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硝基苯甲醛的合成田澍硕士学位论文 摘 薯 3 9 知8 8 要 摘要：本文报道了一种硝基苯甲醛合成的新i 艺。以氯化苄为起始原料， 硝硫混酸进行硝化；7 5 8 0 下常压碱性水解得到硝基苯甲醇异构体混合物， 经铜基络合物催化氧化、焦亚硫酸钠提取、减压精馏得邻硝基苯甲醛和对硝 基苯甲醛目标产物。确定了三步反应的较佳工艺条件，并实现氧化过程催化 剂和溶剂的回收利用。硝基苯甲醛合成的工艺条件为：硝化料比，h ( 氯化苄1 ：n ( h n 0 3 ) = l ：1 1 5 ，m ( h n 0 3 ) ：肌饵2 s 0 4 ) ：m ( h 2 0 ) = 7 3 ：2 2 ：5 ，硝化 温度4 5 5 0 ，硝化时间1 5h ；水解料比，h ( 硝基氯化苄) ：n ( n a 2 c 0 3 ) = 1 ：1 1 5 1 2 ，m 饵2 0 ) ：m ( n a 2 c 0 3 ) = 1 6 7 ：l ，水解温度7 5 8 0 ，水解时间 2 2 h ；氧化料比，肼( 对硝基苯甲醇) ：m ( c u c i ) ：m ( 邻菲络啉) ：m ( 肼二甲 酸二乙酯) ：m ( k 2 c 0 3 ) = l ：0 0 5 ：0 0 5 ：0 0 5 ：2 ，氧化温度7 8 8 2 ，氧化 时间3h 。邻硝基苯甲醛总收率为2 0 1 ，对硝基苯甲醛收率为2 1 8 。 关键词：氯化苄，硝化，水解，氧化，邻硝基苯甲醛，对硝基苯甲醛 塑董苎! 壁塑塑鱼堕 曼堂堡主堂! ! 鲨茎望 a b s t r a c t a b s t r a c t ： n i t r o b e n z y lc h l o r i d e sw a sp r e p a r e db yn i t r a t i n gb e n z y lc h l o r i d e u s i n gm i x e da c i da n dh y d r o l y z e di na q u e o u sb a s i cm e d i u mt on i t r o b e n z y la l c o h o l s t h ea l c o h o l sw e r et h e no x i d i z e dt on i t r o b e n z a l d e h y d e sv i ac o p p e rc a t a l y z e da i r o x i d a t i o n 2 - n i t r o b e n z a l d e h y d ee a r lb es e p a r a t e df r o mt h em i x t u r eo fi s o m e r sb y d i s t i l l a t i o na n d4 - n i t r o b e n z a l d e h y d ec a nb es e p a r a t e df r o mt h ed i s t i l l a t i o nr e s i d u e t h i sr e p r e s e n t san e wa n df a c i l er o u t et ot h et w oi s o m e r so fn i t r o b e n z a l d e h y d e s o p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w ：t h en i t r a t i n gm a s sr a t i oo fh n 0 3 ： h 2 s 0 4 ：h 2 0w 鹬7 3 ：2 2 ：5 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e4 5 - 5 0 c ，a n dt h er e a c t i o nt i m e w a s1 5h ；t h eh y d r o l y z i n gm o l a rr a t i oo fn i t r o b e n z y la l c o h o l s ：n a 2 c 0 3w a si ： 1 1 5 i 2 ，t h em a s sr a t i oo f n h c 0 3 ：h 2 0w a s1 ：1 6 7 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e7 5 8 0 a n dt h er e a c t i o nt i m ew a s2 2h ：t h eo x i d i t i o nm o l a rr a t i oo f n i t r o b e n z y la l c o h o l ：c u c i ：d e a d ：o - p h e n a n t h r o l i n e ：k 2 c 0 3w a si ：0 0 5 ：0 0 5 ：0 0 5 ：2 ，r e a c t i o n t e m p e r a t u r e7 8 - 8 2 1 2 ，t h er e a c t i o n t i m ev c a s3h t h eo v e r a l ly i e l do f2 - n i t r o b e n z a l d e h y d ew 邪2 0 1 a n dt h eo v e r a l ly i e l do f4 - n i t r o b e n z a l d e h y d ew a s 2 1 8 k e y w o r d s ：b e n z y lc h l o r i d e 。