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液相催化氢化法制备溴代苯胺的工艺研究 摘要 溴代苯胺是一类用途非常广泛的精细化学品中间体。目前合成溴代苯胺的主 要路线是传统的化学还原法，本文针对传统合成溴代苯胺方法中的缺点，对其合 成路线和工艺做了改进。并着重讨论了液相催化氢化法制备溴代苯胺的工艺。在 此基础上研究了对溴苯胺、邻溴苯胺和问溴苯胺的液相催化氢化制备工艺。实验 中考察了溶剂、w - 4 型r a n e y - n i 催化剂、助催化剂( 脱溴抑制剂) 、温度、压力、 搅拌速度、物料配比以及催化剂的套用等对反应的影响，确定了最佳工艺条件。 在以甲醇为溶剂，w - 4 型r a n e y - n i 为催化剂，双氰胺为助催化剂的催化氢 化条件下，依据单因素分析法得到加压液相催化氢化对溴硝基苯的最佳反应条件 为：对溴硝基苯4 0 9 ，甲醇1 8 5 m l ，r a n e y n i 催化荆4 o g ，双氰胺o 8 9 ，反应温 度7 0 ，压力1 2 m p a ，反应时间7 0 h ，收率可达到8 7 o 以上，纯度可达到9 9 0 以上，对溴硝基苯的转化率可达9 9 5 以上。 在以甲醇为溶剂，w - 4 型r a n e y n i 为催化剂，双氰胺为助催化剂的催化氢 化条件下，依据正交实验得到加压液相催化氢化邻溴硝基苯的最佳反应条件为： 邻溴硝基苯3 5 9 ，甲醇1 8 5 m l ，r a n e y - n i 催化剂4 5 9 ，双氰胺0 8 9 ，反应温度7 0 ，反应时间7 5 h ，收率可以达到7 5 0 以上，纯度达到9 9 0 以上，邻溴硝基 苯的转化率可达9 4 5 以上。 在以甲醇为溶剂，w - 4 型r a n e y - n i 为催化剂，氢氧化钙为助催化剂的催化 氢化条件下，依据正交实验得到加压液相催化氢化问溴硝基苯的最佳反应条件 为：间溴硝基苯4 0 9 ，甲醇1 8 5 m l ，r a n e y n i 催化剂4 0 9 ，氢氧化钙助催化剂o 6 9 ， 反应温度8 0 ，反应时间6 o h ，收率可以达到8 6 0 以上，纯度可以达到9 9 o 以上，间溴硝基苯的转化率可达9 9 5 以上。 本课题对反应中的副反应进行了研究与探讨，对反应中的催化剂，溶剂实现 了循环利用，减少了三废污染，为产品的工业化提供了有用的实验数据。 关键词：溴代硝基苯溴代苯胺催化氢化r a n e y - n i 催化剂 t e c h n i ( - 虹。r e s e a r c ho nt h es y n t h e s i so f b r o m o a n 眦b yu q u i dc a 工a i y s i s a b s t ra c i t h et r a d i t i o n a l s y n t h e s i s m e t h o df o r p r e p a r i n g b r o m o a n i l i n ei sc h e m i c a l h y d r o g e n a t i o n t oo v e r c o m ei t ss h o r t c o m i n g s ，an e ws y n t h e s i z i n gw a yo fl i q u i d l y h y d r o g e n a t i n gb r o m o n i t r o b e n z e n eu n d e rc a t a l y s i sw a so f f e r e di nt h i sp a p e r t h ef l o w p r o c e s sf o rp r e p a r i n gb r o m o a n i l i n ef r o mc a t a l y s i sh y d r o g e n a t i n gb m m o m 仃o - b e n z e n e w a ss t u d i e d i nt h ee x p e r i m e n t s , t h ee f f e c t so ft h et e m p e r a t u r e , p r e s s u r e , t i m ea n dt h e r a t i oo fm a t e r i a l s ，e t c ，o nt h er e a c t i o n , a n dt h er e c y c l i n gw a yo fw - 4r a n e y n iw e r e r e v i e w e d i nt h ee n d ，t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r ed e t e r m i n e d o nt h ec o n d i t i o no f u s i n gm e t h a n o la ss o l v e n t ，w - 4r a n e y - n ia sc a t a l y s t ，d i c y a n d i a m i d ea