一、引言​

1.1 研究背景与目的​

在有机合成领域，α- 硝基萘作为一种重要的有机中间体，其合成方法的研究一直备受关注。本实验是一项大科研课题的第一步，该课题旨在合成一种光响应分子，最终用于抗癌药物的靶向递送，以提高癌症治疗的效果并降低副作用。α- 硝基萘的合成是实现这一目标的关键起始步骤，通过探索高效、环保的合成方法，为后续光响应分子的构建及抗癌药物靶向递送系统的开发奠定基础。​

1.2 α- 硝基萘的应用领域​

α- 硝基萘在多个领域有着广泛的应用。在染料工业中，它是合成多种高性能染料的关键中间体，由其衍生的染料具有色光纯正、性能优良等特点，被广泛应用于纺织、印染等行业，为丰富色彩世界提供了重要支持。在医药领域，α- 硝基萘参与多种药物的合成过程，对一些疾病的治疗药物研发有着不可或缺的作用 ，为人类健康事业做出贡献。在农药领域，α- 硝基萘也展现出重要价值，参与合成高效、低毒的农药，助力农业生产的病虫害防治，保障农作物的产量和质量。​

1.3 研究现状​

目前，α- 硝基萘的合成方法主要有传统的硝硫混酸硝化法以及一些新型催化硝化法。传统硝硫混酸硝化法以萘为原料，通过与硫酸和硝酸混合物反应制备 α - 硝基萘，但该方法存在诸多弊端，如在制备一硝基萘混合物过程中，会产生大量废硫酸，分离及回收费用昂贵，同时得到的是 α- 硝基萘和 β- 硝基萘的混合物，β- 硝基萘比例低 ，原子经济性不高，环境污染严重，安全性能差，能耗大，流程多，设备投资费用高。新型催化硝化法，如以发烟硝酸为硝化试剂，在改性的 ZSM - 5 和 P 型沸石分子筛催化剂催化作用下进行反应，虽提高了反应产率，能通过改变催化剂控制产物选择性，且催化剂可回收重复使用，反应条件温和，减少了废酸量，后处理流程简单，环境安全性能较高，但仍存在催化剂成本较高、制备工艺复杂等问题。本实验旨在探索一种新的无有机溶剂条件下的合成方法，克服现有方法的不足，提高 α- 硝基萘的合成效率和纯度。​

二、实验部分​

2.1 实验原理​

萘与混酸（浓硫酸和浓硝酸的混合物）反应制备 α - 硝基萘的反应为亲电取代反应。在该反应中，浓硫酸作为催化剂和脱水剂，它与浓硝酸作用生成硝酰正离子NO2+​，硝酰正离子是一种强亲电试剂 。萘分子中的 π 电子云密度较高，硝酰正离子进攻萘分子的 α 位碳原子，形成一个 σ - 络合物中间体。由于 α 位碳原子上的电子云密度相对较高，且生成的中间体相对稳定，所以反应主要发生在 α 位 。随后，中间体失去一个质子，恢复芳香性，生成 α - 硝基萘。反应方程式如下：​

C10​H8​+HNO3​→​​C10​H7​NO2​+H2​O

2.2 实验仪器与试剂​

实验仪器：​

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实验试剂：​

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2.3 实验装置搭建​

将 250mL 三口烧瓶固定在铁架台上，在三口烧瓶的中间口安装磁力搅拌器的搅拌棒，确保搅拌棒能自由转动且不触碰瓶壁。在三口烧瓶的一个边口安装 125mL 分液漏斗，安装时需将分液漏斗的活塞关闭，通过玻璃管与三口烧瓶连接，连接处需紧密，防止液体泄漏。在另一个边口插入 0 - 100℃的温度计，温度计的水银球需插入反应液中，但不能接触瓶底和瓶壁，以便准确测量反应温度。将三口烧瓶置于冰水浴装置中，确保反应体系能维持在合适的温度范围内 。​

2.4 实验步骤​

1. 准备工作：检查实验仪器是否干净、干燥且完好无损，确保磁力搅拌器、温度计等仪器能正常工作。​

1. 溶解萘：向 250mL 三口烧瓶中加入 10.0g 萘，再缓慢加入 45mL 98% 的浓硫酸。开启磁力搅拌器，设置转速为约等于 800rpm，使萘充分溶解于浓硫酸中，此时溶液呈无色透明状 。

