連續(xù)化合成3，4-二氯硝基苯

王文佐，余志群

（浙江工業(yè)大學(xué)綠色制藥協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江杭州310014）

連續(xù)化合成3，4-二氯硝基苯

王文佐，余志群*

（浙江工業(yè)大學(xué)綠色制藥協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江杭州310014）

以1,2-二氯苯為原料，以硝酸/硫酸為硝化劑，經(jīng)連續(xù)硝化反應(yīng)合成了3,4-二氯硝基苯，原料1,2-二氯苯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.8%以上，產(chǎn)物3,4-二氯硝基苯的純度達(dá)到97%，二硝化物雜質(zhì)含量低于0.1%。

3,4-二氯硝基苯；硝化；連續(xù)化

0 前言

3，4-二氯硝基苯是重要的有機(jī)中間體，廣泛應(yīng)用于喹諾酮類藥物的合成，也可用于農(nóng)藥、染料的合成。

目前，3，4-二氯硝基苯的合成工藝是以1，2-二氯苯為原料經(jīng)硝硫混酸硝化反應(yīng)得到，但硝化產(chǎn)物中通常存在一定比例的異構(gòu)體2，3-二氯硝基苯以及二硝化副產(chǎn)物。為提高產(chǎn)品純度，許多學(xué)者對硝化工藝進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)反應(yīng)方式可分為：（1）釜式間歇硝化法：Blank等[1]在絕熱條件下硝化制備3，4-二氯硝基苯，產(chǎn)物中異構(gòu)體2，3-二氯硝基苯的含量達(dá)15%，3，4-二氯硝基苯的含量僅有85%。為了降低異構(gòu)體的含量，戴江等[2]、程秀蓮等[3]、蔡春等[4]分別在等溫條件下對硝化工藝進(jìn)行優(yōu)化，使主產(chǎn)物3，4-二氯硝基苯的純度從91.4%提高到95.8%，但二硝化副產(chǎn)物的含量也升高到1%左右。（2）連續(xù)化硝化：Zirngiebl等[5]以管式反應(yīng)器進(jìn)行絕熱硝化反應(yīng)，產(chǎn)物中異構(gòu)體2，3-二氯硝基苯的含量達(dá)到12%；于洋等[6]使用康寧微通道反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)，目標(biāo)產(chǎn)物3，4-二氯硝基苯收率為92.7%，仍有較多副產(chǎn)物存在。

硝化反應(yīng)強(qiáng)放熱，釜式反應(yīng)安全隱患大，連續(xù)管式硝化反應(yīng)技術(shù)具有工藝本質(zhì)安全的特點(diǎn)，適合工業(yè)化生產(chǎn)[7-10]。本研究以1，2-二氯硝基苯為原料，以硝硫酸為硝化劑，采用管式反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)，并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，降低異構(gòu)體生成比例，抑制二硝化副產(chǎn)物，提高3，4-二氯硝基苯的收率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)原理

反應(yīng)機(jī)理：硝酸在硫酸的催化下質(zhì)子化，釋放出活性組分NO2+及水[11-13]。

硝酰離子NO2+攻擊芳環(huán)得到中間體碳正離子，并迅速脫質(zhì)子形成反應(yīng)的最終產(chǎn)物[14]。1，2-二氯苯的硝化反應(yīng)歷程如下：

本實(shí)驗(yàn)中，硝酸在硫酸的催化作用下不斷分解出活性硝酰正離子NO2+，受1，2-二氯苯上氯離子定位效應(yīng)的影響，NO2+選擇性進(jìn)攻1，2-二氯苯的不同活性位點(diǎn)，形成主產(chǎn)物3，4-二氯硝基苯與副產(chǎn)物2，3-二氯硝基苯兩種異構(gòu)體，此過程中也可能會有多硝基雜質(zhì)的生成。

1.2實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

GC9720型氣相分析儀，GCT Premier型氣質(zhì)聯(lián)用儀，發(fā)煙硝酸（95%～97%）、濃硫酸、1，2-二氯苯均為分析純。

1.3實(shí)驗(yàn)步驟

稱取1，2-二氯苯147 g（1 mol）于燒杯中備用，稱取濃硫酸400 g（4 mol）和發(fā)煙硝酸69.6 g（1.05 mol）混合均勻備用。將1，2-二氯苯和混酸溶液由泵分別輸送至圖1所示的連續(xù)管式反應(yīng)器中（管長50 m，管徑3 mm，反應(yīng)溫度為40℃，停留時(shí)間為4 min）進(jìn)行硝化反應(yīng)；反應(yīng)液流出反應(yīng)器后進(jìn)入接收裝置，靜置分層，收集上層有機(jī)相，5%碳酸鈉溶液洗滌至中性，所得即為粗產(chǎn)物，GC檢測含量。

圖1連續(xù)化反應(yīng)流程圖

圖2 是標(biāo)有產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式的氣相譜圖，5.08 min是3，4-二氯硝基苯的相關(guān)峰，5.19 min是2，3-二氯硝基苯的相關(guān)峰，在7.3～7.8 min之間有4個(gè)雜質(zhì)相關(guān)峰出現(xiàn)，根據(jù)GC-MS/HRMS結(jié)果推斷是1，2-二氯苯二硝化副產(chǎn)物的四種異構(gòu)體的相關(guān)峰。

圖2 硝化產(chǎn)物GC譜圖

2 結(jié)果與討論

在鄰二氯苯的連續(xù)化硝化反應(yīng)中，影響原料轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物中異構(gòu)體比例和多硝雜質(zhì)形成的主要因素是硝化劑的組成及用量、反應(yīng)溫度、停留時(shí)間等。將連續(xù)化工藝應(yīng)用到3，4-二氯硝基苯的合成中，通過控制不同的實(shí)驗(yàn)條件，探究上述因素與產(chǎn)物之間的關(guān)系，以尋找最佳的實(shí)驗(yàn)條件。

