喹草酸中间体的合成研究 制药工程专业毕业论文

浙浙 江江 科科 技技 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计 计 论论 文文 2012届届 题题 目目 喹草酸中间体的合成研究喹草酸中间体的合成研究 学学 院院 生物与化学工程学院生物与化学工程学院 专专 业业 制药工程专业制药工程专业 班班 级级 制药制药082班班 学学 号号 108044059 学生姓名学生姓名 陶陶 杨杨 指导教师指导教师 周孝瑞周孝瑞 完成日期完成日期 2012年年5月月20日日 浙江科技学院本科毕业设计 论文 浙江科技学院毕业设计 论文 学位论文 版权使用授权书 本人 陶杨 学号 108044059 声明所呈交的毕业设计 论 文 学位论文 喹草酸中间体的合成研究 是在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 与我一同工作的人员对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 本毕业设计 论文 学位论文作者愿意遵守浙江科技学院 关于保留 使 用学位论文的管理办法及规定 允许毕业设计 论文 学位论文被查阅 本人 授权 浙江科技学院 可以将毕业设计 论文 学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库在校园网内传播 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编 毕业设计 论文 学位论文 保密的学位论文在解密后适用本授权书 论文作者签名 陶杨 导师签名 周孝瑞 签字日期 2012年5月20日 签字日期 2012年5月20日 I 喹草酸中间体的合成研究 学生姓名 陶杨 指导教师 周孝瑞 浙江科技学院生物与化学工程学院 摘要 喹草酸是一种喹啉羧酸类激素型选择性除草剂 它的防治对象与 适用作物是芽前和芽后用于禾谷类作物 油菜和甜菜田防除猪殃殃 婆婆纳和其他杂草 伞型科作物对其非常敏感 该产品最早是由巴斯 夫公司 BASF AG 开发的 并在1984年在德国获得该产品的专利 通过用Skraup法 以2 甲基 3 氯苯胺和异丁烯醛为主原料 以碘化钠 作为催化剂 在浓硫酸条件下合成喹草酸粗品中间体 从硫酸浓度 投料比和温度三个主要因素进行正交试验 确定在70 硫酸浓度 2 甲基 3 氯苯胺 异丁烯醛 浓硫酸的摩尔比为1 1 6 6 110 下该反 应收率最高 所得产品收率为95 95 其中硫酸浓度对反应收率影响 最大 对异丁烯醛的滴加速度进行单因素试验 得出异丁烯醛的滴加 速度对产品收率影响比较大 所得粗品中间体用气相色谱进行含量分 析 关键词 喹草酸 Skraup法 3 8 二甲基 7 氯喹啉 正交实验 浙江科技学院本科毕业设计 论文 II Synthesis of the intermediate of Quinmerac Student s name TAO Yang Advisor ZHOU Xiao rui School of Biological and Chemical Engineering Zhejiang University of Science 3 chloro 2 methylaniline methacrolein and concentrated sulfuric acid molar ratio of 1 1 6 6 and the temperature of 110 have a highest reaction yield the product yield is 95 95 Which the sulfuric acid concentration on the reaction yield have a greatest impact Conduct a single factor test on the acceleration of the methacrolein Draw methacrolein dropping relatively large impact on product