sa c t i v a t o r , t h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o rp r e p a r i n gp - b r o m o a n i l i n et h r o u g ht h es i n g l e - f a c t o re x p e r i m e n t si sa sf o l l o w s ：t h ea m o u ro f p b r o m o n i t r o h e n z e n e ，m e t h a n o l ， r a n e y - n ia n dd i c y a n d i a m i d ea r e4 0 9 , 1 8 5 m l ，4 0 9a n do 8 9 ，r e s p e c t i v e l y t h er e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n dt i m ea r c7 0 c ，1 2 m - p aa n d7 0h o u r s ，r e s p e c t i v e l y t h ey i e l d c a l lr e a c h8 5 o ，t h ep u r i t yc a nr e a c h9 9 0 ，t h ec o n v e r s i o no fp b r o m o n i t r o b e n z e n ei s 9 9 5 o nt h ec o n d i t i o no fu s i n gm e t h a n o la ss o l v e n t , w - 4r a n e y - n ia sc a t a l y s t , d i c y a n d i a - m i d ea sa c t i v a t o r , t h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o rp r e p a r i n go - b r o m o a n i l i n et h l o u i g ht h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t si sa sf o l l o w s ：t h ea m o u n to f o b m m o n i t r o b e n z e n e ，m e t h a n o l ， r a n e y - n ia n dd i c y a n d i a m i d e a r e3 5 9 ，1 8 5 m l ，4 5 9a n do 8 9 , r e s p e c t i v e l y t h er e a c t i o n t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n dt i m e a r e7 0 ，1 2 m - p aa n d7 5h o u r s ，r e s p e c t i v e l y t h ey i e l dc a nr e a c h7 5 o ，t h ep u r i t yc a nr e a c h9 9 0 ，t h e c o n v e r s i o no fp - b r o m o n i t r o b e n z e n ei s9 4 5 o nt h ec o n d i t i o no fu s i n gm e t h a n o la ss o l v e n t ，w - 4r a n e y n ia sc a t a l y s t ，c a ( o h ) 2 a sa c t i v a t o r , t h eo p t i m u mc o n d i t i o nf o rp r e p a r i n gm b r o m o a n i l i n et h r o u g ht h eo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t si sa sf o l l o w s ：t h ea m o u n to fm b r o m o n i t r o b e n z e n e ，m e t h a n o l ，r a n e y - n ia n d d i c y a n d i a m i d er r e4 0 9 , 1 8 5 m l ，4 0 9a n do 8 9r e s p e c t i v e l y t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e ， p r e s s u r ea n dt i m ea r e1 3 0 c ，1 3 m p aa n d6 0h o u r s ，r e s p e c t i v e l y t h ey i e l dc a nr e a c h 8 6 0 ，t h ep u r i t