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硕十论文邻硝基苯甲醛的合成工艺研究 摘要 邻硝基苯甲醛是一种非常重要的有机中间体，被广泛应用于医药、农药和精细有机 化学品的合成等行业，可作为硝基吡啶、尼索地平等心血管药物的合成原料。邻硝基苯 甲醛的合成方法较多，如溴化法、直接氧化法，但传统的溴化一水解氧化生产方法存在 着反应条件苛刻、毒性太、对设备要求高、环境污染等缺点。 本论文主要研究邻硝基苯甲醛的绿色合成工艺，以邻硝基甲苯、草酸二乙酯为原料， 在乙醇的碱金属盐催化下进行缩合反应，并对未反应的邻硝基甲苯进行回收，继而选用 合适的氧化剂氧化合成邻硝基苯甲醛。通过单因素分析和正交实验等方法，对目标产物 的合成工艺进行了优化。利用g c m s 、i r 、h n m r 等分析手段对产物结构进行了鉴定 和表征。 研究结果表明，k m n 0 4 氧化合成邻硝基苯甲醛的反应中，以玎邻硝墓甲苯：n 草酸二乙甬= 1 ：1 5 为原料配比，c 2 h 5 0 k 作为催化剂，用量为聆邻裢甲苯：疗乙醇钾= 1 ：1 5 ，温度为8 0 ，反应 时间3 0m i n 时，缩合反应中邻硝基甲苯的转化率可达8 4 7 。以k m n 0 4 作为氧化剂， 用量为n 尚锰酸钾：疗邻硝基甲苯= 2 ：3 ，环己烷作为溶剂，温度在1 0 。c 、p h 为1 0 ，反应3 0m i n 后，产物邻硝基苯甲醛的收率达到4 0 7 。以h 2 0 2 为氧化剂合成邻硝基苯甲醛，钨酸 钠为催化剂，p h 为1 1 ，温度为1 5 。c 时，合成邻硝基苯甲醛的产率相对较高，可达4 3 2 本工艺避开了传统方法中溴化反应需要液溴和四氯化碳的步骤，采用h 2 0 2 为氧化 剂合成邻硝基苯甲醛，具有工艺简单、成本低、对设备无特殊要求、原料可回收和环境 友好等优点，具有很好的应用前景。 关键词：邻硝基甲苯，邻硝基苯甲醛，草酸-，缩合，氧化 a b s t r a c t d - n i t r o b e n z a l d e h y d ei s av e r yi m p o r t a n to r g a n i ci n t e r m e d i a t ea n dw i d e l yu s e di n m e d i c i n e ，p e s t i c i d ea n df i n ec h e m i c a l s ，i e ，i tc a nb eu s e dt o p r e p a r ec a r d i o v a s c u l a rd r u g s s u c ha sn i t r o p y r i d i n ea n dn e s o t h e r ea r es e v e r a lm e t h o d ss u c ha sb r o m i n a t i o na n d d i r e c t o x i d a t i o nt os y n t h e s i z eo n i t r o b e n z a l d e h y d e ，a n db r o m i n a t i o n - h y d r a t i o n o x i d a t i o np r o c e s s i s a p p l i e di ni n d u s t r i a ls c a l em a n u f a c t u r e u n f o r t t m a t e l y , t h i sp r o c e s sh a ss o m ed e f e c t ss u c ha s h a r s hr e a c t i o nc o n d i t i o n s ，h i g ht o x i c i t y , s p e c i a lr e q u i r e m e n tt op r o d u c t i o ne q u i p m e n ta n d h e a v yp o l l u t i o n an e wa n dg r e e nm e t h o dw a sd e v e l o p e dt os y n t h e s i z eo n i t r o b e n z a l d e h y d e i nt h i s d i s s e r t a t i o ni n c l u d i n gb a s e c a t a l y z e dc o n d e n s a t i o no fo - n i t r o t o l u e n ew i t he t h y lo x a l a t ea n d o x i d a t i o n i nt h ef i r s t l ys t e p ，a l k a l ia l c o h o l a t ew a su s e da st h es t r o n gb a s i cc a t a l y s ti nt h e c o n d e n s