yield The crude intermediate is analyzed by gas chromatography Keywords Quinmerac 7 chloro 3 8 dimethyl quinoline Synthesis Orthogonal test 浙江科技学院本科毕业设计 论文 III II 浙江科技学院本科毕业设计 论文 IV 目 录 中文摘要 I 英文摘要 II 目录 III 1绪论 1 1 1 喹草酸简介 1 1 2 喹啉化合物的合成方法进展 2 1 2 1 一步合成法 3 1 2 2 分步合成法 4 1 2 3 分步 一锅法 10 6 1 2 4 连续合成反应法 7 1 3 选题的背景和意义 8 2 实验部分 9 2 1 实验仪器和试剂 9 2 2 3 8 二甲基 7 氯喹啉合成原理 10 2 3 3 8 二甲基 7 氯喹啉合成步骤 11 3 结果与讨论 12 3 1 正交试验 12 3 2 单因素实验 16 3 2 1 滴加速度对反应收率影响 16 3 2 2反应温度对产品收率的影响 17 3 3 稳定性试验 17 3 4 3 8 二甲基 7 氯喹啉的结构鉴定 18 4 总结与展望 20 致谢 22 参考文献 23 浙江科技学院本科毕业设计 论文 1 1 绪论 1 1 喹草酸简介 喹草酸 英文通用名称 quinmerac 化学名称3 甲基 7 氯 8 喹啉羧酸 7 chloro 3 methyl 8 quinoline carboxylic acid 其结构式如下 N CH3 COOH Cl quinmerac CA 登记号 90717 03 6 分子式 C11H8ClNO2 分子量 221 6 理化性质 无色无味晶体 熔点244 蒸气压 0 01mPa 20 密度 1 49g cm3 溶解度 20 水 已电离 233mg L pH 9 240g L 丙酮 2g kg 二氯甲烷2g kg 乙醇1g kg 己烷 甲苯 乙酸乙酯 橄榄油 1g kg Kow pH 7 0 9 酸性 pKa4 31 20 对光 热稳定 在pH3 9稳定 无腐蚀性 毒性 大鼠急性经口LD50 5g kg 大鼠急性经皮 2g kg 对兔皮肤和眼睛无刺 激作用 大鼠急性吸入LC50 4小时 5 4mg L 在长期饲喂试验中 无作用剂量 为 大鼠 1年 404mg kg 狗 1年 8mg kg 小鼠 78星期 38mg kg 对人的ADI为 0 08mg kg体重 无致畸 诱变作用 鹌鹑急性经口LD50 2g kg 鳟鱼LC50 96小 时 87mg L 鲤鱼 100mg L 对蜜蜂无害 LD50 经口和接触 200 g 蜜蜂 水蚤LC50 48小时 为148 7mg L 绿藻EC50 72小时 为48 5mg L 剂型 BAS 51800H 500gai hm2可湿性粉剂 BAS 51806H 悬浮剂 混 剂 BAS52302H 杀草敏 BAS 5260H 吡草胺 BAS 52503H 绿表隆 均 为悬浮剂 作用方式 机理 喹啉羧酸类激素型选择性除草剂 可被植物的根和叶吸 收 向顶和向基转移 防治对象 适用作物 芽前和芽后用于禾谷类作物 油菜和甜菜田防除猪殃 殃 婆婆纳和其他杂草 伞型科作物对其非常敏感 浙江科技学院本科毕业设计 论文 2 使用方法 禾谷类作物0 25 1 0kgai hm2 油菜0 25 0 75kgai hm2 甜菜 0 25kgai hm2芽前或芽后施用 与绿麦隆混用 0 8kg hm2本品 2 0kg hm2绿麦隆 对猪殃殃 常春藤婆婆纳 鼠尾看麦娘的防效达97 98 与异丙隆混用 0 6kg hm2或0 75kg hm2异丙隆 也有很好效果 分析方法 产品分析用HPLC法 开发单位 B Wuerzeretal 和W Nuykenetal 报道该除草剂 由巴斯夫公司 BASF AG 开发 获有专利DE 3233089 1984 DE 3326255 1985 1 2 喹啉化合物的合成方法进展 喹啉衍生物的合成方法设计 一般可分为四大类如下 1 N C C C N C C C N C C C N C C C N C C C 类型 类型 类型 类型 类型 不包括 注意类型 