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硕士论文 问硝基苯甲醛的合成 摘要 间硝基苯甲醛是重要的有机合成中间体，但是工业上合成间硝基苯甲醛的方法仍然 停留在传统的混酸硝化上，这给环境带来很大的压力。本文结合工业生产的实际，探讨 了以下两种可行性的方法： ( 1 ) 研究了以间硝基甲苯为原料经过溴代、水解、氧化制备间硝基苯甲醛的方法。 分别对三步反应条件进行了优化。结果表明：当n ( n 0 2 c 6 i - h c h o ) ：n ( k b r 0 3 ) ：n ( n a h s 0 3 ) 为1 ：2 5 ：2 5 ，溴化时间为4 h ，溴代温度为7 0 ；n ( 溴代产物) ：n ( n a 2 c 0 3 ) 为1 ：2 ，水解 时间为7 h ，水解温度为1 0 0 ；氧化温度为1 0 0 时，间硝基苯甲醛粗品的收率可以达 到4 8 2 。( 窑) n ( n 0 2 c 6 h 4 c h o ) ：n ( h b r ) ：n ( h 2 0 2 ) 为1 ：3 ：3 ，溴化时间为4 h ，溴代温度为6 29 c ； n ( 溴代产物) ：n ( n a 2 c 0 3 ) 为1 ：2 ，水解时间为7 h ，水解温度为1 0 0 ；n ( 水解产物) ：氧化温 度为1 0 0 时，间硝基苯甲醛粗品的收率可以达到3 5 。 经过水蒸气蒸馏或者乙醇重结晶可得到纯度为9 9 的间硝基苯甲醛。 ( 2 ) 研究了以间硝基甲苯为原料，三氧化二锰为氧化剂，硫酸为反应介质的间硝基 甲苯的选择性氧化，优化了反应条件。结果表明：当n ( n 0 2 c 6 h 4 c h o ) ：r i ( m n 2 0 3 ) 为1 ：1 5 ； 反应温度为9 0 ，反应时间为7 1 1 时，间硝基苯甲醛的收率达到6 5 6 。 关键词：间硝基甲苯，间硝基苯甲醛，溴代，水解，选择性氧化 间硝基苯甲醛的合成 a b s t r a c t m n i t r o b e n z a l d e h y d ei sa ni m p o r t a n to r g a n i cs y n t h e s i si n t e r m e d i a t e s h o w e v e r , t h e i n d u s t r i a ls y n t h e s i so fm - n i t r o b e n z a l d e h y d es t i l lr e m a i ni nt h et r a d i t i o n a lm e t h o do f m i x i n ga c i dn i t r a t i o n ，t h i sb r i n g sg r e a tp r e s s u r et oe n v i r o n m e n t b a s e do nt h ea c t u a l i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t w on o v e ls y n t h e t i cm e t h o d so fm n i r o b e n z a l d e h y d ew e r es t u d i e d ： ( 1 ) t h em - n i t r o b e n z a l d e h y d ew a ss y n t h e s i z e dw h e nm n i t r o t o l u e n ew a su s e da sr a w m a t e r i a lt h r o u g hb r o m i n a t i o n ，h y d r o l y s i s ，o x i d a t i o n t h et h r e e s t e pr e a c t i o nc o n d i t i o n s w e r e o p t i m i z e dr e s p e c t i v e l y t h eo p t i m i z e d c o n d i t i o n sw e r ea sf o l l o w s ：n ( m n i t r o t o l u e n e ) ：n ( p o t a s s i u mb r o m a t e ) ：n ( s o d i u mb i s u l f i t e ) w a s1 ：2 5 ：2 5 ，b r o m i n a t i o n t i m ew a s4 h ，b r o m i n a t i o nt e m p e r a t u r ew a s7 0 。c ，n ( b r o m i d ep r o d u c t ) ：n ( s o d i u mc a r b o n a t e ) w a s1 ：2 ，h y d r o l y s i st i m ew a s7 h ，h y d r o l y s i st e m p e r a t u r ew a si0 0 。