yc a nr e a c h9 9 o ，t h ec o n v e r s i o no fp b r o m o n i t r o b e n z e n ei s9 9 0 k e yw o r d s ：b r o m o n i t r o b e n z e n e b r o m o a n i l i n e c a t a l y s i sh y d r o g e n a t i o n r a n e y - n i 青岛科技大学研究生学位论文 前言 化学为整个自然科学与社会科学的进步、全球经济的发展、社会进步和人 类生活水平的提高做出了无与伦比的重大贡献，但同时也产生了一些不容忽视 的负面效应，例如环境污染、生态平衡破坏、农药残留等。我国的环境污染问 题也十分严重，尤其是近三十年来呈恶化趋势，已经成为制约经济发展并影响 人民健康和生活质量的重要因素。虽然目前越来越重视并采取一定措施来治理 污染问题，但多数治理仅采用“末端治理技术”，成效甚微。目前国际社会普遍 提倡绿色化学化工，它所追求的目标是淘汰有毒原材料，探求新的合成路线， 从反应源头消除污染，采用无污染的反应途径和工艺，最大限度的减少“三废”， 并实行“原材料遴选产品生成一产品使用循环再利用”全过程控制。 催化氢化工艺正好符合绿色化学化工的要求，并很好地解决了以上环境污 染问题。目前，工业上应用的绝大多数芳胺都来自相应的硝基化合物。重要的 芳胺类化合物的工业制法主要有一下三种：( 1 ) 铁粉、硫化碱或水合肼还原法。 ( 2 ) 磺化氨解法。( 3 ) 催化加氢还原法【1 1 。用铁粉、硫化碱或水合肼进行还原 反应，流程长、三废多、产品质量差、操作环境恶劣；采用磺化氨解法，有时 需要加入汞盐定位荆，必然对环境造成很大的污染。采用催化加氢技术则可以 避免上述缺点，使多步还原在同一装置中一步完成。产品质量好，收率高，三 废少。目前，催化加氢已成为有机中间体还原工艺大力推广应用的清洁单元操 作【2 】。 自从1 8 9 7 年，萨巴迪阿( p a u ls a b a t i e r ) 3 1 发现镍可以催化还原烯烃以来， 催化氢化得到了很大发展，已经成为有机合成的重要手段。我国2 0 世纪5 0 年 代开始研究催化加氢技术，1 9 7 8 年成功开发了硝基苯加氢制备苯胺技术，自此 催化加氢技术在有机中间体生产中有了长足的发展。许多产品已经采用催化加 氢工艺进行工业化生产，也有的即将实现工业化。主要产品有苯胺、间苯二胺、 对氨基酚、对甲苯胺、对氯苯胺、对氨基苯甲醚、邻氯苯胺、邻氨基苯甲醚、3 ， 3 二氯联苯胺、2 ，5 - 二氯苯胺、对苯二胺、邻苯二胺、邻氨基酚、3 ，4 - 二氯 苯胺、4 氨基二苯胺、1 氨基蒽醌、对氨基苯甲酸、间氨基苯甲酸、氟氯苯胺、 2 ，4 二甲基苯胺、2 ，6 - 二甲基苯胺、邻氟苯胺、对氟苯胺、d s d 酸( 4 ，4 二氨基二苯乙烯2 ，2 二磺酸) 、4 ，4 二氨基苯醚、均三甲苯胺、2 氟5 硝基 液相催化氢化法制各溴代苯胺的工艺研究 苯胺、问氨基三氟甲苯等。尤其值得提出的是，国内十分紧缺的有机中间体3 ， 3 。二氯联苯胺【4 】、对氨基酚四、对氯邻氨基苯酚【6 】等的催化加氢工艺研究近年来 取得重大的突破。 卤代硝基苯的催化氢化是化工生产中重要的化学反应之一。目前，国内对 氯代硝基苯和氟代硝基苯的催化加氢研究已取得了成功，而对溴代硝基苯的催 化加氢研究尚在起步阶段。一般来说，催化加氢是以分子氢为氢源，通过与单 一贵金属催化剂或复合催化剂的化学吸附作用，解离出活性物种，从而实现高 选择性还原有机物的目的，这又是催化领域的重要研究内容。在本研究工作中： 首先，要考虑怎样有效的活化分子氢；其次，怎样使苯环上的b r 不被氢解而发 生副反应；最后，怎样使催化剂得到最有效的利用。研究中发现：在本课题反 应体系下，对位、间位和邻位硝基溴苯表现出来的反应活性差异并不很大。这 主要是因为采用r a n e y n i 作催化剂时，反应的控制步骤是氢的传质吸附。本课 题讨论了各种条件对反应的影响，发现温度、压力、反应物浓度、催化剂量、 助催化剂量、搅拌速度等对反应有很明显的影响。本应研究中，对于r a n e y - n i 、 5 p d c 、3 p t c 等三种不同催化剂以及双氰胺、亚磷酸钠、乙醇胺、环己胺等 四种不同助催化剂进行比较，发现催化剂以及助催化剂的改变也会明显影响产 物收率。 本课题在以上理论的基础上，研究探讨液相催化氢化法制备溴代苯胺的新 工艺，以代替传统的化学还原法，减少三废排放，降低环境污染。因此，该课 题符合绿色化学化工发展的要求，在工艺上是一条优先发展的路线。 2 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 催化加氢工艺 1 文献综述 1 1 1 液相催化加氢 有机合成中的催化加氢根据反应物在加氢时是液相还是气相，可以将催化加 氢分为液相催化加氢和气相催化加氢。所谓液相催化加氢是指反应物为液相，将 氢气鼓泡到含有催化剂的液体反应物中进行加氢的操作。这类工艺常用于一些不 易汽化的高沸点原料( 如溴代硝基苯) 。这种工艺的特点在于避免了采用大量的氢 气使反应物汽化的预蒸发过程，因此在经济上比较合理。