（化学工艺专业论文）34二氯硝基苯与3氯4氟硝基苯合成工艺的研究.pdf

郑 州 大 学 硕上 * a te 主一一一一一一一一一一一一一一一一一 摘要 含氟药物由于生物活性高、效果好、 毒性低等受到人们普遍关注，临床应用迅速发 展， 成为十分抢手的强力广谱抗菌消炎药， 总需求量呈较大增长趋势。 所以， 作为含氟 类药物氟哇诺酮类抗菌素中间体氟氯苯胺的生产中，3 - 氯- 4 一 氟一 硝基苯( 也称2 - 氯 - 1 - 氟- 4 一 硝基苯) 制备工艺的优化或改进对降低含氟药物整个生产过程成本、提高产品 收率和质量起到关键的作用。 现有的溶剂法生产3 - 氯- 4 - 氟一 硝基苯工艺虽然具有技术成 熟的优点， 但存在溶剂用量大、回收不完全从而污染环境、反应温度高且副反应多、 收 率较低等问题。为消除溶剂对环境的污染，提高产品收率，本文提出一条新的合成 3 - 氯- 4 - 氟一 硝基苯工艺路线: 采用相转移催化剂 p t c ) ， 高活性氟化剂， 使3 斗二氯硝基 苯 ( 也称1 , 2 一 二氯- 4 - 硝基苯) 发生氟氯置换合成3 - 氯- 4 - 氟一 硝基苯。 为此， 本文首先在自 行设计的塔式氯化器中，以对硝基氯苯为原料， 路易氏 酸作催 化剂， 分子氯氯化合成3 斗二氯硝基苯 ( 合成3 - 氯- 4 - 氟一 硝基苯的原料) ， 根据该氯化 过程特征，利用正交试验设计方法结合单因素实验考察了有关因素对氯化过程的影响， 优化得到了最佳的氯化工艺条件，3 , 4 一二氯硝基苯的收率可达8 3 . 2 6 % 。比 文献报道a2 1 的最高收率高3 . 2 6 个百分点。 其次， 在3 - 氯- 4 - 氟一 硝基苯的合成过程中， 提出了一种原料价格低廉、 操作方便的 重结晶过程，获得了高活性的 k f ，使用该种高活性的氟化剂，可使氟化产物 3 - 氯- 4 - 氟一 硝基苯的收率比市售k f 提高近2 5 个百分点。 并在相转移催化剂存在下， 通过正交试验优化得到了最佳的相转移催化氟化工艺条 件，3 - 氯- 4 - 氟硝基苯收率可达9 2 . 2 3 % ，比现行的溶剂法生产工艺提高6 个百分点。 此外， 本文还分别探讨了对硝基氯苯氯化反应和3 , 4 一 二氯硝基苯相转移催化氟化反 应的动力学，得到: 氯化反应动力学方程: 甥一 3.32 8 1o 7， icl z卜 a 3】367。 -8381.3k3.32 8 x 10 p ic l2if ec l3 1367 e ; . 式中 ， p 7 对 硝 基 氯 苯 的 摩 尔 浓 度， m o l .d m 3 氯化反应在9 5 c -1 0 5 范围内的平均表观活化能为6 9 . 6 8 k j .m o l - 1 0 相转移催化氟化反应动力学方程: 郑州大学硕士学位论文 = 2 .7 5 x 1 0 d - t 式 中 ， d - 3 , 4 一 二 氯 硝 基 苯 的 摩 尔 浓 度 ， m o l .d m 3 0 该反 应在1 4 5 0c -1 6 5 c 温度范围的平均表观活化能为7 2 . 8 7 k j .m o 1 1 , 综上所述，本文通过试验研究优化得到了合成 3 , 4 一 二氯硝基苯和 3 - 氯- 4 - 氟一 硝基 苯的最佳工艺条件， 并分别探讨了其宏观反应动力学， 为工程设计和工业化生产提供了 一定的设计参数和理论依据。 关键词:3 , 4 一 二氯硝基苯3 - 氯- 4 - 氟硝基苯氯化工艺相转移催化氟化动力学 郑州大学硕士学位论文 ab s t r a c t o n e k i n d o f m e d i c i n e b e a r i n g a fl u o r i n a t e d r i n g s y s t e m h a s d r a w n w i d e a tt e n t i o n a n d d e v e l o p e d r a p i d l y i n c l i n i c a l a p p l i c a t i o n , b e c a u s e o f i t s b i o l o g i c a l l y a c t iv e , g o o d e ff e c t a n d l o w t o x i c i t y . t h e t o t a l d e m a n d i s i n c r e a s i n g . s o , as t h e f o r m e r m a t e r i a l o f 2 - c h l o r o - l - fl u o r o - 4 - n a i l i n e t h a t i s i n t e r m e d i a t e o f t h e m e d i c in e b e a r i n g a fl u o r i n a t e d r i n g , t h e o p t i m i z a t i o n o r i m p r o v e m e n t o f t e c h n o l o g y f o r p r e p a r i n g 2 - c h l o r o - l - fl u o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e ( f c n b ) i s t h e k e y t o i m p r o v e t h e y i e l d a n d q u a l i t y o f p r o d u c t a n d r e d u c e t h e c o s t o f p r o d u c t i o n . t h e r e a r e s o m e p r o b l e m s i n p r e s e n t i n d u s t r i a l i z e d p r o d u c t i o n t e c h n o l o g y , s u c h a s u s i n g l a r g e a m o u n t o f s o l v e n t , w h i c h i s n o t b e a b l e t o r e c o v e r i t c o m p l e t e l y a n d p o l l u t i n g e n v i r o n m e n t , h i g h e r r e a c t i o n t e m p e r a t u r e a n d s i d e r e a c t i o n s , a n d e t c . i n o r d e r t o d e l e t e t h e s o l v e n t s p o l l u t i o n t o s u r r o u n d i n g s a n d im p r o v e t h e y i e l d o f p r o d u c t , a n o t h e r n e w s y n t h e s i s r o u t e : 1 , 2 - d i c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e ( d c n b ) r e a c t e d w i t h h i g h l y a c t i v e f o r m o f k f , i n p r e s e n c e o f a p h a s e t r a n s f e r c a t a l y s t ( p t c ) , w a s d i s c u s s e d . f i r s t , t h e p r e p a r a t i o n o f 1 , 2 - d i c h l o r o - 4 - n it r o b e n z e n e , w h i c h 1 - c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e ( p n c b ) r e a c t e d w i t h c h l o r i n e i n a s e l f - d e s i g n e d c h l o r i n a t o r , i n p r e s e n c e o f l e w i s a c i d c a t a l y s t , .w a s i n v e s t i g a t e d . b y m e a n s o f t h e o r th o g o n a l e x p e r i m e n t s d e s i g n a n d s i n g l e f a c t o r e x p e r i m e n t s , t h e i n fl u e n c e o f s e v e r a l r e a c t i o n v a r i a b l e s o n t h e y i e l d w e r e e x a m i n e d a n d t h e o p t i m u m r e a c t i o n c o n d i t i o n s u n d e r t h e i n t e r v a l l i c o p e r a t i o n w e r e o b t a in e d , t h e y i e l d o f 1 ,2 - d i c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e w a s 8 3 .2 6 %, 3 .2 6 % h i g h e r t h a n t h a t r e p o rt e d b y r e f e r e n c e s . mo r e o v e r , t h e k i n e t i c s o f c h l o r i n a t i o n u n d e r t h e d e f i n e d s e t s o f c o n d i t i o n s w a s a l s o s t u d i e d . t