2.1反應(yīng)溫度對硝化產(chǎn)物的影響

反應(yīng)溫度不但影響反應(yīng)速率，也影響反應(yīng)的選擇性，不同反應(yīng)溫度下管式硝化實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。硝化劑組成中濃硫酸4個(gè)當(dāng)量、發(fā)煙硝酸1.05個(gè)當(dāng)量，停留時(shí)間4 min。

表1 不同反應(yīng)溫度下的硝化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表1中可以得知：反應(yīng)溫度越高，1，2-二氯苯的轉(zhuǎn)化率越高，但不利于產(chǎn)物3，4-二氯硝基苯的生成；反應(yīng)溫度在40℃及以下時(shí)，部分原料不能完全轉(zhuǎn)化；反應(yīng)溫度升高到50℃時(shí)，主產(chǎn)物3，4-二氯硝基苯在產(chǎn)物中的含量開始下降，二硝化物含量開始升高。

2.2硫酸用量對硝化產(chǎn)物的影響

不同濃硫酸用量下的管式硝化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。硝化劑的組成中發(fā)煙硝酸1.05個(gè)當(dāng)量，反應(yīng)在40℃條件下進(jìn)行，停留時(shí)間4 min。

表2 不同濃硫酸用量下的管式硝化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以得知：硫酸用量越大，產(chǎn)物中3，4-二氯硝基苯所占的比例越大；硫酸6當(dāng)量及以下條件時(shí)，有部分原料不能完全轉(zhuǎn)化；在濃硫酸6當(dāng)量及以上時(shí)，1，2-二氯苯轉(zhuǎn)化率較大，但有較多雜質(zhì)出現(xiàn)。

2.3硫酸濃度對硝化產(chǎn)物的影響

不同濃度硫酸下的硝化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下。硝化劑組成中發(fā)煙硝酸1.05當(dāng)量、硫酸4當(dāng)量，40℃條件下進(jìn)行，停留時(shí)間4 min。

表3 不同硫酸濃度下的管式硝化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表3中可以得知：硫酸濃度越高，越有利于產(chǎn)物中3，4-二氯硝基苯的生成；當(dāng)硫酸濃度為98%時(shí)，可以使3，4-二氯硝基苯在產(chǎn)物中的比例提高到97%。當(dāng)硫酸濃度較少到92%及以下時(shí)，二硝化物含量下降，產(chǎn)物中3，4-二氯硝基苯的含量降低，并且有部分原料不能完全轉(zhuǎn)化。

2.4硝酸用量對硝化產(chǎn)物的影響

不同發(fā)煙硝酸用量下的硝化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下。硝化劑組成中濃硫酸4當(dāng)量，40℃條件下進(jìn)行反應(yīng)，停留時(shí)間4 min。

表4 不同硝酸用量下的管式硝化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表4中可以得知：硝酸用量越高1，2-二氯苯的轉(zhuǎn)化率就越高，但不利于產(chǎn)物3，4-二氯硝基苯的生成；當(dāng)硝酸用量在1.05當(dāng)量時(shí)，主產(chǎn)物純度最高；當(dāng)硝酸使用1.1個(gè)當(dāng)量時(shí)，產(chǎn)物中雜質(zhì)含量較高。

2.5管內(nèi)停留時(shí)間對硝化產(chǎn)物的影響

在不同的停留時(shí)間下進(jìn)行管式硝化實(shí)驗(yàn)，硝化劑組成中濃硫酸4當(dāng)量、發(fā)煙硝酸1.05當(dāng)量，于40℃的條件下進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果見表5。

表5 不同停留時(shí)間下的管式硝化實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表5中可以得知：停留時(shí)間越長，鄰二氯苯的轉(zhuǎn)化率越高，但產(chǎn)物3，4-二氯硝基苯的比例并未增高，當(dāng)停留時(shí)間為6 min時(shí)，轉(zhuǎn)化率并未明顯提高，但雜質(zhì)含量卻開始升高。停留時(shí)間為4 min時(shí)轉(zhuǎn)化率較高，雜質(zhì)含量較低。

3 結(jié)論

采用連續(xù)化工藝替代釜式工藝對1，2-二氯苯進(jìn)行硝化，降低了異構(gòu)體生成比例，抑制了二硝化副產(chǎn)物，提高了3，4-二氯硝基苯的收率。所得到較優(yōu)工藝條件為：濃硫酸4當(dāng)量，發(fā)煙硝酸1.05當(dāng)量，溫度40℃，停留時(shí)間4 min；在此條件下進(jìn)行管式硝化反應(yīng)時(shí)，原料1，2-二氯苯轉(zhuǎn)化率達(dá)到99.8%以上，3，4-二氯硝基苯的含量提高到97%，二硝化雜質(zhì)的生成量低于0.1%。

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Continuous Synthesis of 3，4-Dichloronitrobenzene

WANG Wen-zuo，YU Zhi-qun*
（Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China）

A process was designed for the preparation of 3，4-dichloronitrobenzene by using continuous-flow reactor.1，2-dichlorobenzene as the raw materialand was treated by mixed acid to conduct nitration. The conversion of 1，2-dichlorobenzene was excess than 99.8%，the purity of mononitration product 3，4-dichloronitrobenzene could be increased to 97%，and the dinitroaromatics were decreased to less than 0.1%.

3，4-dichloronitrobenzene；nitration；continuous

1006-4184（2017）5-0028-04

2017-01-19

王文佐（1991-），男，山東安丘人，碩士研究生，主要從事連續(xù)流技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用。

*通訊作者：余志群，E-mail：yzq@zjut.edu.cn。