,苯分子中的一个氢原子被 氨基 取代而生成的化合物,是最简单的一级 芳香胺 。 苯胺呈碱性,与 盐酸 、 硫酸 、 硝酸 等作用成盐。化学性质活泼,易发生氧化、重氮化、烷基化以及酰化( 醋酸 、 乙酸酐 、 酰卤 )等反应。

与酸反应

苯胺呈碱性,与酸易生成盐。如苯胺与盐酸作用成盐:

取代反应

1.环取代反应

氨基为邻、对位定位基,当苯胺进行 亲电取代反应 时,主要生成邻、对位取代产物。

(1)C-烷基化:过量的苯胺与甲醛在盐酸中反应,生成4, 4'- 4,4-二氨基二苯甲烷 。

(2) 磺化 、 卤化 :苯胺 苯环 上的氢原子可被 磺基 和 卤族元素 取代,如与 浓硫酸 反应生成 4-苯胺磺酸 ,与 溴水 反应生成三 溴苯胺 。

(3)硝化:苯胺 硝化反应 虽在低温下进行但仍大量 焦化 ,且异构体对、邻、间混生,难以分离,无法工业化。 氨基 若先酰化予以保护,再行硝化,硝基主要定位在邻、对位,N- 乙酰苯胺 在 硫酸 中硝化得4-硝基乙酰苯胺, 水解 后即可得 硝基苯胺 。

2. 氨基 氢 取代反应

苯胺氨基上的氢原子可被 烃基 或 酰基 取代,生成二级或三级苯胺及酰基苯胺。

(1)N-烷基化:苯胺可与一氯甲烷反应,生成N-甲基苯胺后,继续烷基化生成N,N-二甲基苯胺。

(2)酰化:苯胺可与 乙酸酐 发生 乙酰化 反应,生成 乙酰苯胺 。

此外,苯胺也能与 酰氯 发生酰化反应。在低温时, 光气 在有机 溶剂 (如 甲苯 、 氯苯 、邻二氯苯)中,可与等 摩尔 量的苯胺作用,首先生成芳 氨基甲酰 氯,再进行加热处理转变为 芳基 异氰酸酯 。

重氮化反应

苯胺与亚硝酸在0~5℃反应,生成 重氮盐 ,由此盐可制成一系列苯的 衍生物 和 偶氮化合物 。

氧化反应

苯胺的氧化反应很复杂, 氧化产物 中不仅有 亚硝基苯 、硝基苯、 偶氮苯 、 氢化 偶氨苯等存在,而且还有由这些化合物彼此之间进一步反应而生成的产物。不仅是 氨基 发生变化, 苯环 上氨基的邻对位上的氢原子也容易被氧化为 羟基 ,而这些 羟基胺 又可进一步氧化为醒式结构的化合物。例如,苯胺遇 漂白粉 溶液,即得明显的紫色(含有具醌式结构的化合物),可利用来检验苯胺,其反应可能如下式所示:

苯胺用 重铬酸钠 氧化可得黑色 染料 —— 苯胺黑 。它也是具有复杂的醌式结构的化合物。如将苯胺用 二氧化锰 及 硫酸 氧化,则主要生成 苯醌 :

聚合反应

在酸性条件下,用 氧化剂 如(NH 4 ) 2 S 2 O 8 、K 2 Cr 2 O 3 、KIO 3 等(同时也是 催化剂 )与苯胺反应,可生成性质基本相同、 电导率 高、稳定性好的 聚苯胺 。

氢化反应

苯胺在不同催化剂存在下,环上加氢可得 环己胺 、二环己氨或两者的 混合物 。钴催化剂反应主要得环己胺, 镍催化剂 则反应生成95%的 二环己胺 。

应用领域

染料工业

苯胺是 染料 工业中最重要的中间体之一。苯胺在染料工业中可用于制造酸性墨水蓝G、酸性媒介灰BS、酸性嫩黄、直接橙S等;在有机颜料方面可用于制造金光红、金光红g、大 红粉 、酚菁红、油溶黑等;在印染工业中用于染料 苯胺黑 。 例如,苯胺可作为中间物质,生产 柠檬黄 ( 偶氮染料 )用于工业制品的着色以及 食品添加剂 中。

农业

苯胺是生产农药的重要原料,在农药工业中用于生产许多杀虫剂、杀菌剂如敌敌畏、除草醚、毒草胺等。苯胺衍生的N-烷基苯胺、烷基苯胺、邻硝基苯胺、邻苯二胺、苯肼、环己胺等,也可作为杀菌剂敌锈钠、拌种灵、杀虫剂三唑磷、哒嗪硫磷、喹硫磷,除草剂甲草胺、环嗪酮、咪唑喹啉酸等的中间体。

