3,4-二氯硝基苯的合成工艺研究

3，4二氯硝基苯的合成工艺研究第一章绪论211产品简介212国内外发展状况4121国内外生产状况4122国内外合成路线6第二章实验部分821以邻二氯苯为原料制备3,4二氯硝基苯的主要流程822实验所需原料、仪器设备及实验装置823制备3,4二氯硝基苯的具体实验步骤1324硝化反应的主要影响因素及实验的正交设计1425实验中原料的具体用量1526反应完毕后分离有机相与混酸1727产物重结晶及精制17271用无水乙醇重结晶原理17272产物精制1728薄层色谱定性检验产物及检验结果18281薄层色谱的原理及检验方法18282产物用薄层色谱检验的结果2129实验中二氯硝基苯的理论值、实验值及产率22第三章结论23第四章参考文献25第五章致谢27摘要本文阐述了3,4二氯硝基苯的理化性质、毒理学特性及环境生态安全性、主要用途，发展现状及发展趋势，着重研究了以邻二氯苯为原料制备3,4二氯硝基苯的合成工艺，讨论反应时间、反应温度、物料比例对实验结果的影响，以优化实验工艺。关键词邻二氯苯，3,4二氯硝基苯，硝化ABSTRACTTHISTHESISDESCRIBESTHEPHYSICALANDCHEMICALPROPERTIES,TOXICOLOGICALANDECOTOXICOLOGICALPROFILES,APPLICATION，THEDEVELOPMENTOFTHECURRENTSITUATIONANDTHEDEVELOPMENTOFTHETRENDOFTHE3,4DICHLORONITROBENZENE,FOCUSEDONRESEARCHINGTHESYNTHESISPROCESSOF3,4DICHLORONITROBENZENEPREPAREDFROMODICHLOROBENZENE,ANDDISCUSSEDTHEREACTIONTIME,REACTIONTEMPERATURE,THEPROPORTIONOFTHETHEREACTANTSWHICHAFFECTTHEEXPERIMENTALRESULTS,INORDERTOOPTIMIZETHEEXPERIMENTALPROCESSKEYWORDSODICHLOROBENZENE，3,4DICHLORONITROBENZENE，NITRIFICATION第一章绪论11产品简介基本信息3,4二氯硝基苯又名1,2二氯4硝基苯；英文名称3,4DICHLORONITROBENZENE、1,2DICHLORO4NITROBENZENE分子式CL2C6H3NO2；分子量192结构式CAS号99547；MDL号MFCD00007207EINECS号2027642RTECS号CZ5250000BRN号1818163PUBCHEM号24861969物性数据性状针状结晶。密度（G/ML,20）146熔点（）43沸点（,常压）255256闪点（）123溶解性不溶于水，溶于热乙醇、乙醚。健康危害对皮肤、粘膜及呼吸道有刺激作用。吸收后导致体内形成高铁血红蛋白，足量的高铁血红蛋白引起紫绀。环境危害对环境有严重危害，对水体可造成污染。急性毒性大鼠经口LD50953MG/KG；大鼠吸入LC5010MG/M3/4H；大鼠腹膜腔LD50400MG/KG；小鼠经口LD501384MG/KG；小鼠腹膜腔LD50400MG/KG；猫皮肤接触LD50790MG/KG；兔子皮肤接触LD200MG/KG；豚鼠经口LD50500MG/KG；安全信息危险运输编码UN2811危险品标志有害安全标识S26S36/S37危险标识R22R36R43危险特性遇明火、高热可燃。与强氧化剂可发生反应。受高热分解，产生有毒的氮氧化物和氯化物气体。有腐蚀性。燃烧分解产物一氧化碳、二氧化碳、氧化氮、氯化氢。