而且，从工业生产的情 况来看，液相加氢远较气相加氢的应用来得广泛。 液相催化加氢还原按过程的特点可有两种不同的分类方法。一种是按反应物 料的组成分，另一种是按催化剂存在的形态分。按反应物料的组成，液相加氢还 原分为下列三类：( 1 ) 无溶剂液相加氢( 2 ) 溶剂液相加氢( 3 ) 悬浮加氢。另一 种按液相加氢催化剂的形态把加氢分为以下三类：( 1 ) 粉末浆状悬浮加氢( 2 ) 颗 粒浆状悬浮加氢( 3 ) 颗粒固定床加氢。 1 1 2 非均相催化加氢 催化氢化根据反应物和催化剂的存在形态，又可分为非均相催化氢化 ( h e t e r o g e n e o u sc a t a l y t i ch y d r o g e n a t i o n ) 和均相催化氢化( h o m o g e n e o u sc a t a l y t i c h y d r o g e n a t i o n ) 。相应地，非均相催化氢化需要非均相催化剂来催化，均相催化氢 化需要均相催化剂来进行催化。 这两种催化加氢法都具有各自的特点，也都有其不足之处。相比而言，非均 相催化氢化具有以下四个优点：( 1 ) 能有效氢化多种( c = c 、c - - = c 、c - - n 、c = - - n 、 c = 0 、n 0 2 。) 基团。( 2 ) 反应时不需要加任何还原剂和试剂，只要加少量催化剂， 使用廉价的h 2 ，因而极为经济。( 3 ) 反应完毕，只要把催化剂滤去，蒸去溶剂， 即可得到所需产物。基本上免去了应用其它还原剂所需的繁琐分离工艺。特别应 该提到的是催化氢化反应不会造成环境污染。( 4 ) 反应条件比较温和，相当一部 3 液相催化氢化法制各滇代苯胺的工艺研究 分反应可在中性介质中，在常压和室温下进行，对于那些易被酸、碱或高温破坏 的化合物尤为适用。均相催化氢化与多相催化氢化相比，反应活性较低，选择性 高，反应条件温和。但其不足之处相当明显，即催化剂回收很困难，热稳定性较 差，处理不当会造成环境污染，尤其是易被氧化而失去活性，而且催化剂价格昂 贵，实现工业化生产较困难。 本文从技术、环境、经济三方面考虑，选择液相非均相催化如氢工艺。鼾将 溴代硝基苯溶于溶剂中，把氢气通入到含有非均相催化剂的液体反应物中进行催 化氢化反应。 1 2 加氢还原催化剂 1 2 1 加氢还原催化剂分类及性质 加氢还原催化剂的种类很多，通常有两种分类方法。一种是按金属的性质分 为贵金属系和一般金属系。贵金属系以铂、钯为主，此外还有铑、铱、锇、钌、 铼等；一般金属系以镍为主，其次是铜、钼、钴、铁等。另一种分类方法是按催 化剂的制法分为还原型、骨架型、载体型等七类，见下表【刁。 表1 - 1 加氢还原催化剂的种类 t a b l ei - i t h e c a t e g o r y o f c a t a l y s t s 各类催化剂的反应活性差异很大。例如，几种不同的金属，活性炭催化剂对 硝基苯加氢的活性顺序是：p t p d r h n i 。 骨架镍是一种常用催化剂，随着制备条件不同，其活性有很大差别。骨架 4 青岛科技大学研究生学位论文 镍的活性来自于它在空气中会自燃，使用时要注意安全。在贵金属中钯的价格 相对较低，工业上应用较多，其特点是可以在常压或低压下进行反应。近年来， 对铑的研究增多，它的优点是选择性好，可以只还原硝基而不影响其他官能团。 有机金属络合物是加氢催化剂的新领域，属于均相加氢催化剂，如 r u c l 3 ( p p h 3 ) 2 、( e h c n ) 2 p d c l 2 、r h 6 ( c 0 ) 1 6 等。使用有机金属络合物催化氢化芳 香硝基物，几乎能得到定量的芳胺，由于苯环上其它取代基( 如乙烯基、卤基、 烷基、烷氧基等) 不受影响，所以进行催化氢化反应时，其转化率与选择性均 接近1 0 0 羽。有机金属络合物催化剂的优点虽然很多，但催化剂价格昂贵，而 且存在于溶液中，分离回收比较困难。因此至今这类研究还仅限于实验室研究 阶段。 1 2 2 加氢助催化剂 在加氢还原芳香族硝基卤素化合物时，常常易产生脱卤副反应【9 j ，不仅影 响收率和产品纯度，还会增加对设备的腐蚀。因此，防止脱卤也是催化氢化制 各卤代芳胺的主要研究内容。一般抑制脱卤有两种方法：( 1 ) 选择合适的工艺 条件，尽量减少脱卤【1 0 】，这在本课题中将作详细研究。( 2 ) 添加抑制脱卤剂来 抑制脱卤。 抑制脱卤剂的种类很多，如采用p t 、p d 的硫化物作催化剂，或在p t c 、p d c 催化氢化时加入噻吩、氨水等。国外有许多专利报道，吗啉、有机胺、磷酸氢 钠、三苯酯、甲醚盐等作为抑制脱卤剂都有较好的效果【1 1 】。抑制脱卤剂除了能 抑制脱卤外，还可以减少反应时间，加快反应速度【1 2 1 。原因有两方面：一方面 因为它本身的碱性提高了h 2 在溶剂中的溶解度，促使催化剂对氢活化吸附性增 强，使得反应时间缩短；另一方面由于抑制脱卤剂中某些原子的孤对电子封闭 了催化剂上的一些活性部位，对催化剂上的反应活性中心有一定的改变，进而 提高了其选择性。 本文从防脱卤剂的性能、价格和针对性等方面综合考虑，选用双氰胺、氢 氧化钙、乙醇胺和环己胺四种抑制脱卤剂进行实验验证，以筛选出适合溴代硝 基苯催化氢化的防脱卤剂。 