1. 滴加硝酸：在 125mL 分液漏斗中加入 15mL 68% 的浓硝酸。将分液漏斗安装在三口烧瓶上，控制滴加速度，缓慢将浓硝酸滴入三口烧瓶中，滴加过程中需密切关注反应体系的温度变化，确保温度不超过 50℃，滴加时间约为 30 分钟。​

1. 反应过程：滴加完浓硝酸后，继续搅拌反应 30 分钟，使反应充分进行。反应过程中，溶液颜色逐渐变为深棕色，并有热量放出。​

1. 产物处理：反应结束后，将反应液缓慢倒入盛有大量冷水的烧杯中，此时会有大量黄色沉淀生成。用布氏漏斗进行第一次抽滤，得到红色滤液和黄色滤饼。将滤饼用适量去离子水洗涤后，进行第二次抽滤，得到较纯净的黄色固体，即为粗产物 α - 硝基萘。​

   
   

1. 提纯与干燥：将粗产物转移至真空干燥箱中，在 60℃下干燥 12 小时，除去水分和残留的酸。干燥后的粗产物用适量乙醇进行重结晶，将重结晶后的产物再次放入真空干燥箱中干燥，得到纯净的 α - 硝基萘。​

   
   

2.5 实验注意事项​

1. 浓硫酸的使用：浓硫酸具有强腐蚀性，在量取和加入浓硫酸时，需佩戴橡胶手套和护目镜，防止浓硫酸溅到皮肤上和眼睛里。若不慎接触到浓硫酸，应立即用大量清水冲洗，然后就医。​

1. 温度控制：反应过程中需严格控制温度，避免温度过高导致副反应发生，影响产物的纯度和产率。在滴加浓硝酸时，若温度升高过快，应暂停滴加，采取适当的冷却措施，如向冰水浴中添加冰块等。​

1. 通风要求：实验过程中会产生氮氧化物等有害气体，实验应在通风橱中进行，确保室内空气流通，避免有害气体对人体造成危害。​

1. 搅拌速度：磁力搅拌器的搅拌速度应适中，过快可能导致反应液溅出，过慢则会使反应不均匀，影响反应效果。​

1. 抽滤操作：在抽滤过程中，需注意滤纸的选择和安装，确保滤纸紧贴布氏漏斗，防止滤液泄漏。同时，抽滤结束后，应先断开抽气泵与布氏漏斗的连接，再关闭抽气泵，避免倒吸现象的发生。​

三、实验结果与讨论​

3.1 产物外观与性状​

本实验制备得到的粗产物为黑色和黄色的混合物，呈现出较为复杂的外观。这是因为在反应过程中，除了目标产物 α - 硝基萘生成外，还可能产生了一些副产物以及未反应完全的原料，这些物质相互混合导致了粗产物颜色和状态的复杂性。当将反应液倒入冷水中并经过两次抽滤后，第一次抽出红色液体，这可能是由于反应过程中生成的某些具有特殊结构的中间产物或副产物溶解在其中，这些物质可能含有共轭体系或特定的官能团，从而使其溶液呈现红色。第二次抽出黄色液体，剩余固体为初步得到的 α - 硝基萘粗品。经过重结晶提纯后，得到的 α - 硝基萘为黄色针状结晶，这与文献中报道的 α - 硝基萘的外观性状相符。黄色针状结晶的形态表明产物具有较为规则的晶体结构，这是由于在重结晶过程中，α - 硝基萘分子在溶剂中逐渐排列有序，形成了具有特定晶型的固体。​

3.2 产物分析与鉴定​

为了确定产物是否为目标产物 α - 硝基萘，采用了多种分析方法。首先进行熔点测定，使用熔点测定仪对提纯后的产物进行测量，测得熔点为 58 - 60℃ ，与文献值 59 - 61℃基本相符。熔点是物质的重要物理性质之一，对于纯净的化合物，其熔点通常具有一定的范围且较为固定。通过将测得的熔点与文献值对比，初步表明所得产物可能为 α - 硝基萘，

后续将通过红外光谱分析，从分子结构层面确认了所得产物为 α - 硝基萘，因为只有 α - 硝基萘同时具备萘环和硝基的特征吸收峰。​

3.3 产率计算与分析​

根据反应方程式​

可知，萘与 α - 硝基萘的物质的量之比为 1:1 。实验中取用萘的物质的量为 0.077mol，则理论上生成 α - 硝基萘的物质的量也为 0.077mol。α - 硝基萘的摩尔质量为 173.16g/mol，所以理论产量为​