12国内外发展状况121国内外生产状况3,4二氯硝基苯是用作农药、染料和医药的中间体。是合成3一氯一4一氟苯胺及2，4一二氯氟苯、3,4二氯苯胺等的中间体。3，4二氯硝基苯是合成3一氯一4一氟苯胺及2，4一二氯氟苯的中间体。其中3一氯一4一氟苯胺及2，4一二氯氟苯是制备喹诺酮类抗菌药的原料，这类药物已广泛用于我国医药领域。喹诺酮类抗菌素杀菌谱广、毒副作用小,且价格适中,为近年发展较快的一类抗菌素。我国已开发并已投入批量生产的喹诺酮类抗菌素主要有诺氟沙星、环丙沙星、氧氟沙星等,约占国内喹诺酮类抗菌素总产量的98。喹诺酮类一般由含氟苯环环合成含氟喹啉类化合物后与哌嗪或甲基哌嗪缩合而得。我国是世界含氟药物和中间体产量最大的国家之一,其中80以上含氟中间体供应出口,目前生产能力普遍过剩。三氟甲苯类中间体发展较晚,近年来发展速度较快。含氟吡啶类中间体的合成技术,将成为今后几年国内含氟中间体研发的主要方向之一。其中，由3,4二氯硝基苯制得的3,4二氯苯胺主要用作农药、染料和医药的中间体。染料工业上主要用作偶氮染料，用于合成CI分散红152和CI分散红153；在医药方面，用作合成杀菌剂TCC等，与硫氰酸铵混合可制得3,4二氯苯基硫脲。可用作生物活性组分中间体。此外，还可用于制3,4二氯苯酚和毛织品防蛀剂米丁FF。农药工业上主要用于合成敌稗、利谷隆、敌草隆和灭草灵等除草剂。我国除草剂市场的大量原料需求，为3,4二氯苯胺的广泛使用奠定了基础，因而开发该产品具有良好的市场前景。国外,3,4二氯苯胺及其衍生产品除草剂的产量还是比较大的,其中绝大部分以邻二氯苯为原料,美国,3,4二氯苯胺总产量估计为12万吨/年以上,敌稗产量在4500吨/年左右,敌草隆消耗为2270吨/年,利谷隆消耗为1820吨/年。西欧有95的邻二氯苯用于生产3,4二氯苯胺。美国,3,4二氯苯胺消耗邻二氯苯总量的86,西欧,3,4二氯苯胺消耗邻二氯苯总量的95。国内随着对二氯苯生产能力和产量的不断增长,邻二氯苯的出路也是急待考虑的问题,建议可借鉴国外的情况转换原料路线,并同时开发和推广敌稗等3,4二氯苯胺类除草剂的应用市场。其中，国内生产3,4二氯硝基苯几个主要的供应商有衢州市瑞尔丰化工有限公司，江苏隆昌化工有限公司，上海迈瑞尔化学技术有限公司，常州坚茂化工有限公司，连云港泰盛化工有限公司，苏州亚科化学试剂股份有限公司，扬中市天力化工有限公司，北京中科拓展化学技术有限公司安徽分公司等等。122国内外合成路线根据国内外文献专利报道，3,4二氯硝基苯的合成主要有两条合成路线。路线一以对硝基氯苯为原料以无水三氯化铁作催化剂，向105的熔融状态的对硝基氯苯通入氯气，得到3,4二氯硝基苯该方法对工艺及设备要求较高，产品外观及内在质量均难以控制，且反应中产生的大量废液对环境污染比较严重。氯气是此类反应中最常用的氯化剂,但由于苯环上吸电子基NO2的存在,对反应条件的要求较为苛刻,使副反应增多,操作也比较烦琐,反应收率低。此外,还有文献报道亚氯酸也可用作此类芳香族化合物的氯化剂。线路二以邻二氯苯为原料由邻二氯苯硝化得到3,4二氯硝基苯芳烃的硝化反应存在三种异构体。随着芳环上取代基的不同和工艺条件的变化，三种异构体的组成比例不同。对以邻二氯苯为原料的硝化反应由于取代基位置的特殊性，产物只存在2，3二氯硝基苯、3，4二氯硝基苯。该工艺虽然比较简单，但在硝化过程中会产生一定量通常占10的异构2，3二氯硝基苯。我们对分析方法进行改进，使2，3二氯硝基苯、3，4二氯硝基苯彻底分离。第二章实验部分21以邻二氯苯为原料制备3,4二氯硝基苯的主要流程比较国内外主要合成路线，实验选择了以邻二氯苯为原料制备3,4二氯硝基苯的合成路线。