a t i o nr e a c t i o na n du n r e a c t e do n i t r o t o l u e n ec o u l db es i m p l yr e c o v e r e d t h en e x ts t e p i n v 0 1 v e do x i d a t i o nb yk m n 0 4a n dh 2 0 2 t h eo p t i m i z e dr e a c t i o nc o n d i t i o n sw a s a c h i e v e db y f a c t o ra 1 1 do r t h o g o n a le x p e r i m e n t s o - n i t r o b e n z a l d e h y d ew a si n d e n t i f i e db yg c m s ，i r , h - n m r e t c t h eo p t i m i z e dr e a c t i o nc o n d i t i o n so ft h ec o n d e n s a t i o nw e r ea sf o l l o w s ：r e a c t i o nc a t a l y z e d b yt h ec 2 h 5 0 k ，n ( o n i t r o t o l u e n e ) ：n ( d i e t h y lo x a l a t e ) ：n ( c 2 h s o k ) 2 1 ：1 5 ：1 5 ，r e a c t i o n t e m p e r a 【：t l 聆8 0 ca n dr e a c t i o nt i m e3 0m i n u n d e rt h e s ec o n d i t i o n s ，t h e c o n v e r s i o no f d i l i 缸o t o l u e n ec o m e su pt o8 4 7 u s i n gk m n 0 4 a st h eo x i d a n t ，c y c l o h e x a n ea st h es o l v e n t ， t h eo p t i m u mc o n d i t i o n so ft h eo x i d a t i o nw e r ea sf o l l o w s ：n ( k m n 0 4 ) ：n ( o n i t r o t o l u e n e ) 2 2 ：3 ， r e a c t i o nt e m p e r a t u r e1 0 c ，p h1 0 ，a n dr e a c t i o nt i m e3 0m i n , d - n i t r o b e n z a l d e h y d ec o u l db e o b t a i n e di nay i e l do f4 0 7 ，a n di fh 2 0 ：w a su s e da st h eo x i d a n ta n dn a 2 w 0 4 a st h ec a t a l y s t , o i l i 臼o b e i 训d e h y d ec o u l db eo b t a i n e di nah i g h e ry i e l do f 4 3 2 w h e nr e a c t i n ga tp h11a n d 1 5 c t h en e wp r o c e s sa v o i d st h eb r o m i n a t i o ns t e pi n v o l v i n gh i g h t o x i cb r o m i n ea n d t e t r a c h i o r o m e t i l a n e ，a n dh 2 0 2w a su s e da st h eo x i d a n ti nt h ef m a ls t e p t o t a l l y , t h i sp r o c e s s h a ss o m ee x c i t i n gm e r i t ss u c ha ss i m p l eo p e r a t i o n ，l o wc o s t ，n ot h e r ea r es o m ea d v a n t a g e s u c ha sab i ts i m p l ep r o c e s s ，n os p e c i a lr e q u i r e m e n tt op r o d u c t i o ne q u i p m e n t ，r e c y c l a b l e s u b s t r a c ea n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l y , w h i c hm a k e s i tm o r ep r o s p e c t i v ef o rp r a c t i c a l a p p l i c a t o i n k e y w o r d s ：d n i t r o t o l u e n e o - n i t r o b e n z a l d e h y d e ，e t h y lo x a l a t e ，c o n d e n s a t i o n , o 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：鱼瞧 劲f 。