对硝基苯甲醚合成工艺研究.docx

1、对硝基苯甲醚合成工艺研究对硝基苯甲醚合成工艺研究摘要:本文综述了合成对硝基苯甲醚的各种方法。本文重点介绍以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠为原料合成对硝基苯甲醚的相转移催化剂法。关键词:对硝基苯甲醚 合成 相转移催化剂 研究进展The study on the synthesis process of p-NitroanisoleAbstract:Various ways to synthesise p-Nitroanisole were described. This paper put emphasis on the way in which p-Nitroanisole was synthes

2、ized from p-nitrochlorobenzene with methanol and sodium hydrate in the presence of phase transfer catalyst.Key words:p-Nitroanisole;synthesis;phase transfer catalyst;research progress1 前言1.1 开题依据对硝基苯甲醚(C7H7NO3,p-Nitroan isole,简称PNA)又称对硝基茴香醚,熔点54,沸点259,溶于乙醇和乙醚,在水中溶解度很小,为黄色结晶。对硝基苯甲醚是合成对氨基苯甲醚等化合物的重要前期物

3、质2,9,是合成颜料、染料和医药的重要中间体1,7。对硝基苯甲醚作为重要的有机中间体,近年以来由于我国纺织、染料、制药等工业的发展,以及国内外市场需求的增加,从而有着巨大的市场前景。国内对硝基苯甲醚的生产目前最常用的方法是对硝基氯苯催化甲氧基化。本文重点介绍以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠为原料合成对硝基苯甲醚的相转移催化剂法。1.2 对硝基苯甲醚合成工艺发展目前,我国大多采用对硝基氯苯法。在大量甲醇存在下对硝基氯苯与固体氢氧化钠在加压釜中反应约1013h合成对硝基苯甲醚。但此工艺有着反应时间长,甲醇消耗量大,副产物对硝基苯酚生成大,收率低下,环境污染等问题4,11。而采用相转移催化法合成对硝基苯

4、甲醚,可以克服现行工艺中的诸多缺点,而且相转移催化反应副反应极少,反应体系中未能检出氧化偶氮苯、偶氮苯和酚类等副产物,从而能创造出更多的社会、经济以及环境效益4。对硝基苯甲醚的产量和质量直接影响其下游产品的生产和销售,相转移催化剂的应用给对硝基苯甲醚的市场带来新的生机。常用的小分子相转移催化剂有季铵盐(苄基三乙基氯化铵、四丁基溴化铵、四丁基硫酸氢铵)、季铵碱、季磷盐、叔胺(吡啶,三丁胺)、聚醚(如链状聚乙二醇,链状聚乙二醇二烷基醚)以及环状冠醚(如18冠6,15冠5)等,其催化效果好,但有着一次使用且稳定性差的缺点6,7。为此,近年来研发的高分子相转移催化剂,能够克服上述小分子相转移催化剂的缺

5、点,在有机合成中的逐渐得到广泛的应用。例如,聚苯乙烯固载聚乙二醇树脂作催化剂;高分子固载季铵盐作催化剂,其中有聚苯乙烯固载的季铵盐树脂、吡啶树脂、三乙胺树脂、三乙醇胺树脂,聚苯乙烯固载的吡啶树脂,氯化聚氯乙烯固载三乙胺树脂,聚氯乙烯固载的吡啶树脂、多乙烯多胺树脂等。以上几种高分子相转移催化剂在合成对硝基苯甲醚中效果均良好,产品收率达90%以上6。高分子催化剂使用、保存方便,可重复使用,对环境友好,对设备腐蚀小,应用前景广阔。但高分子相转移催化剂也有合成麻烦、成本较高的缺点。若将PTC活性中心以一定方法接枝到聚合物载体上,可制成三相转移催化剂。该催化剂除具有PTC的反应条件温和,选择性高,副产物

6、少等优点外,还具有高分子试剂稳定性好,能回收和重复使用,分离方便等11诸多优越性,克服传统工艺甚至二相转移催化工艺中的一些缺陷。2 文献综述2.1 以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠(或氢氧化钾)为原料简易合成法在不使用催化剂时,甲醇和氢氧化钠反应生先成甲醇钠,甲醇钠再和对硝基氯苯反应生成对硝基苯甲醚。此法条件温和,操作简单,但由于反应体系里含有苯环结构,因此在甲醇中的溶解度极低。所以,在没有催化剂的情况下,互溶性差,反应耗时长,而且副产物对硝基苯酚等较多,对环境污染较为严重1。俞善信和文瑞明由对硝基氯苯和甲醇在氢氧化钾存在下,未使用催化剂而直接合成对硝基苯甲醚9,反应时间短,操作方便。因为氯化钾在