以邻二氯苯为原料制备3,4二氯硝基苯的主要化学方程式混酸热水冷水邻二氯苯有机相产品乙醇以邻二氯苯为原料制备3,4二氯硝基苯实验流程22实验所需原料、仪器设备及实验装置实验所需药品及试剂邻二氯苯英文名称ODICHLOROBENZENE硝化分层洗涤结晶抽滤重结晶抽滤精制CAS号95501分子式C6H4CL2结构式相对分子量147蒸汽压240KPA/86闪点65熔点175沸点1804，86（239KPA），相对密度1302220/4。浓硝酸英文名CONCENTRATEDNITRICACID分子式HNO3相对分子量63硝酸是重要的化工原料，也是实验室必备的重要试剂。在工业上可用于制化肥、农药、炸药、染料、盐类等。密度约为14G/CM3，沸点为83，易挥发，可以任意比例溶于水。毒理学数据大鼠吸入半数致死浓度LC5049PPM4H；人经口最低致死量（LCL0）430MG/KG。蒸气对眼睛、呼吸道等的粘膜和皮肤有强烈刺激性。蒸气浓度高时可引起肺水肿。对牙齿具有腐蚀性。皮肤沾上可引起灼伤，腐蚀而留下疤痕，浓硝酸腐蚀可达到相当深部。如进入咽部，对口腔以下的消化道可产生强烈的腐蚀性烧伤，严重时发生休克致死。人在低于30MG/M左右时未见明显损害。吸入可引起肺炎。水生生物毒性LC50100300MG/L48H（海星）；LC50180MG/L48H（海蟹）。8MOL/L以上的硝酸一般称为浓硝酸。危险性和稳定性危险性加热时分解，产生有毒烟雾；强氧化剂，与可燃物和还原性物质发生激烈反应，爆炸。强酸性，与碱发生激烈反应，腐蚀大多数金属（铝及其合金除外），生成氮氧化物，与许多常用有机物发生非常激烈反应，引起火灾和爆炸危险。浓硫酸英文名CONCENTRATEDSULFURICACID分子式H2SO4相对分子量98其密度为184GCM3，其物质的量浓度为184MOLL1。983时，熔点10；沸点338。硫酸是一种高沸点难挥发的强酸，易溶于水，能以任意比与水混溶。浓硫酸溶解时放出大量的热，因此浓硫酸稀释时应该“酸入水，沿器壁，慢慢倒，不断搅”。乙醇英文名ETHANOL结构简式C2H5OH分子式C2H6O相对分子质量4607性状无色澄清液体。有灼烧味。易流动。极易从空气中吸收水分，能与水和氯仿、乙醚等多种有机溶剂混溶。能与水形成共沸混合物含水443，共沸点7815。相对密度D2040789。熔点1141。沸点785。折光率N20D1361。闪点闭杯13。易燃。蒸气与空气能形成爆炸性混合物，爆炸极限35180体积。丙酮英文名ACETONE分子式C3H6O相对分子质量134无色液体，具有令人愉快的气味（辛辣甜味）。易挥发。能与水、乙醇、N,N二甲基甲酰胺、氯仿、乙醚及大多数油类混溶。相对密度D2507845。熔点947。沸点5605。折光率N20D13588。闪点20。易燃。半数致死量（大鼠，经口）107ML/KG。有刺激性。展开剂正己烷乙酸乙酯提取分离时，用来分离极性不同的两种物质的溶剂叫做展开剂，选择适当的展开剂是首要任务。展开剂的比例要靠尝试一般根据文献中报道的该类化合物用什么样的展开剂，就首先尝试使用该类展开剂，然后不断尝试比例，直到找到一个分离效果好的展开剂。展开剂的选择条件对的所需成分有良好的溶解性；可使成分间分开；待测组分的RF在0208之间，定量测定在0305之间；不与待测组分或吸附剂发生化学反应；沸点适中，黏度较小；展开后组分斑点圆且集中；混合溶剂最好用新鲜配制。一般来说，弱极性溶剂体系的基本两相由正己烷和水组成，再根据需要加入甲醇、乙醇，乙酸乙酯来调节溶剂系统的极性，以达到好的分离效果，适合于生物碱、黄酮、萜类等的分离；中等极性的溶剂体系由氯仿和水基本两相组成，由甲醇、乙醇，乙酸乙酯等来调节，适合于蒽醌、香豆素，以及一些极性较大的木脂素和萜类的分离；强极性溶剂，由正丁醇和水组成，也靠甲醇、乙醇，乙酸乙酯等来调节，适合于极性很大的生物碱类化合物的分离。