年6 月纠日 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：卜年6 月l 日 硕上论文邻硝基苯甲醛的合成工艺研究 1 绪论 1 1 简介 1 1 1 邻硝基苯甲醛的性质 邻硝基苯甲醛( o n i t r o b e n z a l d e h y d e ，简称o n b d ) ，分子式：c 7 h s n 0 3 ，分子量为 1 5 1 1 2 ，结构式如下： q 芝 邻硝基苯甲醛为淡黄色粉末晶体或亮黄色针状结晶，可随水蒸气挥发，并且易与 有机溶剂如乙醇、乙醚、苯等互溶，微溶于水，与吡咯剧烈反应。邻硝基苯甲醛易 被空气中的氧气氧化成邻硝基苯甲酸，光线照射会加速其自动氧化反应，所以邻硝基苯 甲醛应避光保存在棕色瓶中。大量贮存时，必须用惰性气体如氮气进行保护【2 ，3 】。其主要 的物理性质见表1 1 。 表邻硝墓苯甲醛的主要物理性质 性质 数据 熔点， 沸点，( 2 k p a 时) 闪点， 4 3 - 4 4 1 5 6 1 0 0 1 1 2 邻硝基苯甲醛的应用 邻硝基苯甲醛作为一种重要的精细化工中间体，被广泛应用于医药、燃料和有机合 成等行业。邻硝基苯甲醛是硝基吡啶( 心痛定) 、尼索地平、恩卡胺等治疗心血管疾病药 物的原料；可用于合成邻硝基苯乙烯类、邻硝基肉桂酸类系列产品；邻硝基苯甲醛还可 以作为合成消旋四卟啉的原料，该物质可以制成抗体酶来替代加卤酶。将邻硝基苯甲 醛的硝基还原成氨基后，所得到的邻氨基苯甲醛还可用于喹啉类化合物的合成，同时它 也时常被用作染料中间体及表面活性剂【4 ，5 。 1 1 2 1 用于制备硝苯吡啶( 心痛定) 硝苯吡啶( n i f e d i p i n e ，俗称硝基地平或心痛定，化学名：4 ( 2 硝基苯基) 2 ，6 二甲 基3 ，5 二甲氧甲酰基- l ，4 一二氢吡啶) ，为黄色针状结晶或结晶粉末，无臭无味，易溶于 1 绪论硕上论文 丙酮，氯仿、乙酸乙酯，略溶于甲醇、乙醇、乙醚几乎不溶于水。以邻硝基苯甲醛为 原料，在氨与甲醇存在下与乙酰乙酸甲酯一步环合即可制得硝苯吡啶【7 ，8 】。 一，c n 。h o ：+ c 啦o 曲o c h 。 h 3 c h 3 c o o c h c h 3 c o o c h 3 n 0 2 硝苯吡啶是一种长效冠脉扩张药，能增加冠脉血流量，减少肌肉耗氧量，多用于治 疗急慢性冠脉功能不全，尤其是心绞痛及心肌梗塞等病症，也可治疗和预防高血压1 9 j 。 随着国内人民生活水平的提高，老年人，甚至是青壮年人患心血管疾病率急剧上升，因 此心血管类药物如硝苯苄啶、硝苯吡啶等的需求量也日益增加，从而也带动了硝基苯甲 醛类化合物的市场，推动了硝基苯甲醛类化合物的研制与开发。 1 1 2 2 用于制备尼索地平 h 3 c h 3 i c h 3 尼索地平( 化学名：2 ，6 二甲基4 ( 2 硝基苯基) 1 ，4 二氢3 ，5 吡啶二羧酸异丁甲酯) ， 为黄色结晶性粉末，无臭无味，遇光不稳定【l o 】。易溶于丙酮和氯仿，微溶于乙醇，在水中 几乎不溶。医学上主要作为二氢吡啶类钙拮抗剂，对平滑肌、心肌的钙通道表现出 特异性阻断作用，可扩张血管、降低阻力，达到降低血压的目的。其药效还可使 冠脉血流量增加，改善心血流，而且效果比硝苯啶强而持久，几乎无负性肌力作 用。 1 1 2 2 用于制备恩卡胺 恩卡胺( e n c a i n i d c ，化学名：1 甲基2 邻( 对甲氧基苯甲酰胺基) 苯乙基哌啶) 为i c 类 抗心律失常药。与现有的i a 、i b 类药物如奎尼丁、利多卡因、普鲁卡因胺、等相比其 抗心律失常作用更强。主要用于治疗室性、室上性心律失常以及预激综台征伴发的快速 型心律失常，尤其对于常用的抗心律失常药难治的快速型心律失常包括室性心动过速有 2 硕士论文 邻硝幕苯甲醛的合成丁艺研究 良好的疗效【l l 1 2 1 。 莎洲3 o h 3 q ? 由i - c h 3 够洲3 1 q ：一 q h 呲2 c 叫2 的o h 3 o c h 囟 c = o c i 由以上所述应用可以看出，邻硝基苯甲醛在工业上有着广泛的用途。近年邻硝基苯 甲醛居高不下的市场价格就是很好的证据。因此，如何高效、简便、特别是清洁地进行 生产，就成为越来越多研究者重视的研究方向。 1 2 合成现状 从邻硝基苯甲醛的结构我们可以看出，大多数邻硝基苯甲醛的合成方法都是由邻硝 基甲苯氧化得到。但由于邻硝基苯甲醛本身要比邻硝基甲苯更不稳定，易被氧化，因此， 其最终产物在大多数情况下是邻硝基苯甲酸，邻硝基苯甲醛不容易得到，因此如何控制 反应更多地停留在邻硝基苯甲醛阶段是一个值得研究的问题。