h e a v e r a g e a p p a r e n t a c t i v a t i o n e n e r g y o f t h i s c h l o r i n a t i o n p r o c e s s i n t e m p e r a t u r e r a n g e o f 9 5 0c - 1 0 5 0c w a s 6 9 .6 8 k j .m o l 1 a n d th e k i n e t i c s e q u a t i o n w a s : 望= 3 32 8 1o 7， icl zio cl 3】一 -8381.3k3 .32 8 x 10 p ic 1z if ec 13 1.367 e t w h e r e p i s c o n c e n t r a t i o n o f 1 - c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e , m o l .d m 3 . s e c o n d , u s i n g a s i m p l e a n d in e x p e n s iv e r e c r y s t a l l i z i n g p r o c e s s , a h i g h l y a c t i v e f o r m k f w a s o b t a i n e d . i t w a s o b s e r v e d t o b e c o n s i d e r a b l y m o r e e f f i c i e n t i n p r e p a r i n g f c n b t h a n t h e k f f o r m s o l d i n m a r k e t . t h e y i e l d o f f c n b i n c r e a s e d o v e r t h e l a tt e r w a s a b o u t 2 5 %. t h e c o n v e r s i o n o f d c n b t o f c n b , a n u c l e o p h i l i c a r o m a t i c s u b s t it u t i o n t y p e r e a c t i o n , a t 1 4 0 - 1 6 0 0c , w i t h t h e r e c ry s t a l l i z e d k f a n d c e t r i m o n i u m b r o m i d e ( c t ma b ) a s c a t a l y s t w a s e x a m i n e d . t h e i n fl u e n c e o f s e v e r a l r e a c t i o n v a r i a b l e s o n t h e y i e l d w a s s t u d i e d t h r o u g h i i i _ _ 一 郑 塑 鑫 荆塑登竺鱼兰一一一一一一一一一一一一一一 o r th o g o n a l e x p e r i m e n t s a n d t h e o p t i m u m r e a c t i o n c o n d i t i o n s o f p h a s e t r a n s f e r c a t a l y s i s fl u o r i n a t i o n w e r e o b t a i n e d .u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s , t h e y i e l d o f f c n b w a s 9 2 .2 3 %, 6 % h i g h e r t h a n t h a t a c q u i r e d b y p r e s e n t t e c h n o l o g y i n p r e s e n c e o f c e r t a i n s o l v e n t . t h e k i n e t i c s o f t h i s p h a s e t r a n s f e r c a t a l y z i n g fl u o r in a t i o n p r o c e s s u n d e r a l i m i t e d n u m b e r o f d e f i n e d s e t s o f r e a c t i o n c o n d i t i o n s w a s a l s o s t u d i e d . t h e a v e r a g e a p p a r e n t a c t i v a t i o n e n e r g y o f t h i s p r o c e s s i n t h e t e m p e r a t u r e r a n g e o f 1 4 5 0c 1 6 