医药

苯胺在医药领域主要用于合成药物。例如,可以用苯胺合成 乙酰苯胺 ,俗称退热冰,它是一种解热镇痛剂,以前常常用于退热,已不再使用。还可合成一种毒副作用小、疗效好的 对乙酰氨基酚 (解热镇痛剂)。 此外,苯胺也可作为磺胺药的原料。

其他

苯胺不仅是 橡胶助剂 的重要原料,也可用于制造 防老剂 。同时,它也是生产香料、塑料、 清漆 、胶片等的中间体,炸药中的 稳定剂 、汽油中的防爆剂以及用作 溶剂 。此外,它还可以用于制造 对苯二酚 、2- 苯基 吲哚 等。

毒性

中毒机制

苯胺可经 呼吸道 、皮肤和 消化道 吸收,经皮吸收容易被忽视而成为引起职业中毒的主要原因。液体及其蒸气都可经皮吸收,其吸收率随室温和 相对湿度 的升高而增加。经呼吸道吸入的苯胺,90%可在体内滞留,经氧化后可形成毒性更大的中间 代谢产物 苯基羟胺 (苯胺),然后再氧化生成对氨基酚,与 硫酸 、 葡萄糖醛酸 结合,经尿排出。少量苯胺以原形由呼吸道排出。

大鼠吸入4小时致死中浓度(LC 50 )77.4mg/m 3 , 小鼠 的致死中浓度(LC 50 )为1120mg/m 3 ,人经口最小致死量估计为4g。苯胺中间代谢产物苯基羟胺,有很强的形成 高铁血红蛋白 的能力,使血红蛋白失去携氧功能,造成机体组织缺氧,引起 中枢神经系统 、心血管系统及其他器官系统的一系列损害。

中毒表现

1.急性中毒 :短时间内吸收大量苯胺,可引起急性中毒,以夏季为多见。早期表现为发绀,最先见于口唇、指端及耳垂等部位,其色调与一般缺氧所见的发绀不同,呈蓝灰色,称化学性发绀。当血中高铁血红蛋白占血红蛋白总量15%时,即可出现明显发绀,但此时可无自觉症状。当高铁血红蛋白增高至30%以上时,出现头晕、头痛、乏力、恶心,手指麻木及视物模糊等症状。 高铁血红蛋白 升高至50%时,出现 心悸病 、 胸闷 、 呼吸困难 、精神恍惚、恶心、呕吐、抽搐等;严重者可发生 心律失常 、休克,以至 昏迷 、瞳孔散大,甚至危及生命。较严重中毒者,中毒3~4天后可出现不同程度的 溶血性贫血 ,并继发 黄疸 、 中毒性肝病 和 膀胱 刺激症状等。肾脏受损时,出现少尿、蛋白尿、 血尿 等,严重者可发生急性肾衰竭。少数见心肌损害。

2.慢性中毒: 长期慢性接触苯胺可出现类 神经官能症 ,如头晕、头痛、倦乏无力、失眠、记忆力减退、食欲不振等症状,并出现轻度发绀、贫血和肝脾大等体征。红细胞中可出现赫恩小体。皮肤经常接触苯胺蒸气后,可发生 湿疹 皮炎 等。

治疗

急性中毒的处理

需立即将中毒患者撤离中毒现场,脱去污染的衣服、鞋、袜。皮肤污染者可用5% 食用醋酸 溶液清洗皮肤,再用大量肥皂水或清水冲洗;眼部受污染,可用大量 生理盐水 冲洗。注意维持呼吸、循环功能,可以吸氧,必要时可辅以人工呼吸,给予呼吸中枢兴奋药及强心、升压药物等。

1. 高铁血红蛋白 血症的处理: 5%~10%葡萄糖溶液加 维生素c 静脉滴注,或50%葡萄糖溶液加维生素C 静脉注射 。适用于轻度中毒患者。

2. 溶血性贫血 的治疗: 糖皮质激素类治疗为首选方法。中毒性肝损害的处理:除给予高糖、高蛋白、低脂肪、富 维生素 饮食外,应积极采取“护肝”治疗。

3.其他: 对症和支持治疗,如有高热,可用 物理降温 法或用人工 冬眠 药物,并加强护理工作,包括心理护理等。

慢性中毒的处理

慢性中毒者应调离岗位,避免进一步接触,并积极治疗。治疗主要是对症处理,如有类 神经官能症 可给予 谷维素 、 安神补脑液 、地西泮等。 慢性肝病 的治疗根据病情可选 葡醛内酯 ,每日3次; 联苯 双酯,每日3次,口服。 维生素c 加10%葡萄糖液,静脉滴注,每日1次。

结构

苯胺分子中, 氨基 的结构虽然与氨的结构相似,但未共用 电子对 所占 杂化轨道 的p成分要比氨多。因此,苯胺 氮 上的未共用电子对所在的轨道与 苯环 上的p轨道虽不完全平行,但仍可与苯环的π轨道形成一定的共轭。苯环倾向于与氮原子上的孤对 电子 占据的轨道形成p-π共轭,即它们与苯环不共平面,只发生了部分 重叠 ,使H- N-H 键角加大,苯环平面与H-N-H平面交叉角度为39.4°。苯胺分子中氮原子仍然是棱锥形结构,H-N-H键角113.9°,较氨分子中H-N-H键角(107.3°)大。