是不包括在内的 因为将N直接接到苯环上是困难的 在四种可能的类型中 还有许多较小的变化 特别以属于类型 和 的变化 较多 我们不能尽举 只可举其比较更闻名的 属于类型 的Skraup 合成法与Doebner Von Miller 合成法 Skraup合成法是 使一个芳胺 至少一个空着的邻位的 和丙烯醛先发生Michael加成生成 苯胺基 丙醛 然后再发生环合反应得到1 2 二氢喹啉 在氧化剂 如硝基苯或五氧化二 砷 的作用下脱氢氧化得到喹啉 浙江科技学院本科毕业设计 论文 3 NH2 CHO CH CH2 N H CH2 CH2 C H O N H CH2 CH C H OH H2SO4 N H CH2 CH H C C6H5NO2 N Doebner Von Miller 合成法与Skraup合成法极相似 且应用较 因为可以通 过它制取在吡啶环部分取代的喹啉衍生物 选择适当的醛为原料 这个合成方 法是使一个芳香族的伯胺 和一个醛 或二个醛的一个混合物 同热与HCl的存 在下 不再有氧化剂 得到喹啉的衍生物 我们主要考虑用Skraup来合成我们所需要的产品 目前已经发现多种以 Skraup法为基础合成喹草酸的行之有效的工艺路线 1 2 1 一步合成法 间硝基苯酸钠催化合成间硝基苯酸钠催化合成 2 该方法以2 氨基 6 氯苯甲酸和2 甲基丙烯醛 异丁烯醛 为起始原料 用间 硝基苯磺酸钠作为氧化剂一步合成喹草酸的合成路线如下 N CH3 Cl CO2H NH2 CO2H Cl CH2 HCCH3 O Skraup合成法 该方法优点是合成路线短 操作简单 但原料2 氨基 6 氯苯甲酸供应稀缺 没有足够的原料供应 因此导致原料价格昂贵 产品的生产成本就比较高 对该 产品的工业化生产不利 且该反应条件难以控制 反应时易脱羧 反应产物纯度 不高 产率相对也比较低 因此该方法不予考虑 离子液体催化法离子液体催化法 3 浙江科技学院本科毕业设计 论文 4 该方法是在碘化钠和酸性离子液体的催化下 通过2 氨基 6 氯苯甲酸和2 甲基 丙烯醛 异丁烯醛 进行环化反应 即得到目的产物喹草酸 其中所用的离子液 体为 N R1 R2 CH2 nSO3H R3 X A N CH2 nSO3H X B N N CH2 nSO3H R4 X C 其中 R1 R2 R3 R4为烷基或含氧烷基 X为氯 溴 碘 硫酸氢根 磷酸二氢根或苯磺酸根 n 2 3 4 该方法合成喹草酸 具有反应选择性好 产品纯度高 收率高 反应条 件温和 产品易于分离 离子液体可回收使用 环境友好等特点 适合于工业化 生产 1 2 2 分步合成法 先以2 甲基 3 氯苯胺和2 甲基丙烯醛 异丁烯醛 为原料合成中间体3 8 二甲 基 7 氯喹啉 再选择性地将该中间体中的8 甲基转化为羧基 从而实现喹草酸的 合成 中间体中间体 3 8 二甲基二甲基 7 氯喹啉的合成氯喹啉的合成 NH2 CH3 Cl CH2 HCCH3 O Skraup合成法 N CH3 Cl CH3 其中又有很多文献对Skraup法合成中间体3 8 二甲基 7 氯喹啉的条件进行了 筛选与改进 大致有这么几种 原始原始Skraup法法 4 在浓硫酸中 在有氧化剂 例如硝基苯 五氧化二砷 氧化铁 或苦味 酸 存在下 将2 甲基 3 氯苯胺和2 甲基丙烯醛反应制得3 8 二甲基 7 氯喹啉 浙江科技学院本科毕业设计 论文 5 方法评价 该方法制得中间体产率中等 而且使用这些氧化剂会引起值得考 虑的废水污染问题 所以这种方法不适合于工业生产 改进后的改进后的Skraup法一法一 5 在浓硫酸中 在2 甲基 3 氯苯胺和2 甲基丙烯醛反应中采用碘作为氧化剂 来制得3 8 二甲基 7 氯喹啉 方法评价 该方法解决了原始Skraup法中氧化剂引起废水污染问题 但该法 制得的中间体产量中等 且胺醛反应不可避免的会产生聚合物和凝析物难以与中 间体分离 使反应物纯度降低 改进后的改进后的Skraup法二法二 6 利用矿物油的高沸点来加热反应物 并用酸做催化剂来实现反应 方法评价 酸的催化充分 不需要大量碱来中和 同时 胺醛反应产生的聚 合物和凝析物会留在油相中 工业上可以将他们分离出来作为燃料 但该方法需 要高温 反应物异丁烯闪点 