5 0c w a s 7 2 .8 7 k j .m o 1 1 a n d t h e k i n e t i c s e q u a t i o n w a s : d d _ 2 .7 5 x 1 0 d dt - 8 76 5 kt w h e r e d i s c o n c e n t r a t i o n o f 1 , 2 - d i c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e , m o l .d r ri 3 t h e r e s u l t s w e r e o b t a i n e d a b o v e c a n p r o v i d e s o m e d e s i g n p a r a m e t e r s a n d t h e o r e t i c a l b a c k g r o u n d f o r e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d i n d u s t r i a l i z a t i o n o f p r o d u c t s . k e y w o r d s : 1 , 2 - d i c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e ( d c n b ) ; 2 - c h l o r o - l - fl u o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e ( f c n b ) ; c h l o r i n a t i o n t e c h n o l o g y ; p h a s e t r a n s f e r c a t a l y s i s f l u o r i n a t i o n ; k i n e t i c s i v 郑州大学硕士学位论文 第一章绪 论 1 . 1 前言 含氟医药由于具有生物活性高、 用量少、效果好、 毒性低等特点， 近年来 得到广泛开发。其中含氟哇诺酮类抗菌素已自 成体系，在临床上得到广泛使 用。诺氟沙星 ( n o r fl o x a c i n )是第三代哇诺酮类抗菌药物，已在近 7 0多个国 家临床使用，具有抗菌谱广，抗菌活性强，副作用小， 疗效好，可与第三代、 第四 代头抱菌素相媲美 i) ;总需求量呈较大增长趋势， 具有良 好的 市场前景。 氟氯苯胺又称3 - 氯- 4 - 氟苯胺( c 6 h 3 c i f n h 2 ， 分子量1 4 5 . 5 7 ) ， 英文名称为: 2 - c h l o r o - l - fl u o r o - 4 - a n i l i n e 。 是合成多种新型、 高效、 广谱抗菌药物例如氟呱酸、 氟啧酸、环丙氟呱酸、 氟氯呱酸等的重要中间体， 是第三代哇诺酮类药物的基 础产品2 1 ， 也是杀菌剂、 含氟农药除草剂如3 - 氯- 4 - 氟苯氧乙 酸等的基础原料al 氟氯苯胺为九十年代初新产品， 具有胺基一 n h z 和卤代基一 x 两种活性基团， 能参 与多种化学反应，国内 对其合成技术研究还不够深入， 工业化生产技术、产品 质量与国外先进水平差距较大，如:氟化过程仍然主要是传统的溶剂法，溶剂 回收不完全， 污染环境; 还原过程仍以 铁粉还原为主4 1 ， 酸雾和铁泥污染严重、 总的收率较低、产品质量不太稳定等，对此有采用雷尼镍催化剂加氢还原、间 接电 还原法合成氟氯笨胺的报道15 1 以 克服铁粉还原工艺的不足。目 前氟氯苯胺 国内年需求总量约万吨以上，实际生产能力不足4 0 0 吨， 特别是高质量的医药 级产品不能满足市场，部分依靠进口。该产品国内市场价 1 01 3 万元八，国际 市场看好，价格约2 万美元八2 1 。因此， 立足国内， 简化工艺、缩短流程、降 低主要原料消耗， 使产品质量显著提高， 从而提高氟氯苯胺的国际市场竞争力， 具有重要的经济价值和社会效益。 “ 氟氯苯胺合成工艺研究”的课题任务来源于河南开普集团公司的横向项 目。 该公司主要产品为氯苯系列、 硝基氯苯系列等基本化工原料或中间体， 销售 价格连续下滑， 效益不佳。为了开拓更广阔的市场，急待开发其下游产品。 该课 题主要研究利用现有产品 对硝基氯苯作原料， 制备药物重要中间体氟氯苯胺的 新 工艺，以期达到流程简单、 工艺条件缓和、 产品质量好、 操作方便并易于工业化 郑州大学硕士学位论文 的目的。 以 对硝基氯苯为原料的氟氯苯胺合成步骤一般分为三步 ( 见下图) 。本论文 主要研究了前两步的合成工艺及相关问 题: a .环上氯化合成3 , 4 一 二氯硝基苯:采用自行设计的塔式氯化器，在催化剂 作用下，以 来源丰富， 价格低廉的液氯作为氯化剂， 直接在苯环上引进氯原子生 成3 , 4 一 二氯硝基苯。 b .相转移催化氟化法合成3 - 氯- 4 - 氟一 硝基苯:用3 , 4 一 二氯硝基苯为原料， 以 一种新方法获得的高活性氟化钾作为氟化剂， 在相转移催化剂 ( p t o 存在下， 采用氟氯置换引进氟原子，生成3 - 氯- 4 - 氟一 硝基苯。 