另外，氧化反应本身就有 多种类别，以介质分，有液相的，也有气相的；以氧化剂分，有无机盐氧化、无机过氧 化物氧化、有机过氧化物氧化、氧气氧化和间接电氧化等，而且很多氧化都并非直接氧 化邻硝基甲苯，而是先对其进行一些化学转换，将甲基变成更易氧化的基团后，再进行 氧化反应。通过查阅各种文献及当前工业生产的途径，将邻硝基苯甲醛的生产分为以下 四类：传统的化学合成法、液相氧化法、气相氧化法和有机电化学合成法。 1 2 1 化学合成法 在各种不同的合成方法中，其所用的原料大致分为邻硝基苯甲醇、邻硝基甲苯、邻 硝基苄卤、苯甲醛、邻硝基苯甲酸、邻氯苯甲醛这几种。在以上几种原料中以邻硝基甲 3 吁审刚 l 绪论硕士论文 苯的应用最为广泛，研究也最多，主要原因是价格便宜且易得。 1 2 1 2 以邻硝基苯甲醇为原料 1 9 9 6 年，m a r k o 1 3 1 等人发现了一种有效的铜胺催化体系，能够在温和的条件下将伯、 仲醇氧化成相应的醛、酮，且收率比较高。在此基础上运用铜胺催化体系催化氧化合成 邻硝基苯甲醛【1 4 , 1 5 】，收率为7 0 。 g ：一 v ，n c 0 2 h o 将钼酸氨作为氧化剂，在d m s o 中得到邻硝基苯甲醛，收率达到4 5 。 r 丫c h 2 0 h 幽。盟：幽r 丫c h o 弋八n 0 2 6 h c i ，d m s o4 5 弋八n 0 2 在c h 3 n 0 2 和h 2 0 的两相体系中，用浓度为2 0 的h n 0 3 ，在8 0 。c 下氧化邻硝基苯 甲醇，以9 0 的收率得到邻硝基苯甲醛。而在碱性溶液中用b t m a b r 3 氧化邻硝基苯甲 醇，收率为3 1 。用c o ( 1 i d n d 3 r 体系为氧化剂，收率可以达到7 2 ，c o ( i i i ) 通常采用 c o ( o a c ) 3 。用n h 4 v 0 3 在h c l 0 4 介质中，回流氧化邻硝基苯甲醇，邻硝基苯甲醛的收率 为6 0 。 1 2 1 2 以邻硝基甲苯为原料 以c r 0 3 为氧化剂，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 中间体。然后在稀硫酸中水解，以水蒸气蒸馏的方法，分离出邻硝基苯甲醛【1 6 , 1 7 】。此方 法制备邻硝基苯甲醛的纯度高，但在反应中消耗大量的醋酐和醋酸，且生成的铬废水污 染环境，不易治理。 q ： c r 0 3 ，a c 2 0 c h 3 c o o h c h ：( o a 豢 通过自由基溴代，得到的邻硝基苄溴在d m s o n a h c 0 3 体系中氧化成目标产物收率 可达9 4 ，在c c h 中与氧化三乙胺反应产品收率也可达到8 5 附1 引。 4 q 硕士论文邻硝基苯甲醛的合成t 艺研究 q ：。h 3 _ b r 2 敷c h 2 ：篙3 c 呸h o h 用邻硝基甲苯为原料，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，总收率为5 1 8 。该方法使用溴化氢和双氧水代 替溴进行邻硝基甲苯的溴化，避免了直接与毒性和腐蚀性较高的溴接触，提高了溴的利 用率。 c 。h ：b r 2h 2 s o 。- c h ( 2 h s 鳖q 芝 在传统溴化法生产邻硝基苯甲醛的基础上，吴金川等人提出用自由基反应常用的催 化剂偶氮二异丁氰作为溴化反应催化剂发生邻硝基甲苯的溴化反应，生成的邻硝基溴苄 后直接进行水解制得邻硝基苄醇，再用浓硝酸氧化得到邻硝基苯甲醛，收率为4 1 5 1 2 0 1 。 q ：一 良一、n c 。h 2 2 b r h g 2 0 。 用硝酸铈铵( c a n ) 在高氯酸介质中直接氧化邻硝基甲苯，可以4 3 的收率得到邻硝 基苯甲醛【2 l 】。 q 三 c a n h c l 0 4 v ，c n 。h 0 2 除上述合成方法外，在d m s o 、c e ( c 1 0 4 ) 3 、浓硝酸、次氯酸钠、0 2 或含氧的体系 中、以仿生催化氧气等氧化手段也可以制备邻硝基苯甲醛；使用短波紫外线为引发光源， 有效地对邻硝基甲苯侧链氯化，生成邻硝基苄氯，然后以聚乙二醇为相转移催化剂，铬 酸钾为氧化剂，在d m f 中合成邻硝基苯甲醛。 1 2 1 3 邻硝基苄卤为原料 邻硝基苄卤在相转移催化剂聚乙二醇催化下，在六甲基磷酰三胺( h m p t ) 溶液中， 被铬酸钾选择性氧化成醛，收率为8 2 。若用d m f 替代了六甲基磷酰三胺( 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 等盟光 叱一呸 q 峨 q 蔓 帅 慨 q i 绪论硕上论文 达8 5 ，且可避免使用价格昂贵的h m p t l 2 2 1 。 q 一c h 2 ：x 邺。嚣a 俨哦q 洲n o ； h、 。 用m e 3 n o 和邻硝基苄溴在氯仿中回流，以4 3 的收率得硝基苯甲醛。当改用7 5 的e t 3 n o ，在四氯化碳中回流时，其收率可达8 5 。 