c ，o x i d a t i o n t e m p e r a t u r ew a s10 0 u n d e rt h i sc o n d i t i o n st h ey i e l do ft r u e dm n i t r o b e n z a l d e h y d e c o u l dr e a c h4 8 2 n ( m - n i t r o t o l u e n e ) ：n ( h y d r o b r o m i d e ) ：n o a y d r o g e np e r o x i d e ) w a s 1 ：3 ：3 ，b r o m i n a t i o nt i m ew a s4 h ，b r o m i n a t i o nt e m p e r a t u r ew a s6 2 ，t h eo t h e rc o n d i t i o n s w e r et h es a m ea s t h e s y s t e mo fp o t a s s i u mb r o m a t e ，t h ey i e l do fc r u d e m n i t r o b e n z a l d e h y d ec o u l dr e a c h3 5 a f t e rs t e a md i s t i l l a t i o no rt h ea v a i l a b i l i t yo fe t h a n o l r e c r y s t a l l i n e ，t h ep u r i t yo f m - n i t r o b e n z a l d e h y d ew a s 叩t o9 9 ( 2 ) m n i t r o b e n z a l d e h y d ew a sp r e p a r e df r o mm - n i t r o t o l u e n ev i ao x i d a t i o nb y m n 2 0 3w h e ns u l p h u r i ca c i dw a su s e da st h er e a c t i o nm e d i u m t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h ey i e l do fm n i t r o b e n z a l d e h y d ew a su pt o6 5 6 w h e nn ( m - n i t r o t o l u e n e ) ：n ( m n 2 0 3 ) ： w a s1 ：1 。5 ；r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s9 0 ；r e a c t i o nt i m ew a s7 h k e y w o r d s ：m - n i t r o t o l u e n e ，m - n i t r o b e n z a l d e h y d e ，b r o m i d e ，h y d r o l y s i s ， s e l e c t i v eo x i d a t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 望舞萄 髫年6 月2 p 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：垒焘葺 知。f m - 6 月日 硕士论文 问硝基苯甲醛的合成 第一章绪论 1 1 间硝基苯甲醛的性质和用途 1 1 1 间硝基苯甲醛的主要性质 间硝基苯甲醛( m - n i t r o b e n z a l d e h y d e ) ，分子结构是m - n 0 2 c 6 h 4 c h o ，分子量 1 5 1 2 ，c a s 号9 9 6 1 - 6 ，间硝基苯甲醛淡黄色或白色结晶粉末，溶于醇，苯，醚， 氯仿等多种有机溶剂，几乎不溶于水，能随水蒸气挥发。熔点：5 6 - 5 8 c ，沸点： 1 6 4 ( 3 0 7 k p a ) ，相对密度：1 2 8 【l 】。遇高热、明火或与氧化剂接触，有引起燃烧 的危险。受高热分解，放出腐蚀性、刺激性的烟雾。对皮肤具有中等刺激作用。毒 性：l d 5 0 ：5 0 4 0 0 m g k g ( 大鼠经口) ；5 0 0 m g k g ( 小鼠腹腔内) 。本品对眼睛、皮 肤、粘膜和上呼吸道有刺激作用。 1 1 2 问硝基苯甲醛的用途 间硝基苯甲醛是一种重要的精细化工产品，主要用于作染料、表面活性剂、医 药有机合成中间体。在制药工业中用于碘普酸钙、碘番酸、胆影脒钙、硝基苄啶等 的生产【2 _ 5 1 。 1 2 间硝基苯甲醛的工业生产方法 。 当前国内外生产间硝基苯甲醛的方法仍然是苯甲醛硝化法。在合适的条件下将 硫酸加入到反应釜中，搅拌下加硝酸钠，加热至7 0 。