15 易燃 所以高温不安全 因此不考虑此法 改进后的改进后的Skraup法三法三 7 在浓硫酸中 在2 甲基 3 氯苯胺和2 甲基丙烯醛反应中采用碘化钠作为氧化 剂 用甲苯萃取来制得较纯的3 8 二甲基 7 氯喹啉 方法评价 该方法产率高 所得中间体纯净度高 环境污染小 但为解决胺醛 反应不可避免的会产生的聚合物和凝析物难以与中间体分离问题 但总体来说该 工艺路线优势明显 选择性苄位卤代 再氧化水解选择性苄位卤代 再氧化水解 从检索到的资料来看 将3 8 二甲基 7 氯喹啉中的8 甲基转化成溴甲基一般 有两种方法 一种是用N 溴代琥珀酰亚胺 NBS 2 还有一种是用液溴 8 他 们的化学合成路线如下 N CH3 Cl CH3 NBr O O N N N N CCl4 76 N CH2Br Cl CH3 NH O O 浙江科技学院本科毕业设计 论文 6 N CH3 Cl CH3 N N N N CH3COONa N CH2Br Cl CH3 BrBr H2O Cl Cl 溴代后再用二氧化锰 浓硫酸 浓硝酸选择性氧化得到喹草酸 8 N COOH Cl CH3 N CH2Br Cl CH3 Mn OO O HH H2SO4 HNO3 该反应路线相对较复杂 各步原料损耗较多 最后影响产品的产率 而且该 方法使用多种有机试剂 对环境污染比较严重 不符合绿色工艺原则 在工业生 产中对反应的后处理比较麻烦 对污水的处理投入比较大 得不偿失 所以该工 艺路线不予考虑 选择性催化氧化法选择性催化氧化法 9 采用催化氧化的方法将3 8 二甲基 7 氯喹啉中的8 甲基直接氧化成羧基 从 而转化成喹草酸 所用催化剂是五氧化二钒和醋酸钴 同时需要通入空气 将反 应产生的亚硝酸气体赶出反应装置 使反应更快更好的进行 其反应路线为 N CH3 CH3 Cl N CH3 COOH Cl O2V2O5 H2SO4HNO3 该方法采用直接催化氧化将8 位甲基直接氧化成羧基 缩短反应路线 且产 品纯度高 且所用试剂都为无机试剂 对环境污染小 但该反应产率中等 1 2 3 分步 一锅法 10 一锅法即one pot reaction一种非常具有前景的有机合成方法 一锅法反 应中的多步反应可以从相对简单易的的原料出发 不经中间体的分离 直接 获得结构复杂的分子 在本合成反应中 我们将所需原料分布加入同一个反 应装置中反应 浙江科技学院本科毕业设计 论文 7 N CH3 CH3 Cl N CH3 COOH Cl CH3 NH2 Cl H2C O CH3 该反应原料充分利用 环境污染小 工业上所需设备简单 显然经济上和 环境友好上较为有利 1 2 4连续合成反应 法 6 Toni Dockner meckenheim Helmut Hagen在专利US 4617395中提到连续合成 喹草酸中间体的方法 其工艺流程图如图1 1所示 图1 1 连续合成反应流程图 在图1所示仪器中 用计量泵1a和1b通过管道2a和2b 将123g h的丙烯醛和 283g h的2 甲基 3 氯苯胺加入到预蒸发器3a和3b中被同时蒸发 在该情况下 在 浙江科技学院本科毕业设计 论文 8 170 通入30升 小时的氮气 然后通过双料喷嘴引入蒸汽进入反应器 反应温 度是150 反应器包括一个长1 25米 直径65毫米的双壁管 一个带有5毫米空洞的穿孔 板 位于喷嘴入口上方3厘米处 反应器上部填了3升的5 5毫米的玻璃环 反应器含1 2kg 沸点大于350 的真空瓦斯油 其中5 是十二烷基苯磺酸作 为催化剂 反应生成的水和未被反应的丙烯醛在冷凝器6中被冷凝 并在收集容器7中被 收集 形成的7 氯 8 甲基喹啉通过分馏在反应器中被从真空瓦斯油中回收 在加入初始原料的每小时中 获得192g的馏分 沸点119 2mm Hg 根据 气相色谱 含有质量分数为98 的7 氯 8 甲基喹啉 按使用的2 甲基 3 氯苯胺计 算收率为53 另一部分馏分含82 6g的7 氯 8 甲基四氢喹啉 这些可以与2 氯 5 硝基甲苯共 热转化成7 氯 8 甲基喹啉 这可以增加收率按使用的2 甲基 3 氯苯胺计算为 76 与以前的工艺相比 新工艺有以下大量优势 催化量的酸就足够了 就不用中和大量硫酸了 