制备方法

铁粉还原法

合成芳胺最主要的方法是通过芳香族 硝基化合物 还原而得。芳香族硝基化合物在酸性介质中还原,可以得到相应的芳香族 伯胺 。常用的 还原剂 有铁— 盐酸 、铁— 冰醋 、锡—盐酸等。在乙酸介质中,反应时间显著缩短。工业上用铁粉和盐酸还原 1-溴-2-硝基苯 制备苯胺,反应式如下:

硝基苯催化加氢法

硝基苯催化加氢法是工业上生产苯胺的主要方法,包括 固定床 气相催化加氢、流化床气相催化加氢以及硝基苯液相催化加氢三种工艺。

固定床气相催化加氢工艺是在1~3MPa和200~300℃等条件下,硝基苯和氢发生反应,苯胺的选择性>99%。流化床气相催化加氢法是这样进行的:氢气经纯化处理后加热至350~400℃进入蒸发器,硝基苯从高位槽进入蒸发器,与热氢气接触气化并过热至180~223℃,两者混合后进入流化床反应器,与载于硅胶上的铜催化剂接触进行加氢还原反应,生成的粗苯胺与水蒸气从床顶排出,经冷却分离、精馏后得到成品苯胺。硝基苯液相催化加氢工艺是在无水条件下硝基苯进行加氢反应生成苯胺,苯胺的 收率 为99%。

苯酚氨化法

在一种铑催化剂作用下,通过 π -配位促进苯酚 底物 的酮- 烯醇 互变异构化,进而与一系列胺分子进行脱水缩合生成苯胺。

氯苯氨化法

在高温和 铜氧化物 催化剂存在下,氯苯和氨反应得苯胺:

直接胺化法

采用适当的催化剂,在150~500℃和1.013~101.3MPa条件下,苯可直接胺化合成苯胺,该反应 原子 利用率高达98%,唯一的副产物是H 2 。

安全事宜

GHS分类

H301+H311+H331(31.07%):具有急性毒性,可能通过吞咽、皮肤接触或吸入引起危险

H301(96.39%):吞咽有毒

H311(97.59%):皮肤接触有毒

H317(97.59%):可能引起皮肤过敏反应

H318(97.53%):损伤或刺激眼睛

H330(11.5%):吸入可致命

H331(97.11%):吸入有毒

H341(97.65%):可能引起 配子 突变

H351(99.94%):可能致癌

H372(100%):长期接触对器官造成损害

H373(26.67%):长期接触可能对器官造成损害

H400(99.82%):对 水生生物 有剧毒

H410(15.53%):对 水生生物 有害,影响持久

对环境的危害

苯胺容易挥发,进入水体后,由于 分子结构 非常稳定,容易导致持久的环境污染,使水体和底泥的物理、 化学性质 和生物 种群 发生变化,造成水质恶化,从而影响 水资源 的有效利用,给人体健康带来潜在的危害,并破坏 生态环境 。当水中排入大量苯胺时,水面会出现漂浮污染物,并有刺激性气味,伴随出现鱼虾等水生生物死亡,如果没有大量水源的补充和稀释,污染 水系 的 生态平衡 会被破坏,并且短时间难以恢复。

应对措施

消防

苯胺可燃,会产生 一氧化碳 、 二氧化碳 、 一氧化氮 等有害燃烧产物。发生火灾时,消防人员须戴好防毒面具,在安全距离以外,在上风向灭火。可用泡沫、二氧化碳、水、砂土进行灭火。

泄露

苯胺泄露时,需迅速撤离泄漏污染区,人员移至安全区,并进行隔离,严格限制出入,切断火源。应急处理人员应戴“自给 正压 式呼吸器”,穿 防毒服 ,不要直接接触泄漏物,尽可能切断泄漏源。防止流入下水道、排洪沟等限制性空间。小量泄漏用砂土或其它不燃材料 吸附 或吸收。大量泄漏需构筑围堤或挖坑收容苯胺。用喷雾状水或泡沫冷却和稀释挥发的苯胺蒸汽,保护现场人员。然后,用泵转移苯胺至槽车或专用收集器内,回收或运至废物处理场所处置。

参考资料

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  2. 苯胺 国际化学品安全卡 2024-06-01
  3. 苯胺危害知多少? 宜春市生态环境局 2024-06-02
  4. 2024-06-02
  5. Catalytic Amination of Phenols with Amines ACS.Publications 2024-06-02
  6. 世界卫生组织国际癌症研究机构致癌物清单 3类致癌物清单(共502种) 绍兴市市场监督管理局 2024-06-11