c 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l h ，至釜内无苯甲醛；再将硝 化物缓慢加入碎冰中，充分搅拌，使硝化物完全析出，滤出沉淀；在用i o c 以下的 碳酸钠洗涤去酸，滤干，压去油状物；再用乙醇洗去邻位硝基物后，经低温减压干 燥得成品l l j 。方程式如下： n a n 0 3 - - - - - h 2 s 0 4 1 3 硝基苯甲醛的合成进展 c h o n 0 2 +h20 硝基苯甲醛包括邻硝基苯甲醛、间硝基苯甲醛、对硝基苯甲醛，都是重要的化 工中间体，广泛应用于合成医药、染料中间体等。硝基苯甲醛的国内外市场需求较 1 绪论 硕士论文 大，因此研究和改进其工艺路线具有很重要的义。对邻、对硝基苯甲醛的研究主要 是集中在以邻、对硝基甲苯的的侧链甲基上的选择性氧化，以及电化学法、空气氧 化等方法。邻硝基甲苯的侧链氧化制备邻硝基苯甲醛已经实现了工业化。而关于间 硝基苯甲醛的研究则是停留在苯甲醛的硝化上，关于侧链甲基c h 键的选择性氧化 还没有引起人们的关注。 1 3 1 般的化学合成法 1 3 1 1 以苯甲醛为原料 日本专利【6 】介绍的方法是以苯甲醛为原料。在醋酐和浓硫酸的混合液中，于0 c 滴加苯甲醛的醋酐溶液，反应生成苄叉二乙酸酯【4 1 。再在搅拌下于0 。c 与发烟硝酸用， 得黄色块状固体。加入碳酸钠水溶液，加热水解，可分离出邻硝基苯甲醛和对硝基苯 甲醛，二者的质量比大约为3 ：2 。这两种邻、对位产物分离十分困难，这就使得产物 邻硝基苯甲醛的收率低且纯度低。方程式如下： 口洲：，c 。 ( o o c c h 3 ) 2 + n c h ( o o c c h 3 ) 2 c h ( o o c c h 3 ) 2 嗯叫。 0 2 n 1 3 1 2 以硝基甲苯为起始原料 用c r 0 3 在醋酐的醋酸溶液中氧化邻硝基甲苯，生成邻硝基苄叉二乙酸酯中体。 在稀硫酸中水解，以水蒸气蒸馏的方法，分离出邻硝基苯甲醛。此法制备邻硝基苯 甲醛的纯度高，但消耗大量的醋酐和醋酸，且含铬废水污染环境，不易治理。 2 c o ) 2 0 c h 3 c o 。o h c r 0 1 3 ) 2 硫胺 j 卜 o o c c h 3 ) 2 2 1 ， 口 咒 k c 的 2瓣啤 硕士论文问硝基苯甲醛的合成 由邻硝基甲苯先制成邻硝基苯丙酮酸，再进行氧化。邻硝基甲苯和草酸二乙酸酯 在乙醇钠溶液中进行缩合反应。加入高锰酸钾氧化后，经过滤、萃取、分离、干燥、 减压浓缩等步骤，得到产品。该法的优点是溶剂和未反应的原料都可以回收利用，但 收率较低。该法也可用n a c l 0 对邻硝基苯丙酮酸进行氧化，形成邻硝基二氯苄叉，再 水解成邻硝基苯甲醛，总收率较高，可达5 5 。 c h 3 + ( c o o c n o2 h 5 ) 2 c 2 h s o h - c h 2 c o c o o c 2 h 5 n o ， 皿啤o o h 骂幽- c h o n 0 2 邻硝基甲苯先与n ，n 一二甲基甲酰胺( d m f ) 在氮气中反应缩合成中间体n , n 甲基 胺2 硝基苯乙烯，后者再加入n a c l 0 乙腈混合液氧化成邻硝基二氯苄叉，再在硫酸 中水解制得产品。 c h 3 q 丛e - n 0 2 缩合 n a c l 0 - - - - - - - 氧化 c h n ( c h 3 ) 2 c h o n 0 2 1 3 1 3 一步法合成硝基苯甲醛 r a d r i e 7 1 曾报道过用b t p c p 在乙腈为溶剂回流的条件下氧化间硝基甲苯制备间 硝基苯甲醛，氧化时间仅有4 5 m i n ，间硝基苯甲醛收率可达5 7 。但是这种直接的 一步氧化必须在无水的条件下进行，条件比较苛刻，同时氧化剂b t p c p 价格昂贵。 1 3 2 溴化法 以邻硝基甲苯为原料，使用金属溴化物进行光卤化置换反应，获得高纯度、高收 率的二溴化物，在碱性条件下水解制得目标化合物。反应在四氯化碳中，加入邻硝基 甲苯、溴化钠、氢氧化钠，在高压钠灯照射下，通人氯气，经1 4 h 完成。然后经水解、 结晶、过滤、干燥、精制得产品。 3 1 绪论硕士论文 c h 3 n 0 2 + 2 n a b r + 2 n a o h + 2 c 1 2 c h o n 0 2 + 2 n a b r n 0 2 c h b r 2 另外一种类似的方法，仍以邻硝基甲苯、氯气、溴化钠为原料，经光卤化制备邻 硝基亚苄二溴，并经碱性相转移催化水解制备邻硝基苯甲醛。该法使用了价廉易得的 1 2 2 7 阳离子表面活性剂为相转移催化剂，使水解收率大于7 0 ，邻硝基亚苄二卤化物 收率大于9 8 ，品纯度大于9 9 ，水解废水可通氯气回收b r 2 ，有较高的工业应用值【8 1 。 此法虽然降低了成本，克服了环境污染严重的弊端，但操作条件仍很苛刻。 + 2 n a b r + 2 n a o h + 2 c 1 缶 +9 芸烈 + n a b r + n a c l + c 0 2 近几年，有学者提出了以邻硝基甲苯为原料，在光照条件下经溴化氢和双氧水 制备邻硝基二溴甲基苯后，再用浓硫酸水解制得邻硝基苯甲醛的新路线【9 】，总收率 为5 1 8 。