0.077mol×173.16g/mol=13.33g

实际得到的 α - 硝基萘的质量为 9.5g，则产率为​71.3%

影响产率的因素是多方面的。在反应过程中，温度的控制对产率有着重要影响。若反应温度过高，一方面可能会导致硝酸分解，硝酸是硝化反应的关键试剂，其分解会减少参与反应的硝酸量，从而使反应不完全，降低产率；另一方面，高温还可能引发副反应，生成一些其他的硝基萘异构体或氧化产物，这些副产物的生成会消耗原料，进一步降低 α - 硝基萘的产率。反应时间也会影响产率，若反应时间过短，萘与混酸的反应可能不完全，部分萘未能转化为 α - 硝基萘，导致产率下降；而反应时间过长，可能会发生过度硝化等副反应，同样会降低产率。在产物处理过程中，洗涤、抽滤等操作也会造成产物的损失。在洗涤过程中，若洗涤次数过多或洗涤液用量过大，会使部分 α - 硝基萘溶解在洗涤液中而被带走；抽滤时，滤纸的吸附以及转移过程中的损失等，都会导致最终得到的产物质量减少，从而降低产率。​

3.4 与传统方法对比​

与传统的硝硫混酸硝化法相比，本次实验采用的无有机溶剂条件下的合成方法具有显著优势。在原子经济性方面，传统方法得到的是 α - 硝基萘和 β - 硝基萘的混合物，β - 硝基萘比例低，原子利用率不高 。而本实验方法通过优化反应条件，能够在短时间内完成硝化反应，且主要产物为 α - 硝基萘，提高了原子经济性。在废酸处理方面，传统方法会产生大量废硫酸，分离及回收费用昂贵，对环境造成较大压力 。本实验虽然也使用了硫酸和硝酸，但由于反应体系中无有机溶剂，废酸的处理相对简单，减少了对环境的污染。同时，本实验方法在反应过程中无需使用大量的有机溶剂，降低了生产成本，也减少了有机溶剂挥发对环境和人体的危害，具有更好的环境友好性和安全性。​

四、结论​

4.1 实验总结​

本实验在无有机溶剂条件下，成功采用 “萘溶解于硫酸→分液漏斗滴加硝酸→短时间内完成硝化反应” 的方法制备了 α - 硝基萘。通过对实验过程的严格控制，包括反应温度、滴加时间和搅拌速度等关键因素，得到了较为理想的实验结果。产物经过外观观察、熔点测定以及红外光谱分析等多种手段鉴定，确定为目标产物 α - 硝基萘。实验最终获得的 α - 硝基萘为黄色针状结晶，测得熔点为 58 - 60℃ ，与文献值 59 - 61℃基本相符。经计算，实验产率约为 71.3%。与传统硝硫混酸硝化法相比，本实验方法在原子经济性、废酸处理以及环境友好性等方面具有明显优势，为 α - 硝基萘的合成提供了一种新的、更优的选择。​

4.2 研究意义与展望​

本实验作为大科研课题的第一步，成功合成 α - 硝基萘为后续合成光响应分子用于抗癌药物靶向递送奠定了坚实基础。α - 硝基萘作为重要的有机中间体，其高效合成是构建复杂光响应分子的关键起始点。后续研究将以 α - 硝基萘为原料，通过引入特定的官能团和结构，逐步构建具有光响应特性的分子体系。在未来的研究中，将深入探索光响应分子与抗癌药物的结合方式和作用机制，优化分子结构，提高其对癌细胞的靶向性和抗癌药物的递送效率。同时，还需开展细胞实验和动物实验，进一步验证光响应分子在抗癌药物靶向递送中的效果和安全性 ，为其最终应用于临床治疗提供充分的实验依据和理论支持。我们期待通过不断的研究和创新，能够开发出高效、安全的抗癌药物靶向递送系统，为癌症治疗带来新的突破和希望。​

致谢​

在本次 α- 硝基萘合成实验研究过程中，我得到了许多人的帮助，在此我想向他们表达我最诚挚的感谢。​

我要衷心感谢我的学校——黑龙江省实验中学提供了实验场地和器材及部分药品。感谢我的化学老师，在整个实验方案设计以及实验过程中，都给予了我悉心的指导和宝贵的建议。

最后，感谢各位读者，在未来的科研道路上，我将继续努力，不辜负大家的期望 。​