引言

4,4′-二羟基偶氮苯（4,4′-Dihydroxyazobenzene）是一种重要的有机功能分子，具有独特的π共轭体系、光致异构化性质和酸碱响应特性。作为最简单的羟基化偶氮苯衍生物，它在光响应材料、分子开关、超分子化学和染料工业中具有广泛应用。本文系统阐述该化合物的合成方法、机理研究、纯化策略与应用前景。

化合物基本信息

化学名称：4,4′-二羟基偶氮苯
别名：对,对’-二羟基偶氮苯；偶氮二酚
分子式：C₁₂H₁₀N₂O₂
分子量：214.22 g/mol
结构式：HO-C₆H₄-N=N-C₆H₄-OH（4,4′-位取代）

性质特点：

• 光致异构化：在紫外/可见光照射下发生顺反异构

• 酸碱响应：酚羟基质子化/去质子化改变电子结构和颜色

• 配位能力：可作为双齿配体与金属离子配位

• 热稳定性：熔点约300℃（分解）

合成路线设计

逆向合成分析

4,4'-二羟基偶氮苯 ← 对羟基苯胺的重氮化及偶联反应
或 ← 对苯二酚与苯胺衍生物的氧化偶联
或 ← 硝基苯的还原偶联及重排

主要合成策略

1. 经典重氮偶联法：对氨基苯酚为重氮组分，酚类为偶联组分

2. 氧化偶联法：胺类化合物的氧化偶联

3. 还原法：硝基化合物的还原偶联

4. 现代催化法：金属催化或电化学方法

经典重氮偶联法（最常用方法）

反应机理

两步过程：

1. 重氮盐形成：

   text

   H₂N-C₆H₄-OH + NaNO₂ + 2HCl → [HO-C₆H₄-N₂]⁺Cl⁻ + NaCl + 2H₂O
   （低温0-5℃）

2. 偶联反应：

   text

   [HO-C₆H₄-N₂]⁺ + HO-C₆H₄-OH → HO-C₆H₄-N=N-C₆H₄-OH + H⁺
   （弱碱性条件，pH 8-10）

区域选择性

• 羟基为强给电子基，使苯环高度活化

• 重氮盐进攻酚的对位（如果对位被占则进攻邻位）

• 4,4′-二羟基产物为主要产物，少量2,4′-异构体为副产物

4,4′-二羟基偶氮苯合成综合流程图

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方案一：经典重氮偶联法（实验室推荐）

反应式：

2 HOC₆H₄NH₂ + NaNO₂ + 2HCl → HOC₆H₄-N=N-C₆H₄OH + NaCl + 2H₂O + N₂↑

实验步骤：

1. 重氮盐制备：

   • 将对氨基苯酚（2.18g, 20mmol）溶于稀盐酸（10mL浓HCl + 20mL水）

   • 冰盐浴冷却至0-5℃，搅拌使溶解

   • 缓慢滴加亚硝酸钠溶液（1.38g, 20mmol溶于10mL水）

   • 保持温度<5℃，滴加完毕继续搅拌30分钟

   • 得到澄清淡黄色重氮盐溶液

2. 偶联反应：

   • 另取一烧杯，将苯酚（1.88g, 20mmol）溶于10% NaOH溶液（30mL）

   • 冰浴冷却至0-10℃

   • 在剧烈搅拌下，将重氮盐溶液缓慢滴加到苯酚钠溶液中

   • 控制滴加速度，保持pH 8-10（用NaOH调节）

   • 滴加完毕后，继续冰浴搅拌2小时

3. 后处理与纯化：

   • 缓慢加入稀盐酸酸化至pH 2-3，橙色固体析出

   • 冰浴静置1小时，抽滤

   • 依次用冷水、少量冷乙醇洗涤

   • 粗产物用乙醇-水混合溶剂重结晶

   • 得到橙红色针状晶体，产率60-75%

关键参数：

• 温度：重氮化0-5℃，偶联<10℃

• pH控制：重氮化强酸性（pH<2），偶联弱碱性（pH 8-10）