该法用溴化氢和双氧水代替溴进行邻硝基甲苯的溴化，不仅避免了与腐 蚀性和毒性较高的溴直接接触，还降低了操作难度，提高了溴的利用率。此合成方 法操作简单、危险性低，是值得考虑的一条工业合成路线。 溴化反应： + 2 h 2 0 2 + 2 h b r 2 水解反应： 4 c h ( h s 0 4 ) 2 n 0 2+ h 2 0 呻 c h b r 2 n 0 2 +2 h 2 s 0 4 在传统溴化法生产邻硝基苯甲醛的基础上，有人提出用工业上自由基聚合反应常 硕士论文间硝基苯甲醛的合成 用的催化剂偶氮二异丁氰进行邻硝基甲苯的溴化反应 1 0 1 ，生成的邻硝基溴苄直接进行 水解制得邻硝基苄醇，再用浓硝酸氧化得邻硝基苯甲醛，最后用亚硫酸氢钠对邻硝基 苯甲醛粗品进行精制，收率为4 9 3 。此方法大大缩短了传统氧化的步骤，较老工艺 成本可降低2 0 4 0 。 1 3 3 氧气液相氧化法制备硝基苯甲醛 1 3 3 1 硫酸锰为催化剂 氧气氧化是一种清洁环保的制备硝基苯甲醛的方法，是目前研究的重点之一 1 5 q 8 。在一定温度下，向烧瓶中加入邻硝基甲苯，用硫酸锰作催化剂，与有机胺溶剂 反应，常压下通人纯氧，将氢氧化钾的甲醇溶液加入反应体系中搅拌一定时间后，蒸 出溶剂，加水并酸化，水相用二氯甲烷萃取，然后脱色，蒸出溶剂，得产品，收率为 3 6 左右，邻硝基甲苯的转化率为4 1 。该法用氧气在碱性条件下一步氧化邻硝基甲 苯制得邻硝基苯甲醛，操作简便，成本低 1 1 1 。这种在液相条件下进行的反应有别于气 相条件下的氧化，反应的机理还有待于科学工作者近一步探索。 1 3 3 2 配位化合物为催化剂 1 9 9 6 年，m a r k o 【1 4 等人发现了一种有效的铜胺催化系统，能在温和的条件下 将伯醇、仲醇等氧化成相应的醛、酮，收率很高。在此基础上魏运洋【2 0 】等人运用这 一方法来催化氧化合成邻硝基苯甲醛。该法使用甲苯为原料，将氯化亚铜和1 ，1 0 菲咯啉加入到甲苯中，室温搅拌下加入肼二甲酸二乙酯、碳酸钾和邻硝基苯甲醇， 升温至8 0 c 反应，待邻硝基苯甲醇消耗完全，冷却至室温，过滤滤液，减压下蒸出 甲苯，残液冷却结晶，得邻硝基苯甲醛粗品，再水蒸气蒸馏，得到纯品。该法以空 气作为氧化剂，铜盐作催化剂，催化剂价廉易得，消除了硝酸氧化法对环境的严重 污染，合成路线短，反应条件温和，时间短，污染小【5 0 - 5 1 。另外，该法收率较硝酸 氧化法工艺提高1 0 。 1 3 4 三氧化二锰氧化法制备苯甲醛 用三氧化二锰制备苯甲醛的工艺简单，污染少，效率高。反应中生成的硫酸锰 可以作为副产品，也可以加入碱后生成氢氧化锰，用空气氧化经过灼烧成三氧化二 锰，进行循环使用，对环境造成的而污染较小。反应式如下： 5 l 绪论 硕士论文 4 m n 0 2 2 m n 2 0 3 + 0 2 7 2 m n 2 0 3 + 4 h 2 s 0 4 一囟+ 4 m s o 5 印 + +24 _ 1 、l + n 4 + 5 h ，o ir 顾红，王遵尧 1 2 j d a - - 氧化二锰为氧化剂，在硫酸介质中温度3 4 3 k ，硫酸的的浓 度为8 0 m o l l 氧化对氯甲苯合成对氯苯甲醛，选择性和收率都比较高。严新，王遵尧【1 3 】 用三氧化二锰直接氧化法将对溴甲苯氧化对溴苯甲醛，确定反应的优化条件为温度 3 3 8k ，硫酸的浓度7 5m o l l ，三氧化二锰1 8g ，收率可达7 3 8 9 。是一条适合工业 生产的工艺路线。 1 3 5 相转移催化氧化合成硝基苯甲醛 该法【1 9 】将聚乙二醇、铬酸钾及d m f 置于反应器中，搅拌加入邻硝基氯苄，n 2 气 保护下1 0 0 反应，冷却后加入盐酸，乙醚萃取，无水硫酸镁干燥，蒸除溶剂后水蒸 气蒸馏、提纯、真空干燥，得邻硝基苯甲醛针状晶体。此法用d m f 取代了价格较高 的六甲基磷酰三胺( h m p t ) 作溶剂，在较低的温度下用聚乙二醇和铬酸钾对邻硝基氯 苄进行催化氧化反应，反应收率可达8 5 。 目前，国内主要采用以下两种方法生产邻硝基苯甲醛：( 1 ) 邻硝基甲苯先溴化成 邻硝基溴化苄混合物，然后与甲酸钠反应制得邻硝基苯甲醇甲酸盐，再水解氧化制得 产品；( 2 ) 邻硝基甲苯与浓硝酸蒸汽反应，再用高锰酸钾氧化制得产品。 1 3 6 电化学合成方法 以上所述的这些化学合成方法均存有共同的缺点，即成本高、产物纯度和收率不 高、设备容易腐蚀以及环境污染等，因此大家都在寻找一种反应条件温和，操作容易 控制，利于环保的方法来解决上述困难。在这种情况下，近十几年，许多人研究应用 电化学的方法来氧化原料制得产品。在国外，b a i z e r 对电合成进行了较多的研究， r o b e r t 等人用甲基磺酸铈氧化甲苯制得苯甲醛，收率达9 0 以上【2 t ：l o z a rj j 和s a v a l l aj 等人提出了用甲基磺酸铈氧化邻硝基甲苯来制得邻硝基苯甲醛的方法。国内也有 很多学者正在研究有关电解方面的具体细节，同时也做了大量的实验来合成相应醇、 醛及酸类化合物。