醛和胺反应不可避免的产生 的聚合物和凝析物仍留在矿物油中 后者不需要回收 并且将所需要的催化剂分 离后 用于发电站燃烧是有利的 此外 该工艺实质上 在它的技术实施和能量 消耗上更经济 最后 燃烧反应介质和副产物带来的环境污染小 1 3 选题的背景和意义 喹草酸是一种喹啉羧酸类激素型选择性除草剂 防治对象 适用作物 芽前 和芽后用于禾谷类作物 油菜和甜菜田防除猪殃殃 婆婆纳和其他杂草 伞型科 作物对其非常敏感 它的最大优点是高效低毒 该产品最早是由巴斯夫公司 BASF AG 开发的 并在1984年在德国获得该产品的专利 该产品目前在国内 还没有大规模的生产和使用 但在国外的使用量在不断增大 相信在不久的将来 该产品在国内也会有较好的发展前景 所以对该产品的研究和开发是很有意义 的 浙江科技学院本科毕业设计 论文 9 很多合成吡啶稠环化合物 如 喹啉 苯并喹啉和他们的衍生物 已经 被设计并在实验室合成 它已经被Z H Skraup Monatshefte f r Chemie 1880 第1卷 317页 展示 该 喹啉合成是小批量的 它是将硫酸 1 5 2份 苯胺 1份 甘油 1份 的 混合物在180 190 下加热合成 它的化学方程式是 C6H7N C3H8O3 C9H7N 3H2O 2H 它展示了将1分子苯胺转换成喹啉是伴随着解放了两个氢原子 为了有效处 理这些氢原子 Skraup在苯胺 甘油和硫酸的反应混合物中加入了硝基苯 希望 解放氢原子能因硝基苯转化成苯胺而减少 从而提高喹啉的总收率 预计的产率 是按照化学方程式计算得到的 2C6H7N C6H5NO2 3C3H8O3 3C9H7N 11H2O 该方法是没有考虑到实际情况的 因为该反应可能会产生爆炸 除非严格控 制 Skraup 美国 专利号 241738 Skraup法已经在合成昂贵中间体和其他已被公布的缺乏适合工业化合成吡啶 稠环化合物方法的领域被广泛研究 有很多可能避免剧烈反应的修改方案被提出 在 这些方法中有部分是将硝基苯改为无机氧化剂 如 砷酸 C A Kneuppel D R P 87334 德国化学学会杂志 1896 第29卷 704页 和 四氧化三铁 E de Barry Barnett Chemical News 1920 第121卷 205页 用 氯化锡苯胺代替苯胺也有被提出 J G F Druce 化学信息 1918年 第117 卷 347页 这些修改提供了一个顺畅的反应 将最大限度地减少在反应容器中伴随剧烈 反应而产生爆炸危险 并避免将喹啉与任何过量的或未转变的硝基苯分离的必要 性 然后他们需要大量使用无机盐 这些无机盐难以回收 并且大量无机残留物 对回收反应得到的喹啉也复杂化了 此外 根据H T Clarke和Anne W Davis 有 机合成 1922年 第 卷 第79页 提到的加入硫酸亚铁作为氧化剂的载体来引发 反应去延长一段较长时间 因此它可以使大量原料反应 然而他指出 80份质量 的硫酸亚铁 865份质量的甘油 218份质量的苯胺 170份质量的硝基苯和400份 体积的硫酸反应仅生成255到275份质量的喹啉 并且在某些情况下 没有明显原 浙江科技学院本科毕业设计 论文 10 因地下降到低于200份质量 很显然 用该甘油使用比例并不经济 并且除了在 战争年代甘油的供应量是受到严格限制的 2 实验部分 2 1 实验仪器和试剂 表2 1 实验仪器和设备 名称 型号 制造商或产地 机械搅拌器 S212 90 上海申胜生物技术有限公司 磁力搅拌器 85 1B 巩义市予华仪器有限公司 电子天平 DT300A 江苏常熟长春仪器仪表厂 水泵 SHZ D 巩义市英峪予华仪器厂 红外烘箱 WS70 1 上海吴淞五金厂 其他玻璃仪器 若干 表2 2 主要的化学药品和试剂 名称 规格 来源 异丁烯醛 工业品 上海康拓化工有限公司 2 甲基 3 氯苯胺 工业品 盐城世宏化工有限公司 氢氧化钠 分析纯 杭州高晶精细化工有限公司 浓硫酸 分析纯 衢州巨化试剂有限公司 碘化钠 分析纯 上海凌峰化学试剂有限公司 异丙醇 分析纯 杭州高晶精细化工有限公司 浙江科技学院本科毕业设计 论文 11 2 2 3 8 二甲基 7 氯喹啉合成原理 Skraup合成法是使一个芳胺 