n i t r a t i o n ，h y d r o l y z e ，o x i d a t i o n ， 2 - n i t r o b e n z a l d e h y d e ，4 - n i t r o b e n z a l d e h y d e 硕士学位论文 1 1 绪论 1 1 产品性状和用途1 1 l 巾l 硝基苯甲醛有三种异构体，即：邻硝基苯甲醛、间硝基苯甲醛和对硝基苯 甲醛。三种异构体都是重要的有机中间体，广泛应用于医药、农药、染料等 精细化工产品的合成。 邻硝基苯甲醛( o n i t r o b e n z a l d e h y d e ) 是淡黄色针状结晶，具有苯甲醛的 气味。熔点4 4 4 6 羽”，沸点1 5 3 ( 2 ( 3 0 6 k p a ) 。其结构式如下： 旺艘 邻硝基苯甲醛微溶于水，溶于醇、醚和苯，能随水蒸汽挥发。可用于制造 抗心绞痛药硝苯毗啶( 心痛定) ：将其硝基还原为氨基后成为邻氨基苯甲醛，可 用于合成喹啉环类药物。 对硝基苯甲醛( p - n i t r o b e n z a l d e h y d e ) 为白色或淡黄色结晶。熔点1 0 5 - 1 0 7 2 】【”，其结构式如下： o h c - 卜n 0 2 对硝基苯甲醛微溶于水及乙醚，溶于苯、乙醇及冰醋酸。能升华，能随水 蒸汽挥发。本品用于制造药物对硝基苯丁烯酮( 氯霉素) ，也可用于制染料中 间体。 间硝基苯甲醛( m - n i t r o b e n z a l d e h y d e ) 为淡黄色结晶粉末，熔点5 8 c t 2 m 1 ， 沸点1 6 4 ，其结构式如下： 峨 。h 电 间硝基苯甲醛微溶于水，溶于乙醇、乙醚氯仿等多种有机溶剂，能随水蒸 汽挥发。可用于制造染料、医药、表丽活性剂等。 1 2 现行生产工艺概述1 4 1 - 1 1 0 l 1 2 1 邻硝基苯甲醛1 4 1 - 7 l 根据专利文献报道，邻硝基苯甲醛的合成方法1 4 1 1 ”很多，主要以邻硝基苯 甲醇或邻硝基卤代甲基苯为原料生产。就目前国内生产厂家而言，主要用以 下方法进行生产： 共4 6 页 壁苎! 壁鱼塞王茎! 堕 里塑堡主堂堂壅 ! 苯甲醛法嗍 苯甲醛与乙酸酐反应，生成醛基被保护的中间体苄基二乙酸酯，再经硝化 水解得产品。其反应式如下： n 0 2 介c h o 继幽介唧c 0 c h 3 ) 2 塑哟介c h ( o c o c h 3 x 岩阻 n c h 0 0 2 +h ob n 此法缺点是产物分离困难，而且纯度不高，总收率亦低。 邻硝基甲苯氧化法1 7 i ( 1 ) 铬酐氧化法 反应式如下： 旺净( c 邺o ) 2 0 竺ld c h ( o o z 删9 2 上旦降c h o 弋 n 0 2 用此法生产邻硝基苯甲醛，纯度高，收率在3 0 左右。但工艺需消耗大 量醋酐和醋酸，而且含铬废水不易处理。 ( 2 ) 侧链硝化氧化法删 反应式如下： c h 2 n 0 2 妒c h o n a o h鼢弋l7 n02岛 该工艺操作困难，工序多，同时由于要用到硝酸蒸气，对设备要求高， 腐蚀严重。 ( 3 ) 邻硝基甲苯绾合氧化法删 其反应式如下： ：，。一疵魏菇。秘，。i 娃 共4 6 页 o 叫bd 硝基荤甲醛合成工艺研究田澍硕士学位论文 3 今c 警p 咄啦p 删一 尬 扬 乏 些岭呻。0 0 啪幽虬件 - - iv 此法工艺路线简单，原料易得，对环境无污染，是目前较为理想的一条合 成路线，但原材料成本较高，收率比较低。 邻硝基甲苯倔链甲基卤代水解法 由邻硝基甲苯经溴化，形成邻硝基溴苄，再经水解氧化制得【8 ，其反应 式如下： 岸硎挚旺册坚0 忡一塑 锻打倒挚g 册坚一。坚旺锻 工艺过程为：在反应釜中先加入5 0 0l 软化水，再加入2 9 0l 邻硝基甲苯 和4 6 0 l 四氯化碳升温至6 5 ( 2 ，3 4 h 内分6 次加入1 8 7 k g 溴素，并每隔ih 加催化剂。待从回流玻璃管观察溴蒸气不多时，开始滴加双氧水，在4h 内 加完1 4 0k g ，保温2h 。溴化液泵入水解釜，加入1 6 3 0l 软化水，2 8 0k g 纯 碱7 0 7 5 c 下保温2 2 h o 水解液经分离器分离后，取下层物料放入氧化釜，5 5 - - , 6 0 下将2 2 0l6 0 硝酸在l i 5h 内加完，6 0 - - 6 5 c 下保温搅拌3h 。氧化液经 分离、脱色、焦驱硫酸钠提纯、四氯化碳重结晶并干燥后即得成品。 