但主要是相应醛的合成。 1 3 6 1 采用c e 4 + c e 3 + 为氧化媒介 l o z a rj j 【2 2 1 等人采用甲基磺酸作为介质，在电解槽中将c e 3 + 氧化成c e 4 + ，用电解 生成的c e 4 + 氧化邻硝基甲苯，甲基磺酸的浓度为9 2 m o l l ，在反应温度为7 6 时， 6 硕士论文间硝基苯甲醛的合成 邻硝基苯甲醛的收率为4 0 。他们详细研究了温度、酸浓度对产率的影响及反应的机 理。 电解反应： 阳极： c e 3 + ( a q ) c e 4 + ( a q ) + e - 阴极： 2 i - i + ( a q ) + 2 e 卜h 2 ( g ) 氧化反应： + 4 c e 锋h 2 0 ， + 4 c e 3 + + 4 h + f o a m a r e o 以c e ( c 1 0 4 ) 4 h c l 0 4 为氧化媒质，氧化邻硝基甲苯得邻硝基苯甲醛， c d + 通过电化学方法再生。在邻硝基甲苯过量的情况下，邻硝基苯甲醛相对于c e 4 + 的得率为5 0 - 6 0 。此种方法的得率比较高，可解释为高氯酸根离子可与c e 4 + 形 成稳定的结合体【2 3 】。 1 3 6 2 采用c 0 2 + c 0 3 + 为氧化媒质 c o m n i n e l l i sc 2 4 以c 0 2 ( s 0 4 ) 3 为氧化剂，在6 0 的硫酸溶液中，温度控制在1 2 。c ， 采用间接电氧化法氧化邻硝基甲苯制得邻硝基苯甲醛。氧化后的产物用气相色谱检测 到邻硝基苯甲醛的存在，但是并未对所得到的产品进行分离。此法反应条件温和、操 作步骤简单、无污染，当邻硝基甲苯大量过剩时，产率接近8 0 。马淳安【2 5 】等人应用 电化学方法制备硫酸钴( i i i ) ，并且用其作为氧化剂间接电氧化合成邻硝基苯甲醛。结 果表明，在1 1 ，以银离子作催化剂，用p b 0 2 p b 作阳极，在含有0 4 5 m o l l ，c o s 0 4 的5 3 m o l l 硫酸溶液中进行电解反应时，可获得较高的电流效率，在温1 2 ，0 2 t o o l l 硫酸溶液中，使用过量7 0 倍的邻硝基甲苯进行化学合成时邻硝基苯甲醛的得率可 达7 4 5 0 t 。刘玉亭等人同样采用c 0 3 + c 0 2 + 为氧化媒质，硫酸作为介质，氧化邻硝 基甲苯。该法认为p t 、p b 0 2 等电极不是价格昂贵，就是易碎不能长期使用，因此选用 了铅板作为电极进行实验，也得到了较好的收率瞄】。具体条件为：选用过量3 5 倍的邻 硝基甲苯，6 0 硫酸作反应液。加入a 9 2 s o a 作催化剂，在1 0 , - 一1 5 c 反应4 5 m i n ，制得 邻硝基苯甲醛，收率高达7 8 5 。 1 3 6 3 采用c r 6 + c p + 作为氧化媒质 张忠诚【2 7 】等人在研究了前人成果的基础上。发现邻硝基苯甲醛与原料邻硝基甲苯 的分离十分不易，因此提出以三氧化铬为氧化剂，在浓硫酸、醋酸溶液中，邻硝基甲 苯氧化为邻硝基苄叉二乙酸酯。后者经水解得到邻硝基苯甲醛。氧化反应后的溶液中 7 1 绪论硕士论文 含有c r 3 + 。浓缩后，在带隔膜的电解槽中，使用p b 电极进行电解氧化，使c r 3 + 氧化为 c r 6 + 。浓缩此电解液得到三氧化铬。可以循环使用。此法与传统的化学合成法相似， 但是解决t c r ”的回收问题。减少了环境污染，改进了工艺，是值得探讨的一种有 效的合成方法。 电化学合成法是在近1o 来年才开始探索的一种新颖的合成方法，绿色，无污染，具 有较好的应用前景，p l e t c h e r 和w a j s h 就介绍了1 0 0 多种有机电合成技术。目前，全世界 通过电合成的有机物年产量由过去的几顿增加到十万多吨；但是在国内，将电化学方 法应用于工业化生产还有一段距离，还存在着许多问题，有待进一步研究和探索。 1 3 7 离子液体催化 作为溶剂或催化剂，离子液体在绿色化学和化工过程绿色化学中的应用研究正 在迅猛发展【3 10 3 5 。离子液体用作氧化反应的溶剂，已经显示了许多潜在的优点。因 为离子液体对不同有机物的溶解度是可调的，改变组成离子液体的有机阳离子或阴 离子，可使催化反应在单相离子液体中或离子液体溶剂两相中进行。将离子液体作 为过渡金属配合物催化的催化反应溶剂，除了良好的溶解性、低蒸汽压和良好的热 稳定性以外，强极性使得它们有更强的吸引力，反应完成后还可实现配合物催化剂 的循环和产品的分离。 自2 0 0 0 年h o w 矾1 2 8 】开始报道离子液体中氧化反应研究以来，尽管已发现在离 子液体中进行氧化反应有许多潜在的优点，但其研究报道还不多。 h o w a r t h 在n 丁基n 甲基咪唑六氟磷酸盐( b m i m + p f 6 。) 中利用双( 2 ，4 戊二 酮基) 合镍( n i ( a c a c ) ：) 为催化剂，在0 i m p a 的0 2 中催化氧化苯甲醛，较高产率地得 到了目标产物。