q ：鱼c c l 4r e f l u x , 8 5 q ：弋人n 0 2 弋八n 0 2 1 2 1 4 以苯甲醛为原料 以苯甲醛为原料，在浓硫酸和醋酐的混合液中，缓慢滴加苄叉- - 7 , 酸酯，中间体与 发烟硝酸反应，得黄色块状固体。加入碳酸钠水溶液，可分离出邻硝基苯甲醛和对硝基 苯甲醛【2 3 】。但在大多数情况下邻、对位产物难以分离，这就导致产物邻硝基苯甲醛的收 率和纯度都很低。 g c ：。警9 洲0 洲3 警 c h ( ：o 洲唑 o o c c h 3 ) 2 n a 2 c 0 3 - - - - - - - r h 2 0 n 0 2 伞+ g 芝 用h n 0 3 和s n c h 的复合物作为硝化剂，在一5 的二氯甲烷中，直接硝化苯甲醛， 邻硝基苯甲醛和对硝基苯甲醛的收率分别达到2 8 5 和7 1 5 。 综上所述，邻硝基苯甲醛的化学合成方法与其它方法相比较，存在如下几个方面的 缺点： 1 ) 原料多样化，需要合适的氧化剂、催化剂，且氧化剂或催化剂不能再生，最终 成为反应废液的一部分。 2 1 在化学合成过程中，邻硝基苯甲醛容易被氧化或歧化，副反应多、副产物多、 6 硕j ：论文邻硝幕苯甲醛的合成工艺研究 分离难度大、生产工艺流程复杂，导致产品的收率和纯度一般均较低。 3 ) 反应条件苛刻，操作环境恶劣，生产成邻硝基苯甲醛的成本太高，设备投资大， 环境污染严重。因此，探讨新的合成路线势在必行。 1 1 2 液相氧化反应 液相氧化反应是指在溶液中进行的氧化还原反应。反应中的氧化剂可以是气体，如 空气、氧气。也可以是液体，如h 2 0 2 、高价态的离子溶液，在芳香醛的制备方面，蔡 敏敏等【3 0 3 1 人研究了氧气直接液相氧化邻硝基甲苯一步合成邻硝基苯甲醛，反应条件温 和，但由于难于控制芳烃的氧化深度，导致得到的邻硝基苯甲醛收率只有3 6 ，产品的 分离和提纯也较困难。 1 1 3 气相氧化反应 邻硝基苯甲醛的气相氧化反应是指甲苯或其取代物与氧化剂( 主要是空气或氧气) 在气态下的反应，此时原料和氧化剂都处于气态，在较高温度下( 3 0 0 - - 一5 0 0 。c ) ，通过 固态催化剂( 或称触媒) 使二者发生适度的氧化反应而生成目标产物。气相氧化还原反 应的催化剂一般由主催化剂、助催化剂、添加剂和载体组成。主催化剂大多数情况下使 用v 2 0 5 ，其他的主催化剂单独使用时活性较差，通常添加进催化体系中用来改善v 2 0 5 的活牲。比较重要的催化剂有m 0 0 3 ，w 0 3 ，c r 0 3 ，c u o ，s n 0 2 ，s b 2 0 3 ，t i 0 2 等，添加 剂有p 2 0 5 ，k 2 s 0 4 等，常用的载体有硅胶、沸石、磁球、铝胶( a 1 2 0 3 ) 等。 v 2 0 5 t i 0 2 体系催化气相氧化反应已做过大量研究2 4 ，2 5 1 ，在此基础上提出的 m a r s v a nk r e v s l e n 机理也广泛为人们接受。j o n s o nb 等人考察了v o x 从0 1 - - 一1 0 的催 化活性，结果表明催化作用与对醛的选择性在0 1 2 内增长较快，选择性可达5 0 ， 而在2 l o 范围内则变化不大1 2 6 1 。 z h u 用x r d 、b e t 、x p s 、i r 、e s c a 测试了p 、k 对v 2 0 5 t i 0 2 催化体系的影响【2 4 】。 结果表明p 、k 能在总体上减弱体系的催化活性，而对醛选择性的影响较小，始终保持 在3 0 - - - 4 0 。除v 2 0 5 - t i 0 2 体系外，v 2 0 5 w 0 3 体系催化氧化甲苯，在v 浓度较低时 对醛的选择性可达4 0 - 5 0 。 熔融硝酸盐也可作为甲苯气相氧化的催化剂。有专利表明，用碱或碱土金属的熔融 硝酸盐作催化剂，在空气流量为4 0 0m l r a i n - 1 ，甲苯流量为o 0 8m l m i f f l ，反应温度t - _ 4 5 0 时，甲苯转化率为0 7 ，对醛的选择性为7 1 【2 7 】。 张惠良、李宗昌得出f e m o 系催化剂、空气氧化甲苯，在f e m o 为0 2 9 时，甲苯 的转化率及对醛的选择性达到最高，分别为2 3 3 和6 9 2 1 2 8 , 2 0 。 从以上介绍我们可以看出，气相氧化法与其它方法相比较，具有如下特点： 1 ) 不消耗昂贵的化学氧化剂，也不用溶剂，介质没有腐蚀性； 2 ) 催化剂的使用比较关键，影响着反应的转化率和选择性； 7 i 绪论 硕上论文 3 ) 反应速度快，设备生产连续性强，生产能力较大，自动化程度高： 4 ) 反应属典型的气一固催化反应，反应温度高，工艺条件的控制要求严格。 同时我们也发现，气相氧化反应的收率普通较低，很多都在1 0 以下，而且反应需 要较高温度( 3 0 0 - - - - 5 0 0 。c ) ，对原料及产物的热稳定性要求很高，这些因素都限制了气 相氧化反应的广泛应用。 1 2 4 电化学合成方法 使用电化学的方法来氧化原料制得产品被广泛研究，其中大量运用间接电解氧化 法。