本法的优点是产率较高，产品纯度较好，是目前使用最多的工艺方法。但 操作麻烦、费时，溴素的利用率较低，对环境的污染较大。 1 2 2 对硝基苯甲醛 对硝基苯甲醛通常由对硝基甲苯经侧链氧化、水解而制得啪，其反应式如 共4 6 页 硝基苯甲硅合成工艺研究 田澍 硕士学位论文4 h 3 c + 2 ( c h 3 归盟l 刚q c h ( o c o h 3 ) 2 + 2 c h 3 ( x ) o h h 2 0 i h ：黜 r v n i 。2 + 2 c h 3 c o o h c h o弋夕 工艺过程为：先将冰醋酸、醋酐、对硝基甲苯加入反应器中，冷却至5 c 以下，在1 5 c 以下慢慢加入硫酸，继续搅拌冷却至o ，分批加入三氧化铬， 控制温度在1 0 c 以下，加完继续搅拌0 5h ，然后倒入冰水中析出结晶，过滤， 将结晶冷水洗至无色，再用4 碳酸钠溶液洗，搅拌1 5m i n 过滤，再用冷水 洗至中性，得对硝基苄基二乙酸酯，再将所得产物和水、乙醇、浓硫酸回流2h ， 冷却过滤出粗品，水洗至中性，用乙醇重结晶得成品。 该工艺的不足之处在于反应条件要求严格，难以控制，产率较低，并且产 生的大量含铬废水难以处理o i ，严重污染环境。 1 2 3 间硝基苯甲醛 间硝基苯甲醛可由苯甲醛直接硝化而制得1 1 0 1 ，其反应式如下： p 卜c h o 燮坠- r 丫c h o vh 2 s o + v+ h 2 0 n o z 工艺过程为：将硫酸加入搪玻璃反应器中，搅拌下加入硝酸钠，加热至7 0 使全部溶解，然后降温至5 ，搅拌滴加苯甲醛，保持在5 1 0 。加毕， 继续搅拌lh ，至反应釜内无苯甲醛为止。将硝化物缓缓加入碎冰中，充分搅 拌，待硝化物完全析出，滤出沉淀，用1 0 以下的碳酸钠溶液洗涤去酸，滤 干，压去油状物；再用酒精洗涤除去邻位硝基物后，经低温减压干燥，即得 成品。 该法的优点是步骤少，但反应中有异构体生成，需进行分离。 1 3 本课题的主要研究内容和实验方案 近年以来，随着其下游产品的不断开发，硝基苯甲醛异构体的需求量呈上 升趋势】。各发达国家基于本国环境保护的考虑，不愿生产，主要依靠进口。 因此，国内国际市场对于硝基苯甲醛的需求量都较大。因此，研究硝基苯甲 醛合成新工艺，开发出一条既能提高产品收率和质量，又能降低生产成本、 减少污染的新工艺路线，将有着非常重要的经济和社会效益。 共4 6 页 田澍 硕士学位论文 5 顺应市场经济的规律，国内有不少厂家建有邻、对或间硝基苯甲醛生产线。 特别是邻硝基苯甲醛，因其价格较高，生产厂家更多。据了解，国内这些邻 硝基苯甲醛的生产装置几乎都采用硝基甲苯经溴化、水解和氧化生产硝基苯 甲醛的工艺，这也是目前比较成熟的工艺路线。但该工艺仍存在些不足之 处，一是溴化过程所用的溴素成本较高，过氧化物催化剂较敏感，需在低温 冷冻条件下保存和运输，给生产造成不便。二是硝基苯甲醇的氧化用稀硝酸 作氧化剂，硝烟对环境污染较大。另外，该工艺总收率也不高，只有3 0 ， 因而原材料成本较高。本人在毕业论文工作中，在该工艺路线的启发下，提 出一条以氯化苄为原料，经硝化、水解、氧化合成硝基苯甲醛异构体的新工 艺路线。反应过程式如下： o - c n 2 c 些子删+ n 0 2 分+ a 岛a l 垃o l n a 0 0 3 l n 0 2 詈0 + 【o 】 c r i 2 0 n 新工艺路线与溴化、水解、氧化的工艺路线比较，所用的反应类型相同， 只是卤化与硝化反应的顺序相反。新工艺所用的原料氯化苄是一种大宗的化 工原料，来源广泛，成本低廉，避免了使用价格较高的溴素作为卤化试剂， 有利于降低生产成本，提高生产的安全性。不过，新工艺存在异构体分离问 题。经初步研究发现，三种异构体可以在下述工艺过程中逐步得到分离。首 先，由硝硫混酸硝化氯化苄制得三种硝基氯化苄异构体的混合物。将硝基氯 化苄异构体的混合物在常压7 5 8 0 下碱性水解制得硝基苯甲醇，由于间硝 基氯化苄水解速率远小于邻、对位异构体，控制水解条件。可以使间硝基氯 化苄不被水解，继续留在油相中，在氧化步骤后因不能被氧化成相应的醛而 与邻、对位异构体分开。水解产物邻、对硝基苯甲醇经氧化生成邻、对硝基 苯甲醛混合物，由于邻硝基苯甲醛的沸点( 1 5 3 c 2 3 m m h g ，常压下约2 7 0 ) 远低于对硝基苯甲醛的沸点( 常压下约3 4 0 ) ，经减压蒸馏可将邻硝基苯甲 醛分出，残留物经精制可得对硝基苯甲醛。 共4 6 页 螂 棚 如 伊 节 节 硝基苯甲醛合成工艺研究田澍硕士学位论文 6 本人在实验研究过程中，对硝化、水解和氧化的具体工艺作了较深入 的探讨，在文献基础上进行了改进。特别是氧化工艺，文献一般采用稀硝酸 氧化，我们研究出一条由过渡金属催化的空气氧化路线，不仅避免了硝烟对 环境的污染，收率也比硝酸氧化法提高近1 0 ，有工业应用的前景。 1 3 1 硝化方案 根据所查文献【1 2 j 和对一些生产厂家的调查，工业硝化多采用混酸硝化，主 要原因是该方法原料价格低廉，硝化产率也较高，工业化过程成熟。但随着 各国对环境保护的重视，对混酸硝化产生的废酸处理标准不断提高，由此带 来废料后处理成本提高，对装置的要求增加。