经过各种展开剂的适用，实验选定了正己烷乙酸乙酯为101的展开剂。实验所需设备恒沸水浴锅、恒温磁力搅拌器、温度计、分液漏斗、烧杯、量筒、移液管、电子分析天平、三口烧瓶、冷凝管、ZF20C暗室紫外分析仪（上海宝山顾村电光仪器厂）实验装置23制备3,4二氯硝基苯的具体实验步骤1配制混酸溶液，即确定98浓硫酸与95浓硝酸的摩尔比例。先将98浓硫酸酸置于三口烧瓶中，应将浓硝酸酸慢慢加到浓硫酸中,并及时搅拌和冷却且要在通风橱里进行，因为硝酸会少量分解产生氮氧化物。注意浓硝酸中含有水，而浓硫酸溶于水时放出大量的热，由于硫酸的密度大于水，因此如果将水加入到浓硫酸中水浮在硫酸上，造成液滴飞溅，可能会发生危险。2向配制混酸溶液中滴加邻二氯苯溶液，置于恒温油浴锅升至所需温度后恒温搅拌反应一定的时间。3反应完毕后，将三口烧瓶中的液体置于分液漏斗中，静止分层5分钟（时间不宜太长，防止产物冷凝在分液漏斗中难以取出）。趁热分去下层混酸，将上层液体用热水进行洗涤。4将淡黄色的有机相取至烧杯中，加入冷水放置一段时间使其冷凝，然后进行抽滤得到实验所需的粗产物。5将抽滤后的粗产物进行称重，然后按一定的质量比例向粗产品加入无水乙醇，在80进行回流20MIN，冷却结晶后进行抽滤。7将得到的产品用丙酮溶解与溶解在丙酮中的原料邻二氯苯进行薄层色谱分析。若不合格，再用无水乙醇进行精制直至产品合格为止。8称重最终的产物3,4二氯硝基苯。24硝化反应的主要影响因素及实验的正交设计影响硝化反应的主要因素有被硝化物质的性质、硝酸用量、混酸中硫酸的配比、反应温度、反应时间、搅拌等。采用正交试验对硝酸用量、混酸中硫酸的配比、反应温度进行初步考察。本实验通过反应温度，硝化比及混酸比例三方面来确定邻二氯苯法制3,4二氯硝基苯的最佳工艺条件。实验设定混酸比（98浓硫酸与浓硝酸物质的量之比）A分别设为11、21、31；硝化比（邻二氯苯与HNO3的物质的量之比）B分别设为111、131、161；反应温度C分别设为40、50、60；反应时间D分别设为1H、15H、2H；粗产品与乙醇质量比E分别设为115、125、135。通过正交实验来得出最佳混酸比、最佳硝化比、最佳反应温度及最佳的乙醇用量。序号混酸摩尔比硝化摩尔比反应温度反应时间H粗产品与乙醇质量比11111501125221115011253311150112542113150112552116150112562113140112572113160112582113150151259211315021251021131502115112113150213512211315021251321131502125正交实验设计表先通过1、2、3三组实验确定最佳混酸比；然后通过4、5两组实验确定最佳硝化比；然后通过6、7两组实验确定最佳反应温度。然后通过8、9两组实验确定最佳反应时间。然后通过10、11两组确定最佳的乙醇用量最后通过12、13两组重复试验。25实验中原料的具体用量实验所得的最终产品反应原料G序号邻二氯苯95浓硝酸98浓硫酸反应温度反应时间H重结晶时乙醇用量12090231360550160422090232721150163209023408165014211730353745015214437653065016211730353744017211730353746018211730353745015921173035374502102117303537450211211730353745021221173035374502132117303537450226反应完毕后分离有机相与混酸分离方法一用有机溶剂乙酸乙酯利用相似相容原理萃取有机相，然后利用旋转蒸发仪蒸发掉溶剂乙酸乙酯。分离方法二用7080摄氏度的热水洗涤分离有机相。