间接电解氧化是指媒介与电极之间进行电子交换，之后媒质在溶液中与底物进行电 子交换发生氧化反应得到产物。交换电子后的媒质又返回到电极中进行电子交换，如此 循环煤质进行反应不断得到产品。整个间接电解氧化合成过程就是反应物和电极间通过 媒质进行电子传递的过程【3 2 1 。 1 2 4 1 采用c 0 3 + c 0 2 + 为氧化媒质 c h c o m n i n e l l i s t 3 3 1 以c 0 2 ( s 0 4 ) 3 作为氧化剂，产率接近8 0 。马淳安等人使用电化 学方法制备硫酸钴( 1 1 1 ) ，并且用其作为氧化剂间接电解氧化合成邻硝基苯甲醛。邻硝基 苯甲醛的得率可达7 4 。 1 2 4 2 采用c e 4 v c e 3 + 为氧化媒质 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 + 对邻硝 基甲苯进行氧化，邻硝基苯甲醛的收率为4 0 1 3 5 】。 电解反应如下： 阳极：c e 3 + ( 枷_ c e 4 + ( a q ) + e + 阴极：2 h + ( 枷+ 2 矿_ h 2 ( g ) 氧化反应： i q 一，c n 。h 3 2 + 4 c e 4 + + h 2 。v ，c n 。h 0 2 + 4 c e 3 + 十4 h + 以c e ( c 1 0 4 ) 3 h c l 0 4 为氧化媒质，氧化邻硝基甲苯得到邻硝基苯甲醛，c e 4 + 通过电 化学方法再生循环利用。在邻硝基甲苯过量的情况下，邻硝基苯甲醛相对于c d + 的产率 为5 0 - 6 0 3 6 1 。 1 2 4 - 3 采用c r 6 + c d + 作为氧化媒质 张忠诚3 刀等人在研究了以c r 0 3 为氧化剂，在浓硫酸、醋酸混合溶液中，将邻硝基 甲苯氧化为邻硝基苄叉二乙酸酯，经水解后得到邻硝基苯甲醛。 1 2 4 4 采用v 5 - 4 + 作为氧化媒 8 硕上论文邻硝桀苯甲醛的合成t 艺研究 采用v 5 w 4 + 作氧化媒质，邻硝基甲苯为原料，做溶剂，在浓硫酸存在下，以十六 烷基三甲基溴化铵( c t a b ) 为相转移催化剂，用槽内式电合成邻硝基苯甲醛【3 8 】。 q 一，c n 0 2 + h 3 吵4 咿 v ，c n 。h 0 2 + 4 v 4 + + 4 h + 1 2 4 5 电解液的循环利用 1 9 7 9 年，在研究邻甲基磺酸胺氧化为邻甲基磺酰亚胺的实验过程中，k u h nat 等人 发现对参与反应的c r 6 + 进行再生时，循环过程的电流效率有所下降 3 9 , 4 0 】，其主要原因在 于：反应循环电解液中的有机物在电极上被氧化，消耗电能，从而导致电流效率下降， 循环电解液中的有机物会在电极上形成覆盖膜，改变电极的性能，降低氧的过电位，使 析氧增加，导致电流效率下降。其中，在直接电氧化过程中，有机物在电极上发生聚合， 导致电极失活；为避免这种情况，在间接电氧化过程中，采用槽外法使氧化还原媒质循 环使用，不直接把有机反应物加入到电解槽中，但是，这样还是会有少量溶于电解媒质 的有机物在循环过程中进入电解槽从而导致电极钝化，使电流效率随着循环次数的增加 而降低。 t z e d a k i s 等人【4 l 】提出在电解媒质返回电解槽之前，用c h 2 c 1 2 对其进行萃取和闪蒸， 通过该技术可以保护电极不被钝化，使电流效率保持在9 0 以上。 目前，国内在提高循环电解电流效率方面做了很多研究。采用最多的方法就是用活 性炭处理循环电解液，即向反应后的循环电解液中加入活性炭，充分搅拌后，过滤分离， 滤液返回电解槽中重新使用。另外，还有用加氢汽油萃取法处理循环电解液，但效果不 理想。 由以上内容可以看出，尽管电化学合成具有很明显的优势，但由于它自身的问题始 终没有得到有效的解决，使得这一领域的研究进展缓慢。其面临的主要问题是： 1 ) 由于有机物间接电合成反应一般是两相或多相体系，反应要在较强的搅拌速率 下才能完成，因此，一定量的有机物会吸附在电极表面上，导致电极表面污染，使用寿 命降低。 2 ) 有机物在电极表面上的副反应导致电极表面严重“失活 ，从而导致反应过电 位迅速增加，更加剧了这类副反应的发生。有机物在电极表面上吸附及副反应的发生阻 碍了电极表面上的电子交换过程，影响了反应的正常进行。 可见，在利用电化学方法合成邻硝基苯甲醛这一问题上，还有待于进一步的研究和 探索，以得到条简便、经济、适用于工业生产的合成路线。 9 l 绪论 硕上论文 1 3 选题意义与研究背景 邻硝基苯甲醛的合成方法有许多，不同的合成路线虽然都能达到合成邻硝基苯甲醛 的目的，但或因反应条件苛刻，或因生产难度高，均不甚理想【4 2 ，4 3 】。本课题采用的邻硝 基甲苯作为主要原料，经缩合、水解、氧化3 步制得邻硝基苯甲醛的工艺路线具有工艺 简单、原料易得、生产成本低等特点，具有一定的研究意义【4 4 1 。在该方法的基础上，我 们深入研究其反应条件【4 5 舶】，优化工艺，并探索相似的合成方法【4 7 , 4 8 , 4 9 ，使之达到提高 产率，环境友好的目的。 