甚至有许多厂家为了配合旧有 装置而不得不新建废酸回收处理装置。 考虑到这个原因，对于具备废酸处理能力的企业，采用混酸硝化，对于新 上马的企业。拟采用一种新的清洁硝化工艺：n o ：o ，硝化。该硝化方法是往 氯化苄的二氯甲烷溶液中通入n o ，和o ，具体机理和实验条件见2 142 2 2 该工艺不仅硝化时间短，而且可以大大降低对环境的污染。 1 3 2 水解方案 根据文献报道i i “，以往生产大多采用常压1 0 5 1 2 下回流水解，但实验发现 高温下，反应溶液呈深褐色，严重影响产品的色度。见3 3 。 本次课题采用常压7 5 一$ 0 下碱性水解。 1 3 2 氧化方案 将硝基苯甲醇氧化成硝基苯甲醛有许多种方法，除工业上采用的硝酸氧化 法外，实验室还可采用铬酐( c r 0 3 ) 、重铬酸、铬酸酯 c r o ：( o c o r ) 2 】、铬酰 氯( c r o ：c i ：) 的铬酸氧化法：高锰酸钾氧化法；以及利用d m s o 和酸酐以及酰 氯的氧化方法等。但这些氧化方法大都存在后处理难的问题，例如含铬的废 水极其不易除去，对环境产生极大的污染 本次课题采用铜基配合物催化氧化方法氧化硝基苯甲醇异构体，使之成为 相应的醛。铜基配合物催化氧化醇为醛的方法是由i s t v a ne m a r k o 。m a s a o t s u k a z a k ，p i l i 凡g i l s 等人在1 9 9 6 年提出的。它是利用c u c i 与邻菲络啉络合 成铜胺配合物，该配合物再与醇和偶氮化合物形成一价铜配合物，经两次分 子内氢转移反应生成羰基化合物，同时使关键的偶氮基团再生，保证催化循 环得以进行。具体机理和实验条件选择见4 2 、4 4 、4 5 1 。 铜基配合物催化氧化反应条件温和，产品转化率高，催化剂可回收循环使 共4 6 页 田澍硕士学位论文 7 用，大大降低了生产成本。并且该工艺无污染，是适应现代环保要求的清洁 工艺。 共4 6 页 硕士学位论文8 2 芳烃硝化原理和实验研究 氯化苄的硝化 2 1芳烃硝化原理 2 1 1 硝化剂 1 4 1 1 1 5 i 向有机物分子中引入硝基( - n o ：) 的反应称作硝化反应，硝化反应所用 的试剂称作硝化剂，硝化剂种类很多，可以是单一的化合物，也可以是混合 物。 硝酸 由硝酸结构可知，硝酸分子中最弱的键是h o 键，键长o 0 9 6 n m ，比正 常的0 h 键长0 0 6 9 n m 长0 0 2 7 r i m ，所以，硝酸容易释放出质子，发生电离 0 5 1 。硝酸分子中h o l _ - n 键也较弱，键长为0 1 4 r i m ，比正常0 _ n 单键键长 0 1 3 6 r i m 稍长，一定条件下可断裂h 0 _ n 键，电离出硝锚离子。 硝酸水溶液中，水相对于硝酸是碱，因此水是质子接受体，硝酸是质子给 予体，按下式进行电离： h n 0 3 + h 2 0 一h 3 0 + + n 0 3 稀水溶液中几乎全部硝酸都按上式电离。随着硝酸浓度增加，按上式电 离的相对量逐渐减少，硝酸水合物逐渐增多，浓硝酸中硝酸分子可以经由硝 酸合氢离子电离出硝镱离子，电离方程为： h n 0 3 + h n 0 3 一h 2 n 茈+ n o ； h 2 n o ；一n o ；+ h 2 0 h 2 0 + h n 0 3 一n 0 i + h 3 0 + 总反应为：3 h n 0 3 一n o ；+ n 3 6 + 2 n o 以上反应中，有一分子硝酸是以碱的形式( 质子接受体) 参与电离的，因 此也将这种电离称为“碱式电离”或“自身电离”，以区别于只释放出质子和 酸根离子的“酸式电离”。 “碱式电离”生成的硝鲶离子是强的亲电试剂，它具有直线型结构，中心 氮原子以s p 杂化轨道与两个氧原子成键。氮原子的两个p 轨道还可与氧原子 的相应轨道形成大7 1 ：键，若用长方框表示大兀键，其结构可表示为： 共4 6 页 碗士学位论文 9 l o n o f ： 叵= 二二= = = 二二= = 除了酚类和芳胺等极易硝化的物质外，工业上较少单独用硝酸硝化芳香族化 合物。这是因为硝酸体系的硝鳓离子含量低，硝化能力弱l 。硝化反应生成 的水易将硝酸稀释，为了保证硝化反应顺利进行，必须使用比理论量大得多 的硝酸。此外，硝酸不仅是硝化剂，还是氧化剂。氧化反应使产品的得率及 纯度降低，反应温度不易控制，反应过程的安全性降低。硝酸对金属的腐蚀 性很强，这也是单独使用硝酸作硝化剂的缺点。 硝酸与硫酸的混合物 工业上硝化芳香族化合物几乎都用混酸，这是因为混酸硝化有许多优点。 往硝酸中加入强质子酸可以大大提高其硝化能力，硫酸是最重要，也是最常 用的强质子酸。它和硝酸的混合物称作硝硫混酸，是强硝化剂。 硫酸是比硝酸更强的酸，在硝硫混酸中，硫酸起酸的作用，提供质子，使 硝酸按下式电离成硝鲶离子： h n 0 3 + h 2 s 0 4 一h 2 n 西+ h s o i 硝酸合氢离子 h 2 n o ：3 一n o ；+ h 2 0 h 2 0 + h 2 s 0 4 + h s o ：+ h 3 0 + 总反应为：h n 0 3 + 2 1 2 零0 4 一n 0 i + h 3 0 + + 2 h s 0 4 硝硫混酸中，硝酸转变成硝缩离子的转化率随着硝酸含量增加而降低，实 际应用中为提高硝酸利用率，混酸中硝酸含量不宜太高。 