7、甲醇中的溶解度小于氯化钠在甲醇中的溶解度,所以在非催化剂存在下使用氢氧化钾能更有效地合成对硝基苯甲醚9。2.2 以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠(或氢氧化钾)为原料相转移催化剂法研究发现在反应中使用相转移催化剂,速率可显著提高。因相转移催化剂可使参加反应的离子OCH3-从水相转移到有机相,加速处在不互相溶解的两种溶剂中的甲醇钠与对硝基氯苯的反应1。该反应过程中,首先是溶解在水相中甲醇与氢氧化钠反应,生成CH3ONa,CH3ONa是一个强碱,CH3O-具有很强的亲核性,由于对硝基氯苯中氯原子的对位有很强的吸电基-NO2的存在,与氯原子相连的芳环碳原子电子云密度较少,具有较强的接受电子的能力4,受到亲

8、核试剂CH3O-的进攻,发生芳香族亲核取代反应。以一种相转移催化剂季铵盐(Q+X-)为例,季铵盐的分子既有可溶于有机相的基团,又有可溶于水的基团。季铵盐中的正与负离子在水相形成离子对,可以将负离子从水相转移到有机相,而在有机相中,负离子无溶剂化作用,而且正负离子之间作用弱,因而反应活性大大提高5。硝基苯甲醚合成反应式如图1。卤代苯和脂肪醇在季铵盐作为相转移催化剂的条件下反应生成醚,脱去一份氯化氢,以氢氧化钠水溶液为缚酸剂。在对硝基苯甲醚合成反应中,甲醇与氢氧化钠先反应生成亲核试剂CH3ONa,然后催化剂与水相中的亲核试剂形成离子对Q+CH3O-,使原来不溶于有机相的亲核试剂进入有机相,与有机相

9、中的反应物生成产物,反应后离去的基团与Q-又结合成离子对,返回水相循环此过程就实现了两相间的转移4。相转移催化剂没有损耗,重复地起“转送”负离子的作用,使反应不断发生。相转移催化过程见图2。常用的催化剂有季铵盐、季磷盐、冠醚、线性聚氧乙烯类催化剂(如聚氧乙烯脂肪醇、聚氧乙烯烷基酚以及聚乙二醇等)3、壳聚糖钯、聚苯乙烯-多乙烯多胺树脂、聚苯乙烯固载聚乙二醇树脂、苯乙烯和二乙烯苯共聚物固载季铵盐等1。2.2.1 季铵盐作催化剂季铵盐虽不大稳定,但却是相转移催化剂中研究得最早、应用较广的一类相转移催化剂7。其中三乙基苄基氯化铵作为常用的季铵盐,可以使正常条件下难进行的反应进行,缩短反应时间,提高产率

10、,在有机合成中有着非常广泛的应用8。章亚东和高晓蕾等在氢氧化钠碱性介质中,以氯化苄基三乙基铵为相转移催化剂,由对硝基氯苯和甲醇反应合成了对硝基苯甲醚,产品收率高纯度也高4。李玉红,孟小华的相关研究表明:在对硝基苯甲醚的合成反应中,加入相转移催化剂TEBA后,此反应的反应收率可达到92%以上,较不加催化剂的反应收率提高了10个百分点8。作者使用一定量的对硝基氯苯,甲醇和季铵盐加热至70,恒温回流。然后一次性加入预热至65的35%的氢氧化钠溶液反应2h,升温至80再反应2h。得到的反应物在不断搅拌下倒入冷水中,进行抽滤,再用蒸馏水洗,抽干得到结晶物。经过分析,产品纯度高,收率良好。2.2.2 聚乙