1 3 分子氢的活化 5 液相催化氢化法制各溴代苯胺的工艺研究 氢是宇宙中丰度最大的元素，在地球上丰度居第1 5 位。氢的三种同位素 ( 1 h 、2 h 、3 h ) 中，最轻的同位素为氕( 1 h ) ，三种同位素中以它丰度最大l 埘。 标准情况下元素氢的稳定形式是双氢( h 2 ) ，其分子轨道能级斟1 4 】如图1 1 。h 2 分子具有高键焓( 4 3 6 k j m o l l ) 和短键长( 0 7 4 a ) 。氢与大多数其它元素之间的 反应十分缓慢，部分原因在就于它的高键焓使反应需要较高的活化能，所以分 子氢的活化对加氢还原反应是非常重要的【”1 。在非均相催化加氢中分子氢的活 化是通过催化剂的化学吸附作用将分子氢结合到催化剂表面并使其发生均裂离 解形成 r ，产生的h 则通过解吸附作用离开表面参与化学反应。如图1 2 所示， 在催化剂表面饱和的氢存在着各种不同形态的氢的吸附平衡。 在加氢还原过程中氢气( 或硝基物) 在催化剂表面的化学吸附，往往是整 个反应的控制步骤。尽管这种吸附作用对非均相催化过程至关重要，但却不允 许这种作用强得足以堵塞催化部位从而阻止进一步反应【1 6 1 。经实验证明，n i 、 c 0 、r h 、p d 、i r 掣1 7 l 能有效活化h 2 分子。在均相体系中的试剂很容易与催化 剂反应，而在非均相催化体系中则必须采取特殊措施确保h 2 分子与催化剂活性 部位相接触。一般我们常使用复相催化剂f 1 8 1 ，即将活性金属催化剂沉积在高表 面积载体物质上，如p d c 、p t ，c 等，而r a n e y n i 一般不需要载体。 氅劬 图1 - 1m 分子轨道能级图 f i g1 - 1o r b i t a le n e r g yl e v e lo f h y d r o g e nm o l e c u l a r 瞄镯，产一附，警群等鬻。告懒 _ i 2 岛i 图i - 2 催化加氢时氢的活化形态 f i g1 - 2 a c t i v a t i o nm o r p h o l o g i c a lo ft h eh y d r o g e nb e i n gc a t a l y t i ch y d r o g e n a t e d 1 4 催化氢化和硝基物加氢的反应过程 1 4 1 催化氢化的基本历程 6 青岛科技大学研究生学位论文 液相加氢还原常常是气液固多相反应，包括以下基本步骤： 幻硝基物分子和氢气分子扩散到固体催化剂表面； 二者在催化剂表面发生化学吸附： 0 吸附的分子发生化学反应； m 反应物从催化剂表面解吸； 曲反应物通过扩散离开催化剂表面； 以上过程可以用图解法表示如下： h 2 + 催化剂卜h 2 催化剂 b r a r n 0 2 + 催化剂- - 噶r a r n 0 2 催化剂- 上 b r a i n h 2 催化剂 l o r a r h h 2 + 催9 3 9 由于催化剂表面的加氢还原速度很快，整个反应过程的控制往往取决于反应 组分的化学吸附。本课题也初步考察了溴代硝基苯催化氢化的反应控制步骤。 1 4 2 硝基物加氢反应历程 硝基物加氢是一个较复杂的化学反应过程，以硝基苯为例，其加氢反应历 程如下【1 9 1 。 图卜3 硝基苯加氢反应历程 f i 9 1 - 3 t h er e a c t i o n p r o c e s s o f n i t r o b e n z e n e 图中的粗线表示还原反应，细线表示中间产物的相互反应，虚线表示中间 产物的异构化反应。由图可见，硝基苯加氢反应是分段进行的，根据催化；f ! | 性 质、溶剂以及所选介质的p h 值不同，将分别得到不同的产物。例如，生成苯 胺可以有三条路径，即：( 1 ) 按箭头上所示1 、2 、3 反应路线得到苯胺，这时 没有中间产物积累，而是直接生成苯胺。( 2 ) 由亚硝基苯与苯基羟胺先按反应 7 液相催化氢化法制苔溴代苯胺的工艺研究 路线4 缩合生成氧化偶氮苯，而后按反应路线5 、6 、7 得到苯胺。( 3 ) 由苯基 羟胺经反应路线8 生成氢化偶氮苯，而后经反应路线7 得到苯胺。 具体到硝基溴苯催化氢化上，由于溴原子的电负性比c 原子大，具有吸电 子的诱导效应；另外，溴原子的未共用p 电子对与苯环共轭，又有供电子的共 轭效应。但由于诱导效应大于共轭效应，总的结果是使苯环上的电子云密度下 降。所以，可以推断，溴代硝基苯氢化速度会小于硝基苯氢化速度，但氢化历 程基本和硝基苯相似。 1 5 还原卤代芳香硝基物的各种方法及其优缺点 绝大多数卤代芳胺都是由相应的卤代芳香硝基物还原而得，溴代苯胺也不 例外。目前，世界上还原卤代芳香硝基物的方法已达四、五十种。现将其归类 为( 1 ) 电解质存在下的金属还原法( 2 ) 硫化碱还原法( 3 ) 水合肼还原法( 4 ) 催化氢化法( 5 ) 催化还原新方法【1 9 1 。 1 5 1 电解质存在下的金属还原法 ( 1 ) 铁粉还原 铁粉还原是最早采用的硝基化合物的还原方法，也是应用较广的一类还原 反应。从理论上讲，电动势排在氢以前的金属，在一定条件下都可以作为还原 剂，如工j 、n a 、k 、c a 、m g 、z n 、f c 等。