硝化反應（Nitration）

硝化反應（Nitration）
國立新莊高級中學化學科陳偉民退休教師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

經由親電子取代反應，把硝基導入化合物，稱為硝化反應，是化學常用的製程之一。把甘油變成硝化甘油，把甲苯變成三硝基甲苯，都是硝化反應。以上兩個化學反應，都使用硝酸與硫酸作為反應試劑。

芳香族硝化反應
在芳香族的硝化反應（如圖一）中，芳香族有機化合物經由親電子芳香族取代反應進行硝化，其中涉及硝基正離子（nitronium，NO₂⁺）攻擊富含電子的苯環。硝基正離子不是自由基，而是二氧化氮分子失去一個電子所形成的陽離子。

芳香族硝基化合物是重要中間製品，進一步與還原劑反應，可製造苯胺類化合物。苯與濃硫酸和濃硝酸混合，在50 ℃回流，可進行硝化反應。其中硫酸可再生，因此其作用與催化劑相同。硫酸同時可吸收水。

在反應機構中，硝酸與硫酸反應，形成硝基正離子（親電子劑）。接著，硝基正離子與苯繼續反應，如圖二所示：

有些人認為還有其他反應機構，其中有的涉及單電子轉移（single electron transfer，簡稱SET）。單電子轉移是反應機構的一種，其特色為在單元步驟中，物種間僅有單一電子轉移。

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在硝化反應中，選擇性一直是一項挑戰。9-茀酮（fluorenone，如圖三）的硝化有選擇性，而且可經由調整反應條件，得到三硝基化合物或四硝基化合物。

以苯為原料，合成根皮三酚（phloroglucinol，又稱1,3,5-苯三酚）的過程，也涉及硝化反應，如圖四。

其他硝化試劑包含硝基正離子鹽──四氟硼酸硝（nitronium tetrafluoroborate，NO₂BF₄）。此種鹽可用氟化氫、硝酸和三氟化硼製備。

苯環上的取代基影響此一親電子芳香族取代反應的速率。鈍化基（如其他硝基）有拉電子效應，這類取代基鈍化（減慢）反應，並導引親電子的硝基正離子攻擊芳香族的間位。鈍化間位導引取代基包含磺醯基（RSO₂^–）、氰基（NC^–）、酮基、酯基及羧基。活化基可加速硝化反應，活化基如胺基、羥基和甲基，以及醯胺基和醚基等，易生成對位及鄰位的異構物。

根據某份參考資料¹，苯胺與硝酸和硫酸的混合物反應，直接硝化的結果，生成對位與間位硝基苯胺 50/50的混合物。在此反應中，加速反應與活化的苯胺（ArNH₂）與苯胺正離子（ArNH₃⁺）達成平衡，後者量較多但活性小且有鈍化效果，這或許可以解釋產物中兩種異構物的分布情形。根據另一分參考資料²，苯胺有另一個較易操控的硝化反應。苯胺先與乙酐反應，生成乙醯苯胺，再進行硝化反應。因為醯胺是常見的活化基，產物主要是對位及鄰位異構物。加熱反應混合物可以把硝基醯胺水解，得到硝基胺。在沃波反應（Wolfenstein-Boters reaction）中，苯與硝酸和硝酸汞反應生成苦味酸（picric acid）。

參考資料：
1. 網路資料http://www.warren-wilson.edu/~research/Undergrad_Res/nss97-98/abstrspr98.htm
2. 網路資料http://orgchem.colorado.edu/courses/3381manualS06/AMSLM81S06.pdf