h o w a r t h 使用的这种简单的 b m i m l + p f 6 n i ( a c a c ) 2 o 催化体系，催 化剂可连续使用三次而不必过滤出来，并能保持较高的目标产物产率，这给工业化 带来了希望。w o l f s o n 和g r e e 2 9 】等研究了离子液体中分子氧氧化醇生成相应醛和酮 的反应。然而，离子液体应用于更有价值的分子氧氧化芳烃侧链烷基的反应却鲜见 报道e a r l e 等在离子液体存在下，用空气、氧气、过氧化物等，在b r o n s t e d 酸性条 件下，进行烷烃或芳烃的氧化，可以得到不同氧化阶段的产物，如醇、醛、酮、竣 酸等。芳烃侧链氧化是制各苯甲醇、苯甲醛、苯甲酸及其它芳香醇、酮的有效方法 s e d d o n t 3 0 】报道了离子液体中乙苯与甲苯的分子氧氧化，乙苯在 c 6 d m i m + b f 4 和全氟 己烷混合溶剂中，在双( 2 ，4 戊二酮基) 合钻( c o ( a e a c ) 2 ) 催化下以10 13 2 5 p a 氧气氧化 1 2 h ，苯乙酮收率仅为5 8 ，2 4 h 后收率也仅有2 5 0 ，而甲苯在常压下反应4 8 h 后，生成苯甲醛的转化率仅为4 7 。e a r l e 等则在带有酸性的离子液体中，如在甲 磺酸烷基咪唑的存在下，用空气、氧气、过氧化物、硝酸等作氧化剂，进行芳烃侧 链的氧化，以较好的收率得到了苯甲酸或氧化的中间产物，如醛、酮和醇。t a n 。, 等 硕士论文 问硝基苯甲醛的合成 研究了不同离子液体催化剂体系中常压分子氧氧化芳烃侧链烷基的反应。在n 。己基 - n 甲基咪唑四氟硼酸盐( h e x m i n + b f 4 ) q 丁，c o ( i i ) 或m n ( i i ) n h p i 可有效地催化芳 烃侧链烷基的分子氧氧化。在优化条件下，乙苯、正丙苯和正丁苯分别以高达9 0 o ， 9 4 o 和9 3 o 的收率得到相应的芳香酮；甲苯和对位取代甲苯以3 2 0 - 4 7 0 的收 率被氧化为相应的芳香酸。离子液体及金属催化剂体系在减压下除水后，可循环使 用。 1 3 8 仿生催化 仿生催化是基于生命体中酶催化原理而提出的清洁化工生产工艺，它可在温和 条件下高效率、高选择性的催化特定的化学反应【3 6 0 7 】。在生物体内广泛存在着的细 胞色素p - 4 5 0 单加氧酶( c ”o c h r o m e p 一4 5 0 m o n o o x y g e n a s e ) 可在温和条件下传递、活 化分子氧且高选择性地催化氧化各种烃类化合物【3 8 - 3 9 1 。因此，以各种金属配合物 模拟细胞色素p - 4 5 0 单加氧酶，在温和条件下，活化分子氧并实现烃类的选择性氧 化己受到广泛的关注。文献报道的金属配合物仿生催化剂有金属卟啉、金属酞著、 金属s c h i f f 碱( 如金属s a l e n 、冠醚化s c h i f f 碱) 、金属乙酰丙酮、金属羟胺酸等【加4 5 1 ， 目前应用较多的是金属卟啉催化剂，该类催化剂催化的氧化反应为自由基反应机理 m 】。金属卟啉催化剂用于甲苯类化合物的仿生氧化有良好的催化活性和较高的选择 性。g u o 等报道了以四苯基卟啉为催化剂，在无溶剂和引发剂条件下，甲苯的仿生 催化氧化。在催化剂浓度为3 2 x 1 0 5 m o l l ，反应温度1 6 0 ，空气压力为0 8 m p a ， 空气流速为0 0 4 m 3 h 的反应条件下反应3 5 h 后甲苯的转化率可达8 9 ，生成苯甲 醛和苄醇的选择性可达6 0 ，催化剂的摩尔转化数为2 5 ，0 0 0 ，与传统的工艺过程 相比，该工艺具有明显的环境优势。对不同金属卟啉催化剂的活性研究表明，所有 催化剂均有较高的催化活性，氯化四一( 邻硝基苯基) 锰卟啉( t - ( o n 0 2 ) p p m n c l ) 的活 性最高 4 7 4 8 1 ，中心金属离子、取代基的种类及取代位置以及轴向氯配体对催化活性 均有影响，并且双核金属卟啉比单核金属卟啉的活性要高。虽然金属卟啉对甲苯类 化合物的氧化有良好的催化效果，但金属卟啉催化剂的设计缺乏理论指导，有较大 的盲目性，金属卟啉类配合物的合成分离困难，产率较低，成本很高，不同卟啉配 合物的合成条件变化较大，因此如何根据目标反应设计出高效的金属卟啉催化剂和 开发出高效且广泛适用的金属卟啉类配合物的合成方法是该领域急需解决的问题。 1 4 课题研究的意义及背景 一硝基甲苯作为医药、农药、染料、香料的中间体，应用广泛。一般的硝化反应 条件下，一硝基甲苯的三种中间体中，邻位产物多于对位，而对位产物又大大多于间 位。目前，国内市场对邻、对位硝基甲苯需求较大，供不应求。但间硝基甲苯的开发， o l 绪论 硕士论文 一直没有引起人们应有的重视。甲苯硝化中副产的间硝基甲苯只能低价出售、焚烧或 大量在库积压，造成了化工资源的极大浪费。随着精细化工事业的不断发展，很多有 价值的中间体( 间甲苯胺、间甲酚、间胺基苯甲醛、间羟基苯甲醛等) 及其它许多产品 可以从间硝基甲苯制备。此类间硝基甲苯下游产品的开发研究既可以节约化工资源， 又可以合成高附加值的下游产品，提高企业的经济效益，具有不可忽视的经济意义。 