在所有金属中，从经济因素出发， 用得最多的是铁粉，其反应方程式： + 3 f + h z o ! 生， 由于铁屑法排出大量含溴苯胺废水，以及废渣的处理十分困难，从环境保护以 及减轻劳动强度出发，基本已被加氢还原所取代。 ( 2 ) 铝粉还原 k h a n ，m s 掣刎提出用铝粉还原芳香硝基物制备相应芳胺。在h c l 水溶液 中能把邻、问、对硝基溴苯分别还原为相应溴代苯胺。反应方程式为： 8 牵 青岛科技大学研究生学位论文 + 2 a i + h 2 0 旦o + q 2 0 s 由于铝粉价格较贵，这种工艺一般不用于工业生产。 ( 3 ) 镁粉还原法 k a r lek c i r s t c a d 【2 1 】提出用镁粉在甲醇溶液中进行还原反应，可以把间、对 位溴代硝基苯还原为相应的氮氧化物。但此法不能有效地把芳香硝基物还原为 芳胺。 1 5 2 硫化碱还原法 在硫化碱还原中应用较普遍的是n a 2 s 、h a l - i s 和n a 2 s 2 ( 有时也用h 2 s 或 f c s ) 反应方程式分别为： 4 4 4 + 6 n a 2 s + 7 h 2 0 + 4 + 6 n a h s + h 2 0 + 4 + 3 n a 2 $ 2 + h 2 0 4 + 3 n a 2 s 2 0 a + 6 n a o h + 3 n a 2 s 2 0 a r y b a k o v ai a 等【2 2 】提出了改进的h z s 还原卤代硝基苯的方法。即在1 - 2a t m 下，在甲醇溶剂中，在有机碱( 氢氧化四丁氨或氢氧化四乙胺) 的存在下，用 9 卧太丫慨 液相催化氢化法制备溴代苯胺的工艺研究 h 2 s 还原x c 珊4 n 0 2 ( x = f 、c i 、b r ) , $ 1 j 得相应的x c 6 h 4 n h 2 。 这类还原反应比较缓和，可进行分步还原，产物的分离比较方便，缺点是 收率一般比较低，废水处理比较麻烦。 1 5 3 肼还原法 芳香族硝基物用肼还原，过去常常采用p d c 、p t c 或骨架镍作催化剂，后 来发现改用三价铁盐和活性炭作催化剂，反应较为缓和，其反应如下； 2 + 3 n 2 h 4 h 2 0 2+ 7 h 2 0 + 3 n 2 目前，还发现了好几种改进了的肼还原方法以及与肼还原法相似的方法， 简述如下： ( 1 ) g o w d as h a n k a r e 等田j 提出了z n 胼还原体系，此反应可在常温下快速进 行，还原选择性高，不会影响其它官能团f 如c h = c h 2 、c = n 、- - - c o o h 、- o h 、 - x 、一o r 等1 。 ( 2 ) a b i r a jk 等1 2 4 j 提出了镁，单甲酸肼( n h 3 n h 2 h c 0 2 ) 体系。在镁粉存在 下，用单甲酸肼把芳香硝基物还原为相应的芳胺，不影响苯环上的其它官能团 ( 如一x 、一o r 、一c o o h 、一o h 等) ，此反应同( 1 ) 一样，可以在室温下快速反 应，产物收率很高。 ( 3 ) g o w d ad c h a n n e 等1 2 5 j 提出了5 p t c 甲酸铵体系也可以把芳香硝基物 还原为相应的芳胺，此体系中甲酸铵( 或甲酸) 是用来提供氢离子的，实验表 明，甲酸铵比甲酸更有效。此还原体系的优点是被还原的卤代芳香物不会发生 脱卤副反应。g o w d as h a n k a r e 2 q 又提出n i 代替5 p f f c 效果同样好。 ( 4 ) y u nt a eh o 等旧提出用锌粉还原后的硝酸镍( n i ( n 0 3 _ ) 2 ) ，水合肼体系可 以把邻溴硝基苯还原为邻溴苯胺，但产量不高，因为大部分转化为氮氧化物。 虽然这几种改进了的还原体系对芳香硝基物的催化还原比较有效，但目前 这几种方法只用于实验室研究，工业化还有一定困难。 1 5 4 催化加氢还原法 1 5 4 1 非均相催化加氢还原法 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 非均相加氢催化剂大多为过渡金属如n i 、p f f c 、p d c 、r h c 、r u c 等， 均可有效地还原芳香硝基物。具体到溴代硝基苯上，由于芳香硝基和b f 同时存 在，还原过程中b r - 很容易脱掉，所以化学家们提出了好多种改进了的过渡金属 催化氢化法。为了方便起见，分为贵金属催化氢化法和一般金属催化氢化法进 行说明。 ( 1 ) 贵金属还原法 美国r u b b e r 公司脚l 和h a r o l dg r e e n f i e l d 等【2 9 j 提出了用p t s 、r h s 、r u s 、c o s 还原硝基溴苯时，几乎不会发生脱溴现象，而用p d s 时脱溴现象较严重。用p t s 还原对硝基溴苯时，具体操作如下：1 0 1g 对溴硝基苯溶于8 4 0m l 甲醇溶液， 用1 5 莎p t s c 在4 2x g c m 2 压力下，先在1 0 0 - 1 3 0 反应1h ，后在1 3 0 反应6 5h ，直到氢吸收停止，对溴苯胺纯度为9 9 5 。 