硝酸与其它质子酸的混合物，如硝酸与三氟甲磺酸的混合物，硝酸与高氯 酸、硒酸、h f 酸等的混合物中也存在硝鲶离子，因而也可作为硝化剂使用。 在无水硝酸和磷酸的混合物中也存在硝箱离子。用硝酸和磷酐的混合物硝 化甲苯，可以降低邻对比，提高对位产物的比例。 氮的氧化物，如n o ：、n o 、在臭氧存在下可硝化芳香族化合物，机理见 2 1 4 。 2 1 2混酸硝化机理 硝化反应是发现最早的有机反应之一。长期以来，对其机理进行了深入的 研究。最早的理论认为【”l ”l ”h “，芳香族化合物的硝化是加成一消除反应， 、。 共4 6 页 ，。 ，。j 蕊“强群、。鬈撩纛 田澍硕士学位论文 l o 首先生成硝酸与被硝化物的加成产物，然后失去一分子水变成硝基化合物， 0 + 卅 ! i 一。一b 6 + 。 当用硝硫混酸硝化时，硝化作用的活化剂是硝基硫酸，被硝化物加成到 硝基硫酸上，随后失去一分子硫酸，生成硝基化合物。 以后，又提出过硝酸加成到芳环上的加成消除机理， 甲 0 + 一吐( 3 - + 。 但是，许多实验事实不能用这种机理解释，例如，芳环上取代基的定位效应 等。因此，随着实验事实的不断积累，又提出了一些新的机理假设来解释芳 香族化合物的硝化反应。 本世纪5 0 年代初，深入研究发现硝鲶离子的存在，它是硝化反应的进攻 试剂，由此提出了芳香族化合物的亲电硝化机理，即芳香族化合物的硝化反 应是硝鲶离子进攻芳环引起的亲电取代反应。 关于硝鲶离子与芳环的反应过程，可判定为分步机理。硝鲶离子先进攻芳 环，生成中间体a r n 0 2 h + ，然后再脱去质子生成产物。根据速率控制步骤的 不同，有两种情况： 。 h ，n 0 2p 0 + + 告面寺0 一 慢快 0 + + 告西 长阴 快慢 “p r j ； j ：。 一蛳壤始淡鬣漱菇、 共4 6 页 硝基苯甲醛合成工艺研究田澍硕士学位论文 1 1 进一步的动力学研究表明，对于大多数芳香族化合物的硝化，第一步硝鲶 离子对芳环的进攻是速率控制步骤。 由此可见，若将硝鲶离子的生成过程和硝鲶离子与芳环的反应过程综合起 来，在质予酸存在下，用硝酸硝化芳香族化合物的总反应过程可表示如下： 洲0 3 + 旷圭2 n 0 3 + 快k 1 。、 2 n 0 3 + 1 k i z n 0 2 + + h 加 快 k 2 。 、 o + + 一k 3 终艿一 慢快 这就是芳香族化合物亲电硝化机理的完整描述。 关于中间体a r n o ：h + 的结构，通常认为硝镣离子与芳环以。键相连，其正 电荷已被分散到芳环上，以苯的硝化为例，- - 用共振式表示如下： h ，n 0 2h n 0 2h n 0 2 + a 一( 1 n + 、y v 具有这种结构的中间体称为。配合物或w e l a n d 中间体。 2 1 3 芳香族化合物的硝化活性与选择性 活性和选择性的定性解释1 2 l l i 扎l 删 和其它芳环上的亲电取代反应一样，芳环上已有的取代基对芳香族化合物 亲电取代硝化的影响表现在两方面，一是影响硝化活性，二是影响硝基进入 的位置。就对硝化活性的影响而言，可将取代基分为致活基团和致钝基团， 就对硝基进入的位置的影响而言，可将取代基分为邻，对位定位基和间位定 位基。 根据反应速率的过渡状态理论，反应速率取决于活化自由能的大小，即取 决于过渡状态与反应物的吉布斯自由能之差。如果取代基对过渡状态的稳定 化作用比对反应物的稳定化作用大，就会使反应的活化自由能减小，从而使 反应速率增加，这类取代基就是致活基团，反之，就是致钝基团。 共4 6 页 礴基苯甲醛合成工艺研究田澍硕士学位论文 1 2 因此，要解释取代基效应，必须同时考虑取代基对反应物和过渡状态的影 响。对芳香族化合物的亲电硝化反应而言，作用物通常为中性分子，取代基 对其影响较小，而过渡状态一般带有电荷。取代基对其能量的影响较大。因 此，考虑取代基效应时，可以忽略取代基对反应物能量的影响，只考虑过渡 状态的能量变化。 芳环上的亲电硝化反应首先生成。配合物，它带有一个单位正电荷，是非 常活泼的中间体，他的生成通常是反应的速度控制步骤，根据h a m m o n d 假设： “沿着反应坐标相继出现的两个状态，若其能量相近，结构也相近”，可以认 为芳香族化合物亲电硝化速度控制步骤的过渡状态具有与。配合物类似的结 构，由取代基诱导效应和共轭效应对。配合物稳定性的影响即可判断取代基效 应。 从诱导效应考虑，由于。配合物带有一个单位正电荷，任何给电基都能使 。配合物稳定，因而是致活基团；相反，吸电基将使a 配合物变得不稳定，因 而是致钝基团。 关于取代基的定位效应，只有同时考虑诱导效应和共轭效应，才能得到满 意的解释。设x 为芳环上已有的取代基，则硝缝离子进攻芳环时，可以生成 邻、对、间三种。