至少一个空着的邻位的 和丙烯醛先发生 Michael加成生成 苯胺基丙醛 然后再发生环合反应得到1 2 二氢喹啉 在氧化 剂 如硝基苯或五氧化二砷 的作用下脱氢氧化得到喹啉 本课题研究是以2 甲基 3 氯苯胺与异丁烯醛为原料 在浓硫酸中先发生环合 反应 生成3 8 二甲基 7 氯四氢喹啉 然后在碘化钠的催化下 发生氧化脱氢反 应 生成3 8 二甲基 7 氯喹啉 其中浓硫酸在该反应中作为氧化剂 脱水剂和溶 剂 但伴随着反应进行 异丁烯醛还会发生自身聚合与氧化反应 形成的副产物 会影响反应收率 主反应 CH3 NH2Cl OHCH2SO4 120 N H CH3 CH3 Cl N H CH3 CH3 Cl I2 N CH3 CH3 Cl HI 2I 2H2SO4I2 2H2OSO2 SO4 2 主要副反应 OHC H2SO4 120 C H2 C CH3 CHO n n HCC O CH2 CH3 H2SO4 CC CH3 CH2 O HO H20 SO2 浙江科技学院本科毕业设计 论文 12 2 3 3 8 二甲基 7 氯喹啉合成步骤 将一定量 0 75mol到1 05mol 的某浓度 60 到80 的浓硫酸倒入250ml 的三口烧瓶中 称取21 22g2 甲基 3 氯苯胺 在连续剧烈的机械搅拌下滴加到浓 硫酸中 溶液变淡黄色 有白色固体产生 滴加完成后 称取0 89g碘化钠加入到 反应物中 溶液变深红棕色 打开冷凝水 并用油浴加热到一定温度 90 到 120 称取一定质量的 14 7g到18 9g 异丁烯醛 开始滴加 控制滴加速度 在10秒每滴 温度继续上升 控制反应温度 100 到130 滴加过程中试泡 器关口有气泡冒出 滴加完后继续反应半小时到1小时左右 冷却至室温 30 左右 用25 的氢氧化钠溶液调节pH至7 8 在滴加氢氧化钠中和时 通过控制 滴加速度 来控制溶液温度保持在30 左右 溶液温度不能超过40 抽滤 得到淡黄色到棕黑色的粒状固体或粉末状固体 其中还有无色晶体 用 500ml 40 的水分两次洗涤 抽滤 滤液为淡黄色 得到的固体体积减小 无 色晶体消失 将粗品中间体烘干 称量 3 结果与讨论 3 1 正交试验 根据文献资料以及初步探索试验结果初步确认反应温度 A 2 甲基 3 氯苯 胺与异丁烯醛的投料比 B 2 甲基 3 氯苯胺与浓硫酸的投料比 C 硫酸浓 度 D 这四个因素可能为影响中间体合成收率及质量的主要因素 据此安排了 四因素三水平的正交实验 其中三个水平如表3 1所示 表3 1 正交实验水平表 水平号ABCD 1 110 1 1 41 565 2 120 1 1 61 670 浙江科技学院本科毕业设计 论文 13 3 130 1 1 81 775 以合成得到粗产品的含量及收率为主要评价指标 正交实验的结果如表3 2所 示 表3 2 正交实验结果表 试验号ABCD含量收率 111110 877771 56 212220 916999 05 313330 862394 23 421230 916387 56 522310 857483 63 623120 915187 71 731320 828477 93 832130 867081 04 933210 827080 01 K188 28 79 02 80 10 78 40 K286 30 87 91 88 87 88 23 K379 66 87 31 85 26 87 61 差值8 62 8 89 8 77 9 83 得到优化条件为 A1 B2 C2 D2 即反应温度110 2 甲基 3 氯苯胺与 异丁烯醛的投料比为1 1 6 mol 2 甲基 3 氯苯胺与浓硫酸的投料比为1 6 mol 硫酸浓度为70 浙江科技学院本科毕业设计 论文 14 其中 硫酸浓度对反应收率影响最大 其他三个因素对反应收率都有显著影 响 所以该正交试验所选择的四个因素是比较合适的 从图3 1可以看到 随着反应温度升高 产品收率下降 产生该现象的原因可 能是 高温能增加异丁烯醛的聚合反应 OHC H2SO4 120 C H2 C CH3 CHO n n 使产品中聚合物的含量增加 产品收率下降 但由于该因素下未有明显的最佳温 度条件 所以要进行单因素补充实验 