k v a 或 n ， 加 4y n l i 6 1 . 1 . 1 氟氯苯胺的性质( 10 ) 氟氯苯胺又称3 - 氯- 4 - 氟苯胺( c f a ) ， 英文名称: 2 - c h l o r o - l - fl u o r o - 4 - ani l i n e 0 c a s 登录号: 3 6 7 - 2 1 - 5 , c 6 h 3 c i f n h 2 ， 分子量:1 4 5 .5 7 ;结构式为: 外观为类白 色结晶状颗粒或淡黄色结晶 ( 在己 烷中)， 无臭，在空气中久放 颜色逐渐变深，能溶于醇、丙酮、氯仿等有机溶剂，难溶于水，有毒， 熔点 4 1 0c - 4 4 0c ;沸点2 2 7 - 2 2 8 0c , 1 1 9 1 2 0 0c ( 1 3 3 - 2 6 6 p a ): 闪点1 1 0 0c 0 1 . 1 . 2 3 , 4 一 二氯硝基苯的性质10 1 3 , 4 一 二氯硝基苯( d c n b ) ，英文名称:1 , 2 - d i c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e . c a s登录 号: 9 9 - 5 4 - 7 ， c 6 h 3 c 1 2 n o 2 ，分子量1 9 2 . 0 0 :结构式为: 物理性质 引起变态反应 催化氢化可能引起爆炸， l d 5 0( 大鼠经口)6 4 3 m 对眼睛和皮肤有刺激作用， 中毒后可能 g / k b = 郑州大学硕士学位论文 表 1 . 1 3 , 4 一 二氛硝基苯的物理性质 外观熔点/ 沸点/ 闪点/ ( 闭式) 密度 / g . c m - , 溶解度 淡黄色针状结晶 ( 乙醇或c c l 。 中) 41 - 4 42 5 5 - 2 5 61 2 31 . 4 5 6 r 不溶于水， 溶于 甲醇， 乙醚、乙 醚和丙酮 1 . 1 . 3 3 - 氯- 4 - 氟一 硝基苯的性质d o 3 - 氯- 4 一 氟一 硝基苯( f c n b ) ， 英文名称: 2 - c h l o r o - 1 登录号: 3 5 0 - 3 0 - 1 1 ，c 6 h 3 c i f n 0 2 ，分子量1 7 5 . 5 5 ; - fl u o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e . c a s 结构式为: 物理性质:外观白 色晶体， 熔点 4 1 0c - 4 3 0c ; 沸点 2 2 6 0c -2 3 2 c , 1 2 7 0c / 2 . 2 7 k p a ; 闪 点 1 1 0 0c( 闭 式， p 4 ; = 1 . 6 0 2 8 ; d = 1 . 5 6 7 4 ; 不 溶 于 水， 易 溶于 醇、 醚、 二甲 亚枫和二氯甲 烷等。 有刺激性。 1 . 2 国内外研究概况 1 . 2 . 1 合成工艺路线 关于氟氯苯胺的合成方法， 早在二十年代 英国化学会志 就有报道。 其后， 在六十年代英国、 美国、 西德、日本也相继进行了相关报道， 特别是随着相转移 催化法的发展， 七十、八十年代西德、 英国报道了用相转移催化的方法， 用于芳 烃和杂环化合物的 还原反应 16 ，不仅收率高， 而且反应温度低。但截至目 前相 转移催化法用于氟氯苯胺( c f a ) 的合成中报道不多. 据文献报道， 氟氯苯胺( c f a ) 的化学合成方法大体上有如下五条路线: 1 . 以氟苯为原料 i hzso4+hno3 n u z 或n i 加h i中 “合 c l 1 、 曰 2 n h s 该法总的收率较高， 但由于氟苯价格较高而使其成本偏高， 没有工业化生产。 郑 州 大 学 硕 士 学 位 论 a_ _ 其中氟苯硝化的邻对位产物1 : 8 8 需精馏分离。 2以邻二氯苯为原料: 罕 罕 k f了决 洲d m s o $g ?fl)丫 n o , n 0 2 f e . hc i 一一一-一-.卜 狱产 c i yn h n 方法2 硝化步骤副产物少，产品收率高，工艺技术成熟，己工业化生产。 但 该工艺对邻二氯苯的质量要求较高，且d m s o 的回收率较低，导致此方法的生产 成本较高; 国内 邻二氯苯原料相当一部分依靠进口， 价格较高且受外界制约较大 (4 1 ; 还有混酸硝化的废水处理量大， 污染严重， 流程也较长 ( 见图1 - 1 ) 。 为了 尽 量降低邻二氯苯原料价格带来的生产成本上涨， 还有直接采用混合二氯苯( 对二 氯苯和邻二氯苯) 为原料， 经过硝化合成混合二氯硝基苯、 经氟化过程合成混合 氟氯硝基苯，但都存在异构体的分离问题。其中氟化过程的转化率只有5 4 . 7 % , 收率8 2 % . 3 . 以对硝基氯苯为原料 cl 中 书i n o x no2 一k f n d ms o洛 剂 、 啼， f e . h c i i k c i 尹a n 加 h 2 y n 0 2 n h z 方法3 主要原料对硝基氯苯国内 生产能力大， 供应充足， 价格适中， 生产流 程短， 产品收率与邻二氯苯法相近， 是一种较适合我国国情、成本较低、 工业化 生产较适宜的工艺路线，也与任务来源单位开普集团公司现有要求相适应。 