配合物， 戳荟学 + ! ：毯l h 莓一笈 ( a ) 由以上共振式可以看出，硝嫡离子从取代基x 的邻，对位进攻芳环时，配合 物的正电荷可分散到与x 直接相连的碳上，若x 为给电基，正电荷还可以进 一步转移到取代基x 上，使配合物稳定，例如( d ) ，( e ) ?t、 茹滔繇强，i 、；。藏蕊羹澎；辩。t ， 共4 6 页 变|+ h o 变| 一 h 荸x 受一 h 审x 吝一孑醉一净旧 i -1 1 一 c l i 2 一h c h 2 h + 硝鲦离子从取代基x 的间位进攻芳环时，则不能将配合物的正电荷转移到 取代基x 上，因此给电基是邻对位定位基。 同理，若x 为吸电基，将使邻对位配合物的正电荷变得更为集中，使其不 稳定，对间位配合物的影响则比较小。因此，吸电基通常为间位定位基。 必须指出，并非所有的使苯环钝化的吸电基都是间位定位基。例如，卤素 就是例外，卤素原子的电负性较碳原子大，从诱导效应考虑，卤素是强吸电 基，它使苯环电子云密度降低。是致钝基团，但是，卤素原子有未共用电子 对，共轭效应的参与，将使邻，对位配合物的相对稳定性增加，而当硝鲶离 子从间位进攻时，则不能发生共轭效应，因此，卤素是邻对位定位基。 2 1 4 n o , - o s 硝化机理1 2 4 h 2 9 l n o ，是无机物，但从有机化学角度看只要它能与碳原予成键，就可以生成 硝基化合物。这一观点已成功应用子硝基烷的生产，但在硝基芳烃上却失败 了，原因是n o ：对芳核反应的活性不够。 近来。注意到低价氮氧化物如硝酰阳离子，三氧化二氮和三氧化氮在臭氧 存在下可以很容易与芳烃反应得到很高得率的硝基化合物。这是一种芳烃硝 化的清洁硝化方法，它是传统的以混酸为基础的硝化方法的一种无污染的替 代方法口”。 近来的研究表明，在o ，存在下许多芳香族化合物可以与n o ：在室温或 更低的温度下反应，顺利生成硝基化合物( k y o d a i 硝化) 。其反应式如下： a r h + 0 3 + 2 n 0 2 + a r n 0 2 + 2 h n 0 3 + 0 2 该种芳烃硝化方法机理如下叫1 - 1 2 6 】：n 0 2 与o ，反应生成n o ，缺电子的n o ， 夺取芳环的一个电子生成阳离子自由基和硝酸根离子，芳环阳离子自由基与 n 0 2 加成生成a 配合物 a t ( h ) n 0 2 + 】，d 配合物失去一个质子生成硝化产物。 礴基苯甲醢合成工芑研究田澍硕士学位论文 1 4 如式( 1 ) ( 3 ) ： n 0 2 + 0 3 一n 0 3 + 0 2 ( 1 ) a r h + n 0 3 a r h + + n 0 1 l z j a r h + + n 0 2 + a “h ) n o ；+ 加n o ，( 3 ) n o ：与o ，生成n o ，可氧化芳族化合物成自由基阳离子，它是环取代中间 体，如无合适的可氧化底物，则n o ，与n o ：反应生成n ：o ，它在酸催化剂下 是一个强硝化剂。 假设n o ，是硝化最初亲电试剂，则考察不活泼和活泼性较低的芳族化合 物与n o - n o ：o ：的反应会有特别意义，因为n o 气相氧化为n o ：涉及到两种 异构体，有不稳定的中间体：对称和不对称n o ，产生。 由于n o ：o ，硝化机理实际上是一种亲核取代机理，当邻位有较强吸电子 基团时，使用该种硝化方法可以提高邻对比。 2 2 氯化苄硝化的实验研究 2 2 1 仪器和试剂 硝酸( 9 5 ) ；硫酸( 9 5 ) ； 氯化苄( 化学纯) ：二氯甲烷( 化学纯) ： n 0 2 ( 9 9 5 ) ：o ，( 由臭氧发生器制备) 。 2 5 0 m l 三口烧瓶；电动搅拌器；磁力搅拌器；1 0 0 m l 恒压滴液漏斗 肛l o o 温度计 h p - - 6 8 9 0 气相色谱仪 2 2 2 操作 混酸硝化 硝化装置如图2 2 2 1 ： 水浴4 5 5 0 c 图2 2 2 1 混酸硝化实验装置图 共4 6 页 硝基荤甲醛合成工艺研究田澍硕士学位论文 1 5 将3 7 8gh n o ，( ! d 6t 0 0 1 ) 置于装有温度计、电动搅拌器、恒压滴液漏斗 的2 5 0m l 四口烧瓶中，开动搅拌器，滴加1 8gh 2 s q ，配制混酸，冰水浴保 持温度低于4 0 。 将6 3 3g 氯化苄( o 5t 0 0 1 ) 置于装有温度计、电动搅拌器、恒压滴液漏 斗的2 5 0m l 四口烧瓶中，开动搅拌器，滴加预先配好的混酸，冰水浴控制反 应温度4 0 5 0 左右。滴加完毕后，反应1 5h ，水洗至中性。分液取油层干 燥，得邻硝基氯化苄、对硝基氯化苄和间硝基氯化苄异构体混合物8 1 2g ， 总含量为w ( 粗品) = 9 8 ，气相色谱分柝= w ( 邻硝基氯化苄) ：w ( 对硝基氯化 苄) ：w ( 间硝基氯化苄) = 4 0 5 ：4 7 8 ：1 2 7 。硝化产率为9 4 5 。其中邻硝基 氯化苄产率为3 8 。 n 0 2 0 3 硝化1 2 4 l i 2 5 l 硝化装置如图2 2 2 2 ： 尾气排放 冰水浴 图2 2 2 2 n o r 0 3 硝化实验装置圈 将2 m l 氯化苄、2 0 m l 二氯甲烷加入5 0 m l 三口烧瓶中，冰水浴控制温 度为0 c ，用lm l 注射器加入lm l 液体n o ：，同时打开臭氧发生器，调节 氧气流量为2 1 0m l m i n ，通入三口烧瓶中，反应1h 。