1 4 本论文的主要研究内容 1 ) 以邻硝基甲苯、草酸二乙酯为原料，在乙醇钠的乙醇溶液中进行缩合反应，再 进行水解，结束后用水蒸气蒸馏回收未反应的邻硝基甲苯，得到邻硝基苯丙酮酸溶液， 加入高锰酸钾氧化后，经过抽滤、萃取、分离等后处理步骤后得到产物邻硝基苯甲醛。 c y ：芝+ c c 。( ，c z h s ，zc 2 h 5 0 n a 顶、，c n ( h ，2 2 c ( c ( ( c 2 h 5 堡g ? 。o h k 2 c o 3 k m n 0 4 v ，c n 。h 0 2 2 ) 次氯酸钠溶液( 次氯酸钙) 作为氧化剂对邻硝基苯丙酮酸进行氧化，形成中间 产物邻硝基二氯苄叉，与酸性条件下水解得到产物。 领c h 2 2 c o o hc：hc h 2 s 0 4 q ： 3 ) 以邻硝基甲苯、草酸二乙酯为原料，在水溶液、甲苯混合介质中，使用乙醇钾 催化反应，得到邻硝基苯丙酮酸乙酯烯醇钾盐，再以3 0 h 2 0 2 溶液氧化得到邻硝基苯 甲醛。 1 0 硕l j 论文邻硝基苯甲醛的合成 艺研究 q 誓嚣一。k q ? 徙+ 2 h 2 0 2 ( 5 0 ) 甲苯 3 0 n a o h g ? 日一删 、，一c n 。h 0 2 + 墓暑；笺+ 2 h 2 。 通过因素实验和正交实验对以上各条路线分别考察缩合一步反应中，原料配比、反 应温度，反应时间、催化剂种类、用量等因素对原料转化率的影响，找到最佳反应条件。 考察氧化一步反应中，反应溶剂、p h 值、催化剂种类、氧化剂用量对产物收率的影响， 找到最佳反应条件。 2k m n 0 4 氧化合成邻硝基苯甲醛的t 艺研究硕士论文 2k m n 0 4 氧化合成邻硝基苯甲醛的工艺研究 本章以邻硝基甲苯、草酸二乙酯为原料，在乙醇金属盐溶液催化下，k m n 0 4 或n a c l 0 溶液作氧化剂，通过三步反应制备邻硝基苯甲醛。在此，分别对缩合和氧化反应进行实 验和讨论。 2 1 缩合反应 2 1 1 实验 2 1 1 1 试剂 表2 1 主要试剂及其厂家 试剂厂家 邻硝基甲苯( 分析纯) 草酸二乙酯( 分析纯) 乙醇钠( 8 0 ) 乙醇钾( 9 7 ) 钠( 分析纯) 环己烷( 分析纯) 高锰酸钾( 分析纯) 无水碳酸钠( 分析纯) 次氯酸钠溶液( 化学纯) 次氯酸钙( l r ) 硫酸( 分析纯) 活性碳( 粉) ( 分析纯) 国药集团化学试剂有限公司 成都科龙化工试剂厂 上海凌峰化学试剂有限公司 a l f a 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 上海凌峰化学试剂有限公司 南京化学试剂有限公司 上海凌峰化学试剂有限公司 南京化学试剂有限公司 上海中试化工总公司 上海实意化学试剂有限公司 2 1 1 2 仪器 1 2 硕_ ：论文邻硝基苯甲醛的合成丁艺研究 表2 2 仪器及其厂家 仪器厂家 6 8 2 0 型气相色谱仪 6 0 0c o n t r o l l e r 高效液相色谱 t r a c eu l t r a - t r a c ed s q 型g c - m s t e n s o r 2 7 型傅立叶变换红外光谱仪 核磁共振仪d r x 5 0 0 美国a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 公司 美国w a t e r 公司 美国t h e m oe l e c t r o nf i n n i g a n 公司 德国b r u k e r 公司 德国b r u k e r 公司 2 1 1 3 实验步骤 + c o 皿詈 c h 2 ，c c 0 2 e t 2h 2 0 0 0 - 1 v ， 在1 0 0m l - _ - - 口反应瓶中加入一定量的无水乙醇，将乙醇钠投入缓慢溶解，待溶解完 全后，在搅拌下缓慢滴加1 4 6g 草酸二乙酯，滴加时温度不要超过3 0 ，加毕，搅拌3 0 m i n ，再加入1 3 7g ( o 1m 0 1 ) 邻硝基甲苯。加热回流3 0m i n ，降温后向反应瓶中缓慢滴 加一定量德水，后升温回流1 2 0m i n 。反应结束后进行水蒸汽蒸馏【5 0 , 5 1 1 ( 回收未反应的邻 硝基甲苯) ，直到不再有乳白色液体和油珠蒸出为止。蒸出液分为两层，水层弃去，邻 硝基甲苯层加氯化钙脱水干燥后重蒸，可用于下次反应。残馏液即为邻硝基苯丙酮酸盐 溶液，用作下一步反应。 2 1 2 结果与讨论 缩合反应是草酸二乙酯作为缩合剂与邻硝基甲苯在乙醇钠的作用下脱去一分子醇 而与邻硝基甲苯相互缩合起来的【5 2 】，其机理类似于克莱门森缩合。反应原料邻硝基甲苯 的甲基的邻位上连有硝基，硝基具有的的诱导作用和共轭效应，导致邻位甲基上的氢表 现出特殊的反应活性。在强碱性的乙醇钠催化下，甲基脱去一分子的a 活泼氢，形成亲 核试剂进攻草酸二乙酯酯基中的羰基碳原子，导致乙氧基( - o c 2 h 5 ) 离去，缩合反应生 成邻硝基苯丙酮酸乙酯。此反应条件要求严格，必须在无水条件下操作，转化率相对较 低。 