4 . 以硝基苯为原料: ( c . 氏) z f 无水h f , 00加妹 浪夕q /、一n 方法4 无水h f 用量大 ( 约为硝基苯及溶剂用量的4 0 倍) ，尽管氟化、还原 加氢可以一步完成， 工艺流程短， 但转化率低， 后处理复杂， 污染大， 工业化生 郑州大学硕士学位论文 产困难。 5 . 以对硝基苯胺为原料 n b 凡 热分解 f e. hc 或 n 咖 11 方法5 为著名的希曼反应 ( b d z - s c h i e m a n n r e a c t i o n ) ，重氮氟硼酸盐热分解 氟化法，是成熟古老的间接氟化方法，但因硝基一o z 的存在，氟硼酸重氮盐热 分解时温度高难以控制，一般需加助分解催化剂，且氟化步骤收率不高。 综合以上分析比较，有实际工业化意义的为方法 2 和方法 3 e 1 . 2 . 2 3 , 4 一 二氯硝基苯制备工艺流程框图 现有的以 对硝基氯苯和邻二氯苯为原料合成 3 , 4 一 二氯硝基苯的生产工艺流 程有如下两种，可以看出，邻二氯苯法流程比对硝基氯苯法长，步骤多。 1 . 邻二氯苯法工艺流程 混 酸 垫 z k 5 % 纯 碱冰水 邻二 氮苯 亘 回 枢回 活 性炭 2m矿 a, 卜州5 #f干 燥 乙醇 产品 图1 - 1 令 r =氯苯法合成3 , 4 一 二氯硝基苯流程图 2对硝基氯苯法工艺流程 3 ,4 - : -. 氯硝基苯 图1 - 2 对硝基氯苯法合成3 , 4 一 二氯硝基苯流程图 郑州大学硕士学位论文 1 . 2 . 3 3 - 氯- 4 - 氟硝基苯制备工艺流程框图 目 前，己工业化的3 - 氯- 4 - 氟硝基苯制备工艺是溶剂法。 3 . 4 一 二氯硝基苯 冷却 结晶 过滤 3 - 氯一 4 - 氟一 硝基苯护 州 干 燥 图1 - 3 溶剂法合成3 - 氯- 4 - 氟硝基苯流程图 1 . 2 . 4 3 - 氯- 4 - 氟苯胺制备工艺流程框图 1 、铁粉还原法 氟氛笨胺 图 1 - 4 铁粉还原法合成氟氛苯胺流程图 2 、催化加氢还原法 氟氯苯胺 图1 - 5 催化加氢还原法合成氟氯苯胺流程图 通过分析比 较， 本文采用成本较低的 工艺路线: 以对硝基氯苯作为主要原料， 也与任务来源单位的要求相符， 采用自 行设计的塔式氯化器、 按照图1 - 2 的氯化 工艺流程合成3 , 4 一 二氯硝基苯;而氟化采用新的工艺路线，革除溶剂的使用， 郑州大学硕士学位论文 采用相转移催化剂、活性氟化钾为氟化剂， 使3 , 4 一 二氯硝基苯发生氟氯置换合 成3 - 氯- 4 - 氟硝基苯，并对工艺条件进行了考察和优化。 1 . 3 课题研究的目的和意义 “ 氟氯苯胺合成工艺研究”的课题任务来源于河南开普集团公司。该公司 主要产品为氯苯系列、硝基氯苯系列等基本化工原料或中间体， 硝基氯苯销售 价格连续下滑，效益不佳。为了开拓更广阔的市场，急待开发其下游产品。该 课题主要研究利用现有产品作原料， 制备作为多种药物重要中间体的氟氯苯胺 合成新工艺，以期达到流程简单、工艺条件缓和、产品质量好、操作方便并易 于工业化的目的。 氟氯苯胺( 即: 3 - 氯- 4 - 氟苯胺) ，是合成多种新型、高效药物例如氟啧酸、 环丙氟呱酸、氟氯呱酸等的基础原料， 也是染料、杀菌剂、 含氟农药除草剂如低 毒、 选择性高的“ 除草醚” 、 3 - 氯- 4 - 氟苯氧乙酸的重要中间体， 广泛用于各个领 域，其用量很大，国内目 前氟氯苯胺年需求总量约万吨以上，实际生产能力仅 4 0 0 吨， 特别是高质量的医药级产品 不能 满足市场， 部分依靠进口。 该产品国内 市场价1 01 3 万元八， 国际市场看好， 价格约2 万美元八(2 , 3 1 。国内目 前的合成方 法存在许多问题: 诸如氟化过程收率低、 反应温度高、氟化钾配比大、 溶媒用量 多， 使得成本高、 价格高。 因此， 立足国内， 加快其开发和利用， 提高产品产量、 质量和国际市场竞争力，具有重要的经济价值和社会效益。 郑州大学硕士学位论文 第二章实验部分 2 . 1 实验原料及试剂 1 、 对硝基氯苯( p n c b ) 英文名称:1 - c h l o r o - 4 - n i t r o b e n z e n e c a s 登录号: 1 0 0 - 0 0 - 5 分子式:c61-14c1 n 0 2 结构式: n q oes c i 相对分子量:1 5 7 . 5 6 表2 . 1对硝基氯苯 物性表u o 外观 熔点 / 沸点 / d 2 2 2 3 0 0c ( 分解) ， 溶于水， 水溶液呈碱性， 产生大量气泡， 具刺鼻气味。微溶于醇、氯仿， 不溶于 醚。用作杀菌剂、消毒剂和软化剂等。有腐蚀性和毒性;耐热、 强碱， 有优良的生物降解性及表面活性， 核酸和粘多糖的沉淀剂， 耐光，耐强酸、 芳烃和杂环化 合物还原时的相转移催化剂。也常用作胶束增溶分光光度法试剂。 8 、三氯甲烷 英 文名称: m e t h y l t r i c h l o r i d e c a s 登录号: 6 7 - 6 6 - 3 分子式:c h c 1 3 相对分子量:1 1 9 . 