11、二醇作催化剂相转移催化剂中,季铵盐的乳化作用明显,稳定性差,产物的分离、纯化有一定的困难;冠醚类价格贵,且有毒性,应用受到一定的限制3。采用聚乙二醇(又称聚氧乙烯化合物)为相转移催化剂制取对硝基苯甲醚,不仅价廉、来源丰富、化学稳定性好、无毒,且反应条件温和,操作简便3,7。陈邦俊采用聚氧乙烯化合物为相转移催化剂,比较了原料与催化剂,原料与碱的不同摩尔此,对转化率的影响。在适当控制配比的条件下,获得对硝基苯甲醚收率为95%,含量为98%的结果3。褚斐,杨祥,周朝昕也研究了对硝基氯苯在聚乙二醇相转移催化剂作用下合成对硝基苯甲醚16。研究表明:此法能在常压下进行,条件温和,操作简便,产品质量好,收率

12、高而且副产物少。克服了之前老工艺甲醇循环量大,能耗大及污染严重等缺点3,7。2.2.3 聚氯乙烯-多乙烯多胺树脂作催化剂聚氯乙烯与多乙烯多胺反应,制备一种具有固载季铵离子结构的树脂,根据其在甲醇中的良好溶胀性能,成功地用它合成了对硝基苯甲醚10。李善吉的对硝基苯甲醚的合成技术如下:在三颈烧瓶中加入一定量的季铵碱型树脂催化剂(聚氯乙烯(PVC)与多乙烯多胺反应而成)和无水甲醇溶胀过夜。再加入反应物对硝基氯苯和氢氧化钠,在6065中搅拌反应一定时间。然后蒸馏回收多余的甲醇,加水搅拌,冷却滤出碱液。沉淀用水洗至中性,用热乙醇溶解产物,趁热过滤分离出催化剂(可重复使用),冷却,析出沉淀,过滤,干燥得产

13、品并测定熔点。将乙醇液蒸馏回收,待蒸出大部分乙醇后,加入少量水,摇动,冷却,抽滤,水洗,得浅黄色结晶(第二批产品)2,10。实验表明合成的聚氯乙烯-多乙烯多胺树脂具有稳定的催化性能以及良好的亲水性能。2.2.4 壳聚糖钯作催化剂壳聚糖是甲壳素的脱乙酰化产物,分子内有大量氨基和羟基,对过渡金属离子具有较强的吸附和螯合能力。壳聚糖作为金属催化剂的首选载体,是一种用途广泛的环境友好型高分子材料17。童永芬,唐星华,舒红英以天然可降解高分子壳聚糖为载体,在室温下通过与PdCl2盐酸溶液作用制得壳聚糖PdCl2的黄色粉末,然后进一步在乙醇中回流还原制得壳聚糖钯配合物催化剂。他们三人研究了在不同反应条件下

14、该催化剂对合成对硝基苯甲醚的催化性能。研究表明:将壳聚糖载钯催化剂应用于合成对硝基苯甲醚的反应,条件温和,产率较高。而且壳聚糖在自然界中的储量巨大,且催化剂重复使用率高,从而有效地提高了贵金属钯的利用率17。2.3 聚苯乙烯-二乙烯苯接枝聚乙二醇作催化剂章亚东,蒋登高合成出了聚苯乙烯-二乙烯苯接枝PEG-400并以此为三相转移催化剂,研究了对硝基苯甲醚的合成工艺。考察了催化剂、氢氧化钠、甲醇用量等对反应转化率的影响,建立了较佳的合成工艺条件11,15。此法产品纯度高,催化活性高,无毒、反应后易分离可重复使用。三相相转移催化是将PTC活性中心通过一定方法接枝到载体上,形成高分子支载化三相相转移催

15、化剂,与可溶性PTC相比具有不溶于水、酸、碱和有机溶剂等特点。三相催化剂已高分子化,挥发性小,毒性相应减少,且有容易保存、分离、回收等优点。常用载体有聚苯乙烯树脂、氯化聚氯乙烯等有机载体以及硅胶、氧化铝等无机载体。有机载体中,聚苯乙烯树脂价廉易得、稳定性好,成为目前应用最广泛的高分子载体15。2.4 以硝基酚与卤代甲烷为原料合成以对硝基苯酚和氯甲烷为原料,加入氢氧化钠作用下,在145155的温度和0.81.8mP的压力下,可以制得对硝基苯甲醚。此方法产率高,产物纯度高,但需要在加压的条件下才能进行,所以目前只适合在实验室中合成,还不适合工业化生产1。2.5 苯甲醚的硝化以苯甲醚和硝酸为原料,在