间硝基苯甲醛作为硝基甲苯的下游产品可以用作染料、表面活性剂、医药有机 合成中间体。在制药工业中用于碘普酸钙、碘番酸、胆影脒钙、硝基苄啶等的生产。 目前工业上合成问硝基苯甲醛主要有两种方法：硝酸钠法和硝酸法。这两种方法都 是硝基苯甲醛直接硝化法，只是硝化试剂不同，前者是硝酸钠后者是硝酸。由于使 用浓硫酸作为催化剂，这两种方法都产生了大量的工业废酸，产生严重的环境污染， 不适宜环境的发展要求。同时这种方法采用苯甲醛做原料，制备成本相对较高。目 前文献还没有报道以其它原料来合成间硝基苯甲醛，我们参考邻硝基苯甲醛的合成 方法，以邻、对硝基甲苯的副产物间硝基甲苯为原料，合成问硝基苯甲醛。此路线 不仅降低原料的成本，也解决了老方法中的废酸污染问题，同时水解、氧化过程采 用连续的方法，避免了中间产物的分离，使最终产物间硝基苯甲醛的得率得到提高。 而且提高了设备的利用率，便于实现工业化。 1 5 本论文的研究内容 硝基甲苯的侧链卤代水解是目前研究的重点之一，但是仅仅限制于邻位和对位 的报道。而且相关的文献都是采用有强烈刺激行的溴素为起始原料，对人体有很大 的危害性。本论文参考邻硝基苯甲醛的制备方法，研究了间硝基甲苯的溴化法制备 间硝基苯甲醛，具体包含： 1 以问硝基甲苯为原料，通过溴代、水解、氧化合成间硝基苯甲醛。对溴代试 剂进行选择，对溴代、水解、氧化反应的条件进行优化。 2 对三氧化二锰一步氧化间硝基甲苯制备间硝基苯甲醛进行了研究。考察了三 氧化二锰用量，硫酸的浓度，反应温度，反应时间等因素对产物选择性和收率的影 响，得出最优条件。 1 0 硕士论文 问硝基苯甲醛的合成 第二章溴代法合成间硝基苯甲醛 有机化合物( o r g a n i cc o m p o u n d s ) 发生化学反应时，总是伴随着一部分共价键 ( c o v a l e n tb o n d ) 的断裂和新的共价键的生成。共价键的断裂可以有两种方式：均 裂( h o m o l y t i cb o n dc l e a v a g e ) 和异裂( h e t e r o l y t i cc l e a v a g e ) 。键的断裂方式是两个 成键电子在两个参与源或碎片间平均分配的过程称为键的均裂( h o m o l y t i cb o n d c l e a v a g e ) 。所形成的碎片有一个未成对电子，如h ，c h ，c 1 等。因为有未成 对电子，所以自由基非常的活泼，通常无法分离得到。不过在许多反应中，自由基 以中间体的形式存在，尽管浓度很低，存留时间很短。这样的反应称为自由基反应 ( r a d i c a lr e a c t i o n s ) 。 为了使甲基侧链溴化按照自由基取代的机理进行，故应用自由基引发剂以形成 溴自由基，即合成反应按下述机理进行1 5 2 - 5 6 ： b r b r 蛆2 b r 车h 3c h ； b r + 文- 文r + b 吁 n 0 2 + h 2 0 0 2 4b r 0 2 + h b r 0 2 中间产物硝基溴苄有强烈的刺激和催泪现象和强腐蚀性，实验过程中不分离硝基 溴苄而直接进行水解以简化操作工艺和清洁环境。 传统的溴代反应都是用溴素( b r o m i n e ) 为溴代试剂，但是溴素有很强的挥发性、 毒性。而且溴素的价格相对较高，利用率较低，因此尝试用氢溴酸和双氧水代替溴 素作为溴代试剂。反应的总方程式如下： 。t 2 溴代法合成问硝基苯甲醛 硕士论文 水解 - - - 亟垡彗型 - n 0 2 + 0 2 + 0 2 氧化 - - - n 0 2 n 0 2 反应进行的提纯方程式如下【5 7 】： i 一占一s o ：n a ( c h 3 ) b ，一卜c l + n a l h s 产0 3 m a n 乙v 3 州i na 2 一；b u 3 l - l 7 州下 n a c i + s 0 2 + h 2 0 。，一+ - s o ，h 蚴八r c s o 3 i i 一 ，x 3 专x 灿 去。 1 2 硕士论文间硝基苯甲醛的合成 2 1 实验部分 2 1 1 实验仪器和试剂 间硝基甲苯工业级 氢溴酸 a r 过氧化氢 a r 溴酸钾 亚硫酸氢钠 氮溴代丁二酰亚胺 偶氮二异丁腈 a r a r a r a r 过氧化二碳酸二异丙酯 a r 四氯化碳 a r 乙酸乙酯 a r n ，n 二甲基甲酰胺 a r 碳酸钠 a r 氢氧化钠 a r 二甲基亚砜a r 无水乙醇 a r 十二烷基磺酸钠c p 四丁基溴化胺 a r j y l 0 0 2 电子天平 7 9 1 磁力加热搅拌器 z f 2 型三用紫外仪 r e 3 0 0 0 旋转蒸发仪 s h z d ( i i i ) 循环水式真空泵 w r s 1 b 数字熔点仪 江苏省昆山市新乐物资有限公司 上海凌锋化学试剂厂 上海凌锋化学试剂厂 上海嘉辰化工有限公司 宜兴市凯利达化学有限公司 国药集团化学试剂有限公司 上海试四赫维化工有限公司 上海嘉辰化工有限公司 成都市科龙化学试剂厂 泰州市华伦化工 宜兴华裕化工有限公司 