结果发现用乙酸乙酯萃取的方法过程比较麻烦，用热水比较简单，只要水温控制好，不让有机相凝固在分液漏斗上，产物损失也不大。27产物重结晶及精制271用无水乙醇重结晶原理固体混合物在溶剂中的溶解度与温度有密切关系。一般是温度升高，溶解度增大。若把固体溶解在热的溶剂中达到饱和，冷却时即由于溶解度降低，溶液变成过饱和而析出晶体。利用溶剂对被提纯物质及杂质的溶解度不同，可以使被提纯物质从过饱和溶液中析出。而让杂质全部或大部分仍留在溶液中（若在溶剂中的溶解度极小，则配成饱和溶液后被过滤除去），从而达到提纯目的。272产物精制第一次用无水乙醇进行重结晶后的3,4二氯硝基苯可能并不能达到我们实验所需的目的。所以当第一次的产物在利用薄层色谱检验后并未理想，还需要进行下一次的重结晶，直至产品检验结果达到要求。28薄层色谱定性检验产物及检验结果281薄层色谱的原理及检验方法薄层色谱法是一种吸附薄层色谱分离法，它利用各成分对同一吸附剂吸附能力不同，使在移动相溶剂流过固定相吸附剂的过程中，连续的产生吸附、解吸附、再吸附、再解吸附，从而达到各成分的互相分离的目的。薄层色谱又叫薄板层析，是色谱法中的一种，是快速分离和定性分析少量物质的一种很重要的实验技术，属固液吸附色谱薄层色谱是在被洗涤干净的玻板（103CM左右）上均匀的涂一层吸附剂或支持剂，带干燥、活化后将样品溶液用管口平整的毛细管滴加于离薄层板一端约1CM处的起点线上，凉干或吹干后置薄层板于盛有展开剂的展开槽内，浸入深度为V05CM。待展开剂前沿离顶端约1CM附近时，将色谱板取出，干燥后喷以显色剂，或在紫外灯下显色。完成TLC分析通常需经制板、点样、展开、检出4步操作。制板在一平面支持物通常为玻璃上，均匀地涂制硅胶、氧化铝或其他吸附剂薄层、样品的分离、检测就在此薄层色谱板上进行。一般选用适当规格的表面光滑平整的玻璃板。常用的薄层板规格有10CM20CM、5CM20CM、20CM20CM等。称取适量硅胶，加入0205羧甲基纤维素钠溶液（CMCNA），充分搅拌均匀，进行制板。一般来说10CM20CM的玻璃板，35G硅胶/块；硅胶与羧甲基纤维素钠的比例一般为1214。制好的玻璃板放于水平台上，注意防尘。在空气中自然干燥后，置110烘箱中烘051H，取出，放凉，并将其放于紫外光灯254NM下检视，薄层板应无花斑、水印，方可备用。点样用微量进样器进行点样。点样前，先用铅笔在层析上距末端LCM处轻轻画一横线，然后用毛细管吸取样液在横线上轻轻点样，如果要重新点样，一定要等前一次点样残余的溶剂挥发后再点样，以免点样斑点过大。一般斑点直径大于2MM，不宜超过5MM底线距基线125CM，点间距离为LCM左右，样点与玻璃边缘距离至少LCM，为防止边缘效应，可将薄层板两边刮去12CM，再进行点样。展开将点了样的薄层板放在盛在有展开剂的展开槽中，由于毛细管作用，展开溶剂在薄层板上缓慢前进，前进至一定距离后，取出薄层板，样品组分固移动速度不同而彼此分离。展开室应预饱和。为达到饱和效果，可在室中加入足够量的展开剂；或者在壁上贴两条与室一样高、宽的滤纸条，一端浸入展开剂中，密封室顶的盖。展开剂一般为两种以上互溶的有机溶剂，并且临用时新配为宜。薄层板点样后，应待溶剂挥发完，再放人展开室中展开。展开应密闭，展距一般为815CM。薄层板放入展开室时，展开剂不能没过样点。一般情况下，展开剂浸入薄层下端的高度不宜超过05CM。展开剂每次展开后，都需要更换，不能重复使用。展开后的薄层板用适当的方法，使溶剂挥发完全，然后进行检视。RF值一般控制在0308，当RF值很大或很小时，应适当改变流动相的比例。斑点的检出展开后的薄层板经过干燥后，常用紫外光灯照射或用显色剂显色检出斑点。对于无色组分，在用显色剂时，显色剂喷洒要均匀，量要适度。