如何纯化2-羟基-3-硝基苯乙酮？

2-羟基-3-硝基苯乙酮（CAS号：28177-69-7）是一种重要的有机中间体，常用于合成染料、药物和精细化学品。该化合物具有苯酚和硝基的特征，分子式为C8H7NO4，分子量为181.15 g/mol。它呈黄色至橙色固体，熔点约80-85°C，在极性溶剂中溶解度较好，但易受光和热影响而分解。作为化学合成中的常见产物，其纯化是确保后续反应产率和纯度的重要步骤。纯化过程需考虑其酸性羟基和硝基的亲电子性，避免引入杂质或导致副反应。

从专业化学角度，纯化策略通常结合溶解度差异、沸点或极性分离原理。常见方法包括重结晶、柱色谱和减压蒸馏。本文将重点讨论重结晶和柱色谱两种实用方法，这些方法适用于实验室规模操作，设备要求不高，但需在通风橱中进行，以防硝基化合物释放有害气体。

1、重结晶纯化法

重结晶是2-羟基-3-硝基苯乙酮最简单有效的纯化方式，利用其在热溶剂中的高溶解度和冷却后的低溶解度。该方法适用于粗产物中杂质较少的情况，能去除无机盐和非极性副产物。

原理

化合物在乙醇或乙酸乙酯等溶剂中溶解度随温度升高而显著增加。冷却过程促进晶体析出，杂质（如未反应的起始物或水溶性盐）留在母液中。选择溶剂时，需确保化合物溶解但杂质不溶或反之。

材料与设备

• 粗产物样品（典型规模：1-10 g）
• 溶剂：无水乙醇或乙酸乙酯（分析纯）
• 设备：回流装置、布氏漏斗、真空抽滤器、干燥器（硅胶或P2O5）

详细步骤

• 样品准备：称取粗产物（假设含有5-20%杂质），置于圆底烧瓶中。粗产物通常通过硝化反应获得，可能混有对位异构体或氧化副产物。
• 溶解：加入最小量热乙醇（约5-10 mL/g样品），在水浴中加热至回流（约78°C）。搅拌下缓慢加溶剂直至完全溶解。若不完全溶解，可添加少量热水辅助，但避免过量水以防水解硝基。
• 热过滤：趁热通过预热布氏漏斗过滤，除去不溶杂质（如无机盐）。漏斗和接收瓶需预热以防过早结晶。
• 冷却结晶：将滤液置于冰浴中缓慢冷却至0-5°C，静置1-2小时，促进晶体生长。快速冷却可能导致油状物或细晶，影响纯度。
• 分离与洗涤：用真空抽滤收集晶体，用冰冷乙醇（2-5 mL）洗涤晶体以去除表面母液。避免过多洗涤，以防溶损失。
• 干燥：在真空干燥箱中于40-50°C下干燥2-4小时，或在P2O5干燥剂上风干。所得产物为黄色晶体。

预期产率与纯度

典型产率80-95%，纯度可达95%以上。通过TLC（薄层色谱，展开剂：乙酸乙酯/石油醚=1:1）或熔点测定验证纯度。熔点接近82°C表示纯度高。若有拖尾，可重复重结晶。

注意事项

• 安全：硝基化合物具刺激性和潜在爆炸风险，操作戴手套和护目镜，在通风橱中进行。避免明火，乙醇易燃。
• 常见问题：若晶体不析出，添加种子晶或轻敲瓶壁诱导。杂质多时，先用石油醚预洗粗产物去除非极性油状物。
• 环境考虑：母液可回收溶剂，减少废液排放。

2、柱色谱纯化法

当重结晶不足以去除极性相近杂质（如邻/对位硝化异构体）时，柱色谱是首选。该方法基于吸附差异分离，利用硅胶柱的极性梯度洗脱。

原理

化合物在硅胶（SiO2）上的保留时间取决于其极性：羟基和硝基使它中等极性。使用石油醚/乙酸乙酯梯度洗脱，非极性杂质先出柱，目标化合物后洗脱。

材料与设备

• 粗产物（0.5-5 g）
• 固定相：200-300目硅胶（约20-50倍样品质量）
• 流动相：石油醚（沸点60-90°C）和乙酸乙酯（比例从9:1渐变至1:1）
• 设备：玻璃色谱柱（直径2-5 cm，高30-50 cm）、UV灯或TLC监测

详细步骤

• 样品上柱：将粗产物溶于少量二氯甲烷或乙酸乙酯中，混以硅胶（1:3比例）制成浆料。柱子装填硅胶，用石油醚湿润并压实。
• 上样：将样品浆料均匀上柱顶部，轻敲柱壁排气。用纯石油醚洗脱初始杂质（Rf高的非极性物）。
• 梯度洗脱：以流速1-2 mL/min开始，用石油醚/乙酸乙酯（9:1）洗脱，监测馏分。TLC追踪目标斑点（Rf≈0.3-0.5）。渐变至7:3、5:3，直至1:1。目标化合物通常在中等极性组分中出现（黄色馏分）。
• 收集与浓缩：收集含目标化合物的馏分，用旋转蒸发仪在40°C下减压浓缩。避免高温以防分解。
• 后处理：浓缩后残渣用冰冷石油醚重结晶精制，进一步提高纯度。干燥如上所述。

预期产率与纯度

产率70-90%，纯度>98%。HPLC或NMR验证：1H-NMR中，羟基信号约11-12 ppm，硝基邻位芳香H约8.5 ppm。

注意事项

• 安全：二氯甲烷和石油醚有毒挥发性，操作在通风橱。硅胶粉尘刺激呼吸道，戴口罩。
• 优化：若分离困难，试用中性氧化铝柱代替硅胶（对酸性化合物更温和）。大尺度时，用闪蒸柱加速。
• 废物处理：色谱废液含有机溶剂，按实验室规范回收或焚烧。

3、比较与选择建议

重结晶适合快速初步纯化，成本低、无需昂贵设备；柱色谱适用于高纯度需求，但耗时长、溶剂多。对于2-羟基-3-硝基苯乙酮，优先重结晶，若TLC显示多个斑点则结合柱色谱。工业规模可扩展至高压液相色谱（HPLC），但实验室中上述方法足够。

纯化后，储存于棕色瓶中、4°C避光，以防硝基光降解。专业化学家应始终参考MSDS，确保操作合规。