南京宁试化学试剂有限公司 汕头市西陇化工厂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 南京宁试化学试剂有限公司 成都市科龙化学试剂厂 上海凌锋化学试剂厂 上海精密科学仪器有限公司 江苏金坛市荣华制造有限公司 上海市安亭电子仪器厂 上海亚荣生化仪器厂 巩义市予华仪器有限责任公司 上海精密科学仪器有限公司 1 3 2 溴代法合成间硝基苯甲醛 硕士论文 岛津( s p d 2 0 a ) 高效液相色谱 汉邦v p o d s 2 9 ( 2 5 0 4 6 m m ) a g i l e n t t e c h n o l o g i e s6 8 2 0 型气相色谱仪( 美国) ，o v - 1 0 1 型石英毛细管柱 ( 0 2 5 m m 3 0m ) ，f i d 检测器。 2 1 2 实验方法 2 1 2 1 溴代反应 在装有回流冷凝管、温度计、磁力搅拌的2 5 0m l 的四口圆底烧瓶中依次加入 1 3 7 9 ( o 1m 0 1 ) 的间硝基甲苯、适量的溴化试剂，溶剂，催化剂，升温到一定的温 度，滴加溴化试剂，保温至红棕色退却。 2 1 2 2 水解反应 把溴代物的有机溶液放入装有冷凝管、温度计的四口烧瓶中，开动磁力搅拌并 油浴加热到一定温度，加入预先配置好的若干浓度的碳酸钠溶液，反应一段时间后 分出有机层，浓缩、过滤、洗涤、干燥得间硝基苯甲醇的粗品。( 当直接进行氧化 时不要对水解母液进行过滤、洗涤、干燥的过程) 2 。1 。2 3 氧化反应 取水解反应的有机溶液加入定量的氧化剂，调整到适当的温度，反应一定时间 后，冷却，分层，旋转蒸发仪除去有机溶剂。得黄色间硝基苯甲醛粗品。 2 1 2 4 间硝基苯甲醛的提纯 用饱和亚硫酸氢钠溶液对间硝基苯甲醛进行提纯，或者水蒸汽蒸馏法对间硝基 苯甲醛进行提纯。 2 2 结果与讨论 2 2 1 氢溴酸双氧水体系 2 2 1 1 溴代反应的结果与讨论 ( 1 ) 溴化时间对问硝基甲苯转化率的影响 按照2 1 2 1 所示的方法加入四氯化碳6 0m l ，问硝基甲苯0 1m o l ，氢溴酸o 3 m o l ，双氧水o 3m o l ，温度6 5 。c ，催化剂a i b n 0 4 5 9 ，改变溴化时间，间硝基甲苯 的转化率见表2 1 1 4 硕士论文问硝基苯甲醛的合成 从表中可看出，恫硝基甲苯的转化率随着滴加时间的增加而增加，当滴加时间 在4 0 m i n 以上，保温时间为3 h ，间硝基甲苯的转化率已经稳定。 ( 2 ) 溴化温度对间硝基甲苯转化率的影响 按照2 1 2 1 所示的方法加四氯化碳6 0 m l ，间硝基甲苯o 1m o l ，氢溴酸0 3m o l ， 双氧水o 3t o o l ，催化剂a i b n 0 4 5 9 ，反应时间4h ，改变溴化温度，结果见下表： 表2 2 溴化温度对间硝基甲苯转化率的影响 结果表明：在其它条件不变的条件下，溴化温度对整个反应有显著的影响，低 温下目标产物的收率很低，随着溴化温度的升高间硝基甲苯的转化率先升高然后趋 于稳定。分析其中的原因可能是低温下催化剂的活性低，随着温度的升高催化剂的 活性也增加，单位时间内产生的自由基就多些，这样有利于间硝基甲苯的转化。当 温度在6 2 。c 时收率最高。所以最佳的溴化温度为6 2 。 ( 3 ) 溴化催化剂对间硝基甲苯转化率的影响 按照2 1 2 1 所示的方法进行反应，四氯化碳6 0l i l l ，间硝基甲苯0 1 m o l ，氢溴 酸0 3t o o l ，双氧水o 3m o l ，溴化时间4h ，溴化温度6 29 c ，改变催化剂的种类和用 量，间硝基甲苯的转化率见表2 3 1 5 2 溴代法合成间硝基苯甲醛硕士论文 表2 3 不同催化剂及其用量对间硝基甲苯转化率的影响 a ：b p 0 为过氧化甲酰的英文缩写b ：偶氦二异 腈的英文缩写，c ：过氧化碳酸二异】酯的英文缩写。 表2 3 表明：当使用相同质量的催化剂时，a i b n 和i p p 的催化效果相对好些， 由于t p p 价格较贵，大量生产成本较高，所以不加考虑。就每一种催化剂而言随着 其用量的增加间硝基甲苯的转化率都是先升高，然后趋于平稳。在催化剂a i b n 为 0 4 9 时间硝基甲苯有最好的转化率。 ( 4 ) a i b n 催化下溴代试剂及其用量对反应的影响 按照2 1 2 1 所示的方法进行反应，四氯化碳6 0 m l ，溴化时间4h ，溴化温度6 2 ，间硝基甲苯0 1 m o l ，催化剂a i b n0 4g ，改变溴化试剂和溴化试剂的用量，间 硝基甲苯的转化率如下： 表2 4a i b n 催化下溴代试剂及其用鼍对反应的影响 1 6 a ：n b s 为氮溴代丁二酰亚胺的英文缩写。 硕士论文 间硝基苯甲醛的合成 表2 4 表明：相同的溴代试剂随着用量的增加，间硝基甲苯的转化率也增加， 当溴代试剂的物质的量为间硝基甲苯的3 倍时，间硝基甲苯有最高转化率。而且 n b s 的价格比氢溴酸高，所以选择h b r 为溴代试剂。 2 2 1 2 水解反应的结果与讨论 ( 1 ) 温度对水解