b i r da l f r e dj a m e s 掣3 0 l 提出用h 3 p 0 4 浸渍过的p t c 、p d c 、r h ，c 、r u c 、 h c 、o s c 作催化剂，选择还原卤代硝基苯，转化率能达到9 9 以上。 f u e r s t n e r a l o i s 掣3 1 】提出，p t c l 2 ，c 还原卤代硝基苯，也可以有效抑制脱卤， 卤代苯胺的收率可达7 6 9 2 。 k o s a kj r 1 3 2 1 用0 ) 3 p 、( h o ) 3 p 、h p o ( o h ) 2 、h 2 p o ( o h ) 、p h p h o ( o h ) 和p h p h o 作为抑制脱卤剂，用p d 作催化剂，也取得了很好的效果，并且发现 h 2 压力的大小与脱卤程度没有关系。 郑兴良等【3 3 】提出用s m h o a c ( 钐，醋酸) 体系，即在离子化溶液介质中还原 芳香硝基物，在这种还原体系中，很多官能团( 如x 、一c h o 、c o o h 、c n 、 r 等) 都不受影响。这种还原体系的优点在于反应条件温和，操作简单，反应 时间短、效率高，溶剂可以循环利用。 但) 一般金属还原法 s a k a im u t s u j i 等 3 4 1 提出用胶状n i 选择还原对溴硝基苯，胶态n i 由z n 粉与 n i b r 2 在常温下反应制得。对溴硝基苯以d m f 为溶剂在催化剂存在下很容易转 化成对溴苯胺。 i s o b ek o j i 等提出用n j 还原卤代硝基苯，用双氰胺( h = n - c = n h c h c n ) 、 氨基氰钙作为抑制脱卤剂。如邻氯硝基苯以甲醇为溶剂，在拉尼镍存在下，在 1 2 0 ，1 0a r m 下，制得邻氯苯胺，纯度为9 9 8 7 【3 5 1 。后来，l s o b ek o j i l 3 6 】又 用p t q 凰体系，并且用h 2 s 0 4 ( 或n a 2 s 0 3 ) 作为抑制脱卤剂，可以把邻溴硝 基苯还原为邻溴苯胺。 a n d r e wj d i e t z l e r 等阳提出用c a ( 0 哪2 作抑制脱卤剂，r a n e y - n i 作催化剂 1 1 液相催化氢化法制各溴代苯胺的工艺研究 时，间溴硝基苯制各间溴苯胺。当c a ( o h ) 2 用量为：0 1 0 3 9 c a ( o h 现gr a n e y - n i 催化剂时，间溴硝基苯的转化率为8 3 8 7 ，并且发现c a c 0 3 、c a ( o a o h 、 m g ( o i - i ) 2 、n a o a c 、n a 2 c 0 3 等可以用来代替c a ( 0 均2 。 b a u m e i s t e rp 掣3 8 】提出当用n i 作催化剂时，用脒衍生物作为抑制脱卤剂效 果很好。发现c 和n 上的取代基和阴离子的类型对抑制脱卤剂的性能有很大影 响。醋酸甲脒是最有效的抑制脱卤剂，它可以把卤代二硝基苯还原为相应的芳 胺，选择性高达9 7 。并且发现当卤代苯胺生成后，开始发生了连串的脱卤反 应，强吸电子的硝基化合物及其相应的反应中间体或者有效的改性剂都可抑制 脱卤反应。在另一专利中，b a u m e i s t e r p p 9 1 在温度为6 0 c ，压力为l o b a r 的条件 下，将1 氯2 ，4 - - - 硝基苯溶于甲醇后，加入醋酸甲脒和r a n e y n i 催化剂，反 应5h ，制出1 氯2 ，4 二氨基苯，纯度为9 9 。 1 。5 。4 2 均相加氢还原法 ( 1 ) r e e t zm a n f r e dt 等 4 0 l 提出用p t 配盐和改性1 3 一环糊精在二元体系( 水 和有机溶剂) 中把卤代硝基物还原为相应的芳胺，发现p t 配盐具有很好的活性 和选择性。 ， ( 2 ) t y r l i ks t a n i s l a w 等【4 1 】提出用二钴圬胺体系还原卤代硝基苯。即在2 0 ，0 1m p a 下，用钴和吗啉( 摩尔比1 ：1 9 ) 作为均相催化剂，在丙酮溶液中 反应。这种方法只适合于制对、间溴苯胺，不能用于制备邻溴苯胺。 0 ) k n l f t o nj o h ne 等【4 2 1 提出用r u c l 2 ( p p h 3 ) 3 、f e ( c o ) 3 ( a s p h 3 ) 2 、 f c ( c o ) 3 ( p p h 3 ) 2 、f , ( c o ) 5 、r u c h ( a s p h 3 b 、r u c h ( a s e t 3 ) 3 等均相催化剂把七十 一种芳香硝基物还原为相应的芳胺，但此法转化率和选择性并不高。 这几种均相催化氢化法属于加氢新领域。目前，均处于研究实验阶段，离 工业化生产还有一定距离。 1 5 5 催化还原新方法 1 5 5 1c o 还原硝基化合物制备芳胺 k a n e d ak i y o t o m i 掣4 3 】提出用r u 6 ( c o ) 1 6 和n ，n ，n ，n 四甲基1 ，3 - 丙二胺 ( t m p d a ) 或胺化聚乙烯作催化剂，使用c o 和h 2 0 还原带有其它官能团( 如 c h = c h 2 、一o r ，x ) 的化合物，均可生成相应芳胺。