3 8 物理 性 质141 : 无色 透明 液 体， 具 强 折 光 性。 凝固点 一 6 3 . 5 *c ; 沸点6 1 . 2 0c ; p , = l . 4 9 8 4 ; p z z0 = 1 . 4 8 4 0 ; 折 光 率1 . 4 4 7 6 。 有 特 殊 气味、 味 甜。 易 挥 发 而 不 易 燃，遇阳光或空气中的氧分解并产生光气，一般加入0 . 6 % -l % 的乙醇作稳定剂。 2 5 0c 时l m l 能溶于2 0 0 m 1 水。 能与醇、 苯、 醚、 石油醚、四氯化碳、二硫化碳和 油类混溶。 具有麻醉性， 能刺激戮膜并较快从兴奋状态变为困倦、 眩晕、麻醉， 严重时 可致死。 氯仿蒸气可刺激戮膜从而引起损害， 进入眼睛能患眼球震颤症。 氯仿的 慢性中毒表现为呕吐、 消化不良、 食欲减退， 严重者患忧郁症和精神病。 空气中 最高容许浓度为5 0 p p m . 9 、甲苯 英 文 名 称: t o lu e n e 相对分子量:9 2 . 1 3 物理性质 14 1 : 无色液体， 有类似苯的 气味。 熔点一 9 4 . 9 9 0c ; 沸点1 1 0 . 6 0c ; p 4 1 1= 0 . 8 6 6 9 , p 4 y5 = 0 . 8 6 2 3 :闪点4 . 4 1c ( 闭 式) ;熔化热6 . 6 2 4 k j .m o l 1 ; 蒸发 热 3 3 .4 9 k j .m o 1 1 ( b .p .) , 3 8 . 1 k j .m o l1 ( 2 5 0c ) ; 生 成 热 1 2 .0 0 4 k j .m o 1 1( 液 体 ) ， 5 0 .0 3 2 k j .m o l -1( 气体 ) ; 燃烧热3 9 1 8 k j .m o c 1 0 属低毒类溶剂，具有麻醉作用.对皮肤的刺激作用比苯强。 1 0 、甲醇 英文名称: m e t h a n o l 相对分子量:3 2 . 0 4 郑州大学硕士学位论文 物理性质 14 1 oc:p 4 z 0 = 0 . 7 9 1 3 , 无色透明 液体， 略有酒精的气味。 熔点一 9 7 . 4 9 0c ; 沸点6 4 . 5 1 p 4 10 = 0 . 8 0 0 5 ;闪点 1 2 . 0 0c( 闭式) ; 发 热3 5 .3 2 k j .m o 1 - 1( b .p .) ; 生 成 热 一 2 3 8 .8 2 k j .m o 1 1 ( 液 体 ) 燃 烧 热7 2 6 .8 3 k j .m o 1 1 ( 2 5 0c ) 。 熔化 热9 8 . 9 1 k j .k g 1 ; 蒸 ， - 2 0 1 .3 9 k j .m o 1 1 ( 气体 ) ; 为一级易燃液体。 属中等毒类， 具有麻醉作用。可被皮肤吸收， 饮用或吸入 蒸汽而造成中毒，其特征是刺激视神经及网膜，导致眼睛失明。 1 1 ,氮气 英 文名 称: n it r o g e n c a s 登录号: 7 7 2 7 - 3 7 - 9 1 相对分子量:2 8 . 0 1 3 物理性质 19 1 : 无色无臭无味 气体， 密 度1 . 2 5 0 6 。 相 对密 度: 气体0 . 9 6 7 4 ( 空 气为 1 ) ，液体 0 . 8 0 8 0 g1 9 5 0c ) ，固体 1 . 0 2 6 0 c 2 5 2 0c ) .熔点一 2 0 9 . 8 6 0c ，沸点 - 1 9 5 . 8 0c。 稍溶于水和乙醇。 化学性质不活泼。 来源: ( 1 ) 郑州市煤炭机械厂( 反 应时作氮气保护用)纯度:x9 9 . 9 9 % 0 ( 2 ) g c n 1 3 0 0 氮气发生器 ( 色谱分析用) 。 1 2 ,氢气 英文名称: h y d r o g e n c a s 登录号: 1 3 3 3 - 7 4 - 0 相对分子量:2 . 0 1 6 物理性质 19 1 :无色无臭无味气体， 密度 0 . 0 8 9 8 7 ( o 0c ) 。 在液体中溶解甚 微，但一些金属却可吸收h , ( 例如把可吸收4 倍于自身体积的氢气) 。在常温下 较不活泼， 在高温下则变得非常活泼。 能燃烧， 常能与许多金属和非金属直接化 a 仁9 e 来源:g c d - 3 0 0 b 氢气发生器 1 3 、氧气 英文 名称:o x y g e n c a s 登录号: 7 7 8 2 - 4 4 - 7 相对分子量:3 1 . 9 9 物理性质191 : 无色无臭无味 气体， 相对密度: 气体 1 . 4 2 9 ( 0 c ) ， 液体 1 . 1 4 9 介1 8 3 0c ) ，固体 1 . 4 2 6 g 2 1 8 . v c ) 。熔点一 2 1 8 . 4 *c，沸点一 1 8 3 0c 。不易溶 于水， 微溶于醇。 燃烧及氧化反应在氧气中可迅速剧烈地进行， 同时放出大量热。 郑 州 达堂 硬 士 * 1 t i t ) z一一一一一一一一一一一一一一 来源:s p b - 3 全自 动空气源。 2 . 2 主要仪器与设备 表2 . 