水洗至中性，气相色谱 分析w ( 邻硝基氯化苄) = 3 5 7 ，w ( 对硝基氯化苄) = 6 3 o 。 硝酸醋酐分子筛硝化口7 1 1 7 , 8 1 称取3 0gz s m - 5 分子筛催化剂，倒入四口烧瓶，冰水浴降温至3 c ，倒 入5 m l i n o ，搅拌5 分钟。滴加1 6 7g 乙酸酐，温度控制在1 2 c 。5 分钟 后滴加1 3 3g 氯化苄，搅拌，室温下反应o 5h 。过滤除去催化剂，往滤液中 加入5 0m l 水，溶液中有乳黄色沉淀析出，振荡，继续加入水，不断有物质 一赫参= 穗。，：如盛忿丞磊、 共4 6 页 田澍硕士学位论文 1 6 析出。水洗至中性。得硝基氯化苄8 3 2g 。w ( 邻硝基氯化苄) - - 2 9 。ow ( 对硝基 氯化苄) = 5 3 2 3 结果和讨论 2 3 1混酸硝化条件对产物异构体比例的影响 硫酸浓度会对硝化产物邻对比产生影响嘲，硫酸浓度高，产物中对位异构 体含量将明显提高。这是因为此时的进攻试剂是溶剂化的硝鲶离子或包含硫 酸根的紧密离子对，这些体积大的进攻试剂与苄基的空间位阻使邻位硝化比 例降低。 温度对异构体比例也会产生影响。这主要是因为邻、对位硝化反应活化能 的不同，温度高有利于活化能高的邻位硝化反应，反之，则有利于活化能低 的对位硝化反应。故在选择硝化条件时应根据对产品的不同要求，要得到较 多的对硝基产物，则应选择低温硝化，如要得到较多含量的邻硝基产物则应 选择较高硝化温度。 实验结果见表2 3 1 ： 表2 3 1 硝化条件对产物异构体比例的影响 堑垡，匦塑墼焦堕壁垒塑焦! 塾堡! 塑垡 2 5 2 q ) 1 674 0 ：4 7 ：1 3 2 52 回 1 61 23 4 ：5 2 ：1 4 2 5 2 1 41 63 2 ：5 4 ：1 4 2 5 2 1 62 5 3 0 ：5 6 ：1 4 2 5 2 1 604 2 ：4 5 ：1 3 6 3 2 5 3 8 11 6 0 1 4 ：7 4 ：1 2 6 3 2 尹 3 8 11 2 01 7 ：7 0 ：1 3 6 3 2 5 3 8 11 0 21 9 ：6 9 ：1 2 6 3 2 5 3 8 11 6 02 0 ：6 7 ：1 3 注：实验温度为4 0 - 5 0 0 ，实验温度为5 c 以对硝基氯苯为内 标，每份样品加入对硝基氯苯的二氯甲烷溶液lm l 浓度为0 , 2 5 1 5 4g m l 由表l 可见，前五次实验混酸中硫酸含量较低，产物中邻位异构体含量远 较后四次实验高得多。而实验和中虽然硫酸浓度均为7 7 ，由于实验 比实验温度低4 0 度，产物异构体混合物中邻硝基氯化苄含量提高了6 。 实验单纯用浓硝酸硝化，虽然邻位异构体的比例有所提高，但实验结果 并不理想，生成的硝基氯化苄质量低于混酸硝化的结果，通过高效液相色谱 显示由于浓硝酸在反应过程中浓度变稀，发生氧化，甚至是侧链的氧化等副 共4 6 页 硕士学位论文 1 7 反应，使得硝化后的产物非常复杂。 2 3 2 n 0 2 - 0 3 硝化条件变化对产物邻对比的影响 硝化结果见表2 3 2 i ： 表2 3 2 i2 1 0 m l m i n 氧气流速下时间对硝化产物的影响 反应条件：氧气流速2 1 0m l m i n 。温度0 1 2 ，c h 2 c 1 2 5 0m l ，n 2 0 1m l ，氯化苄1m l ( 约2 2g ) 以对硝基氯苯为内标，每份样品加入对硝基氯苯的二氯甲烷溶液1m l ，浓 度为0 2 5 1 5 4g m l 表2 3 2 23 0 0 m l m i n 氧气流速下时间对硝化产物的影响 反应条件：氧气流速3 0 0m l m i n ，其余同上 时间的影响 由表可见，随着反应时间的延长，产物的产量呈现出先上升，当反应时间 为5 0m i n 到达顶点后又呈下降的趋势。这是因为到达反应的最佳时间点后， 进一步通入臭氧，反应体系将发生氧化副反应，因而硝基氯化苄的质量反而 下降。随着时间的变化，产物的邻对比也发生变化。当反应时间较短( 在1 0 - - - 2 0 分钟) 时，产物的邻对比达到o 9 7 ，反应时间延长后，邻对比下降。所以虽 然在5 0m i n 处反应的转化率最高，但此时邻对比并不是最高，对于生产邻位 共4 6 页 硝基荤甲醛合成工艺研究田澍 硕士学位论文 1 8 产物不利。综合考虑两方面的的因素，发现仍然是在反应5 0m i n 时邻位产物 质量最多，故选择反应时间为5 0 m i n 。实验结果显示该硝化方法对于提高邻 位产率效果并不明显，与文献1 2 s l l ”l 有一定的偏差。 n o ，- 0 3 硝化产物中间位异构体的含量与混酸硝化结果差别很大。例如在 氧气流速2 1 0m l d m i n ，反应时间为5 0r a i n 的情况下，硝化产物中间硝基氯化 苄的含量为2 明显低于用混酸硝化产物1 2 左右的问硝基氯化苄含量。