• 物料比：氨基苯酚:亚硝酸钠:苯酚 = 1:1:1（摩尔比）

方案二：改进的一锅法（提高效率）

创新点：将对氨基苯酚既作重氮组分又作偶联组分（需控制条件）

步骤：

1. 将对氨基苯酚（4.36g, 40mmol）溶于稀盐酸中

2. 低温下用亚硝酸钠（2.76g, 40mmol）处理

3. 缓慢加入NaOH溶液调至弱碱性

4. 反应体系自身偶联生成产物

优点：操作简化，减少原料种类
缺点：可能生成更多副产物，需优化条件

条件优化与影响因素

1. 温度影响

2. pH控制关键

• 重氮化阶段：强酸性（1-2M HCl）

  • 目的：稳定重氮盐，防止分解

  • 过低pH：可能引起亚硝酸分解

  • 过高pH：重氮盐与未反应胺偶联

• 偶联阶段：弱碱性（pH 8-10）

  • 目的：活化酚的偶联位点（酚氧负离子）

  • pH<7：偶联速率极慢

  • pH>11：重氮盐分解，副反应增加

3. 浓度与物料比

• 亚硝酸钠：理论1当量，实际用1.05-1.1当量确保完全重氮化

• 酸用量：HCl至少2当量（1当量成盐，1当量与亚硝酸钠反应）

• 酚浓度：适当稀释（5-10%）有利于提高选择性

副产物分析与控制

主要副产物

1. 2,4′-二羟基偶氮苯：区域异构体，占5-15%

2. 双偶氮产物：过重氮化或过度偶联产生

3. 分解产物：重氮盐分解生成的酚类

4. 焦油状聚合物：高温或强酸/碱条件下形成

控制策略

1. 低温操作：减少重氮盐分解和副反应

2. 精确pH控制：避免过酸或过碱

3. 分步加料：控制反应速率

4. 后处理优化：选择性沉淀和洗涤

纯化方法详述

1. 重结晶优化

溶剂筛选：

重结晶步骤：

1. 粗产物用热乙醇溶解（约10mL/g）

2. 活性炭脱色（如需要），热过滤

3. 滴加温水至轻微浑浊

4. 缓慢冷却至室温，再冰浴

5. 过滤，少量冷乙醇洗涤，干燥

2. 柱层析纯化（用于高纯度需求）

• 固定相：硅胶（200-300目）

• 洗脱剂：石油醚/乙酸乙酯梯度（从3:1到1:2）

• 或：二氯甲烷/甲醇梯度（从50:1到20:1）

• Rf值：约0.3-0.4（石油醚/乙酸乙酯=1:1）

3. 升华纯化（超高纯度）

条件：

• 温度：180-220℃（真空）

• 压力：< 1 mmHg

• 收集器温度：150-180℃

• 得闪亮橙红色片状晶体

结构表征数据

理论/实测物理化学性质

• 外观：橙红色至红色晶体

• 熔点：298-301℃（分解）

• 溶解度：

  • 易溶于：碱水、醇、DMF、DMSO

  • 微溶于：冷水、乙酸乙酯

  • 难溶于：石油醚、烷烃

光谱特征

紫外-可见光谱（乙醇中）：

• λ_max = 350 nm（π-π*跃迁，反式异构体）

• λ_max = 440 nm（n-π*跃迁，顺式异构体特征弱）

• 碱性溶液中：λ_max红移至380-400 nm（酚氧负离子）

红外光谱（KBr压片）：

• 3350-3200 cm⁻¹：宽峰，羟基O-H伸缩

• 1600, 1580 cm⁻¹：苯环骨架振动

• 1490 cm⁻¹：偶氮基N=N特征

• 1250 cm⁻¹：酚C-O伸缩

• 830 cm⁻¹：对位取代苯环C-H面外弯曲

¹H NMR（DMSO-d₆, 400 MHz）：

• δ 10.20 (s, 2H, OH，交换)

• δ 7.75 (d, J = 8.8 Hz, 4H, 邻位偶氮基的H)

• δ 6.90 (d, J = 8.8 Hz, 4H, 邻位羟基的H)