5 主要仪器设备一览表 序号名称 型号生产厂家或产地 1塔式氯化器自 行设计郑州大学玻璃加工 2 2 5 0 长尾管导电 表 /郑州科仪化玻公司特制 3氯气毛细管流量计/郑州大学玻璃加工 4 t 1 5 针形阀 j 1 3 h - 1 6 0 开封市石化阀门厂 5精密温控仪t d w浙江余姚温度仪表厂 6气相色谱仪g c - 9 0 0 a上海色谱仪器厂 7全自动空气源s p b - 3上海 8氮气发生器g c n 1 3 0 0上海 9氢气发生器g c d - 3 0 0 b上海 1 0 2 5 0 m 1 调温电 加热套k d m型 / 1 1 电动强力调速搅拌器d - 8 4 0 1 型上海标模厂 1 2 真空干燥箱 / 1 3 旋片式真空泵t y t 1 2 4 型 上海 1 4 离心分离机 2 . 3 氯化反应装置及工艺过程 2 . 3 . 1 反应原理 氯化反应如下: 几娜飞 衬叽 衬叽 该反应是芳环上的亲电取代氯化， 芳香化合物的性质对氯化条件和产物组成 有直接影响。 苯环上原有的取代基一 c 1 和一 n 0 , 都具有较强的定位效应， 卤原子一 c 1 作为弱的吸电子基团使苯环微微钝化， 进一步氯化的难度增加， 速度减慢， 但氯 原子未共用电子对的共扼效应却使邻、 对位的钝化作用较间位小， 所以对硝基氯 郑州大学硕士学位论文 来源：s p b 一3 全自动空气源。 2 2 主要仪器与设备 表2 5主要仪器设备一览表 序号名称型号生产厂家或产地 1 塔式氯化器自行设计郑州大学玻璃加工 22 5 0 长尾管导电表|郑州科仪化玻公司特制 3 氯气毛细管流量计郑州大学玻璃加1 ： 4 ( p 1 5 针形阀j 1 3 h 一1 6 0 。 开封市石化阀门厂 5精密温控仪t d w 浙江余姚温度仪表厂 6 气相色谱仪 g c 一9 0 0 a 上海色谱仪器厂 7 全自动空气源 s p b 一3 上海 8氮气发生器g c n l 3 0 0上海 9 氢气发生器 g c d - 3 0 0 b 上海 1 0 2 5 0 m l 调温电加热套k d m 型f 1 1电动强力调速搅拌器d - 8 4 0 1 型 上海标模厂 1 2真空干燥箱 1 3旋片式真空泵t y t l 2 4 型 上海 1 4离心分离机 2 3 氯化反应装置及工艺过程 2 3 1 反应原理 氯化反应如下： 删：旦秒i + 审 该反应是芳环上的亲电取代氯化，芳香化合物的：陛质对氯化条件和产物组成 有直接影响。苯环上原有的取代基c l 和一n o ：都具有较强的定位效应，卤原子一c l 作为弱的吸电子基团使苯环微微钝化，进一步氯化的难度增加，速度减慢，但氯 原子未共用电子对的共轭效应却使邻、对位的钝化作用较间位小，所以对硝基氯 郑州大学硕士学位论文 苯的亲电取代反应主要得到氯原子的邻、对位产物，但氯原子的对位已被硝基 一n 0 2 占据，因而亲电取代主要发生在氯原子的邻位( 即位和位) ；而硝基一n o 。 对其邻、对位的钝化程度大于间位，因而主要得到其间位取代产物，可见两种取 代基的定位效应一致( 见表2 6 ) 。 2 - 6 苯取代衍生物在氯化时的定位。 试剂c l ： 已有取代基 邻位一间位_ 对位- 一c l3 965 5 一n 0 2 l 9 5 4 因此，对硝基氯苯( p n c b ) 氯化时应主要得到3 ，4 - 二氯硝基苯和1 ，2 ，3 - - - 氯一5 一硝基苯，通过控制氯化条件和氯化程度，可得到以前者为主，后者为副的 产物。研究表明。“，若要得到环上氯化取代产物还必须在催化剂存在下，采用分 子氯氯化时，常用f e c l 。、a 1 c 1 。、t i c l 。、t i c l 。及其它路易氏酸作催化剂，工业 上最常用的是f e c l 。从来源和成本考虑，我们选用无水g e c l ，作为催化剂。从上 式还可看出，作为产物之一的h c l 气体，若采用有效的多级吸收不断移去，则有 利于反应向右进行，实验中，我们采用了一级水、二级碱的两级吸收，不仅可副 产盐酸，同时可满足大气排放要求。 2 3 2 氯化反应装置及工艺流程图 1 氯化反应装置图( 见图2 - 1 ) ： 为了便于实现工业化生产，实验中自行设计了塔式氯化反应器，其装置图如 下： 塔身直径m 。5 0 ，h = 2 5 0 m m ： 塔上部扩大部分直径机1 0 0 ，h 2 = 1 0 0 m m ； 塔高h ：塔径m ，= 6 一v 8 ：1 ( h = h + h ：) 1 号、3 号口径为1 4 4 磨口；2 号口径为1 9 。磨口，且位于塔中心线上： 2 、3 号口圆心距_ 氯气流量) 催化剂用量) 氯化温度 17d佃佃词 岁昆荟姿 e ，、 聋 翎劫佃佃佃佃佣佃 飞 s匆石 抓 气tw- 炸 ( b ) 一妙 郑州大学硕士学位论文 一 1s4彼 / / ， 图 承 1 用 乓 仍 辞俩 邻 承乓哥荟 : : 0 0 ed 0 住 石0 0 d 0 c e s 叹目 1 i i v t j (0 ) 田佑1 田， 币 下 ( cd 1 1 0 1 1 5 1 团 图3 - 1 氯化正交试验结果分析图 从上表极差可看出，氯化时间影响最显著，其次是氯气流量， 催化剂用量， 反应温度影响最小。还可看出: ( 1 )