16、硫酸的催化下硝化,可以制得对硝基苯甲醚。该法的主要原料苯甲醚不易大量获得,在硝化过程中有副产物,而且分离比较困难。所以此法不常使用,必须寻找比较理想的催化剂减少副产物邻硝基苯甲醚的生成1。2.6 以碳酸二甲酯与对硝基苯酚为原料合成在以活性炭为载体和以KOH为活性组分的固体作为催化剂的条件下,碳酸二甲酯和对硝基苯酚合成对硝基苯甲醚1。碳酸二甲酯是一种环境友好的化学品,其分子中含有甲基、羰基、甲氧基等活性基团,可以替代剧毒化学品氯甲烷、光气等,活性远高于甲醇。虽然它目前的价格比较昂贵,但价格有望降低从而会有更广泛的应用。所以以DMC为烷基化试剂与对硝基苯酚反应合成对硝基苯甲醚是一条环境友好的绿色工

17、艺路线13。蔡明明,薛冰,李永昕研究表明:负载型KOH/AC催化剂对对硝基苯酚和碳酸二甲酯反应合成对硝基苯甲醚具有较高的活性13。3 结论综上所述,对硝基苯甲醚通常以对硝基氯苯、甲醇和氢氧化钠为原料,用相转移催化法合成。相转移催化法不需要特殊的仪器设备,也不需要价格昂贵的无水溶剂或非质子溶剂,而且反应条件温和、操作简便、副产物量少,因此成为近年来的研究热点1,16。相转移催化剂有的不稳定(如季铵盐)、有的有毒(如冠醚),而高分子相转移催化剂虽然是效果良好且能重复使用的催化剂,但其合成麻烦且成本也较高,所以也未能得到广泛应用13。有研究者在研究在使用相转移催化剂的同时,采用微波辐射,发现可以极大

18、地促进化学反应,缩短反应时间,提高收率,同时成本低,具有良好的应用前景14。未来的研究方向是:用尽可能少的成本,尽可能简便的方法制备催化性能良好、选择性高、来源广泛、重复使用率高、安全方便、稳定性高、无毒环保的催化剂,达到缩短生产时间,提高反应转化率等的目的,实现生态效益、经济效益和社会效益的统一。参考文献1黄国华.对硝基苯甲醚的合成方法综述J.化学工程与装备,2011(8):131-132.2李善吉.对硝基苯甲醚的相转移催化合成J.河北化工,2004(5):32-33.3陈邦俊.对硝基苯甲醚新合成工艺研究J.浙江化工,1990,21(3):38-39.4章亚东,高晓蕾,等.季铵盐相转移催化合

19、成对硝基苯甲醚工艺研究J.精细石油化工,2002(4):6-10.5李玉红,孟小华.三乙基苄基氯化铵相转移催化性能研究J.咸阳师范学院学报,2009,24(4):49-51.6相转移催化合成对硝基苯甲醚J.化工中间体,2004(2/3):45.7俞善信,文瑞明.相转移催化合成对硝基苯甲醚J.精细化工中间体,2003,33(5):19-20,34.8李玉红,孟小华.转移催化剂TEBAC的合成与应用研究J.宝鸡文理学院学报：自然科学版,2009,29(3):40-42.9俞善信,文瑞明.对硝基苯甲醚的简易合成法J.山西大学学报：自然科学版,2004,27(3):283-284.10李善吉.对硝基苯

20、甲醚的转移催化合成J.河北化工,2004(5):32-33.11章亚东,蒋登高，等.聚苯乙烯-二乙烯苯接枝聚乙二醇催化合成对硝基苯甲醚J.高校化学工程学报,2002,16(5):524-529.12俞善信,李军勇.聚苯乙烯三乙醇胺树脂催化合成对硝基苯甲醚J.广州化学,2001,26(1):15-18.13蔡明明,薛冰,李永昕.KOH/AC催化合成对硝基苯甲醚的研究J.江苏工业学院学报,2010,22(1):9-12.14吴萍.微波辐射相转移催化合成对硝基苯甲醚J.淮海工学院学报,2000,9(4):30-31.15章亚东,高晓蕾，等.三相相转移催化合成对硝基苯甲醚的研究J.现代化工,2002,22(1):27-30.16褚斐,杨祥,周朝昕.聚乙二醇相转移催化法制备对硝基苯甲醚J.化学与生物工程,2007,24(12):27-29.17童永芬,唐星华,舒红英.壳聚糖钯催化剂催化合成对硝基苯甲醚的研究J.南昌航空工业学院学报：自然科学版,2006,20(3):33-35.