• 积分比：2:4:4 = 1:2:2

质谱（ESI-MS）：

• m/z 215.1 [M+H]⁺

• m/z 237.1 [M+Na]⁺

• m/z 214.1 [M]⁺（分子离子峰）

应用领域详述

1. 光响应材料与分子开关

原理：偶氮苯的光致顺反异构

• 紫外光照射（~365 nm）：反式→顺式

• 可见光照射或加热：顺式→反式

• 4,4′-二羟基衍生物特点：羟基增强分子极性，改善溶解性和功能化能力

应用实例：

• 光控液晶取向材料

• 光响应凝胶和聚合物

• 分子机器和纳米器件

2. 染料与颜料工业

• 母体结构：进一步磺化、偶联生成酸性或直接染料

• 颜色特性：橙红色，可作为染料中间体

• 金属络合染料：与金属离子形成有色络合物

3. 分析化学应用

• pH指示剂：pKa ~7.5和~9.5（两个羟基）

  • 酸性（pH<6）：黄色

  • 中性（pH 7-8）：橙色

  • 碱性（pH>9）：红色

• 金属离子检测：与某些金属离子显色反应

• 光化学传感器：偶氮结构的光响应性用于传感

4. 超分子化学

• 氢键给体/受体：羟基形成分子间氢键

• 主客体化学：修饰环糊精、杯芳烃等大环

• 自组装体系：形成液晶、凝胶等有序结构

5. 生物化学应用

• 光控生物分子：连接蛋白质、核酸实现光调控

• 药物递送：光控释放药物分子

• 光动力治疗：潜在光敏剂

衍生化反应

1. 羟基的醚化

Williamson醚合成：

HO-Azo-OH + 2 R-X + 2 Base → RO-Azo-OR + 2 HX

应用：调节溶解性、光响应波长、液晶性质

2. 羟基的酯化

与酰氯或酸酐反应：

HO-Azo-OH + 2 RCOCl → RCOO-Azo-OCOR + 2 HCl

应用：引入功能基团，改善加工性

3. 配位化学

与金属离子配位：

HO-Azo-OH + Mⁿ⁺ → 金属配合物

常见配合金属：Cu²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺等

4. 聚合反应

作为单体：

• 与二异氰酸酯反应：聚氨酯

• 与二酰氯反应：聚酯

• 自由基聚合：乙烯基衍生物

绿色合成考量

传统方法问题

1. 亚硝酸钠：可能产生亚硝胺（致癌物）

2. 强酸强碱：腐蚀性，废物处理困难

3. 低温要求：能耗较高

绿色改进方向

1. 替代重氮化试剂：使用亚硝酸酯、硝基化合物

2. 电化学方法：胺的直接电化学氧化偶联

3. 光化学方法：光催化氧化偶联

4. 酶催化：过氧化物酶催化偶联

5. 无溶剂或水相反应：减少有机溶剂使用

已报道绿色方法

• 电合成法：对氨基苯酚在电极上氧化偶联，产率>80%

• 光催化法：TiO₂光催化，可见光驱动

• 酶催化法：辣根过氧化物酶/H₂O₂体系

安全与操作注意事项

化学品危害

1. 对氨基苯酚：

   • 有毒，可能引起高铁血红蛋白血症

   • 皮肤接触和吸入有害

2. 亚硝酸钠：

   • 氧化剂，与易燃物反应

   • 有毒，高温分解产生有毒气体

3. 苯酚：

   • 腐蚀性，皮肤接触严重灼伤

   • 有毒，对中枢神经系统有影响

4. 产物（4,4′-二羟基偶氮苯）：

   • 可能的光毒性

   • 避免长时间皮肤接触和吸入粉尘

安全操作规范

1. 个人防护：

   • 防护眼镜、防化手套、实验服

   • 通风橱内操作

2. 重氮化安全：

   • 严格控制温度<5℃

   • 避免亚硝酸钠过量积累

   • 及时处理重氮盐，不宜长期储存

3. 废物处理：

   • 含亚硝酸废物：用尿素或氨基磺酸处理

   • 含酚废物：氧化处理或专门收集

   • 有机溶剂：回收或专门处理

工业化生产考量

放大挑战

1. 温度控制：大规模冰浴困难

2. pH精确控制：大体积体系pH均一性

3. 重氮盐稳定性：大规模重氮盐分解风险

4. 纯化效率：重结晶大规模操作优化

工业优化策略

1. 连续流反应器：

   • 精确控制温度和停留时间

   • 提高安全性，减少重氮盐积累

2. 过程强化：

   • 超声辅助混合

   • 微反应器技术

3. 在线监测与控制：

   • pH和温度在线监测

   • 自动控制系统

最新研究进展

1. 新型催化体系

• 金属有机框架（MOF）催化：高选择性，易回收

• 纳米催化剂：提高反应效率

• 生物启发催化剂：仿酶催化系统

2. 光电合成方法

• 光电化学合成：太阳能驱动

• 光催化氧化：可见光响应催化剂

3. 功能化拓展

• 点击化学修饰：引入多种功能基团

• 聚合物接枝：制备功能聚合物

• 纳米复合：与纳米材料结合

4. 应用创新

• 光控药物释放系统

• 分子逻辑门和计算

• 智能响应表面和涂层

结论与展望

4,4′-二羟基偶氮苯的合成作为偶氮化学的经典代表，不仅具有重要的理论意义，也在多个应用领域展现出广阔前景。经典的重氮偶联法虽然成熟，但在绿色化学和可持续发展理念下，仍需要不断改进和创新。

未来发展方向：

1. 绿色合成工艺：开发环境友好的合成方法

2. 高选择性催化：实现区域和立体选择性控制

3. 多功能集成：将合成与功能化一体化

4. 生物兼容性改进：拓展生物医学应用

5. 智能材料设计：开发新型光响应和刺激响应材料

随着材料科学、纳米技术和生物技术的交叉融合，4,4′-二羟基偶氮苯及其衍生物必将在更多前沿领域发挥重要作用。对这一经典化合物的深入研究和不断创新，将推动功能分子设计和智能材料的发展。