n o m u r a ，k o t o l l i r o 【删还提 出加入少量胺类化合物( 如二异丙胺、哌啶、二丁胺、三乙胺) 可以大大提高 催化剂活性，而且反应速率会随着温度的升高和c o 压力的增大而加快。 n o m u r a ，k o t o h i r o 4 f l 在另一篇文章提到：在c o 和h 2 0 存在下，羰基铑也可以还 青岛科技大学研究生学位论文 原芳香硝基物，而且不仅胺类可以作为助催化剂，有机磷类( 如三乙膦，1 ，2 二( - - 苯基膦) 乙烷) 也可以作为助催化剂。 c o 还原法反应方程式是： + 2 c o + h 2 0 生+ 2 c 0 2 因为c o 催化还原法具有通用性，成本低，易控制及原料来源丰富等优点， 已引起国外各大公司的关注，有识之士认为，c o 还原有可能成为未来有机中间 体合成的高新技术，是催化加氢技术的补充和发展。目前，c o 还原制备芳胺的 方法需要大量的催化剂，且催化剂容易失活。只有催化剂的用量被奇迹般地削 减，找到催化剂失活的根本原因，c o 还原法才会取代催化加氯技术用于硝基化 合物制备芳胺。 1 5 5 2 电化学法还原芳香硝基物 u d u p a , h a n d a d y 等【4 6 j 提出，对氯苯胺可通过电化学还原悬浮在无机酸电解 液( 如含有硫酸钛，且浓度2 0 的h 2 s 0 4 ) 中的对氯硝基苯而制得。其中电 解液中的硫酸钛是1 0gt i 0 2 与1 1gh 2 s 0 4 反应而得。这个电还原反应在7 0 - 9 0 ，电流2 0 0a d i n 2 的条件下发生。阳极电极为铜，阴极电极为p b 或p b a g 合金，在阴极和阳极之间有一个细孔隔膜。 还原反应方程式为： 6 h + + 6 e - + x + 2 h 2 0 采用电解还原法制芳胺的研究工作很多，其优点是可以对还原过程进行控 制，收率较高，副产物少；缺点是耗电量大，成本较高，因此l i l 前仅限于实验 室合成或中型规模生产。 1 6 溴代苯胺 1 3 液相催化氢化法制备溴代苯胺的工艺研究 1 6 1 对溴苯胺 1 6 1 1 对溴苯胺的理化性质 4 7 1 对溴苯胺为无色斜方形状结晶，熔点6 6 6 6 5 c ，相对密度( d 4 9 9 6 ) 1 4 9 7 0 ， 常压沸点分解，不溶于冷水，易溶于乙醇和乙醚。具有碱性，可与无机酸形成盐。 如 h 2 s o 2 1 6 1 2 对溴苯胺的用途 对溴苯胺是一种重要的有机化工中间体，随着社会与科学的发展，对溴苯 胺的应用范围不断扩大，需求量也呈逐年上升趋势。由于n h 2 和b f 都易引入 其它官能团，所以对溴苯胺作为中间体可以衍生出上千种化学品，它在精细化 工生产中处于不可替代的地位。 ( 1 ) 医药方面：对溴苯胺作为医药中间体的作用是无与伦比的，很多报道的 新药都是以它为主要原料合成的，比如4 苯基吡咯烷酮，是磷酸二酯酶的活性 抑制剂，可延缓肿瘤的坏死【档l ；4 溴苯基半卡巴腙是高效抗癌药，可治疗呼吸 道类癌症 4 9 1 。烟曲霉素同系物，是抑制血管扩张类药物 5 0 l 。取代的三唑基叔胺 ( 如结构1 ) ，是芳香酶抑制剂【”j 。取代的喹喔啉和喹啉胍可作为神经肽接受体 的配体【5 2 j 。芳炔基基体金属蛋白酶抑制剂( 如结构2 ) ，用于治疗癌症和关节炎 【5 2 1 。此外，用对溴苯胺所合成的药物还用于治疗气喘、肾炎、增生病、神经紊 乱、帕金森等疾病。 ( 2 ) 染料方面：既用于制各传统的硫化和偶氮染料，又可制备香豆素类荧光 染料，该类染料属高档荧光染料，具有发射强度高，色光鲜艳，荧光强烈等特 点田1 。3 - 氨基苯酚类衍生物还用作氧化型染发剂的成色剂【5 4 1 。 ( 3 ) 农药方面：主要制备草酰替苯胺类药物，有利于小麦属植物授粉【5 列。此 外，3 毗啶基5 芳甲基磺酰基1 ，2 ，4 - 噻二嗪( 如结构3 ) ，是一种农用化学品 的杀菌剂【删。 ( 4 ) 其它方面：对溴苯胺还用于制备抗污刘5 ”，抗氧剂，稳定剂，石油添加剂等。 对溴苯胺还用于制备氰基联苯型液晶材料【5 8 】，这种液晶材料性能很好，对光、 1 4 太丫研 青岛科技大学研究生学位论文 热的稳定性最好，还具有良好的防湿性能。 飞庐 m 彳矿p 结构1结构2结构3 1 6 2 邻溴苯胺 1 6 2 1 邻溴苯胺的理化性质【4 7 1 邻溴苯胺低温时为白色针状结晶，熔点3 2 1 2 ，沸点2 2 9 1 2 ，相对密度( 山2 0 ) 1 5 7 8 ，折光率1 6 2 2 3 。微溶于水，易溶于甲醇、乙醇和乙醚等有机溶剂。 1 6 2 2 邻溴苯胺的用途 邻溴苯胺的用途非常广泛，主要有以下几个方面： ( 1 ) 医药方面：同对溴苯胺一样，邻溴苯胺作为医药中间体可制备出上百种 药物。制备环烷基稠环吲哚衍生物，用于治疗或预防中枢神经系统、心血管和 肠胃等的紊乱【5 9 l ；制备取代毗啶胺茴酸胺( 结构4 ) 治疗增生病i 删；4 氧基4 - 氢苯并呋喃2 酰胺( 结构5 ) ，作为5 - h t 反协同剂