q c = 3 _ c 2 h 5 0 n aq ：父岁善o 晚h s q ? o c 2 h 5 2k m n 0 4 氧化合成邻硝基苯甲醛的工艺研究硕士论文 在水解过程中o h 。进攻邻硝基苯丙酮酸乙酯酯基中羰基碳原子，乙氧基( - o c 2 h 5 ) 离去，生成邻硝基苯丙酮酸，形成钠盐。 o q 一，c n 。h 2 2 c 0 一q c h 2 2 c o o h 。h 2 1 3 原料配比对转化率的影响 在这一系列反应中，选定乙醇钠作为反应催化剂、反应时间为3 0m i n 、温度为8 0 ，以不同的原料配比进行实验，考察原料配比对转化率的影响，其结果如表2 3 所示： 表2 3 原料配比对转化率的影响 反应条件t 乙醇：2 0 m l ；温度：8 0 。c ；时间：3 0m i n ；催化齐u ：c 2 h 5 0 n a 由表2 3 可以看出，原料邻硝基甲苯与草酸二乙酯的缩合反应理论摩尔比是1 ：1 ，但 通过实验发现在草酸二乙酯稍过量的情况下，邻硝基甲苯的转化率相对较高，当两种原 料加入量的摩尔比达到1 ：1 5 左右反应基本完全，再加入草酸二乙酯对邻硝基甲苯的转 化率没有显著的提高，会造成浪费，所以我们选取原料摩尔比为1 ：1 5 作为最优配比。 2 1 4 反应温度对转化率的影响 在缩合反应中，选定原料配比1 ：1 5 、以乙醇钠作为反应催化剂、反应时问为3 0m i n ， 以不同反应温度进行实验，考察反应温度对产率的影响，其结果如表2 4 所示： 1 4 硕+ 论文邻硝皋苯甲醛的合成工艺研究 表2 4 反应温度对邻硝基甲苯转化率的影响 反应条件：乙醇：2 0 m l ；刀郫硝基甲苯：甩草馥_ 己蠡= 1 ：1 5 ；时间：3 0m i n 催化刑：c 2 h 5 0 n a 4 0 6 0 8 0 1 0 0 t e m p e r a t e f c 图2 1反应温度对邻硝基甲苯转化率的影响 由图2 1 可以看出：当温度较低时，原料和催化剂的活性都很低，反应很难进行， 随着温度的上升，反应逐步加快，邻硝基甲苯的转化率开始呈现上升趋势，8 0 1 0 0 时 反应的转化率较稳定。但在温度升高的同时反应物活性也相应增加，将会导致副反应发 生，使产品收率与品质均下降。故综合技术与经济双重因素考虑，选择8 0 。c 为适宜温度。 2 1 5 反应时间对转化率的影响 该反应中，在选定原料配比为1 ：1 5 、乙醇钠作为反应催化剂，反应温度8 0 ( 2 条件 下，考察反应时间对转化率的影响，结果如表2 5 所示： 阳 加 伸 。 琴g叱cois|霉芒oo 2k m n 0 4 氧化合成邻硝基苯甲醛的工艺研究 硕十论文 表2 5 反应时间对邻硝基甲苯转化率的影响 反应条件：乙醇：2 0 m l ；玎邻硝摹甲苯：即草馥二乙翻= l ：1 5 ；温度：8 0 。c 催化剂：c 2 h 5 0 n a 01 02 03 04 05 06 0 t i m e m i n 图2 2 反应时间对邻硝基甲苯转化率的影响 由图2 2 可以看出：在确定其他反应条件下，邻硝基甲苯的转化率随着反应时间的 延长而升高，当达到3 0m i n 之后，反应的转换率没有大幅度的提高，基本保持稳定。 而且通过反应产物的h p l c 鉴定，随着时间的延长，产物的液相图中杂峰变多，这表明 反应在3 0m i n 之后，反应的副反应程度越来越高。所以，选择3 0m i n 为最优反应时间。 2 1 6 不同催化剂及其用量对反应收率的影响 在确定最优化的原料配比l ：1 5 、反应温度8 0 、时间3 0m i n 条件下，考察不同催 化剂及其用量对于反应转化率的影响，结果如表2 6 所示： 1 6 两 m 记 阳 髓 斛 敏 零。一西正co一亭jo，cou 硕士论文邻硝基苯甲醛的合成t 艺研究 表2 6 催化荆类型利埘鼙对邻硝基甲苯转化率的影响 反应条件：乙醇：2 0 m l ；疗铝鞴肇甲苯：疗簟馥一乙昏= i ：1 5 ；温度：8 0 。c 时间3 0m i n 由上表可知，c 2 h 5 0 k 作为催化剂时，邻硝基甲苯的转化率相比于c 2 h 5 0 n a 做催化 剂时要高，可以推知，催化剂的碱性越强，对于缩合反应的催化效果越好。在缩合反应中， c 2 h 5 0 k 作为一种原料要参与其中，当c 2 h 5 0 k 与邻硝基甲苯的摩尔比达到1 5 ：1 时，邻 硝基甲苯转化率达到8 4 1 0 ，加入过多的c 2 h 5 0 k 无法有效地提高转化率，因此我们 选取c 2 h 5 0 k 作为催化剂，甩：刀邻硝基甲苯= 1 5 ：1 作为反应条件。 2 1 7 正交实验 通过多次实验证明：反应温度、反应时间和催化剂用量是影响邻硝基甲苯转化率的 几个主要因素。因此，接下来的实验采用l 9 ( 3 3 ) 正交实验考察以上各因素对邻硝基甲苯 转化率的影响，结果如下表2 7 、2 8 ： 表2 7l 9 ( 3 3 ) 正交实验冈素与水平 1 7 2k m n 0 4 氧化合成邻硝摹苯甲醛的工艺研究 硕卜论文 表2 8 正交实验结果 由表2 8 可以看出：各影响因素作用大d , l l l 页序是：b c a ，合成中的最佳工艺条 件为：a 2 8 3