75 00 80 00 85 00 90 00 100110120130140 温度 收率 图3 1 温度对反应收率的影响 从图3 2可以看到 伴随着异丁烯醛用量增大 产品收率先增大 后趋平 产 生该现象的原因 反应中 异丁烯醛会被浓硫酸氧化 也会产生自身聚合反应 这两个副反应是不可避免的 所以要想做到2 甲基 3 氯苯胺与异丁烯醛1 1反应 势必要增加异丁烯醛的用量 而在相同条件下 产生副反应的比例是一定的 所 以当异丁烯醛的用量增加到一定值时产品收率就不再增加 因为投料比1 1 6与 1 1 8所得产品收率相差不大 根据经济性考虑选择投料较少的 浙江科技学院本科毕业设计 论文 15 75 00 80 00 85 00 90 00 1 1 2 1 1 4 1 1 61 1 81 20 投料比 收率 图3 2 2 甲基 3 氯苯胺与异丁烯醛投料比对反应收率的影响 从图3 3可以看出 伴随着硫酸的用量增大 反应收率先增加后又降低 硫酸 用量增加产品收率增加是因为 1 硫酸在反应过程中作为反应的溶剂 是2 甲基 3 氯苯胺与异丁烯醛接触的媒介物质 硫酸用量增多有利于稀释2 甲基 3 氯苯 胺 使反应充分进行 2 硫酸在反应中还作为氧化剂 反应过程中通过氧化碘 负离子 转化为碘 碘再与反应合成的3 8 二甲基7 氯四氢喹啉反应 脱氢氧化 转化为3 8 二甲基7 氯喹啉 所以碘在反应中作为催化剂 硫酸作为氧化剂 所以 硫酸用量增多 能提高碘负离子的转化速率 加速反应进行 当硫酸用量继续增加时 反应收率下降有一下两点可能原因 1 硫酸能促 进异丁烯醛的聚合反应 所以大量的硫酸使用会增加聚合副产物的量 从而影响 产品收率 2 硫酸还能氧化异丁烯醛 反应中 CH3 NH2Cl OHCH2SO4 120 N H CH3 CH3 Cl 与 HCC O CH2 CH3 H2SO4 CC CH3 CH2 O HO SO2H2O 存在着竞争 当硫酸用量增大时 后者比例增大 副产物增多 产品收率下降 浙江科技学院本科毕业设计 论文 16 78 00 80 00 82 00 84 00 86 00 88 00 90 00 1 41 51 61 71 8 投料比 收率 图3 3 2 甲基 3 氯苯胺与浓硫酸的投料比对产品收率的影响 从所使用的硫酸浓度看 随着硫酸浓度增大 产品收率先增加后趋平 其原 因可能是浓硫酸具有脱水性 浓度越高 其脱水性越强 促进反应进行 提高反 应速度 从而减小副反应的比例 但反应产生的水是一定的 所以再升高浓度其 对反应产率影响不大 根据安全性考虑 所以选择浓度较低的 75 00 80 00 85 00 90 00 64 66 68 70 72 74 76 硫酸浓度 收率 图3 4 硫酸浓度对产品收率的影响 3 2 单因素实验 3 2 1 滴加速度对反应收率影响 根据文献资料显示 异丁烯醛在反应过程中会发生自身聚合反应以及自身氧 化发生 推测减小异丁烯醛的滴加速度会减小这些副反应的影响 为了验证该推 测安排了滴加速度对反应收率的影响的单因素实验 其结果如表3 3所示 浙江科技学院本科毕业设计 论文 17 表3 3 滴加速度对反应收率影响 试验号滴加速度含量收率 15 秒 滴0 77330 7710 210 秒 滴0 80950 8367 315 秒 滴0 83250 9213 从上表数据分析得到 异丁烯醛的滴加速度对反应收率影响显著 异丁烯醛 的滴加速度越慢 产品收率越高 其主要原因是在反应过程中存在着2 甲基 3 氯 苯胺与异丁烯醛的skraup环合反应 异丁烯醛自身聚合反应以及异丁烯醛的氧化 反应这三个主要反应的竞争 而2 甲基 3 氯苯胺与异丁烯醛的skraup环合反应速 度较慢 所以滴加速度过快容易增加副反应的发生比例 增加产物中副产物的 量 从而影响反应收率 理论与实际相符合 说明滴加速度在该中间体合成过程 中是一个重要的影响因素 3 2 2 反应温度对产品收率的影响 因正交实验中所选水平条件的边界限制 得到结果中最低温度110 得到的收 率最高 为了验证比110 更低温度所得产品收率是否会更高 就安排了补充实 验 其结果如表3 4所示 表3 4 反应温度对产品收率的影响 试验号温度含量质量收率 1 