紫外光灯的功率越大，暗室越暗，检出效果就越好。展开分离后，化合物在薄层板上的位置用比移值RF值来表示。化合物斑点中心至原点的距离与溶剂前沿至原点的距离的比值就是该化合物的RF值。282产物用薄层色谱检验的结果对产物分析的薄层色谱图对产物分析的薄层色谱图对产物分析的薄层色谱图以上薄层色谱是产品的定性检验结果，其中，色谱左边的点是产物，右边的点是原料邻二氯苯。通过观察可以发现，左边的点与右边的点基本无重叠，而产物点也几乎无分开的迹象，说明，原料已基本反应完，而产物里基本只含我们所需要的3,4二氯硝基苯。对每组实验的产物都进行薄层色谱分析，发现用无水乙醇重结晶一次后，基本不需要再进行精制来得到我们所需的3,4二氯硝基苯。29实验中二氯硝基苯的理论值、实验值及产率序号理论值实验值产率12612212748622261221395321326122135516842612214756275261221425436626122140535972612213752458261221616163926122178681410261221545895112612216262011226122173662313261221816929第三章结论硝化反应最主要的影响因素是硝化剂。以邻二氯苯与HNO3物质的量比硝化比、混酸配比硝酸与硫酸物质的量比、反应时间、反应温度这几个水平因素设计正交试验可得实验结果。通过第1、2、3三组试验，混酸比分别为11、12、13，可得到，当浓硝酸和浓硫酸物质的量比定在12时，产物的收率最高。通过2、4、5三组试验，硝化比分别为11、113、116,可得到，当邻二氯苯和浓硝酸比例定在113时，产物的收率最高。通过第4、6、7组试验，反应温度分别为40、50、60，可得到当反应温度控制在在50时，产物的收率是比较高的。同样，通过第5、8、9三组实验，反应时间分别为1H、15H、2H时，可得到，在反应时间为2H时，产物收率是最高的。通过前面11组试验，可得出该实验的最佳反应条件，邻二氯苯与浓硝酸的物质的量的比是112，浓硝酸与浓硫酸的物质的量的比是12，反应温度是50，反应时间是2H。第12、13组是对之前得到的最佳反应条件进行重复实验。结果产物收率如下6814、6623、6929，重复性试验平均收率为6789。HNO3用量及浓度对硝化反应步骤的影响较大。硝化比为L13时，邻二氯苯可以完全被硝化，增大硝酸用量，延长反应时问，均可以增加二硝化产物的生成，使3，4一二氯硝基苯的收率降低，纯度下降。硝化体系中H2SO4的用量对目标产物的生成也有较大影响。增大硝化体系的酸度，可以提高目标产物的生成比例，但H2SO4用量过大，同样可以增加二硝化产物等副产物的生成，用98的H2SO4，混酸配比物质的量比12为宜。而在重结晶过程中，由于3，4一二氯硝基苯的极性比2，3一二氯硝基苯的极性小，乙醇水溶液为极性溶剂，所以在乙醇水溶液中，2，3一二氯硝基苯的溶解度比3，4一二氯硝基苯的溶解度大，因此可利用乙醇水溶液除去3，4一二氯硝基苯中少量的2，3一二氯硝基苯。而乙醇的用量对最终产物也有着重要影响。从第9、10、11三组实验可以看出，当反应粗产物用无水乙醇进行重结晶时，粗产物与无水乙醇质量比分别为115、125、135，在质量比为125时产物收率是最高的。特别要注意的是粗产物在无水乙醇条件下回流结晶后，抽滤时要小心，产物很容易又溶解在溶剂中。尽量一次把容器内的结晶刮干净，如果用无水乙醇去洗涤的话，很多产物将会损失掉，要进行第二次重结晶。在本实验中的产物精制环节并无太多，由于产物在无水乙醇中进行第一次重结晶后利用薄层色谱检验后就发现3,4二氯硝基苯的纯度是比较高的。第四章参考文献1戴江，王珏3,4二氯硝基苯合成工艺改进J浙江化工，1998，29（4）2