这样 使用n 0 2 - o ，硝化方法可以大大降低硝化产物中间位异构体的含量，提高原料 的利用率，并且可以降低异构体分离的难度。 它的变化趋势见图2 3 2 ： 2 1 5 1 0 。5 0 八 o 2 0 4 06 0b 0 反也时闻，i 址 圈2 , 3 2 氧气流速为2 1 0 m 1 j m i n 时反应时阗与产物质量关系圈 氧气流量的影响 改变氧气的流速，产物的质量同样会发生变化。随着氧气流量的增加，通 入反应体系的臭氧量也随之增加，由表可见，在氧气流速为3 0 0 m l d m i n 时和 氧气流速为2 1 0 m i m i n 时，同样条件下产物硝基氯化苄的总质量随氧气流速 增加明显下降，这同样是因为臭氧量的增加会导致氧化副反应的发生。但氧 气量的增加并不会影响邻对比。时间较短时，邻对比仍然远高于时间较长时 的邻对比。这说明产物邻对比仅与反应的时间有关。 2 3 3 硝酸醋酐分子筛硝化 根据文献印i 报道，利用硝酸一醋酐硝化，在分子筛做催化剂的情况下，硝 化可使对位异构体的比例达到9 0 0 , 以上。如果能达到如此高的对邻比，将可 以生产高纯度、高收率的对位产品，大大降低异构体分离的难度。在此构想 下，按照文献反应条件实验，发现对邻比仅有1 8 4 ，并不能达到预期的结果。 ，j j 镯攥薯8 皇，弹豫餐黟c 譬，。 共6 页 删也戮忙群郴姆 硝基苯甲醛合成工艺研究田澍硕士学位论文 1 9 2 4结论 氯化苄硝化的途径有很多，可以采用混酸硝化，也可以采用n 0 2 - o ，体系 作为硝化剂进行硝化。当用混酸硝化时，可以通过改变混酸的硝硫比来调节 硝化产物中的异构体邻对比，从而根据对最终产物的不同要求调节反应条件。 采用n 0 2 - o ，体系硝化，可以缩短反应时间，并且反应对环境的污染较小。 就目前国内市场而言，邻硝基苯甲醛的价格在1 4 万元吨【”，远高于对硝 基苯甲醛的8 万元，吨。因此，为获得较高的经济效益，必须在硝化这一步提 高邻硝基氯化苄的产量。选择采用较高硝酸含量的混酸硝化或n 0 2 - o ，体系硝 化是比较合理的。 共4 6 页 鞘基荤甲醛合成工艺研究田澍硕士学位论文 2 0 3 硝基氯化苄的水解 通过水解反应将硝基氯化苄异构体转变成为硝基苯甲醇异构体混合物，反 应式如下： 器黻良c h 2 0 h 。 n 0 2 甓磊矽n 0 2 3 1 试剩和仪器 硝基氯化苄异构体混合物( 硝化反应制得，未经提纯) ；n 赴c o ，( 化学纯) ； 1 0 0 0 m l 三口烧瓶：电动搅拌器；i o o m l 恒压滴液漏斗；0 - 1 0 0 温度计， 回流冷凝管。 h p - 6 8 9 0 气相色谱仪。 3 2 实验操作 实验装置如图3 2 ： 7 5 8 d 图3 2 水解实验装置图 将2 9g 硝基氯化苄置于装有温度计、电动搅拌器、回流冷凝管的四口烧 瓶中，加入2 1 9 ( 0 2 m 0 1 ) n a 2 c 0 3 ，4 0 0 r a l 水，7 5 8 0 c 下回流水解2 2h ，静置， 取水层浓缩，结晶，过滤得硝基苯甲醇粗品8 2 8g 。同时烧瓶底部油层重 1 6 0 2 9 ，干燥后，经气相色谱分析，其中w ( 硝基苯甲醇) ；7 5 未参加反 应的硝基氯化苄含量w ( 硝基氯化苄) = 2 3 ( 其中w ( 邻硝基氯化苄) = o 7 ，w ( 对硝基氯化苄) = 1 1 w ( 间硝基氯化苄) = 2 1 2 ，晶体和油相总重2 4 3g ， 水解产率7 8 2 。 。鼍彬婚、。_ 共4 6 页 硕士学位论文 2 l 3 3 结果和讨论 3 3 1 温度的影响 温度对水解结果的影响见表3 3 i ： 表3 3 1 温度对水解结果的影响 硝基氯化苄1 7 3g ( 约0 1t 0 0 1 ) ，t 4 a 2 c 0 31 2 7g ( 约o 1 2t 0 0 1 ) ，水2 4 0m l 硝基氯化苄含量经气相色谱测定以对硝基氯苯为内标，每份样品加入对硝基氯苯 的二氯甲烷溶液1m l ，浓度为0 2 5 1 5 4g m l 由表可见，反应温度低于7 0 时，可能是由于硝基氯化苄未能全部熔解 的缘故，水解的效果不好。反应转化率仅有7 0 0 , 4 多一点，温度升高到7 5 ( 2 以 上时，水解转化率可达8 0 9 6 ：当常压下温度升高到可以回流时，整个反应体系 里深褐色，反应结束后水层结晶为红褐色。温度较高时，硝基氯化苄可能会 和n a 2 c o ，发生络合反应，使得溶液里深褐色，曾使用活性炭脱色，但效果很 差，严重影响产品的外观和质量，并且反应获得的油层十分粘稠。选择在7 5 8 0 之间反应，可以较好的解决这些问题 3 3 2 水加入量的影响 硝基苯甲醇在水中有一定的的溶解度，水过量加入可使反应生成的硝基苯 甲醇溶解于其中。并且有利于水解平衡向右移动，促使水解趋于完全。曾按 文献所叙：硝基氯化苄和碳酸钠物质的景比为1 ：1 2 ，碳酸钠和水的质量比 为l ：3 ，1 0 5 下回流水解1 2h ，但效果不理想。逐渐增加水的加入量，通过 色谱分析。发现当水的加入量达到碳酸钠质量的1 6 7 倍时，水解效果较好， 继续增加水的加入量对水解产物并无影响。 共4 6 页 硝