110 0 9282 29 53 95 42 2 100 0 8470 28 13 82 94 从上表可以看到 当温度低于110 时 反应收率下降 在反应过程中 试 泡器管口产生气泡数量很少 且产品颜色比较偏黄色 该现象说明很少发生氧化 脱氢反应 产品颜色偏黄说明还有部分2 甲基 3 氯苯胺未反应 其可能原因是在 低于100 时 反应速度慢 异丁烯醛发生副反应的比例增大 产品收率减小 也有可能部分原料未发生反应 浙江科技学院本科毕业设计 论文 18 3 3 稳定性试验 为了验证分析正交实验结果得到的最佳反应条件是否可靠 就在该最佳条件 下做了三组稳定性实验 其结果如表3 2所示 表3 2 稳定性实验结果 试验号含量质量收率 10 8942 30 00 93 39 20 9282 29 53 95 42 3 0 916931 0399 05 平均值0 913130 1995 95 两次稳定性实验收率都在90 以上且高于文献值90 7 所以认为在温度为 110 2 甲基 3 氯苯胺 异丁烯醛和浓硫酸的比为1 1 6 6 浓硫酸浓度为70 时 是该反应的最佳反应条件 3 4 3 8 二甲基 7 氯喹啉的结构鉴定 采用减压蒸馏所得的蒸馏产物 用红外色谱分析 其红外图谱如图3 5所示 浙江科技学院本科毕业设计 论文 19 cq t 1 2 481 73 510 76 539 51 601 13 646 18 707 53 753 27 783 14 812 82 854 43 897 73954 08 1008 13 1043 95 1139 01 1165 70 1223 94 1243 301322 02 1373 26 1462 01 1480 22 1591 34 1747 89 1841 44 1925 10 2331 99 2736 63 2857 30 2917 06 2989 00 3031 46 3430 83 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 T 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenum bers cm 1 图3 5 3 8 二甲基 7 氯 喹啉红外图谱 3031 46cm 1是芳环上的碳氢伸缩震动 2989 00 cm 1 2917 06 cm 1 2857 3 cm 1 是甲基上的碳氢伸缩震动 1591 34 cm 1是碳氮共轭双键的伸缩震动 对减压蒸馏后的馏出物再用异丙醇为溶剂重结晶 得到白色针状晶体 测其 熔点在71 6 76 7 与文献数据基本吻合 然后对该白色针状晶体做核磁共振分 析 其核磁共振图谱如图3 6所示 浙江科技学院本科毕业设计 论文 20 图3 6 3 8 二甲基 7 氯 喹啉核磁共振图谱 3位甲基上的氢的化学位移值在2 5左右 8位甲基上的氢的化学位移值在2 9 左右 5 6位上的氢的化学位移值在7 5左右 4位上的氢的化学位移值在7 9左 右 2位上的氢的化学位移值在8 8左右 浙江科技学院本科毕业设计 论文 21 4 总结与展望 本文主要介绍了喹啉羧酸类激素型选择性除草剂 喹草酸 并着重介绍合成 喹草酸的中间体 3 8 二甲基 7 氯喹啉的合成路线的优化 最后确定用2 甲基 3 氯苯胺与异丁烯醛为主原料 在浓硫酸的条件下 用碘化钠催化氧化合成该中介 体 并对所得目标产物做红外色谱分析 液相色谱分析 核磁共振分析 以及熔 点测试 最终确定所得产物确为所需的目标分子 3 8 二甲基 7 氯喹啉 安排单 因素实验 确定主要反应影响因素 温度 2 甲基 3 氯苯胺 异丁烯醛和浓硫酸 三者的投料比 浓硫酸浓度 异丁烯醛的滴加速度 然后安排正交实验 设计 了四因素三水平的正交试验 通过用气相色谱分析反应合成的粗品中间体的含 量 结合正交表 得到最优实验条件 该最优条件是在110摄氏度时 2 甲基 3 氯苯胺 异丁烯醛和浓硫酸的投料比为1 1 6 6 硫酸浓度为70 并且发现硫酸 浓度对反应产品收率影响较大 在该最优条件下进行三组稳定性实验 得到产品 的平均纯度为 91 31 平均产品收率为 95 95 对于异丁烯醛的滴加速度这 个影响因